ИМПУЛЬСНАЯ КАТОДНО-ДУГОВАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА С ВНУТРЕННИМ ПРОВОЛОЧНЫМ ИНИЦИАТОРОМ
PULSED CATHODIC ARC PROPULSION SYSTEM WITH INTERNAL WIRE INITIATOR

Родственная заявка
[0001] Настоящая заявка является родственной для предварительной патентной заявки Австралии №2015903748, озаглавленной «lnternal wire-triggered pulsed cathodic arc propulsion system» («Импульсная катодно-дуговая двигательная установка с внутренним проволочным инициатором»), поданной 15 сентября 2015 г. от имени компании Neumann Space Pty Ltd; все содержание указанной заявки включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Настоящее изобретение относится к импульсной катодно-дуговой двигательной установке. Конкретно, настоящее изобретение относится к пригодной для использования в космическом аппарате импульсной катодно-дуговой двигательной установке, в которой дуга инициирована изолированной проволокой или штырем, окруженной (окруженным) материалом, образующим катод.
Уровень техники
[0003] Космический аппарат представляет собой аппарат или транспортное средство, предназначенное для работы в космосе. Примерами космических аппаратов являются, в частности, ракеты, многоразовые космические корабли, спутники и космические станции. Космические аппараты используются в разнообразных целях, в том числе для связи, навигации, научных исследований и разработок, метеорологии и т.п. Космос представляет собой близкую к вакууму среду, создающую затруднения при эксплуатации, техническом обслуживании и обеспечении топливом космического аппарата. Эти затруднения усиливаются большими расстояниями и, как следствие, стоимостными и временными затратами на выполнение указанных операций.
[0004] Для поддержания положения орбитальной станции и для полетов большой продолжительности созданы двигатели, использующие электроплазменные двигательные установки. Такие двигательные установки имеют высокий удельный импульс, возможность управления, доведены до высокого технического уровня и поэтому надежны. Кроме того, у электроплазменных двигательных установок высокий коэффициент полезной массы, представляющий собой долю исходной массы космического аппарата, которая может быть доставлена в заданное этому космическому аппарату местоположение.
[0005] Ускорение транспортного средства, приводимого в движение ракетой, создается путем истечения рабочего тела с высокой скоростью, что приводит к обмену механическим импульсом вследствие несбалансированной силы. Тяга, создаваемая двигательной установкой, представляет собой произведение скорости истечения и мгновенного значения скорости изменения массы космического аппарата, вызванного выпуском рабочего тела. Тягу можно рассматривать как внешнюю силу, приложенную к космическому аппарату.
[0006] Для космических полетов с большой полезной нагрузкой должна использоваться неприемлемо большая масса рабочего тела, либо двигательная установка должна быть многоступенчатой, либо скорость истечения в двигательной установке должна быть того же порядка или больше, чем требуемое изменение скорости. В межпланетных полетах требуются, как правило, изменения скорости в десятки километров в секунду, и отсюда следует, что скорость истечения любого двигателя, используемого в таком полете, должна быть сопоставима с этим требуемым изменением скорости, а двигатель должен быть достаточно надежным, чтобы работать в течение продолжительных периодов. В таких условиях, в связи с высокими скоростями истечения рабочего тела и меньшим числом механических элементов, технологии электрореактивных двигателей считают предпочтительными по сравнению с ракетами на химическом топливе.
[0007] По сравнению с двигательными установками на химическом топливе, одной из проблем, возникающих при использовании электрических двигательных установок, является потребность в источнике питания. Химические двигатели получают энергию, необходимую для изменения механического импульса, из химических связей в топливе, а электрическим двигательным установкам необходимо иметь источник энергии, подаваемой в эти установки. Поскольку любой источник питания, используемый для двигателя, вносит вклад в массу и объем, необходимо сделать электрическую двигательную установку с максимальным энергетическим коэффициентом полезного действия (КПД).
[0008] Определив отношение реактивной мощности к потребляемой мощности, можно легко рассчитать КПД работы ракеты, который у установок полетного класса доходит приблизительно до 50-80%. Указанное отношение также называют КПД тяги, поскольку это отношение кинетической энергии реактивной струи к доступной энергии (для химических двигателей) или к принятой энергии (для электрических двигательных установок).
[0009] Все технологии электрической тяги с использованием газообразного топлива имеют те же конструктивные недостатки, а именно - добавочная масса резервуаров для рабочего тела и трубопроводов и присущие клапанам и регуляторам давления механические неисправности.
[0010] Недостатки имеются у всех существующих двигательных установок, использующих газообразное топливо. Находящийся под давлением резервуар, трубы, клапаны и установки регулирования давления увеличивают массу космического аппарата за счет полезной нагрузки, создают сложности при изготовлении и возможности для сбоев. Эти недостатки могут быть преодолены или значительно уменьшены при использовании надежного и эффективного твердотопливного электромагнитного двигателя.
[0011] Импульсные плазменные двигатели (ИПД) используют твердое топливо, надежны, но имеют недостатки, связанные с испарением запаса рабочего тела между плазменными импульсами. В ИПД часть запаса рабочего тела испаряют и ионизируют путем создания слоя дугового разряда на поверхности цилиндра рабочего тела с использованием разряжающегося конденсатора. Образующаяся плазма реагирует на электрическое поле дуги и собственное самонаведенное магнитное поле, что вызывает ускорение плазмы вниз по разрядной камере или соплу и создает умеренную тягу. Запас рабочего тела представляет собой, как правило, штырь из твердого материала, например, политетрафторэтилена (ПТФЭ), выпускаемого под торговой маркой Teflon компанией Е. I. du Pont de Nemours and Company («DuPont»). Рабочее тело в ИПД, как правило, имеет более низкую температуру плавления по сравнению с большинством металлов. Тепло, выделяющееся при горении дуги, вызывает испарение рабочего тела и между дуговыми импульсами, топливо в это время расходуется, но создает лишь крайне ограниченную тягу. Как следствие, у ИПД гораздо более низкие КПД установки по сравнению с другими технологиями, а также меньшая полная тяга.
[0012] Таким образом, существует потребность в обеспечении усовершенствованной двигательной установки, пригодной для использования в космическом аппарате.
Сущность изобретения
[0013] Настоящее изобретение относится к пригодной для использования в космическом аппарате импульсной двигательной катодно-дуговой установке с внутренним проволочным инициатором.
[0014] В первом аспекте настоящее изобретение предлагает двигательную установку, содержащую:
твердый проводящий или полупроводниковый катод;
анод с разностью потенциалов относительно указанного катода, создающей между указанным анодом и указанным катодом электрическое поле; и
изолированный инициатор, выполненный с возможностью инициирования дугового разряда из точки на верхней поверхности указанного катода импульсами, причем указанные катод и анод находятся, по существу, в вакууме, при этом указанный инициатор является продвигаемым внутри катода таким образом, что точка, в которой инициируется дуга, находится на верхней поверхности указанного катода.
[0015] Во втором аспекте настоящее изобретение обеспечивает двигательную установку космического аппарата, содержащую вышеуказанную двигательную установку.
[0016] В третьем аспекте настоящее изобретение обеспечивает космический аппарат, содержащий вышеуказанную двигательную установку космического аппарата.
[0017] В соответствии с еще одним аспектом настоящее изобретение обеспечивает устройство для реализации любого из вышеупомянутых способов.
[0018] В соответствии с еще одним аспектом настоящее изобретение обеспечивает компьютерный программный продукт, содержащий машиночитаемый носитель информации, на котором записана компьютерная программа для реализации любого из вышеописанных способов.
[0019] Также обеспечены другие аспекты настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
[0020] Далее на конкретном примере (примерах) раскрываются один или более вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
[0021] фиг. 1 представляет собой схему импульсной катодно-дуговой установки с внутренним проволочным инициатором;
[0022] Фиг. 2а и 2b иллюстрируют миграцию катодного пятна и профили разрушения катода в катодно-дуговой двигательной установке с внутренним проволочным инициатором;
[0023] фиг. 3а и 3b иллюстрируют миграцию катодного пятна и профили разрушения катода в катодно-дуговой двигательной установке с внешним краевым инициатором;
[0024] фиг. 4а представляет собой схему двигательной установки, реализующей импульсную катодно-дуговую двигательную установку с внутренним проволочным инициатором, показанную на фиг. 1;
[0025] фиг. 4b представляет собой альтернативную конструкцию двигательной установки, показанной на фиг. 4а;
[0026] фиг. 5а представляет собой иллюстрацию пилообразного профиля тока;
[0027] фиг. 5b представляет собой иллюстрацию прямоугольного профиля тока;
[0028] фиг. 6a-6d представляют в виде сбоку образование плазмы с использованием импульсной катодно-дуговой установки с внутренним проволочным инициатором, показанной на фиг. 1;
[0029] фиг. 7 представляет собой схему импульсной катодно-дуговой установки с внутренним проволочным инициатором с магнитным соплом и механизмом подачи катода;
[0030] фиг. 8 представляет собой схему космического аппарата с множеством двигателей, расположенных в блоке двигателей;
[0031] фиг. 9 представляет собой схему космического аппарата, содержащего множество двигателей;
[0032] фиг. 10 представляет электрическую схему, иллюстрирующую группу суббанков конденсаторов;
[0033] фиг. 11 представляет собой схему альтернативной реализации импульсной катодно-дуговой установки с внутренним проволочным инициатором, показанной на фиг. 1; и
[0034] фиг. 12 представляет собой схему импульсной катодно-дуговой установки с внутренним проволочным инициатором, показанной на фиг. 7, с механизмом подачи катода, механизмом подачи инициатора и механизмом подачи изолятора инициатора.
Подробное раскрытие изобретения
[0035] Шаги способов или элементы на сопровождающих чертежах, имеющие одинаковые ссылочные обозначения, следует считать имеющими одинаковую функцию (функции) или выполняющими одинаковую операцию (операции), если не указано или не подразумевается противное.
[0036] Настоящее изобретение предлагает импульсную катодно-дуговую (ИКД) двигательную установку, пригодную для использования в космических аппаратах и родственной технике. Одним из видов такого использования может быть, например, использование в качестве двигателя для ускорения космического аппарата. В ИКД-установке для формирования плазмы используется дуговой разряд, при этом, замыкая электрическую цепь, часть плазмы течет вдоль линий электрического поля. Плазма состоит из ионов, электронов и нейтрального газа. Двигательная ИКД-установка работает в вакууме или близкой к вакууму среде, например, в космосе, и использует импульсы очень короткой длительности, в диапазоне от 20 мкс до 500 мкс.
[0037] Двигательная ИКД-установка в настоящем изобретении использует проводящее или полупроводниковое твердое топливо в виде твердого катода. Инициатор создает короткий поверхностный разряд с большим током через изолирующий барьер между инициаторным штырем или проволокой и верхней поверхностью катода. Этот разряд создает на верхней поверхности катода катодные пятна, ведущие к образованию плазмы. Образование плазмы поддерживается разностью потенциалов между катодом и анодом, при этом катодные пятна перемещаются по верхней поверхности катода, с высокой скоростью выбрасывая ионизированный материал в узком конусе, направленном по нормали к поверхности катода.
[0038] Использование твердого топлива устраняет необходимость в резервуарах, трубах, клапанах и регуляторах, которая является недостатком технологий электрических двигательных установок с использованием газообразного топлива. В вариантах осуществления двигательной ИКД-установки используется твердый катод, изготовленный из проводящего или полупроводникового материала. Материалы, которые могут применяться, зависят от конкретной задачи, но в их число входят, например, магний, титан, алюминий, кальций, углерод, ванадий, молибден, вольфрам, тантал, олово, висмут, хром, железо, никель и содержащие их сплавы или композитные материалы. В дополнение к их проводящей или полупроводниковой природе, дающей возможность инициирования дуги и протекания тока, эти материалы катода, как правило, имеют значительно более высокую температуру плавления, чем у ПТФЭ, что дает возможность преодоления свойственных ИПД недостатков, влияющих на КПД, например, испарение запаса рабочего тела в промежутках между плазменными импульсами.
[0039] В число способов инициирования дуги входят лазерный, механический и электрический способы. Устройства лазерного инициирования испаряют и ионизируют небольшое количество материала катода для создания между катодом и анодом проводящего канала, способного к пропусканию тока, требуемого для поддержания дуги. Преимущество лазерного инициирования в том, что лазером можно инициировать дугу в произвольной точке поверхности катода. Однако выходной зрачок лазера приходится располагать на линии прямой видимости с поверхностью катода. Из-за этого со временем материал катода накапливается на выходном зрачке лазера, в итоге делая его непрозрачным. Поэтому приходится или чистить выходной зрачок, или использовать зеркала для отражения лазерного пучка на поверхность катода, жертвуя частью мощности лазера.
[0040] В механическом инициаторе для этой цели используют длину проводящего материала. В одном из варианта в механическом инициаторе используют проволоку, соединенную с анодом и перемещают ее до соприкосновения с поверхностью катода. Затем механический инициатор отводят от поверхности катода, в результате чего между концом проволочного электрода и поверхностью катода возникает дуга. В механических способах используют заостренный проводящий элемент, который перемещают до соприкосновения с катодом. Как и в случае лазерного инициирования, механические способы позволяют инициировать дугу в любой точке поверхности катода. Однако в системах с механическим инициированием приходится использовать движущиеся механические компоненты, которые изнашиваются и/или покрываются осаждающимся материалом катода, что со временем ведет к выходу системы из строя.
[0041] Электрические инициаторы используют поверхностный разряд с большим током и малой длительностью через изолирующий барьер между инициаторной проволокой и поверхностью катода. Инициаторная проволока и изолирующий разделитель могут располагаться в любом месте поверхности катода.
[0042] В электрических способах инициирования для создания условий электрического пробоя по поверхности изолирующего материала используют высоковольтный, как правило, в диапазоне киловольт, импульс напряжения на миллиметровых расстояниях. Эти дуговые разряды создают интенсивные электрические поля, необходимые для образования катодных пятен, ведущих к образованию плазмы. Образование плазмы поддерживается разностью потенциалов между катодом и анодом. Катодные пятна двигаются по поверхности катода, выбрасывая ионизированный материал с высокой скоростью в конусе, направленном по нормали к поверхности катода. Одним из преимуществ электрических способов инициирования является отсутствие движущихся частей и отказоустойчивость. Кроме того, в электрических способах инициирования частота следования импульсов ограничена только источником питания инициатора.
[0043] Инициатор в установке электрического инициирования с внутренним проволочным инициатором может быть реализован с использованием проволоки, изготовленной из вольфрама или другого тугоплавкого металла, окруженной изолирующей трубкой, изготовленной из должным образом устойчивого к температуре и вакууму непроводящего материала, например, оксида алюминия, нитрида бора, ПТФЭ или закаленного стекла, при этом конец проволочного электрода в одном месте (как правило, но не обязательно, в центре катода) выступает над верхней поверхностью катода; таким образом, проволочный инициатор и изолирующая трубка заключены внутри объема катода. В противоположность этому, в установках с краевым инициированием используют кольцеобразный инициатор, охватывающий или смещенный от кольцеобразного изолятора, отделяющего цилиндрический или трубчатый катод от кольцеобразного инициатора. Инициатор, будь то штырь, проволока или кольцо, быстро заряжается, создавая электрическое поле, достаточно сильное для того, чтобы вызвать пробой по поверхности изолятора между инициатором и катодом. По каналам этого пробоя к катоду продвигаются плотные электрические дуговые разряды, вызывая образование локализованной плазмы. Места образования плазмы называют «катодными пятнами»; в дуговом разряде с внутренним проволочным инициатором катодные пятна могут свободно перемещаться по верхней поверхности катода. Эта плазма инициирует на поверхности катода разряд с большим током, получающий энергию от низкоимпедансного источника питания, выполненного с возможностью подачи тока от десятков до тысяч ампер в течение короткого времени. Инициирующий импульс обычно длится всего несколько микросекунд и характеризуется небольшим током, поскольку нужен лишь для замыкания «ключа», необходимого для инициирования дуги, путем создания низкоимпедансного канала от катода до анода.
[0044] Фиг. 1 представляет собой схему импульсной катодно-дуговой двигательной установки 100 с внутренним проволочным инициатором, выполненной с возможностью создания плазменного разряда при работе в вакууме. Установка 100 содержит анод 110 и катод 130. Катод 130 удерживается на месте держателем 120 катода. Катод 130 представляет собой твердый катод, изготовленный из магния, титана, алюминия, кальция, углерода, ванадия, молибдена, вольфрама, тантала, олова, висмута, хрома или содержащего их сплава или композитного материала. В данном примере твердый катод 130 изготовлен из магния, а инициаторный штырь/проволока расположен коаксиально с цилиндрическим анодом, выступая на небольшую длину в центре внешней поверхности катода для «центрально-инициируемой» дуги.
[0045] Установка 100 также содержит инициатор для инициирования дуги на верхней поверхности катода 130 с целью формирования катодных пятен и образования плазменного разряда. В электрических способах инициирования для создания условий электрического пробоя по поверхности изолирующего материала используют высоковольтный, как правило, в диапазоне киловольт, импульс напряжения на миллиметровых расстояниях. В данном примере инициатором является электрический центральный инициатор с удлиненным инициаторным штырем 150, проходящим через центр катода 130. Между инициаторным штырем 150 и катодом 130 расположен изолятор 140 инициатора.
[0046] Во время работы между анодом 110 и катодом 130 прикладывают зарядное напряжение в диапазоне приблизительно от 50 В до 500 В, создающее между ними электрическое поле. К инициаторному штырю 150 прикладывают высоковольтный инициирующий сигнал, создающий условия для электрического пробоя по поверхности изолятора 140 инициатора и вызывающий образование на верхней поверхности катода 130 катодных пятен. Этот инициирующий сигнал находится в диапазоне киловольт, приблизительно от 1 кВ до 20 кВ. В одном примере инициирующий сигнал равен 1,2 кВ.
[0047] Выбрасываемый из катодных пятен материал образует плотную плазму. Во время работы, пока горит плазменная дуга, между анодом 110 и катодом 130 поддерживают рабочее напряжение («напряжение горения») приблизительно от 30 В до 100 В. В установке 100 с внутренним проволочным инициатором, показанной на фиг. 1, катодные пятна радиально двигаются от места расположения инициатора, следуя древовидной структуре, т.е., демонстрируя случайное перемещение или движение с ветвями, напоминающими ветви дерева, исходящие от центра или от ствола. Это радиальное движение вызывается отталкиванием вследствие явления обратного движения под действием JxB.
[0048] Отталкивание катодных пятен противоположно ожидаемому притяжению двух параллельных токов. Аналогичный эффект отталкивания наблюдается в установках с краевым инициированием, но в этом случае, поскольку катодные пятна создаются на краю катода, они перемещаются вблизи границ катода, иногда двигаясь к центру. Хотя макроскопически движение пятна выглядит плавным, оно происходит в результате погасания отдельных пятен и зажигания новых пятен на краю кратера, созданного предыдущим пятном. Это движение, таким образом, дискретно и подвержено скачкам. Фиг. 2а и 2b иллюстрируют миграцию катодного пятна и профили разрушения катода в катодно-дуговой двигательной установке с внутренним проволочным инициатором с центральным расположением проволочного инициатора. На фиг. 2b показан инициаторный штырь 210 и разрушенный материал 220 на поверхности катода. Фиг. 3а и 3b иллюстрируют миграцию катодного пятна и профили разрушения катода в катодно-дуговой двигательной установке с краевым инициированием. На фиг. 3b виден разрушенный материал 320, выброшенный с поверхности катода.
[0049] Поскольку плазменный факел направлен по местной нормали к катоду, тягу оптимизируют, обеспечивая, по возможности, максимально плоский профиль разрушения. Преимущество системы с внутренним проволочным инициатором в том, что уклон зоны разрушения может быть скомпенсирован подбором величины тока дуги в зависимости от радиального положения пятна в течение каждого импульса. В системах с краевым инициированием обратное движение катодных пятен вызывает разрушение материала в основном у края катода, чем создается неблагоприятный выпуклый профиль разрушения, ведущий к снижению транспорта плазмы в направлении продольной оси установки и, как следствие, потерю тяги после длительного использования. При использовании катодной дуги с внутренним проволочным инициатором разрушение тоже приводит к снижению эффективности по сравнению с неразрушенной поверхностью катода, но образование при разрушении вогнутой поверхности ведет, по сравнению с выпуклым профилем разрушения, к меньшему снижению эффективности, которое можно компенсировать надлежащим формированием импульса.
[0050] Фиг. 11 представляет собой схему альтернативного варианта осуществления 1100 импульсной катодно-дуговой установки с внутренним проволочным инициатором, показанной на фиг. 1. Вариант осуществления 1100 на фиг. 11 содержит изолятор 1150 в виде кольцевого подавителя катодного пятна (ПКП). Кольцо ПКП 1150 останавливает или подавляет катодные пятна от дуговых разрядов, возникающих на периферии или переходящих с катода 130 на держатель 120 катода, чем увеличивает КПД и срок службы установки. В одном из вариантов осуществления ПКП 1150 изготовлен из керамики, устойчивой к вакууму и термическому воздействию, например, из оксида алюминия, закаленного стекла, нитрида бора или иного пригодного материала. В одном из вариантов осуществления кольцо 1150 ПКП закреплено на месте с использованием подходящих крепежных элементов, например, болтов, резьбовой шпильки и т.п.
[0051] Фиг. 4а представляет схему двигательной установки 400, реализующей двигательную установку 100 с импульсной катодной дугой с внутренним проволочным инициатором, показанную на фиг. 1. Двигательная установка 400 содержит измеритель 435 анодного напряжения, соединенный с анодом 110. Параллельно измерителю 435 анодного напряжения присоединена катушка 430 Роговского для анодного тока, служащая для измерения тока, подаваемого в анод 110. Двигательная установка 400 также содержит измеритель 415 катодного напряжения, соединенный с держателем 120 катода и катушкой 405 Роговского для катодного тока, выполненный с возможностью измерения тока, подаваемого в катод 130. Измерители 435, 415 напряжения и катушки 430, 405 Роговского используются для измерения параметров плазмы.
[0052] Установка 400 дополнительно содержит высоковольтный источник 425 напряжения инициатора, в примере на фиг. 4а рассчитанный приблизительно на 1200 В. Высоковольтный источник 425 напряжения инициатора соединен с инициаторным штырем 150 через инициаторный ключ 428. Замыкание инициаторного ключа 428 вызывает приложение высоковольтного инициирующего сигнала к инициаторному штырю 150 для создания условий для электрического пробоя по поверхности изолятора 140 инициатора, как раскрыто выше. В примере на фиг. 4а инициирующий сигнал равен приблизительно 1,2 кВ. Установка 400 также содержит главный банк 420 конденсаторов с емкостью 21 мФ, рассчитанный на работу в диапазоне 0-450 В. Главный банк 420 конденсаторов выполнен с возможностью отдавать запасенную энергию через катод 130 за время меньше 1 миллисекунды и, таким образом, обеспечивать высокую мощность, необходимую для активации катодных пятен.
[0053] Дуга, возникнув, образует низкоимпедансную замыкающую цепь между катодом 130 и анодом 110, через которую главный банк 420 конденсаторов разряжается. Таким образом, цепь инициатора работает как ключ для главного банка 420 конденсаторов, обеспечивая возможность протекания тока через катод 130 и затем, перед заземлением, через плазму на анод 110 и заземленные стенки, имеющие нулевой потенциал. Цепью инициатора могут управлять с использованием компьютерной программы.
[0054] Используя разные конфигурации конденсаторов, можно подавать ток на катод в виде импульса либо с прямоугольным, либо с пилообразным профилем. В зависимости от профиля тока меняется профиль разрушения катода 130. Главный банк 420 конденсаторов сам по себе выдает пилообразный импульс. В примере на фиг. 4а с целью воздействия на профиль тока и формирования прямоугольного импульса к схеме через ключ 440 может подключаться установленный близко к катоду банк 410 «ускоряющих» конденсаторов с быстрым нарастанием. В примере на фиг. 4а банк 410 ускоряющих конденсаторов добавляет дополнительные 1,5 мФ к полной емкости источника питания.
[0055] Фиг. 4b иллюстрирует альтернативный вариант осуществления двигательной установки 400, показанной на фиг. 4а. В примере на фиг. 4b двигательная установка 400 содержит магнитное сопло 490 и соответствующий источник 495 питания магнитной катушки. Магнитное сопло 490 может использоваться для направления плазменного факела 465, испускаемого из катода 130, путем изменения магнитного поля, действующего в канале двигательной установки 400.
[0056] В двигательной установке 400 на фиг. 4b инициаторный ключ 428 заменен системой 470 управления инициатором. Система 470 управления инициатором может быть реализована, например, с использованием одного или более ключей и связанного с ними контроллера, управляющего приведением этих ключей в действие. В одном из вариантов осуществления система 470 управления инициатором содержит процессор, память и компьютерную программу, сохраненную в указанной памяти и пригодную для исполнения указанным процессором, в результате чего при выполнении указанная программа предоставляет пользователю интерфейс, дающий пользователю возможность выбора между разомкнутым и замкнутым состоянием ключа (ключей) и тем самым возможность управления приложением высоковольтного инициирующего сигнала от высоковольтного источника 425 напряжения инициатора к инициаторному штырю 150.
[0057] Двигательная установка 400 на фиг. 4b дополнительно содержит систему 480 контроля и прерывания импульса, которая управляет замыканием главного банка 420 конденсаторов в конце импульса на проводник с нулевым потенциалом для обеспечения заданной длительности импульса. В одном из вариантов осуществления система 480 контроля и прерывания импульса содержит процессор, память и компьютерную программу, сохраненную в указанной памяти и пригодную для исполнения указанным процессором, в результате чего при выполнении указанная программа управляет заземлением главного банка 420 конденсаторов.
[0058] Фиг. 5а иллюстрирует пилообразный профиль тока, выдаваемого главным банком 420 конденсаторов, а фиг. 5b иллюстрирует прямоугольный профиль тока, выдаваемого главным банком 420 конденсаторов, последовательно с которым включен банк 410 ускоряющих конденсаторов с быстрым нарастанием.
[0059] Разность между током через катод 130 и током, собираемым на аноде 110, служит мерой имеющейся в наличии плазмы для создания тяги. Разность этих двух токов называют чистым испущенным током (ЧИТ), который представляет собой меру количества плазмы, выходящей из выпускного отверстия анода 110.
[0060] Высокое значение ЧИТ показывает, что значительное количество материала плазмы уходит, создавая тягу. Низкое значение ЧИТ показывает, что большая часть материала плазмы двигается непосредственно на анод, сталкивается с ним и создает лишь небольшую чистую силу. Интеграл от ЧИТ по времени в пределах длительности импульса определяет чистый испущенный заряд (ЧИЗ). ЧИЗ сильно коррелирует с механическим импульсом, создаваемым ИКД-двигателем, и этот импульс является мерой суммарного изменения механического импульса, испытываемого космическим аппаратом, к которому присоединен данный ИКД-двигатель.
[0061] После инициирования дуги катодные пятна будут мигрировать к краю верхней поверхности катода 130 под действием силы отталкивания между катодными пятнами. Если при достижении катодными пятнами края поверхности катода дугу не остановить, то катодные пятна будут переходить на боковые поверхности катода 130. После этого плазма будет испускаться по нормали к боковым сторонам катода и двигаться прямо на стенку анода 110, а не в выпускное отверстие анода. Это явление, называемое «боковым горением дуги», может приводить к значительному снижению КПД.
[0062] Фиг. 6а-6d представляют в виде сбоку создание плазмы с использованием импульсной катодно-дуговой двигательной установки с внутренним проволочным инициатором, показанной на фиг. 1. Конкретно, фиг. 6a-6d иллюстрируют движение катодных пятен и развитие дуги от инициирования до бокового горения. На фиг. 6а показана установка 100 с фиг. 1 в момент инициирования дуги 605 приложением высокого напряжения величиной приблизительно 1200 В к верхнему концу инициаторного штыря 150. Это высокое напряжение прикладывают в виде импульса с целью создать разряд между инициаторным штырем 150 и катодом 130. Разность потенциалов между катодом 130 и анодом 110 лежит в диапазоне 50-400 В.
[0063] После зажигания дуги и установления электронного тока между катодом 130 и анодом 110 рядом с местоположением инициатора 150 образуются катодные пятна 610, как показано на фиг. 6b. Эти пятна, по мере разрушения ими материала катода с образованием дуговой плазмы 615, отталкиваются одно от другого и выталкиваются наружу, как показано на фиг. 6с. На фиг. 6d показано боковое горение 625 дуги. Если дугу не погасить путем заземления источника питания в должное время, то катодные пятна продолжат выталкивать друг друга наружу, перейдут через край верхней поверхности катода 130 и начнут разрушать материал боковых поверхностей катода 130, направляя его непосредственно на анод 110. Следует учесть, что фиг. 6d представляет собой вид сбоку; все катодные пятна находятся у края верхней поверхности катода, лишь некоторые выходят на боковую поверхность, вызывая боковое горение дуги, а те пятна, которые показаны создающими плазму вблизи места расположения инициатора, двигаются от зрителя и в глубину страницы.
[0064] Любой ИКД-двигатель, выполненный на космическом аппарате, для совершения любого межорбитального маневра должен работать часами и иметь возможность приступить к работе после периодов ожидания продолжительностью от нескольких дней до нескольких месяцев в случае необходимости поддержания положения орбитальной станции или совершения маневров по коррекции курса. Это требует, чтобы дуга могла надежно работать в течение продолжительных периодов времени, с надежным инициированием тысяч импульсов.
[0065] Горящая дуга разрушает материал поверхности катода, постепенно распыляя поверхность катода, что ведет к затрудненному зажиганию дуги, когда расстояние между инициаторным штырем и катодом становится слишком большим. В одном из вариантов осуществления импульсная катодная двигательная установка с внутренним проволочным инициатором содержит механизм подачи для продвижения разрушающегося катода с целью обеспечения оптимальных условий инициирования катодной дуги. Такой механизм подачи периодически продвигает катод, поддерживая расстояние между инициаторным штырем и катодом не слишком большим.
[0066] В одном из вариантов осуществления механизм подачи для продвижения катода относительно инициатора по мере разрушения катода содержит напряженную пружину. В еще одном варианте осуществления механизм подачи для продвижения катода относительно инициатора содержит механические исполнительные устройства. Такое механическое исполнительное устройство может содержать, например, червячную передачу, содержащую шестерню червячной передачи, выполненную с возможностью зацепления с червяком, образующим часть катода. Мотор приводит в движение шестерню червячной передачи, которая, в свою очередь, находится в зацеплении с червяком для выдвижения катода в требуемом направлении. Червяк может быть выполнен как единое целое с катодом или может крепиться к внешней поверхности катода.
[0067] Один из вариантов осуществления импульсной катодно-дуговой двигательной установки с внутренним проволочным инициатором содержит механизм подачи инициатора для продвижения изолятора 140 инициатора и инициаторного штыря 150. Возможно, что во время работы скорость износа изолятора 140 инициатора и инициаторного штыря 150 будет отличаться от скорости износа катода 130. Изолятор 140 инициатора и инициаторный штырь 150 также могут распыляться под действием ионов, выбитых из катодных пятен. Фиг. 12 представляет собой схему импульсной катодно-дуговой двигательной установки с внутренним проволочным инициатором, показанной на фиг. 7, с добавленным механизмом 1210 подачи инициатора и механизмом 1220 подачи изолятора инициатора. Механизм 1210 подачи инициатора и механизм 1220 подачи изолятора инициатора могут быть использованы для выдвижения или втягивания изолятора 140 инициатора и инициаторного штыря 150 с целью реализации оптимального режима работы. Как и в случае вышеописанного механизма подачи, относящегося к катоду, и механизм 1210 подачи инициатора, и механизм 1220 подачи изолятора инициатора могут быть реализованы с использованием напряженной пружины, механического исполнительного устройства, например, червячной передачи, или другого пригодного механизма.
[0068] Для получения наибольшей тяги от плазмы, выбрасываемой из катода, предпочтительно придавать плазме направление. Плазма из каждого катодного пятна расходится в конус, перпендикулярный к поверхности катода, пространственное распределение плазмы коническое, а угловое распределение приблизительно косинусоидальное. Иными словами, плазма в основном выбрасывается по нормали к поверхности катода, и меньшие количества выбрасываются под углами, дальше отстоящими от направления нормали. В одном из вариантов осуществления для фокусировки плазмы прикладывают магнитное поле, в результате чего по нормали направляется более значительная часть плазменного факела, усиливая тягу.
[0069] В одном из вариантов осуществления для придания направления плазменному факелу используют постоянные магниты. В другом варианте осуществления для придания направления плазменному факелу используют магнитное поле, создаваемое током разряда. В этом варианте осуществления ток катода или ток анода, либо и ток катода, и ток анода, пропускают через катушки, создающие поле, расположенные ниже по потоку от поверхности катода. В еще одном варианте осуществления имеется специальный источник питания, например, отдельный банк конденсаторов, подающий ток в катушки, создающие поле. Все варианты осуществления обеспечивают повышение тяги при минимальном или нулевом дополнительном энергопотреблении и небольшом увеличении массы.
[0070] Фиг. 7 представляет собой схему импульсной катодно-дуговой двигательной установки 700 с внутренним проволочным инициатором с намагниченным соплом 760 и механизмом подачи катода. Это магнитное сопло может быть расположено перед, вокруг или за передней поверхностью катода, чтобы линии магнитного поля из сопла расходились, были параллельными или сходились в соответствии с конкретными потребностями для данного сочетания топлива и заряда. Двигательная установка 700 содержит катод 730, прикрепленный к держателю 720 катода, и анод 710. Между катодом 730 и анодом 710 прикладывают разность потенциалов.
[0071] Двигательная установка 700 также содержит расположенную по центру электрическую инициаторную систему, содержащую инициаторный штырь и соответствующий изолятор 750. Как раскрывалось со ссылкой на фиг. 4а, 4b, 6a-6d, высокое напряжение, приложенное к инициатору, вызывает на верхней поверхности катода 730 дуговой разряд. Возникающий при этом плазменный факел 770 обычно имеет коническую форму и выбрасывается по нормали к верхней поверхности катода 730. Намагниченное сопло 760 выполнено с использованием одного или более магнитов, например, постоянных магнитов или магнитных катушек. Расположение намагниченного сопла 760 у выпускного отверстия анода 110 придает направление плазменному факелу 770 с целью повышения тяги двигательной установки 700.
[0072] Механизм подачи катода выполнен с использованием червячной передачи 740, приводимой в действие мотором 745 подачи катода. В этом варианте осуществления червячная передача 740 выполнена с возможностью зацепления с червячной резьбой, нарезанной во внешней поверхности катода 730. Червячная передача 740 может быть выполнена путем нарезания резьбы в держателе 720 катода, при этом витки резьбы на катоде 730 и в держателе 720 катода одинаковы и входят в зацепление между собой. С установкой управления соединен мотор для выдвижения катода 730 с заданной скоростью, определяемой на основании разрушения или ожидаемого разрушения верхней поверхности катода 730. Фактические размеры катода 730 зависят от конкретного сочетания напряжения заряда, длительности и используемого материала. В одном из вариантов осуществления катод изготовлен из магния и, имея длину по меньшей мере 500 мм и диаметр в диапазоне от 10 мм до 100 мм, пригоден для длительного космического полета.
[0073] Еще одно преимущество импульсной катодной двигательной установки с внутренним проволочным инициатором согласно настоящему изобретению связано с результирующим отрицательным зарядом факела истекающей плазмы. Импульсная дуга, как следствие, не требует использования системы нейтрализации заряда, которая нужна, например, для двигателей на эффекте Холла или ионных двигателей с ускоряющей сеткой.
[0074] Еще один вариант осуществления содержит управляющее устройство для управления положением катодных пятен на поверхности катода. Такое управляющее устройство может, например, подключать дополнительные конденсаторы для разряда в требуемые моменты времени, что сводит к минимуму осаждение распыленного материала на борозды, образующиеся на поверхности катода в результате процессов разрушения при горении дуги. В еще одном варианте осуществления управляющее действие может быть побочным эффектом использования магнитного сопла, поскольку приложенное магнитное поле вызывает движение катодных пятен по спирали вследствие обратного эффекта JxB.
1
n
m
m
m
m
1
n
1
1
1
n
n
n
[0075] Фиг. 10 представляет примерную схему 1000, на которой источник 1050 питания для заряда конденсаторов передает энергию группе суббанков С, ..., С конденсаторов, подключенных параллельно главному банку С конденсаторов, соответствующему главному банку 420 конденсаторов на фиг. 4а. Главный банк С конденсаторов включен последовательно с индуктивностью L и ключом S. Каждый суббанк конденсаторов C, ..., С имеет аналогичную конфигурацию, с конденсатором C, включенным последовательно с индуктивностью L и ключом S, и т.д. до конденсатора С, включенного последовательно с индуктивностью L и ключом S. Каждая из параллельных ветвей схемы 1000 содержит диод, обеспечивающий однонаправленное протекание тока через схему 1000.
1
n
m
m
m
m
m
1
1
1
1
1
[0076] В примере на фиг. 10 каждый из суббанков C, ..., С конденсаторов заряжают до того же напряжения, что и главный банк С конденсаторов. Ключ S соответствует инициаторному ключу 460 на фиг. 4b. При замыкании ключа S, что соответствует замыканию инициаторного ключа, главный банк С конденсаторов разряжается, пропуская ток через индуктивность L в катод 130 для питания плазменной дуги. По истечении короткого заданного временного интервала, например, от нескольких десятков до сотен микросекунд, замыкают ключ S, предоставляя току возможность течь в катод 130 через индуктивность L из суббанка C конденсаторов. Индуктивность L присутствует для обеспечения достаточно малого времени нарастания суббанка C. Увеличение тока, текущего в анод 130, увеличивает количество катодных пятен, образующихся на поверхности катода 130. Увеличение количества катодных пятен способствует уменьшению количества поверхностных борозд, образующихся на верхней поверхности катода 130.
2
2
2
3
n
1
n
[0077] Через еще один заданный временной интервал замыкают ключ S, предоставляя току возможность течь в катод 130 через индуктивность L из суббанка С конденсаторов. Операцию повторяют поочередно для каждого из ключей S, ..., S,. В одном из вариантов осуществления работой ключей S, ..., S управляет система 480 контроля и прерывания импульса на фиг. 4b.
[0078] Фиг. 8 представляет собой схематичную иллюстрацию космического аппарата 800 с множеством двигателей, сгруппированных в блок 820 двигателей. В примере на фиг. 8 космический аппарат 800 представляет собой спутник, содержащий часть корпуса 810, группу 815 солнечных панелей и блок 820 двигателей. В данном примере блок 820 двигателей содержит семь двигателей, причем каждый двигатель использует двигательную ИКД-установку с раскрытого здесь типа. Каждый двигатель содержит катод-анодную двигательную ИКД-установку 825 и магнитное сопло 830. Магнитное сопло 830 можно использовать для управления направлением плазменного факела, выбрасываемого из соответствующего двигателя. Должно быть понятно, что количество двигателей в блоке 820 двигателей и конструкция этих двигателей зависит от конкретного применения, в том числе от размера космического аппарата.
[0079] Блок 820 двигателей используется для поддержания положения орбитальной станции, при этом один или более двигателей в блоке 820 двигателей включают для размещения или поддержания спутника 800 на заданной орбите. Такие включения двигателя могут использоваться, например, для компенсации силы притяжения Земли, Солнца, Луны и сопротивления воздуха.
[0080] Фиг. 9 представляет собой схематичную иллюстрацию космического аппарата 900, содержащего множество двигателей, использующих двигательную ИКД-установку. В примере на фиг. 9 космический аппарат 900 представляет собой спутник 900 связи, содержащий основную часть 910 корпуса и группы 915 солнечных панелей. Спутник 900 также содержит первый и второй двигатели 920, 925, расположенные один напротив другого в продольном направлении на противоположных концах корпуса 910 спутника 900. Первый и второй двигатели 920, 925 используются для удержания спутника 900 в направлении север-юг. Спутник 900 также содержит третий двигатель 930 и четвертый двигатель (не показан), расположенные один напротив другого в поперечном направлении около средней части корпуса 910. Третий двигатель 930 и четвертый двигатель используются для удержания спутника 900 в направлении восток-запад.
Промышленная применимость
[0081] Раскрытые варианты осуществления могут быть применены в космических отраслях промышленности.
[0082] Выше рассмотрены лишь некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, являющиеся иллюстративными и неограничивающими, и без выхода за пределы объема и сущности настоящего изобретения в нем могут быть сделаны модификации и/или изменения.
[0083] В контексте настоящего документа слово «содержащий» и связанные с ним грамматические конструкции означают «содержащий в принципе, но не обязательно исключительно» или «имеющий» или «включающий», а не «состоящий только из». Формы слова «содержащий», например «содержат» и «содержит», имеют соответствующим образом измененные значения.
[0084] В настоящем раскрытии, если не указано иное, использование порядковых числительных «первый», «второй», «третий», «четвертый» и т.д. для описания обычных или связанных объектов показывает, что делается указание на разные экземпляры этих обычных или связанных объектов, но не подразумевается, что объекты, описанные указанным образом, должны быть представлены или расположены в данном порядке или последовательности, будь то во времени, в пространстве, по рангу или как-либо иначе.
[0085] Несмотря на то, что настоящее изобретение было раскрыто со ссылкой на конкретные примеры, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение может быть осуществлено во множестве других форм.