Ионный микродвигатель

Полезная модель относится к ракетно-космической технике и может быть использована при разработке и изготовлении ионных двигателей (ИД).
Известен ионный двигатель, содержащий газоразрядную камеру с катодом, корпус цилиндрической формы с установочным фланцем со стороны катода газоразрядной камеры (ГРК), ионно-оптическую систему, анод, катод-нейтрализатор и заземляющий электрод. Причем корпус ионного двигателя состоит из двух частей, при этом 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, один из которых расположен на уровне монтажного фланца, а другая часть корпуса выполнена облегченной и соединена с монтажным фланцем поддерживающими стойками, причем несущие и поддерживающие стойки обтянуты защитными сетками (патент Российской Федерации №136234, опубликованный 27.12.2013).
Наиболее близкой по технической сущности (прототипом) к предлагаемой полезной модели является конструкция ионного двигателя, представленная в описании международной заявки WO 2018112184 А1, опубликованной 21.06.2018. Известная конструкция двигателя включает газоразрядную камеру с цилиндрической боковой стенкой, находящейся под анодным потенциалом, задней торцевой стенкой, изолированной относительно боковой стенки и находящейся под катодным потенциалом, и катода, расположенного на задней торцевой стенке; гибридную магнитную систему, состоящую из кольцевых постоянных магнитов, расположенных на задней панели, и электромагнитных катушек, расположенных на боковой стенке; и расположенный между каспами кольцевой электрод, изолированный относительно задней панели, находящейся под анодным потенциалом, поверхность которого эквидистантно удалена от задней торцевой стенки ГРК.
Кольцевые постоянные магниты расположены таким образом, что области каспов (полюсы постоянных магнитов) расположены за задней торцевой поверхностью, находящейся под катодным потенциалом, а магнитные силовые лини прикрывают анодные поверхности (кольцевой электрод, изолированный и расположенный эквидистантно относительно задней торцевой поверхности, и цилиндрическая боковая стенка ГРК). В данном двигателе реализован уход электронов на анод за счет дрейфа поперек магнитных силовых линий (аналогичный уход электронов на анод реализован в схеме Кауфмана). На боковой поверхности, находящейся под анодным потенциалом, предусматривается доводочный электромагнит, создающий аксиальное поле внутри ГРК. Создаваемое электромагнитом аксиальное поле ослабляет поле на оси ГРК и усиливает поле, закрывающее цилиндрическую боковую стенку ГРК, находящуюся под анодным потенциалом. Наличие электромагнита на боковой стенке позволяет увеличить объем ГРК, занимаемый первичными электронами, поступающими с катода ГРК, и, одновременно, препятствует их уходу на анодные поверхности, что повышает эффективность ионизации атомов рабочего тела и позволяет снизить потребляемую мощность двигателя, что делает двигатель более экономичным с точки зрения энергопотребления.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является повышение эффективности ионизации атомов рабочего тела при неизменных расходах рабочего тела.
Указанный технический результат решается тем, что ионный микродвигатель содержит газоразрядную камеру с катодом, катод-нейтрализатор, ионно-оптическую систему и гибридную магнитную систему, состоящую из кольцевых постоянных магнитов и электромагнитных катушек. При этом газоразрядная камера состоит из цилиндрической и конической секций. Причем кольцевые постоянные магниты расположены в прикатодной области, на границе секций и на выходе из газоразрядной камеры, а электромагнитные катушки размещены на внешней поверхности конической и цилиндрической секций газоразрядной камеры.
При таком конструктивном исполнении стенки ГРК находятся под анодным потенциалом, при этом в ГРК реализуется два способа ухода электронов на анод: при попадании в конус потерь в касповой области и за счет дрейфа поперек магнитных силовых линий. Электромагнитные катушки предназначены для создания ослабляющего аксиального магнитного поля на оси двигателя для увеличения объема ГРК, занимаемого первичными электронами, поступающими с катода ГРК.
На Фигуре схематично показана конструкция предлагаемого ионного микродвигателя.
Ионный микродвигатель является плазменным электроракетным двигателем, работающим в вакууме и предназначенным для использования в космическом пространстве.
Ионный микродвигатель (Фигура) состоит из ионно-оптической системы 1, газоразрядной камеры 4, катода газоразрядной камеры 5, газораспределителя 10, катода-нейтрализатора 9 и гибридной магнитной системы, состоящей из постоянных кольцевых магнитов 2, 3, 6 и электромагнитов 7, 8, выполненных в виде электромагнитных катушек. ГРК 4 представляет собой двухсекционную камеру, находящуюся под анодным потенциалом, состоящую из цилиндрической и конической секций, с гибридной магнитной системой, расположенной на внешней стороне ГРК 4. Магнитная система состоит из трех кольцевых постоянных магнитов 2, 3, 6, расположенных соответственно на боковой поверхности в области ионно-оптической системы 1 (т.е. на выходе из газоразрядной камеры), в области перехода конической секции в цилиндрическую (на границе секций) и в области катода ГРК 4, а также электромагнитной катушки 7, намотанной на внешней поверхности конической части ГРК 4, и электромагнитной катушки 8, намотанной на внешней поверхности цилиндрической части ГРК 4.
Устройство работает следующим образом. В газоразрядной камере 4 генерируется плазма, в ионно-оптической системе 1 ускоряются ионы, идущие из ГРК 4, катод-нейтрализатор 9 компенсирует объемный заряд ионного пучка, выходящего из двигателя. В ГРК 4 расположен катод 5, электроны с которого движутся в направлении поверхностей, находящихся под анодным потенциалом. Ионизация в газоразрядной камере 4 осуществляется при соударении электронов высоких энергий с атомами рабочего тела. Для увеличения вероятности соударений электронов с атомами, прежде чем они уйдут на анод, в ГРК 4 создается магнитное поле. Электроны движутся по магнитным силовым линиям, увеличивая длину пробега по объему газоразрядной камеры 4, тем самым увеличивая вероятность столкновения с атомами рабочего тела. Магнитные поля в предлагаемом ионном микродвигателе осуществляются гибридной магнитной системой, позволяющей увеличить эффективности процесса ионизации атомов рабочего тела за счет добавления в конструкцию электромагнитов, расположенных на боковой стенке, ослабляющих осевую компоненту магнитного поля внутри ГРК.
Достижение высокой эффективности процесса ионизации атомов рабочего тела позволяет снизить потребляемую мощность двигателя. Мощность двигателя рассчитывается следующим образом:
S
b
где Uи I - напряжение и ток в цепи эмиссионного электрода,
ac
ас
U и I - напряжение и ток в цепи ускоряющего электрода,
d
d
U и I - напряжение и ток разряда,
keep
кеер
U и I - напряжение и ток в цепи поджигного электрода,
m
m
U и I - напряжение и ток в цепи электромагнита,
n
n
U и I - напряжение и ток в цепи поддержки катода-нейтрализатора.
Эффективность ионизации атомов рабочего тела определяется следующим соотношением:
Повышение эффективности ионизации атомов рабочего тела, при неизменных расходах рабочего тела в катод ГРК и газораспределитель, может быть реализовано за счет вытягивания требуемого тока пучка (ток в цепи эмиссионного электрода) при меньшей мощности разряда в ГРК.
Ионизация атомов рабочего тела осуществляется первичными электронами, поступающими с катода ГРК. Электроны получают энергию за счет разности потенциалов между катодом и анодом. Магнитное поле используется для предотвращения прямого попадания электронов на анод, что увеличивает вероятность их соударения с нейтральными атомами рабочего тела и повышает эффективность ионизации. Однако в двигателе с диаметром пучка менее 50 мм при использовании кольцевых касповых постоянных магнитов происходит удержание первичных электронов вблизи оси двигателя, что ограничивает область ионизации в ГРК. В предлагаемой полезной модели добавлены электромагниты, генерирующие ослабляющее аксиальное магнитное поле, позволяющее расширить область ионизации атомов рабочего тела, тем самым повысить эффективность ионизации.