ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С УСТРОЙСТВОМ ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВОГО РАЗРЯДА В МЕЖЭЛЕКТРОДНОМ ЗАЗОРЕ ИОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
ION ENGINE WITH DEVICE FOR PROTECTION AGAINST ARC DISCHARGE IN INTERELECTRODE GAP OF ION-OPTICAL SYSTEM

Предлагаемое техническое решение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при испытаниях и эксплуатации ионных двигателей (ИД).
На сегодняшний день все более актуальным становится вопрос повышения энерговооруженности космических летательных аппаратов, связанный с необходимостью решения таких задач как продолжительные экспедиции к планетам Солнечной системы, а также коррекция орбиты и поддержание ориентации современных околоземных космических аппаратов, имеющих высокую массу.
Для выполнения этих задач одними из важнейших характеристик двигателей, используемых на космических аппаратах такого класса, являются высокая газовая и электрическая эффективность, а также ресурсные характеристики. По совокупности указанных параметров наиболее перспективным является применение ионных двигателей, которые обладают наибольшим удельным импульсом среди электроракетных двигателей и ресурсом в десятки тысяч часов.
Современные ионные двигатели строятся на базе источников ионов с объемной ионизацией атомов рабочего тела электронным ударом. В качестве рабочего вещества традиционно используется ксенон. Типичный ионный двигатель с газоразрядной камерой (ГРК) на основе разряда постоянного тока представлен в источнике Goebel D.M. and Katz I. «Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters», Wiley, 2008, 508 p.
Ионизация атомов рабочего тела в таком двигателе осуществляется в ГРК за счет столкновения атомов с электронами, эмитирируемыми катодом и набирающими энергию в постоянном электрическом поле. Для исключения ухода первичных электронов на анод перед ним в ГРК создается продольное магнитное поле. Все стенки ГРК имеют катодный потенциал, поэтому первичные электроны, прежде чем достигнуть анода, совершают многократные колебания, что повышает эффективность ионизации. Для извлечения ионов из плазмы ГРК, формирования и ускорения ионного пучка служит ионно-оптическая система (ИОС), состоящая, как правило, из эмиссионного и ускоряющего электродов. На эмиссионный электрод подается положительный потенциал в несколько киловольт, который определяет энергию ионов пучка, на ускоряющий электрод подается отрицательный потенциал в несколько сотен вольт, необходимый для отсечки электронов из пучковой плазмы. Для того чтобы не допустить заряженные частицы пучковой плазмы к высокопотенциальным поверхностям, ГРК снаружи закрывается тонкостенным корпусом. За срезом двигателя на боковую поверхность корпуса устанавливается катод-нейтрализатор, поставляющий электроны в ионный пучок, что необходимо для нейтрализации объемного заряда. Таким образом ионы создают тягу, двигаясь из плазмы ГРК сквозь отверстия эмиссионного и ускоряющего электрода и ускоряясь в электрическом поле, приложенном в зазоре между ними.
При проведении стендовых испытаний и эксплуатации ионных двигателей в составе космического аппарата одной из важнейших проблем является возникновение дугового разряда в зазоре между электродами ионно-оптической системы ионного двигателя вследствие межэлектродного пробоя. Такой разряд является причиной существенной деградации электродов, поскольку ведет к локализации мощности, выделяемой в дуге на малый участок электрода. Учитывая, что эмиссионный электрод имеет толщину менее 1 мм и густо перфорирован отверстиями, даже кратковременное воздействие такой мощности может привести к плавлению материала и нарушению целостности электрода. Поэтому при эксплуатации ионных двигателей существует необходимость в механизме защиты от дугового разряда, который позволит минимизировать деградацию электродов ионно-оптической системы.
Известен патент США №7269940 (2007 г.) «Электрическая схема для защиты электродов ионного двигателя от пробоев», выбранный в качестве прототипа, в котором для решения этой задачи предлагается электрическая схема, использующая в качестве основного элемента высокоомный резистор, установленный в цепь ускоряющего электрода. При возникновении пробоя через резистор протекает большой ток, создавая на его клеммах разность потенциалов более киловольта и повышая таким образом потенциал ускоряющего электрода. Это приводит к снижению разности потенциалов между электродами и погасанию дуги.
Однако это устройство имеет следующие недостатки:
- учитывая, что потенциал цепи ускоряющего электрода при пробое приближается к потенциалу эмиссионного электрода, изоляция этой цепи также должна быть рассчитана на напряжение более киловольта;
- через резистор даже во время штатной работы двигателя течет ток, то есть в нем выделяется паразитная мощность, снижающая КПД системы;
- протекание тока через резистор, кроме того, приводит к падению напряжения, то есть на ускоряющий электрод приходит потенциал, меньший установленного источником и зависящий от величины тока. В связи с этим для стабилизации потенциала ускоряющего электрода в рассматриваемую электрическую схему включена система его измерения и подстройки напряжения на источнике питания ускоряющего электрода, что существенно усложняет схему и снижает ее надежность;
- при запуске двигателя на ускоряющем электроде неизбежно возникает большой ток, который не связан с межэлектродным пробоем. В связи с этим в схему параллельно высокоомному резистору в цепи ускоряющего электрода установлено реле, которое замыкается во время пуска двигателя и размыкается в момент его выхода на заданные параметры. Это также усложняет схему и приводит к снижению надежности системы.
Цель изобретения - обеспечить надежную работу ионного двигателя при возникновении дугового разряда, вызванного межэлектродным пробоем.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в устранении в автоматическом режиме дугового разряда в ионном двигателе, вызванного межэлектродным пробоем, без снижения КПД системы.
Указанная цель и технический результат достигаются тем, что ионный двигатель снабжен устройством для защиты от дугового разряда, вызванного пробоем между эмиссионным и ускоряющим электродами ионно-оптической системы, и представляет собой быстродействующее нормально замкнутое реле. Вход реле связан с цепью ускоряющего электрода, а выход - с цепью электромагнита. Размыкание реле происходит при величине тока, в 3-5 раз превышающей величину номинального тока в цепи ускоряющего электрода. Допустимое напряжение между входом и выходом реле составляет не менее 5000 В.
Потенциал эмиссионного электрода на использующихся ионных двигателях достигает значения 4500 В, ускоряющий электрод имеет отрицательный потенциал величиной до минус 400 В, зазор между электродами составляет до 2 мм. При таких условиях в вакууме пробой не возникает.
Однако он может возникнуть при наличии концентратора напряжения в виде заусенца или посторонней металлической частицы, что является непредсказуемым и обусловлено исключительно внешними факторами.
При высокой концентрации носителей заряда вблизи ионно-оптической системы возникший пробой вызывает загорание дугового разряда между электродами, что приводит к локальному выделению высокой мощности и существенной деградации электродов.
Необходимым условием для поддержания дугового разряда является высокая концентрация носителей заряда вблизи ионно-оптической системы, роль которых в ионном двигателе выполняют заряженные частицы плазмы, генерируемой между катодом и анодом ГРК.
При возникновении пробоя, согласно изобретению, резко снижают величину концентрации носителей заряда вблизи электродов за счет отключения магнитного поля в ГРК, что приводит к погасанию дугового разряда. Для этого в электрическую схему двигателя введено реле, вход которого связан с цепью ускоряющего электрода, а выход - с цепью электромагнита. При размыкании реле разряд локализуется в прикатодной области, резко снижается плотность плазмы вблизи ИОС, и, таким образом, дуговой разряд погасает.
На основе этой идеи разработан ионный двигатель, снабженный устройством защиты от дугового разряда, вызванного межэлектродным пробоем, схематично изображенный на фигуре.
Устройство для защиты представляет собой нормально замкнутое быстродействующее реле, например электромагнитное или оптореле.
Вход реле 3 связан с цепью ускоряющего электрода и подключен между минусовой клеммой его источника питания 2 и самим ускоряющим электродом 6, а выход реле связан с цепью электромагнита 4 и подключен между минусовой клеммой его источника питания 1 и самим электромагнитом 4.
Устройство работает следующим образом.
При возникновении пробоя ток в цепи ускоряющего электрода 6 растет. Когда величина тока в 3-5 раз превышает величину номинального тока в цепи ускоряющего электрода, нормально замкнутое быстродействующее реле 3 размыкается, отключая таким образом питание электромагнита 4. При этом резко падает концентрация носителей заряда вблизи эмиссионного 5 и ускоряющего 6 электродов, дуговой разряд гаснет, снижается ток в цепи ускоряющего электрода и реле 3 вновь замыкается. После этого продолжается штатное функционирование двигателя. Электрическая прочность изоляции, то есть допустимое напряжение между входной и выходной цепями реле, составляет не менее 5000 В.
Такое устройство позволяет в автоматическом режиме надежно устранять дуговой разряд, вызванный межэлектродным пробоем в ионно-оптической системе ионного двигателя и обеспечивает его надежную работу.