ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Предлагаемое техническое решение касается полезной модели, как объекта промышленной собственности, и относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при разработке и изготовлении ионных двигателей (ИД).
Известен патент на полезную модель №127511 (опубл. 27.04.2013 г., Бюл. №12) "Ионно-оптическая система ионного двигателя", в котором приведена конструкция ионного двигателя, включающего в себя корпус ИД, газорязрядную камеру (ГРК), ионно-оптическую систему (ИОС), катод ГРК, анод, катод-нейтрализатор и заземляющий электрод. Корпус ИД выполнен в форме цилиндра с одинаковой толщиной стенок и соединен с заземляющим электродом. ГРК крепится к корпусу в двух местах: через изоляторы на уровне катода ГРК и через изоляторы на уровне ИОС.
Крепление ГРК к корпусу ИД с двух противоположных сторон обеспечивает определенную жесткость конструкции, но соединение корпуса ИД с заземляющим электродом, через который передаются нагрузки от ГРК на весь корпус, ведет к необходимости повышения требований к жесткости и прочности конструкции корпуса ИД, что, в свою очередь, приведет к увеличению массы ИД в целом и ухудшению вибростойкости конструкции.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является снижение массы ИД, повышение механической прочности конструкции с одновременным уменьшением экономических затрат.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в ионном двигателе, содержащем газоразрядную камеру с катодом, корпус цилиндрической формы с установочным фланцем со стороны катода газоразрядной камеры, ионно-оптическую систему, анод, катод-нейтрализатор и заземляющий электрод, корпус ионного двигателя состоит из двух частей. Часть корпуса, расположенная между установочным и монтажным фланцами, жестко соединенными между собой несущими стойками, снабжена в местах крепления газоразрядной камеры к корпусу усиленными изоляторами с чехлами. Изоляторы расположены по двум поясам внутренней поверхности корпуса, причем один пояс расположен на уровне монтажного фланца. Другая часть корпуса выполнена облегченной и соединена с монтажным фланцем поддерживающими стойками. Несущие и поддерживающие стойки обтянуты защитными сетками.
Часть корпуса ИД, расположенная между установочным и монтажным фланцами, выполнена жесткой, прочной и принимает на себя все механические нагрузки. Усиленные керамические изоляторы с чехлами со всех сторон обеспечивают надежное соединение ГРК с корпусом, при этом разделяют электрические потенциалы ГРК и корпуса, исключая пробой (короткое замыкание). Чехлы выполняют функцию защиты керамики от возможного напыления металлических пленок, которые возникают во время работы ИД, что может привести к пробою по керамике при отсутствии защиты.
Другая часть корпуса сделана облегченной (тонкостенной) и крепится с помощью поддерживающих обтянутых сеткой стоек, которые прикреплены к монтажному фланцу корпуса. На эту часть корпуса ИД не действует нагрузка от ГРК, она держит только заземляющий электрод, а сетка снаружи стоек служит как экран от проникновения плазмы.
ИОС к корпусу ИД не крепится, а закреплена на электромагнитных катушках ГРК. При механических нагрузках жесткости электромагнитных катушек хватает с запасом для обеспечения жесткости ГРК. Соответственно ИОС выполнена облегченной и упрощенной в плане изготовления крепежных и переходных фланцев.
Все перечисленные выше конструкционные изменения в устройстве ИД приводят к снижению массы ИД, повышению механической прочности конструкции с одновременным уменьшением экономических затрат.
Предлагаемая конструкция ионного двигателя поясняется представленными чертежами: на Фиг. 1 изображена общая конструкция ионного двигателя, на Фиг. 2 представлен корпус ИД и на Фиг. 3 представлен сборочный чертеж усиленного изолятора крепления ГРК к корпусу ИД.
Ионный двигатель (Фиг. 1) включает в себя: ГРК 1, ИОС 2, катод ГРК 3, анод 4, электромагнитные наклонные катушки 5, электромагнитные прямые катушки 6, корпус ИД 7, катод-нейтрализатор 8, эмиссионный электрод 9, ускоряющий электрод 10, фланец установочный 11, фланец монтажный 12 и заземляющий электрод 13.
В состав корпуса ИД (Фиг. 2) входят фланец установочный 11, фланец монтажный 12, заземляющий электрод 13, несущие стойки 14, поддерживающие стойки 15, задняя крышка 16, кронштейны 17 и усиленные изоляторы 18. Защитная сетка на чертеже не показана.
Фланец установочный 11 скреплен с фланцем монтажным 12 при помощи несущих стоек 14, на которых закреплены кронштейны 17 для передачи нагрузки от ГРК 1 к корпусу ИД 7 через усиленные изоляторы 18. Корпус ИД 7 и ГРК 1 соединены через усиленные изоляторы 18 с помощью фланца монтажного 12 и фланца ГРК 21 (Фиг. 3). Однако на Фиг. 1 видно, что имеет место консольность в части ГРК 1 со стороны ИОС 2. К корпусу ИД 7 ИОС 2 не прикреплена и выполнена облегченной и упрощенной из-за отсутствия крепежных и переходных фланцев и нагрузка от нее минимальна, т.к. в данной конструкции несущими всю нагрузку являются электромагнитные прямые катушки 6, а именно их сердечники. При механических нагрузках жесткости электромагнитных катушек 6 хватает с запасом для обеспечения жесткости ГРК 1.
2
3
Усиленный изолятор представлен на виде А (Фиг. 3). Основным элементом является керамический изолятор 19 (можно использовать материал ALO + присадки), который состоит из двух одинаковых втулок. Втулки устанавливаются на металлическую шпильку 20 через фланец 21 (принадлежит ГРК) и стягиваются гайкой 22 с одной стороны шпильки, другой конец шпильки проходит сквозь кронштейн 17 (принадлежит корпусу ИД) и притягивается к нему гайкой 23. Сверху керамические втулки закрыты двумя металлическими чехлами 24, 25, которые крепятся к фланцу 21. Чехлы обеспечивают защиту керамических изоляторов от попадания на них распыленного металла во время работы ИД.
Ионный двигатель, с корпусом ИД 7 (Фиг. 1) работает следующим образом: подают напряжение на катод ГРК 3, запускают рабочее тело (ксенон/аргон) через катод ГРК 3 и ГРК 1, подают напряжение на анод 4, активируют магнитную систему ГРК состоящую из электромагнитных наклонных катушек 5 и электромагнитных прямых катушек 6. Перевод двигателя в рабочий режим осуществляют путем одновременной подачи высокого положительного потенциала на эмиссионный электрод 10 ИОС 2 и отрицательного потенциала на ускоряющий электрод 9 ИОС 2. Ионы из ГРК 1 через отверстия в эмиссионном электроде 10 попадают в межэлектродный зазор, где ускоряются под действием электрического поля. Компенсация положительного объемного заряда за срезом двигателя осуществляется за счет электронного тока, идущего с катода-нейтрализатора 8. Отрицательный потенциал, подаваемый на ускоряющий электрод 9, создает потенциальный барьер, препятствующий попаданию электронов из пучковой плазмы в ГРК 1.
Во время выведения на орбиту ИД в составе КА возникают высокие нагрузки как на самом КА, так и на ИД. При этом основную нагрузку на себя берет корпус ИД 7, который в первую очередь жестко закреплен на КА через фланец установочный 11 и фланец монтажный 12. ГРК 1 жестко соединен с корпусом ИД 7 через усиленные изоляторы 18 по двум параллельным поясам, распределяя равномерно нагрузку от ГРК 1.
Жесткость ГРК 1 вместе с ИОС 2 обеспечивается при помощи жестких электромагнитных прямых катушек 6, на которых закреплена ИОС 2. Облегченная часть корпуса 7 служит только для поддержания заземляющего электрода, в свою очередь тоже облегченного, и катода-нейтрализатора 8.
Предложенная конструкция ИД позволяет снизить массу ИД, повысить механическую прочность конструкции с одновременным уменьшением экономических затрат.
Образец конструкции ИД по предлагаемой полезной модели был просчитан на вибростойкость при помощи компьютера. Результаты показали значительное увеличение жесткости конструкции, что ведет к повышению надежности и вибростойкости двигателя. Эти данные были получены с учетом того, что ИД стал легче на ~30%.