СПОСОБ РАЗМЕЩЕНИЯ КАТОДА-КОМПЕНСАТОРА В ПЛАЗМЕННОМ ДВИГАТЕЛЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR ARRANGING CATHODE-COMPENSATOR IN PLASMA ENGINE, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при разработке, наземных испытаниях и эксплуатации электрореактивных двигателей (ЭРД), например холловских или плазменных двигателей, и электрореактивных двигательных установок (ЭРДУ) на их основе, а также в области прикладного применения плазменных ускорителей.
В настоящее время с целью расширения функциональных возможностей и области применения плазменных двигателей ряд основных требований, предъявляемых к ЭРД, в том числе и к холловским двигателям, существенно изменился, а именно:
- требование обеспечения высокой эффективности работы плазменного двигателя, которое достигается путем увеличения удельного импульса тяги (2300 с и более);
- требование обеспечения нескольких режимов работы, различающихся как по мощности разряда, так и по напряжению разряда;
- требование обеспечения большого ресурса плазменных двигателей по времени работы (5000 часов и более) при надежном их функционировании.
Эффективность работы плазменного двигателя и его надежность в значительной степени определяются эффективностью и надежностью работы катода-компенсатора, входящего в его состав.
st
На эффективность же работы самого катода-компенсатора существенное влияние оказывает в первую очередь его размещение (место расположения) в составе ЭРД с учетом конструктивных особенностей и параметров плазменного двигателя [М.С.McDonald and A.D.Gallimore, "Cathode Position Orientation Effects on Cathode Coupling in a 6-kW Hall Thruster", IEPC-2009-ПЗ, 31 International 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].
Так при неоптимальном размещении катода-компенсатора относительно выходной части ускорительного канала разрядной камеры плазменного двигателя эффективность функционирования катода-компенсатора и всего плазменного двигателя в целом может значительно снизиться. Эффективность же работы самого катода-компенсатора, а следовательно, и плазменного двигателя в целом, возрастает при выдвижении катода-компенсатора вдоль продольной оси разрядной камеры в направлении по потоку истечения из плазменного двигателя ускоренной плазмы, то есть при его перемещении из периферийной зоны магнитного поля рассеивания в зону силовых линий магнитного поля, замыкающихся на срезе разрядной камеры и вблизи нее [Jason D.Sommerville and Lyon В.King. "Effect of Cathode Position on Hall-Effect Thruster Performance and Cathode Coupling Voltage". IEPC-2007-78. Presented at the 30th International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007].
th
В то же время, при выдвижении катода-компенсатора вдоль оси разрядной камеры плазменного двигателя, под воздействие ускоренного потока плазмы попадают элементы и узлы катода-компенсатора. И в первую очередь уже в начале ресурса бомбардировке ускоренными ионами будет подвергаться торцевая часть катода-компенсатора, на которой в большинстве случаев располагается выходное рабочее отверстие, что приведет к более интенсивному износу конструкционных материалов с последующим разрушением конструкции, что, в свою очередь, будет ограничивать ресурс 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]. В таком случае способ обеспечения высокой надежности ЭРД путем резервирования катода-компенсатора, как одного из наиболее критичных элементов конструкции плазменного двигателя, будет несостоятельным, так как разрушающему воздействию ускоренной струи плазменного потока будет одновременно подвергаться как основной (работающий), так и резервный (неработающий) катоды-компенсаторы.
Таким образом, важность задачи по размещению катода-компенсатора в плазменном двигателе состоит в выборе наиболее оптимального места его расположения, обеспечивающего одновременно, с одной стороны, высокие энергетические параметры ЭРД и, с другой стороны, надежную и эффективную работу самого катода-компенсатора в течение всего ресурса при эксплуатации ЭРД.
Известен способ размещения катода-компенсатора в плазменном двигателе, включающий определение топологии магнитного поля магнитной системы и размещение катода-компенсатора так, чтобы его торец с выходным отверстием находился вне зоны максимального воздействия ускоренного потока плазмы, реализованный в плазменном двигателе, содержащем магнитную систему, охватываемую силовыми линиями магнитного поля рассеивания, содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, между которыми в зоне ускоренного потока плазмы замыкаются силовые линии ускоряющего магнитного поля, источники намагничивающей силы, и катод-компенсатор с выходным отверстием на торце [патент РФ №2024785, кл. 5 H05H 1/54, F03H 1/00].
Известный способ размещения катода-компенсатора и плазменный двигатель, в котором реализован такой известный способ размещения катода-компенсатора, имеют ряд недостатков.
Так известный способ размещения катода-компенсатора предполагает предварительное определение конфигурации силовых линий магнитного поля плазменного двигателя за срезом разрядной камеры и размещение катода-компенсатора таким образом, чтобы его продольная ось симметрии была направлена по касательной к силовым линиям магнитного поля, замыкающимся на торцевой поверхности магнитных полюсов анодного блока ЭРД.
Однако, при таком способе размещения катода-компенсатора для соблюдения условия направления продольной оси катода-компенсатора по касательной вдоль силовых линий магнитного поля, замыкающихся на торцевой поверхности анодного блока, возможны два случая: катод-компенсатор должен быть расположен непосредственно над торцевой поверхностью анодного блока (т.е. над магнитными полюсами магнитной системы) вблизи среза разрядной камеры, либо вдали от выходной части ускорительного канала разрядной камеры.
В первом случае элементы конструкции катода-компенсатора будут подвергаться значительному разрушающему воздействию потока ускоренной плазмы. Так исследования структуры ускоренного ионного потока, выходящего за пределы среза разрядной камеры, показывают, что около 90% ионов сосредоточено в полуугле ~42° для плазменного двигателя, работающего при мощности 1350 Вт [Kozubsky. K., et al, "Plume Study of Multimode Thruster SPT-140", IEPC-99-073, 26th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999, Fig.5-8].
Во втором же случае эффективность работы катода-компенсатора и известного плазменного двигателя в целом будет низка, так как для замыкания на анод, эмитируемых катодом-компенсатором электронов, будут необходимы дополнительные затраты энергии. Кроме того, в этом случае также увеличиваются габаритные размеры плазменного двигателя.
Известен способ размещения катода-компенсатора в плазменном двигателе, принятый за прототип, включающий выбор конфигурации и параметров магнитной системы, определение топологии магнитного поля и размещение катода-компенсатора таким образом, чтобы его торец с выходным отверстием находился в зоне минимального воздействия ускоренного потока плазмы [патент РФ №2188521, кл. 6 H05H 1/54, F03H 1/00].
В таком известном способе размещения катода-компенсатора, в сравнении с аналогом, изменено месторасположение катода-компенсатора, что позволило снизить износ его различных элементов конструкции, происходящий вследствие суммарного разрушающего воздействия, оказываемого периферийной частью струи ускоренного потока плазмы за весь период выработки ресурса ЭРД. Кроме того, за счет приближения центра масс самого катода-компенсатора к анодному блоку плазменного двигателя удалось повысить механическую прочность узлов конструкции плазменного двигателя и уменьшить его габаритные размеры.
Однако и такой способ имеет существенные недостатки.
st
Хотя катод-компенсатор и размещен таким образом, чтобы минимизировать эрозионное воздействие периферийной части струи ускоренного потока плазмы, отдельные его элементы конструкции, находящиеся над внешней поверхностью наружного магнитного полюса, все равно будут подвергаться процессам эрозии материалов. При этом степень эрозии материалов этих элементов будет возрастать с увеличением напряжения разряда и времени ресурса плазменного двигателя, так как с ростом напряжения разряда возрастает доля двух- и трехкратно заряженных ионов и соответственно возрастает энергия ионов периферийной части ускоренного потока плазмы, которая может составлять половину разрядного напряжения [Casey С.Farnell, Daniel L.Brown, Garret M.Willis and Richard D.Branam. «Remote Diagnostic Measurements of Hall Thruster Plumes». IEPC-2009-031. Presented at the 31 International Electric Propulsion Conference, University of Michigan Ann Arbor, Michigan, USA, September 20-24, 2009]. При увеличении времени ресурса (работы) и время воздействия периферийной части ускоренного потока будет также нарастать. Таким образом, такой известный способ размещения катода-компенсатора имеет ограничение при применении его для плазменных двигателей с высокими напряжениями разряда (с повышенными удельными характеристиками) и большими ресурсами.
st
th
Кроме того, при решении задачи уменьшения габаритных размеров плазменного двигателя катод-компенсатор будет располагаться в непосредственной близости от наружного магнитного полюса магнитной системы, попадая в периферийную зону рассеяния магнитного поля, где индукция магнитного поля будет значительной [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; а также 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]. Большая же величина магнитной индукции в зоне расположения выходного торца катода-компенсатора приводит к существенному увеличению напряжения в цепи «катод-земля» ("cathode ground voltage"), которое понижает эффективность работы плазменного двигателя на 2-3% [Jason D.Sommerville_ and Lyon B.King. "Effect of Cathode Position on Hall-Effect Thruster Performance and Cathode Coupling Voltage". IEPC-2007-78. Presented at the 30 International Electric Propulsion Conference, Florence, Italy, September 17-20, 2007].
Кроме того, при большой величине напряжения в цепи «катод-земля» возрастает и энергия ионов в зоне выходного отверстия катода-компенсатора. Рост же величины этого напряжения до 25 В и более приводит к более интенсивному процессу эрозии материалов элементов катода-компенсатора в зоне его выходного отверстия, так как при таких напряжениях будет превышен порог распыления материалов основных его конструкционных узлов [Плешивцев Н.В. «Катодное распыление». Атомиздат, 1968 г.], что, в конечном счете, приведет к уменьшению ресурса катода-компенсатора и плазменного двигателя в целом.
Известен плазменный двигатель, принятый за прототип, содержащий разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, анод, магнитную систему, охватываемую силовыми линиями магнитного поля рассеивания и содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, между которыми в зоне ускоренного потока плазмы замыкаются силовые линии ускоряющего магнитного поля, внутренний и наружные источники намагничивающей силы, внутренний магнитный экран и наружный магнитный экран с корректирующим источником намагничивающей силы, и катод-компенсатор с выходным отверстием на торце [патент РФ №2191289, кл. 6 H05H 1/54, F03H 1/00].
Основным недостатком такого известного плазменного двигателя является невозможность его функционирования с максимальной эффективностью на различных режимах по мощности и напряжениям разряда, что ограничивает их возможности и существенно сужает область их применения.
Известно, что для достижения и обеспечения оптимального режима работы плазменного двигателя необходимо создание в ускорительном канале разрядной камеры оптимального магнитного поля, нарастающего от анода до среза разрядного камеры и спадающего за ним. Кроме того, известно, что при увеличении мощности или напряжения разряда для получения оптимального режима работы плазменного двигателя необходимо увеличивать ток в источниках намагничивающей силы магнитной системы [David H.Manzella, David T.Jacobson and Robert S.Jankovsky. «High Voltage SPT Performance». AIAA-2001-3774. Presented at the 37th Joint Propulsion Conference, Salt Lake City, Utah, USA, July 8-11, 2001]. При увеличении же тока в источниках намагничивающей силы магнитной системы будет соответственно изменяться и индукция магнитного поля в периферийной зоне рассеяния, что непосредственным образом повлияет и на условия работы катода-компенсатора, изменение которых может привести к росту напряжения в цепи «катод-земля», а значит, и интенсивности процессов эрозии материалов элементов конструкции катода-компенсатора в зоне его выходного отверстия, что в конечном итоге понизит эффективность работы, ресурс и надежность как самого катода-компенсатора, так и плазменного двигателя в целом.
При создании изобретения решались задачи по повышению надежности ЭРД и эффективности работы катода-компенсатора в его составе.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе размещения катода-компенсатора в плазменном двигателе, включающем выбор конфигурации и параметров магнитной системы, определение топологии магнитного поля и размещение катода-компенсатора таким образом, чтобы его торец с выходным отверстием находился в зоне минимального воздействия ускоренного потока плазмы, согласно изобретению торец с выходным отверстием катода-компенсатора размещается также по меньшей мере на границе раздела замыкания силовых линий зон ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитной системы, которая формируется подбором сочетания конфигурации и параметров магнитной системы таким образом, чтобы граница раздела замыкания силовых линий во внешней области перед плазменным двигателем располагалась по меньшей мере под углом раскрытия ускоренного потока плазмы.
Размещение торца с выходным отверстием катода-компенсатора на границе раздела замыкания силовых линий зон ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитной системы позволяет реализовать наиболее близкую к максимальному значению эффективность работы катода-компенсатора и плазменного двигателя в целом путем минимизации энергетических потерь, обусловленных энергетическими затратами на транспортирование электронов, эмиттирующих катодом-компенсатором и выходящих в рабочую зону через выходное отверстие на его торце, до анода плазменного двигателя сквозь действующие скрещенные электрическое и магнитное поля  за счет максимального приближения торца с выходным отверстием катода-компенсатора к силовым линиям магнитного поля, преимущественно замыкающихся между магнитными полюсами в непосредственной близости среза разрядной камеры плазменного двигателя.
Расположение же границы раздела замыкания силовых линий во внешней области перед плазменным двигателем по меньшей мере под углом раскрытия ускоренного потока плазмы позволяет решить задачу по повышению надежности и увеличению ресурса как катода-компенсатора, так и ЭРД в целом путем значительного снижения эрозионного воздействия струи за счет размещения катода-компенсатора вне зоны разрушающего воздействия как основной, так и периферийной частей струи ускоренного потока плазмы. При этом наиболее оптимальные параметры магнитного поля в зоне выходного торца катода-компенсатора обеспечиваются подбором необходимой для этого определенной конфигурации магнитной системы - сочетания геометрических размеров, взаимного расположения и заданных форм ее различных элементов конструкции, и ее параметров, что способствует достижению максимальной эффективности работы катода-компенсатора при одновременном повышении его ресурса за счет уменьшения эрозионного воздействия ускоренной плазмы на выходной торец катода-компенсатора.
Указанный технический результат также достигается тем, что в плазменном двигателе, содержащем разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, анод, магнитную систему, охватываемую силовыми линиями магнитного поля рассеивания и содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, между которыми в зоне ускоренного потока плазмы замыкаются силовые линии ускоряющего магнитного поля, внутренний и наружные источники намагничивающей силы, внутренний магнитный экран и наружный магнитный экран с корректирующим источником намагничивающей силы, и катод-компенсатор с выходным отверстием на торце, согласно изобретению торец с выходным отверстием катода-компенсатора размещен по меньшей мере на границе раздела замыкания силовых линий зон ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитного поля магнитной системы. Соотношение ампер-витков между корректирующим и наружными источниками намагничивающей силы может быть выполнено таким, что граница раздела замыкания силовых линий ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитной системы была расположена по меньшей мере под углом раскрытия ускоренного потока плазмы. Кроме того, с внешней стороны магнитной системы может быть введен по меньшей мере один дополнительный источник намагничивающей силы, который примыкает к наружному магнитному полюсу и охватывает по меньшей мере участок магнитопровода наружных источников намагничивающей силы.
Размещение торца с выходным отверстием катода-компенсатора по меньшей мере на границе раздела замыкания силовых линий зон ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитного поля магнитной системы также позволяет решить задачу по повышению надежности ЭРД и эффективности работы катода-компенсатора путем предельной минимизации протяженности траектории доставки электронов от катода-компенсатора, эмиттирующих их, до анода плазменного двигателя за счет максимального сокращения участка траектории движения электронов в области магнитных полей рассеивания, дополнительно удлиняющейся в результате азимутального дрейфа электронов. Следует также учитывать при этом, что направление азимутального дрейфа электронов, при переходе через границу раздела областей магнитного поля ускорения и магнитного поля рассеивания, будет взаимно противоположным вследствие перемены знака магнитного поля.
Выбор необходимого соотношения ампер-витков между корректирующим и наружными источниками намагничивающей силы позволяет согласовать положение границы раздела замыкания силовых линий ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитной системы таким образом, чтобы она располагалась по меньшей мере под углом раскрытия ускоренного потока плазмы.
кз
st
Введение с внешней стороны магнитной системы по меньшей мере одного дополнительного источника намагничивающей силы, который примыкает к наружному магнитному полюсу и охватывает по меньшей мере участок магнитопровода наружных источников намагничивающей силы, позволяет с более высокой точностью локализовать границу раздела относительно торца размещенного катода-компенсатора. При этом потери на электрическое питание такого дополнительного источника намагничивающей силы (например, катушки в виде соленоида) будут составлять не более 1% от суммарного энергопотребления плазменного двигателя и такого рода малые потери покрываются более существенным увеличением эффективности рабочего процесса плазменного двигателя в целом за счет уменьшения значения напряжения (U) [М.С.McDonald and A.D.Gallimore, "Cathode Position Orientation Effects on Cathode Coupling in a 6-kW Hall Thruster", IEPC-2009-113, 31 International Electric Propulsion Conference, University of Michigan, Michigan, USA, 20-24 September 2009].
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена половина осевого разреза предлагаемого плазменного двигателя с катодом-компенсатором, расположенным с одной из боковой стороны магнитной системы. На чертеже граница раздела замыкания силовых линий зон ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитной системы обозначена L, а угол между ней и продольной осью плазменного двигателя обозначен α, который аналогичен углу раскрытия ускоренного потока плазмы относительно продольной оси плазменного двигателя. Магнитный поток в магнитопроводе, проходящий через него при электрическом питании источников намагничивающей силы магнитной системы ЭРД, обозначен Ф, а силовые линии топологии в зонах ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния обозначены  и , соответственно.
Плазменный двигатель содержит разрядную камеру 1 с зонами ионизации 2 и ускорения 3, анод 4, магнитную систему, состоящую из магнитопровода 5, внутреннего 6 и наружного 7 магнитных полюсов, внутреннего 8, наружного 9 и корректирующего 12 источников намагничивающей силы, внутреннего 10 и наружного 11 магнитных экранов, и катод-компенсатор 13 с выходным отверстием 14 на торце 15. С внешней стороны магнитной системы может располагаться дополнительный источник намагничивающей силы 16, который предпочтительней разместить таким образом, чтобы он примыкал изнутри к наружному магнитному полюсу 7 и охватывал участок магнитопровода, выполняющий функции сердечников для наружных источников намагничивающей силы 9.
Способ размещения катода-компенсатора осуществляется в плазменном двигателе, работающем следующим образом.
В процессе разработки ЭРД, после выбора необходимой конфигурации и параметров магнитной системы для обеспечения эффективной работы анодного блока, при помощи расчета магнитной системы или экспериментальных измерений определяется топология магнитного поля плазменного двигателя. По результатам моделирования магнитной системы можно судить о начальном расположении границы разделения зон топологий замыкания силовых линий ускоряющего магнитного поля, формирующегося над магнитными полюсами 6, 7, и полей рассеяния (), образующихся вокруг плазменного двигателя. По результатам такого анализа, оперируя геометрическими размерами и параметрами магнитной системы, изменяют положение границы раздела с учетом угла раскрытия ускоренного потока плазмы - сближая их, после чего на ней размещают торец 15 катода-компенсатора 13. Окончательная же привязка границы раздела к торцу 15 осуществляется при помощи дополнительного источника намагничивающей силы 16, который размещается с внешней стороны магнитной системы и предпочтительней вблизи наружного магнитного полюса 7. Такой маломощный дополнительный источник намагничивающей силы 16 не оказывает существенное влияние на основное магнитное поле в разрядной камере 1, а лишь трансформирует преимущественно топологию магнитного поля над и по периферии наружного магнитного полюса 7. Перед запуском плазменного двигателя в канале разрядной камеры 1, при электрическом питании источников намагничивающей силы 8, 9 и 12, образующих совместно с магнитопроводом 5 магнитный контур магнитной системы, создается преимущественно радиальное - поперечное по отношению к направлению ускорения потока плазмы, магнитное поле (). В зону ионизации 2 разрядной камеры 1 через каналы подвода рабочего тела и инжекции анода 4 подается рабочий газ. Разрядное напряжение прикладывается между анодом 4 и катодом-компенсатором 13, после чего зажигается разряд в скрещенных  электрическом и магнитном полях. Вентильные свойства поперечного магнитного поля препятствуют свободному движению электронов  от катода-компенсатора 13 к аноду 4. Взаимодействие электрического и магнитного полей вызывает дрейф электронов в азимутальном направлении (эффект Холла) и в результате соударений частиц, при их столкновениях в зоне ионизации 2, электроны ионизируют нейтральные атомы рабочего газа. Образовавшиеся при этом ионы  в газовом разряде ускоряются в зоне ускорения 3 за счет приложенного напряжения между катодом-компенсатором 13 и анодом 4. На выходе из зоны ускорения 3 (срез разрядной камеры 1) поток ускоряемых ионов проходит через межполюсный зазор, образованный противолежащими внутренним 6 и наружным 7 магнитными полюсами магнитной системы, в котором при помощи внутреннего 10 и наружного 11 магнитных экранов сформирована «магнитная линза», который также компенсируется частью электронами, эмиттируемых катодом-компенсатором 13 через выходное отверстие 14 на торце 15. Таким образом, только часть электронов, имитируемых катодом-компенсатором, поступает обратным током на анод 4 в разрядной камере 1, участвуя при этом в ионизационных процессах, тогда как большая часть электронов нейтрализует ускоренный ионный поток. После чего плазменный двигатель начинает работать в стационарном режиме, обеспечивая требуемые параметры и характеристики.
min
При промышленной реализации предложенного изобретения точность расположения (Δ) катодов-компенсаторов относительно границы раздела замыкания силовых линий в зонах ускоряющего магнитного поля и полей рассеяния магнитной системы при серийном изготовлении партии плазменных двигателей одного типоразмера зависит в первую очередь от класса точности изготовления.