ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ
PLASMA ENGINE WITH CLOSED DRIFT OF ELECTRONS

Изобретение относится к плазменной технике, непосредственно касается разработки плазменных двигателей с замкнутым дрейфом электронов или Холловских двигателей и может быть использовано при разработке электроракетных двигателей, а также технологических ускорителей плазмы, применяемых в вакуумно-плазменной технологии.
Ускорители заряженных частиц и плазменных потоков широко известны в науке и технике и используются для решения различных практических задач [Плазменные ускорители. Под ред. Арцимовича Л.А. - М.: Машиностроение, 1974 г., с.54-95].
Ранее были изучены и разработаны на базе ускорителя с замкнутым дрейфом электронов плазменные двигатели двух типов. Один из них, так называемый плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения, имеет диэлектрическую разрядную камеру с кольцевым ускорительным каналом, выходная часть которого размещена между магнитными полюсами, анод-газораспределитель, расположенный в глубине ускорительного канала, и катод-компенсатор. Плазменный же двигатель с замкнутым дрейфом электронов другого типа - так называемый двигатель с анодным слоем (ДАС), имеет конструктивную схему, аналогичную плазменному ускорителю первого типа (также часто называемого стационарным плазменным двигателем (СПД)), но в отличие от него имеет металлическую разрядную камеру. В обоих типах плазменных двигателей в большинстве случаев из конструктивных соображений и простоты взаимной компоновки узлов катод-компенсатор размещен асимметрично во внешней области преимущественно с одной из боковых сторон плазменного двигателя [Плазменные ускорители. Под ред. Арцимовича Л.А. - М.: Машиностроение, 1974 г., с.75-81].
Такие известные ускорители и плазменные двигатели на их основе обеих схем имеют достаточно высокие интегральные характеристики, однако для их рабочих режимов характерны значительные колебания разрядного тока, что понижает их эффективность работы. Одним из технических решений, позволяющих существенно снизить уровень таких колебаний в разрядной цепи, является создание в ускорительном канале оптимальной топологии магнитного поля, нарастающего от анода к срезу разрядной камеры, то есть с положительным градиентом радиальной составляющей магнитной индукции.
st
Тем не менее, проведенные исследования в данной области показывают, что катод-компенсатор, размещенный во внешней области плазменного двигателя, оказывает существенное влияние как на свою собственную эффективность, так и на работу плазменного двигателя в целом [М.С.McDonald and A.D.Gallimore, "Cathode Position Orientation Effects on Cathode Coupling in a 6-kW Hall Thruster", IEPC-2009-113, 31International Electric Propulsion Conference, University of Michigan, Michigan, USA, 20-24 September 2009; а также Daniel G. Courtney and Manuel Martinez-Sanchez, "Diverging Cusped-Field Hall Thruster (DCHT), IEPC-2007-39, Presented at the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007]. Причиной этого являются переменные параметры и характеристики окружающего магнитного поля, которые в зависимости от местоположения катода-компенсатора могут приводить к значительным энергетическим затратам, приходящимся на транспортировку эмитируемых катодом-компенсатором электронов при их прохождении к аноду. Такая изменчивость структуры окружающего магнитного поля, а следовательно, и условий, в которых приходится функционировать катоду-компенсатору, обусловлена наличием принципиально различных областей магнитного поля. Так в межполюсном зазоре для ускорения заряженных частиц создается преимущественно радиальное магнитное поле, о топологии которого можно судить по структуре и подобности конфигураций замкнутости семейства силовых линий, область максимального действия которого находится в ускорительном канале, а с меньшим действием за его пределами. С боковых же сторон магнитной системы плазменный двигатель преимущественно окружает область так называемых магнитных полей рассеивания. Таким образом, взаимное расположение разных областей магнитного поля, а также их расположение относительно места размещения катода-компенсатора, а более конкретно именно зоны выхода эмитируемых им электронов, приводит к тому, что боковое размещение катода-компенсатора изначально представляется с большими рисками по критерию оптимальности, которое влечет за собой неэффективное функционирование катода-компенсатора.
th
В случае же гарантированного размещения катода-компенсатора непосредственно в области действия магнитного поля ускорения это приведет к тому, что отдельные элементы его конструкции окажутся под мощным воздействием бомбардировки ускоренными ионами. В результате чего происходит более раннее разрушение конструкции катода-компенсатора, что существенно ограничивает ресурс работы как самого катода-компенсатора, так и плазменного двигателя в целом [Arkhipov. В., et al, "The Results of 7000 Hour SPT-100 Life Testing", IEPC-95-039, 24 International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995, Fig.1, 16].
Когда же катод-компенсатор удаляется от зоны наиболее эффективного воздействия ускоренного потока плазмы, он в большинстве случаев оказывается уже в другой области - области магнитных полей рассеивания, что и приводит к более затрудненной транспортировке электронов к аноду и снижению его эффективности работы. Это вызвано тем, что эмитируемые катодом-компенсатором электроны вначале пути проходят через магнитное поле рассеивания в направлении его отрицательного градиента радиальной составляющей магнитной индукции, что происходит вплоть до расположения области действия ускоряющего магнитного поля. На этой части дистанции электроны, стремясь в радиальном направлении достигнуть ближайшей точки на поверхности анода, вынуждены дополнительно еще и дрейфовать в азимутальном направлении, да к тому же с замедлением своего движения вследствие отрицательного градиента радиальной составляющей магнитной индукции. После же попадания электронов в область действия ускоряющего магнитного поля, имеющего уже положительный градиент радиальной составляющей магнитной индукции, они продолжают движение в радиальном направлении к аноду, но направление их дрейфа в азимутальном направлении резко изменяется на обратно противоположное, а движение их начинается с ускорением. В результате такая траектория транспортировки электронов от катода-компенсатора, размещенного асимметрично сбоку магнитной системы, будет очень сложной конфигурации в пространстве в результате ее извилистости и кривизны из-за изменяющегося азимутального направления дрейфа электронов, что делает ее большой (избыточной) протяженности. При этом движение электронов к аноду по такой траектории, переходя из одной области магнитного поля в другую, будет переменным и из-за того более продолжительным. Очевидно, что данные факторы приведут к дополнительным энергетическим затратам и соответственно, как результат этого, к снижению эффективности работы как самого катода-компенсатора, так и плазменного двигателя в целом.
Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, принятый за прототип, содержащий разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему, включающую по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, магнитопровод, наружный и внутренний с центральным отверстием магнитные полюса, образующие рабочий межполюсный зазор с внутренней областью, простирающейся внутри ускорительного канала, и внешней областью, простирающейся за пределами выхода ускорительного канала, анод-газораспределитель рабочего газа, расположенный в донной части полости разрядной камеры, и по меньшей мере один катод-компенсатор, размещенный в центральной полости магнитной системы и содержащий поджигной электрод с центральным отверстием [Патент РФ №2030134, кл. 6 Н05Н 1/54, F03H 1/00].
В таком плазменном двигателе катод-компенсатор сориентирован соосно продольной оси плазменного двигателя и размещен в центральной полости магнитной системы - в наиболее оптимальной зоне магнитной системы, где формируется и остается стабильной в течение всего ресурса самая устойчивая топология (структура) магнитного поля. Это обусловлено тем, что внешние поверхности и кромки элементов магнитной системы в данной зоне в самой минимальной степени или практически не подвержены ионной бомбардировке и в результате отсутствия процесса эрозии их геометрическая форма остается неизменной на протяжении всего ресурса работы плазменного двигателя. К тому же центральная полость магнитной системы находится в зоне действия исключительно только области ускоряющего магнитного поля, действие которого распространяется в большей или меньшей степени, как в ускорительном канале, так и за его пределами по потоку ускоренного плазменного потока газа. В таких условиях траектория электронов при их транспортировке от катода-компенсатора до анода проходит только через одну область действия ускоряющего магнитного поля, что с точки зрения энергетических затрат является наиболее предпочтительным. Данное техническое решение позволило стабилизировать мелкомасштабные колебания в разряде и повысить в целом эксплуатационные характеристики такого известного плазменного двигателя.
Однако колебания разряда и в таком случае все же остаются, приводя к заметным энергетическим потерям плазменного двигателя. Более того, уровень колебаний, как правило, значительно возрастает при расширении диапазона рабочих характеристик. Одна из причин, порождающих развитие колебаний в разрядной цепи, и прежде всего в высокочастотном диапазоне 1-100 МГц, заключается в создании высоких положительных градиентов магнитного поля в ускорительном канале, приводящих к тому, что значительная, зачастую большая часть магнитного потока сосредоточена за срезом ускорителя. При этом если ускоряющее напряжение сосредоточено в пределах ускорительного канала, то доступ первичных электронов в ускорительный канал возможен только в результате колебаний, обеспечивающих им подвижность поперек силовых линий магнитного поля за срезом плазменного двигателя. Кроме того, вентильные свойства "неработающего" магнитного поля, пониженное действие которого распространяется по периферии межполюсного рабочего зазора, как с внешней, так и центральной зон, тем не менее, дополнительно затрудняют процесс зажигания разряда при определенных режимах. Устранение же влияния данного фактора, например, путем установки за срезом плазменного двигателя (или же, иначе говоря, за выходом ускорительного канала) последовательно нескольких катодов-компенсаторов неприемлемо с точки зрения эффективности работы плазменного двигателя в целом [см. Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1989 г., с.124-125].
При создании изобретения решались задачи по повышению КПД плазменного двигателя и улучшения плавности режима его запуска за счет устранения одной из основных причин возникновения колебаний в разрядной цепи.
Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, содержащим разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему, включающую по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, магнитопровод, наружный и внутренний с центральным отверстием магнитные полюса, образующие рабочий межполюсный зазор с внутренней областью, простирающейся внутри ускорительного канала, и внешней областью, простирающейся за пределами выхода ускорительного канала, анод-газораспределитель рабочего газа, расположенный в донной части полости разрядной камеры, и по меньшей мере один катод-компенсатор, размещенный в центральной полости магнитной системы и содержащий поджигной электрод с центральным отверстием, согласно изобретению поджигной электрод катода-компенсатора выполнен дискообразной формы из магнитопроводящего материала и размещен соосно с внешней стороны на внутреннем магнитном полюсе так, что между ними образован радиальный магнитоизолированный канал, причем поджигной электрод электрически изолирован от других элементов конструкции.
Поджигной электрод предпочтительней выполнять с габаритными размерами, соизмеримыми с габаритными размерами внутреннего магнитного полюса.
Также в серединной части поджигного электрода могут быть выполнены с радиальным смещением по меньшей мере два дополнительных сквозных отверстия, которые расположены в азимутальном направлении равномерно.
Кроме того, на внешних поверхностях поджигного электрода может быть выполнено защитное покрытие со степенью черноты по меньшей мере 0,75.
Выполнение поджигного электрода катода-компенсатора дискообразной формы и его изготовление из магнитопроводящего материала, а также размещение его с внешней стороны на внутреннем магнитном полюсе соосно ему с образованием при этом между ними радиального магнитоизолированного канала, сплошного в азимутальном направлении, когда при этом поджигной электрод электрически изолирован от других элементов конструкции, позволяет решить задачи по повышению КПД такого плазменного двигателя и улучшению плавности его режима запуска путем устранения одной из основных причин возникновения колебаний в разрядной цепи за счет того, что электроны, образующие обратный электронный ток, поступают в разрядную камеру не через поперечное магнитное поле внешней области рабочего межполюсного зазора (как в известных устройствах), а проходя через магнитоизолированный канал, образуя внутри него плазменный мостик разряда. В результате такого решения исключается одна из основных причин возникновения колебаний в разрядной цепи, связанной с прохождением электронов через поперечное магнитное поле во внешней области рабочего межполюсного зазора до приближения их к срезу ускорительного канала. Кроме того, предложенная конструктивная схема делает некритичным месторасположение катода-компенсатора относительно магнитных полюсов магнитной системы, так как в общем случае его оптимальное расположение связано с минимизацией суммарных потерь от колебаний как в основном контуре разряда, так и в контуре обратного тока. Дополнительно, исключая "неработающую" внешнюю область межполюсного магнитного зазора для первичных электронов, поступающих из катода-компенсатора на анод-газораспределитель, автоматически облегчаются и условия зажигания основного разряда плазменного двигателя.
При образовании магнитоизолированного канала важно обеспечить азимутальную однородность магнитного поля, замыкающегося на внутренний магнитный полюс. Это достигается, во-первых, за счет симметричной дискообразной формы поджигного электрода, края которого преимущественно располагаются параллельно (или близко к этому) внутреннему магнитному полюсу. А во-вторых, это достигается за счет выполнения поджигного электрода магнитопроводящим, изготовленным из магнитомягкого материала, который в результате будет являться дополнительным элементом магнитной системы, выполняющим функции дополнительного магнитного полюса подобно внутреннему магнитному полюсу. Такие предложенные конструктивные решения в конечном итоге и позволяют достичь полной симметричности конструкции рабочей зоны. Обеспечение же азимутальной однородности магнитного поля, в свою очередь, приведет к лучшей стабилизации удельных параметров и характеристик плазменного двигателя.
Выполнение поджигного электрода с габаритными размерами, близкими к габаритным размерам внутреннего магнитного полюса, но несколько меньшими с учетом износа материала внутреннего магнитного полюса в течение длительного ресурса работы, позволяет дополнительно стабилизировать структуру магнитного поля в данной зоне и удельные параметры и характеристики предложенного плазменного двигателя.
Снабжение поджигного электрода в его серединной части дополнительными отверстиями, равномерно расположенными в азимутальном направлении, позволяет организовать дополнительные торцевые выходы для той части электронов, которые непосредственно из магнитоизолированного радиального канала имеют возможность выходить во внешнюю область рабочего межполюсного зазора, шунтированную магнитоизолированным каналом, и облегчить тем самым доступ эмитируемых катодом-компенсатором электронов к ускоренному потоку плазмы по всей его протяженности, компенсируя его. Такие дополнительные выходы позволяют улучшить равномерность объемной компенсации плазмы в целом. В результате этого практически полностью исключается негативное влияние на динамику электронной компоненты "неработающей" области поперечного магнитного поля за пределами ускорительного канала. Очевидно, что данный эффект будет максимальным в случае, если магнитоизолированный канал будет выполнен в виде сплошной кольцеобразной щели.
Нанесение на внешних поверхностях такого поджигного электрода защитного покрытия со степенью черноты не менее 0,75 и более стойкого к ионной бомбардировке позволяет решить задачу по повышению его эрозионной стойкости и увеличению ресурса.
Таким образом, реализация предложенной конструктивной схемы плазменного двигателя с центральным расположением катода-компенсатора позволяет повысить его удельные энергетические характеристики и обеспечить при этом надежный, более плавный запуск.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На чертеже представлен половинный осевой разрез предлагаемого плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов, у которого с внешней стороны внутреннего магнитного полюса размещен поджигной электрод катода-компенсатора тарельчато-плоской формы и сделанный из магнитопроводящего материала, который таким образом выполняет функции дополнительного внутреннего магнитного полюса.
Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов согласно изобретению содержит разрядную камеру 1, образованную наружной 2 и внутренней 3 кольцеобразными стенками, которые формируют ускорительный канал. Кроме этого плазменный двигатель имеет один из основных элементов конструкции - магнитную систему, содержащую источники магнитодвижущей силы, которые могут размещаться на различных участках магнитного контура: например, центральный 4а и наружный 4б источники магнитодвижущей силы. Также магнитная система содержит магнитопровод 5, выполняющий также функции основного несущего и соединяющего элемента конструкции, на котором размещаются источники магнитодвижущей силы, на которых, в свою очередь, устанавливаются такие элементы, как наружный 6 и внутренний 7 магнитные полюса. Такая пара магнитных полюсов 6 и 7 образуют рабочий межполюсный зазор 9, расположенный на выходе разрядной камеры. Внутренняя область 10 межполюсного зазора простирается преимущественно на выходе ускорительного канала, тогда как внешняя область 11 расположена за пределами выхода ускорительного канала. В донной части полости разрядной камеры расположен анод-газораспределитель рабочего газа 12. В центральной полости 14 магнитной системы и далее центральном отверстии 8 внутреннего магнитного полюса 7 расположен катод-компенсатор 13, содержащий, кроме прочего, поджигной электрод 15 с центральным отверстием 16 для выхода имитируемых им электронов. С внешней стороны на внутреннем магнитном полюсе соосно размещен поджигной электрод 15 катода-компенсатора, который имеет вид плоской шайбы и изготовлен из магнитопроводящего (магнитомягкого) материала. Тогда такой поджигной электрод выполняет функции дополнительного вспомогательного магнитного полюса, и между которыми образуется радиальный магнитоизолированный канал 17, соединяющий центральную зону внешней области 11 с ее зоной в непосредственной близости к внутренней области 10, находящейся в ускорительном канале, при этом поджигной электрод электрически изолирован от других элементов конструкции.
Предпочтительней в поджигном электроде - в его серединной части выполнить с радиальным смещением несколько сквозных дополнительных отверстий 18, равномерно расположенных по азимуту и предназначенных для более лучшего распределения выходящих электронов с целью обеспечения в более равной степени свободного продольного доступа эмитируемых катодом-компенсатором электронов ко всему ускоренному потоку одновременно как вблизи, так и в средней и даже удаленной частей струи плазмы.
Для повышения эрозионной стойкости элементов конструкции на внешних поверхностях поджигного электрода может быть нанесено защитное покрытие 19, более стойкое в условиях ионной бомбардировки ускоренного потока плазмы.
Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов работает следующим образом.
В ускорительном канале разрядной камеры 1, ограниченном наружной 2 и внутренней 3 стенками, в области наружного 6 и внутреннего 7 магнитных полюсов магнитной системы при помощи источников магнитодвижущей силы: например, центрального 4а и наружного 4б, соединенных магнитопроводом 5, создается преимущественно поперечное магнитное поле по отношению к направлению ускорения ионизированного потока. В разрядную камеру 1 через анод-газораспределитель 12 подается рабочее вещество. Разрядное напряжение прикладывается между анодом-газораспределителем 12 и катодом-компенсатором 13. Запуск плазменного двигателя осуществляется с запуска катода-компенсатора 13 путем зажигания при помощи поджигного электрода 15 вначале вспомогательного разряда собственно в катоде, а после начала процесса эмиссии электронов в катоде-компенсаторе зажигается уже основной разряд в скрещенных  электрическом и магнитном полях плазменного двигателя. Вентильные свойства поперечного магнитного поля препятствуют свободному движению электронов от катода к аноду. Влияние скрещенных электрического и магнитного полей вызывает дрейф электронов  в азимутальном направлении, в процессе которого электроны ионизируют атомы рабочего вещества. Образовавшиеся в газовом разряде ионы  ускоряются за счет приложенного напряжения между анодом 12 и катодом-компенсатором 13. Все эти процессы протекают во внутренней области 10 относительно рабочего межполюсного зазора. На выходе из ускорительного канала поток ускоренных ионов компенсируется частью электронов, истекающих из катода-компенсатора 13 и проходящих более свободно по магнитоизолированному каналу 17, который образован между внутренним магнитным полюсом 7 и дискообразным поджигным электродом 15. Поджигной электрод дополнительно выполняет функции дополнительного магнитного полюса аналогично внутреннему магнитному полюсу. Таким образом, меньшая часть электронов, истекающих из катода-компенсатора 13, поступает обратным током к аноду-газораспределителю 12 в разрядной камере 1, участвуя в ионизационных процессах рабочего газа, тогда как большая часть электронов, выходя через центральное отверстие 16 и дополнительные отверстия 18 в поджигном электроде, нейтрализует ускоренный ионный поток за выходом из ускорительного канала.
Использование данного изобретения в космической технике позволит создать электроракетные двигательные установки на базе ускорителей плазмы с более высоким КПД для выполнения различных задач в составе космических аппаратов.
А использование такого изобретения в ионно-плазменной технологии позволит создать более эффективное оборудование для процессов нанесения различных покрытий и сухого травления материалов.