КАТОД ПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
CATHODE OF PLASMA ACCELERATOR (VERSIONS)

Группа изобретений относится к области электроракетных двигателей, а именно, к широкому классу плазменных ускорителей (холловских, ионных, магнитоплазмодинамических и др.), составной частью которых является катод как генератор плазмы. Также изобретение может использоваться в смежных областях техники, где необходимы полые катоды как генераторы плазмы.
Для холловских и ионных ускорителей широко используются катоды, выполненные по конструктивной схеме [1]. Она включает в себя эмиттерный узел, узел нагревателя и поджигной электрод.
Эмиттерный узел состоит из корпуса, эмитирующей электроны втулки (далее эмиттер) и диафрагмы. Корпус представляет собой цилиндрическую трубку, в которой размещаются эмиттер и диафрагма. Корпус эмиттерного узла также является трубопроводом, через который к эмиттеру подается рабочее тело. Эмиттер выполнен в виде цилиндрической втулки с одним осевым каналом. Со стороны выхода рабочего тела из эмиттера устанавливается диафрагма, представляющая собой диск с отверстием, расположенным соосно с цилиндрическим каналом эмиттера.
Узел нагревателя окружает эмиттерный узел. Он необходим для стартового разогрева эмиттера до рабочей температуры.
Поджигной электрод представляет собой полый цилиндр, торец которого закрыт диском с отверстием для выхода рабочего тела. Эмиттер и узел нагревателя расположены внутри поджигного электрода и установлены соосно его полости. Ось отверстия поджигного электрода совпадает с осью эмиттера.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению и принятой за прототип является конструкция катода, выполненная в соответствии со схемой [2]. Эта схема включает в себя несколько полых эмиттеров, выполненных в виде цилиндрических втулок. Оси эмиттеров параллельны друг другу. Со стороны выхода рабочего тела из эмиттеров установлена диафрагма, в которой напротив каждого эмиттера выполнено отверстие, причем оси эмиттеров и отверстий в диафрагме совпадают. Все эмиттеры охвачены единым корпусом-теплопроводом. Таким образом, эмиттеры вместе с корпусом и диафрагмой образуют единый эмиттерный узел цилиндрической формы. Узел нагревателя расположен соосно эмиттерному узлу. Поджигной электрод окружает эмиттерный узел и узел нагревателя и представляет собой полый цилиндр, один торец которого закрыт диском с несколькими отверстиями. Эмиттерный узел и узел нагревателя расположены внутри поджигного электрода и установлены соосно его полости. Каждое отверстие на поджигном электроде соответствует одному из эмиттеров, причем их оси совпадают.
При работе катода электроракетного двигателя стенки отверстий диафрагмы эмиттеров подвергаются ионной бомбардировке из плазменной струи двигателя или из его газоразрядной камеры (см. например [1, 3]). Вследствие этого происходит перегрев эмиттеров и изменение геометрии отверстий диафрагмы в результате распыления их стенок. При соосном расположении отверстий на торцевом диске поджигного электрода и эмиттеров стенки отверстий в диафрагме никак не защищены от прямого потока ионов (из плазменной струи или газоразрядной камеры двигателя).
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является повышение ресурса работы катода за счет снижения распыления стенок отверстий диафрагмы эмиттеров ионами из плазмы, находящейся снаружи катода. В плазме, находящейся снаружи катода, присутствуют ионы с энергиями, превышающими энергию связи атомов в кристаллической решетке диафрагмы эмиттеров [4]. Эти ионы под действием электрического поля попадают на стенки отверстий диафрагмы эмиттеров через отверстия в поджигном электроде и в течение работы катода распыляют стенки отверстий диафрагмы. Распыление стенок отверстий диафрагмы сопровождается изменением геометрии отверстий, что, в свою очередь, изменяет характеристики работы катода. Для уменьшения распыления стенок отверстий диафрагмы эмиттеров и повышения ресурса работы катода стенки отверстий диафрагмы эмиттеров предлагается оградить от воздействия прямого потока ионов из внешней плазмы путем пространственного разнесения отверстий в диафрагме и потока ионов из внешней плазмы, а также путем создания защитных утолщений на диафрагме в местах, подверженных воздействию прямого потока.
Достижение данного технического результата решается двумя вариантами конструкций катода плазменного ускорителя.
В первом варианте изобретения предлагается катод плазменного ускорителя, содержащий поджигной электрод, выполненный в виде стакана с выходными отверстиями, охватывающий эмиттерный узел, эмиттеры которого охвачены единым корпусом и выполнены в виде полых цилиндрических втулок с расположенной со стороны выхода рабочего тела диафрагмой, причем оси эмиттеров и отверстий в диафрагме совпадают. При этом ось любого выходного отверстия в основании поджигного электрода не совпадает с осью каждого отверстия в диафрагме эмиттерного узла. Кроме того, количество выходных отверстий в основании поджигного электрода может совпадать с количеством отверстий в диафрагме эмиттерного узла. В основании поджигного электрода может быть выполнено одно выходное отверстие.
В результате сдвига осей выходных отверстий на поджигном электроде относительно осей соответствующих отверстий в диафрагме уменьшается поток высокоэнергетичных ионов из внешней плазмы, бомбардирующий стенки отверстий диафрагмы.
Дополнительно увеличение ресурса работы катода может достигаться путем утолщения внешней торцевой поверхности диафрагмы эмиттерного узла. Внешняя торцевая поверхность диафрагмы в зонах, расположенных напротив отверстий поджигного электрода, может быть выполнена с утолщениями из материалов, имеющих повышенную стойкость к распылению частицами с высокими энергиями. Защитные утолщения могут быть сделаны как в виде отдельных деталей, так и в виде защитного напыления на поверхность диафрагмы. Утолщения могут закрывать как всю торцевую поверхность диафрагмы, так и ее локальные области напротив отверстий для выхода рабочего тела в поджигном электроде. Для примера, материалами утолщений могут быть углерод-углеродный композит, пиролитический графит, углерод, осажденный из паровой фазы и другие устойчивые к распылению материалы.
Во втором варианте изобретения предлагается катод плазменного ускорителя, содержащий поджигной электрод, выполненный в виде стакана с выходными отверстиями, и охватывающий эмиттерный узел, эмиттеры которого охвачены единым корпусом и выполнены в виде полых цилиндрических втулок с расположенной со стороны выхода рабочего тела диафрагмой. Причем оси эмиттеров и отверстий в диафрагме совпадают. Выходные отверстия поджигного электрода распожены на его боковой поверхности (ближе к торцевой части). При этом оси этих отверстий могут не пересекаться с осью симметрии поджигного электрода. Кроме того, внешняя торцевая поверхность эмиттерного узла может быть снабжена защитным кожухом. Кожух защищает области диафрагмы и корпуса эмиттерного узла, находящиеся под воздействием потока частиц с высокими энергиями из плазмы, находящейся снаружи катода. Кожух имеет центральное отверстие, которое не перекрывает отверстия в диафрагме эмиттерного узла. Защитный кожух выполнен из материала, имеющего повышенную стойкость к распылению частицами с высокими энергиями. Также вместо кожуха области эмиттерного узла, подверженные распылению, а именно внешняя торцевая поверхность эмиттерного узла и прилегающая к нему боковая поверхность корпуса эмиттера, могут быть закрыты защитным напылением из материала, имеющего повышенную стойкость к распылению. Для примера, в качестве материалов, устойчивых к распылению частицами с высокими энергиями, могут быть использованы углерод-углеродный композит, пиролитический графит, углерод, осажденный из паровой фазы на подложку (диафрагму) и другие.
Сущность заявляемого технического решения по первому варианту поясняется схемой, представленной на фиг.1. Поджигной электрод 1 охватывает эмиттерный узел. Эмиттерный узел состоит из эмиттеров 2, диафрагмы 3 корпуса 4 и утолщений 5. Оси отверстий 6 для выхода рабочего тела из поджигного электрода 1 смещены относительно осей отверстий диафрагмы 3.
Сущность заявляемого технического решения по второму варианту поясняется двумя схемами, представленными на фиг.2 и фиг.3. Поджигной электрод 1 охватывает эмиттерный узел. Эмиттерный узел состоит из эмиттеров 2, диафрагмы 3 корпуса 4 и защитного кожуха 5.
Защитный кожух 5 выполнен из материала, имеющего повышенную стойкость к распылению частицами с высокими энергиями. Центральное отверстие защитного кожуха 5 не перекрывает отверстия в диафрагме эмиттерного узла.
В первой схеме второго варианта (фиг.2) оси отверстий в поджигном электроде пересекают ось самого поджигного электрода, а во второй схеме (фиг.3) не пересекают. Отверстия 6 поджигного электрода 1 для выхода рабочего тела расположены на его боковой поверхности ближе к торцевой части со стороны выхода рабочего тела из отверстий диафрагмы 3.
Катод плазменного ускорителя работает следующим образом. Перед запуском катода происходит его стартовый разогрев за счет использования стартового нагревателя (не показан). В ходе работы стартового нагревателя достигается рабочая температура эмиттеров 2. Затем в катод подается рабочее тело, как правило, инертный газ. Рабочее тело проходит через полости эмиттеров 2 и отверстия в диафрагме 3. Далее рабочее тело попадает в область между эмиттерным узлом и поджигным электродом 1 и выходит из катода через отверстия 6. После этого между эмиттерным узлом и поджигным электродом 1 подается напряжение, необходимое для зажигания самостоятельного разряда. При зажигании самостоятельного разряда, сопровождающегося появлением тока в цепи «эмиттерный узел - поджигной электрод», стартовый нагреватель отключается и подается напряжение между эмиттерным узлом катода и анодом (не показан). После зажигания разряда в цепи «эмиттерный узел - анод» напряжение с поджигного электрода 1, как правило, снимают. В ходе дальнейшей работы, поджигной электрод 1 находится под плавающим потенциалом разряда, который организуется между эмиттерным узлом и анодом. В случае, когда для работы катода требуется поддержка, напряжение с поджигного электрода 1 не снимается. Источник электропитания самостоятельного разряда переводится в режим стабилизации тока с величиной тока самостоятельного разряда, необходимой для поддержания работы катода.
В соответствии с заявленным техническим решением по первому варианту изготовлены лабораторная и инженерная модели катодов газоразрядной камеры ионного двигателя высокой мощности. Обе модели катодов прошли автономные параметрические испытания. Инженерная модель катода успешно прошла ресурсные испытания на количество включений, отработав 1000 включений. Эрозии стенок отверстий диафрагмы эмиттерного узла после ресурсных испытаний обнаружено не было. На данном этапе инженерная модель катода используется в составе ионного двигателя высокой мощности при проведении его параметрических испытаний.
Источники информации
1. A. Sengupta, "Destructive Physical Analysis of Hollow Cathodes from the Deep Space 1 Flight Spare Ion Engine 30,000 Hr Life Test", 29th International Electric Propulsion Conference, USA, 2005, IEPC-2005-026.
2. A.S. Lovtsov, P.M. Puchkov, V.N. Shutov, "Autonomous Tests of the Cathode for Use in the Discharge Chamber of the High Power Ion Thruster" 33rd International Electric Propulsion Conference, USA, 2013 IEPC-2013-054.
3. Dan M. Goebel and Ira Katz, "Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters" JPL CIT 2008.
4. Goebel D.M., Jameson K.K., Katz I., Mikellides I.G. Potential fluctuations and energetic ion production in hollow cathode discharges / D.M. Goebel, K.K. Jameson, I. Katz, I.G. Mikellides // Physics of Plasmas. - USA, 2007. - Vol.14. - P.103508. - doi: 10.1063/1.2784460.