КАТОД ПЛАЗМЕННОГО УСКОРИТЕЛЯ
CATHODE OF PLASMA ACCELERATOR

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно к классу плазменных ускорителей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды. При необходимости оно может быть использовано в смежных областях техники.
Известен плазменный катод-компенсатор, выполненный по широко распространенной конструктивной схеме [1]. Он имеет эмиттер цилиндрической формы, установленный внутри держателя, через который подается к эмиттеру рабочий газ. Для стартового разогрева эмиттера катод снабжен нагревателем, который расположен с внешней стороны держателя, причем один из токоподводов нагревателя стыкуется с держателем в области входа рабочего газа к эмиттеру. Нагреватель выполнен в виде металлической спирали из проволоки, установленной с зазором по отношению к внешней цилиндрической поверхности держателя. На втором конце спирали выполнен второй токоподвод цилиндрической формы, расположенный в области выхода рабочего газа из эмиттера или в области конца держателя. Учитывая необходимость обеспечения высоких температур эмиттера при его стартовом разогреве (~1800 К и даже более, если используется эмиттер из гексаборида лантана), спираль нагревателя и держатель изготавливают из тугоплавких материалов. В частности, типовым материалом нагревателя служит вольфрам-рениевый сплав ВР-20.
В данной конструкции спираль стыкуется на своих концах с конструктивными элементами катода, причем она не имеет контакта с какими-либо деталями или узлами катода, то есть она как бы свободно провисает внутри катода среди других элементов конструкции. В этом случае стартовый разогрев эмиттера и держателя осуществляется посредством излучения с внешней поверхности спирали нагревателя при пропускании по ней электрического тока.
Такая конструкция имеет существенные недостатки. Прежде всего, свободное провисание спирали нагревателя не обеспечивает ее высокой стойкости к механическим нагрузкам, в том числе к вибронагрузкам, то есть приводит к низкой механической прочности конструкции катода. Для современных катодов, находящихся в составе плазменных ускорителей космического применения, требования к виброперегрузкам очень высоки, они доходят до ~25 g. При всех механический нагрузках возникающие усилия, действующие на спираль, передаются к местам стыка спирали с токоподводами. Эти места стыка, как правило, выполняются посредством высокотемпературной вакуумной сварки (производится сварка тугоплавких материалов) и не обладают требуемой высокой прочностью.
Другим недостатком такой конструкции является возможность замыкания витков спирали друг с другом в процессе интенсивного разогрева, поскольку тепловое расширение спирали при заделке ее концов в районе токоподводов приводит к деформации ее витков. Особенно этот эффект может проявиться после многочисленных актов стартового разогрева эмиттера или многократных включений катода. Требуемое же число включений катодов, предназначенных для использования в составе плазменных ускорителей, как правило, исчисляется десятками тысяч.
Следствием этого эффекта является падение сопротивления спирали и при фиксированном токе нагрева (который, как правило, поддерживается на одном уровне на борту космических летательных аппаратов) уменьшение мощности разогрева, что, в свою очередь, не исключает возможность недостаточного разогрева эмиттера при его стартовом разогреве в течение столь же фиксированного времени, определяемого программой запуска плазменного ускорителя. То есть этот эффект может привести к отказу в запуске катода, а в итоге к отказу в работе плазменного ускорителя.
Этот же эффект при его интенсивном развитии может привести к настолько значительной деформации спирали, такой степени ее провисания, что некоторые витки спирали могут коснуться охватываемой спиралью цилиндрической поверхности держателя. Тогда произойдет замыкание спирали с держателем. В этом случае образуется дополнительный электрический контакт спирали с держателем и при включении нагревателя значительная часть тока будет протекать уже не по спирали, а по телу держателя. Необходимого разогрева катода уже не будет, что приведет к отказу в запуске катода и соответственно в запуске плазменного ускорителя. Такого рода отказы неоднократно имели место при использовании нагревательных узлов катодов подобного типа.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому по совокупности существенных признаков является плазменный катод [2]. В этом плазменном катоде на внешней стороне спирали нагревателя установлен электроизолятор в виде цилиндрической изоляционной втулки, полностью охватывающей витки данной спирали. Электроизолятор, в свою очередь, охвачен с внешней своей стороны корпусом нагревателя, роль которого выполняет внутренняя втулка пакета тепловых экранов, служащих для теплоизоляции катода.
При этом «…нагреватель снабжен опорным кольцом, размещенным в средней части витков нагревателя и установленным в полости изоляционной втулки…» [2]. Опорное кольцо, как говорится в описании [2], установлено с целью увеличения жесткости спирали и устранения замыкания спирали с держателем при большом количестве включений катода. Однако установка такого кольца не устраняет полностью эффекта деформации спирали и соответственно не исключает возможности замыкания некоторых витков спирали друг с другом, что может привести к уменьшению мощности стартового разогрева, и, в свою очередь, к недостаточному разогреву эмиттера при его стартовом разогреве. Прежде всего, это связано с тем, что опорное кольцо, как правило, изготавливается из металлического материла, то есть оно имеет небольшую длину, чтобы не шунтировать витки спирали. Поэтому при установке опорного кольца в середине спирали примерно половина витков спирали все равно будет находиться в состоянии свободного провисания. Если длина спирали большая (например, в конструкции катодов с крупногабаритными эмиттерами для высоких токов разряда, которые требуют соответственно больших длин спирали), то данная конструкция полностью не защищает и от такого провисания спирали, когда может произойти замыкание спирали с держателем.
Кроме того, поскольку примерно половина витков спирали находится в состоянии свободного провисания, то в такой конструкции при механических воздействиях на катод к местам стыка спирали с токоподводами будут передаваться значительные нагрузки. Это понижает надежность работы нагревательного узла и катода в целом.
Дополнительно к этому следует отметить, что в данной конструкции катода электроизолятор в виде цилиндрической втулки, полностью охватывающей спираль, помимо электроизоляции спирали от внешне расположенных элементов конструкции катода, выполняет еще одну функцию. Он служит в качестве элемента второго опорного узла (см. описание [2]) основных деталей катода, а именно: держателя с эмиттером, деталей нагревателя, тепловых экранов, геттера (первой опорой этих деталей служит трубопровод подачи газа к эмиттеру). В качестве основного элемента второго опорного узла служит второй токоподвод спирали, расположенный в области выхода рабочего газа из эмиттера или в области конца держателя. Этот второй токоподвод, напрямую соединенный в конструкции данного катода с его корпусом, имеет участок контакта цилиндрической формы с внутренней поверхностью электроизолятора.
Однако конструкция этого опорного узла не лишена недостатков. Корпус нагревателя, установленный на внешней стороне электроизолятора, не охватывает электроизолятор по всей его поверхности. А именно концевая часть электроизолятора, расположенная в области выходной части держателя и имеющая по внутреннему своему диаметру участок контакта цилиндрической формы со вторым токоподводом, не имеет соответствующего этой части контакта с корпусом нагревателя по своему внешнему диаметру. При механических воздействиях радиального направления возникают изгибающие усилия на электроизоляторе, что отрицательно сказывается на его механической прочности. Целесообразнее было бы использовать такую конструкцию, в которой при механических воздействиях возникали бы усилия сжатия, а не изгиба, поскольку высокотемпературные электроизоляторы изготавливаются из керамических материалов, обладающих высокой прочностью к сжатию и низкой прочностью при изгибе.
Кроме того, в данной конструкции катода электроизолятор по своим торцевым поверхностям плотно пристыкован с одной своей стороны к держателю, а со второй - к корпусу катода. При разогреве катода электроизолятор за счет линейного расширения может изменять свою длину. Это может приводить к деформациям элементов конструкции катода и значительным силовым воздействиям на них, включая силовое воздействие на сам электроизолятор. Целесообразнее было бы применить термокомпенсирующий элемент для устранения этих негативных эффектов.
Целью изобретения является повышение надежности работы катода за счет полного предотвращения возможности образования электрического замыкания между спиралью нагревателя и держателем эмиттера, устранения возможности замыкания витков спирали друг с другом, повышения механической прочности катода, устранения влияния теплового расширения электроизолятора на элементы конструкции катода.
Поставленная цель достигается тем, что в катоде плазменного ускорителя, содержащего поджигной электрод, эмиттер с держателем, трубопровод подачи к эмиттеру плазмообразующего вещества, нагревательный узел, включающий соосно установленные друг относительно друга корпус, спираль и электроизолятор, с внутренней стороны которого размещена спираль, а с внешней - корпус, токоподводы на концах спирали, имеющие участки контакта с внутренней поверхностью электроизолятора, на внутренней поверхности средней части электроизолятора выполнена спиральная канавка, в которой размещена большая часть спирали. При этом у обоих концов спирали на длине не менее одного шага ее витка на внутренней поверхности электроизолятора выполнены участки цилиндрической формы.
Кроме того, корпус нагревательного узла может охватывать полностью внешнюю поверхность электроизолятора и может быть снабжен на конце, обращенном к выходной части поджигного электрода, выступом, направленным в сторону торцевой части электроизолятора.
Помимо этого, между выступом и торцевой частью электроизолятора может быть установлена пружина.
Наличие на внутренней поверхности средней части электроизолятора спиральной канавки, в которой размещена большая часть спирали нагревателя, позволяет зафиксировать положение каждого витка спирали. При этом никакого свободного провисания спирали нагревателя в любой ее части не наблюдается, отсутствует возможность замыкания витков спирали друг с другом в процессе их разогрева. Поскольку почти каждый виток спирали (за исключением концевых витков) четко зафиксирован в канавках электроизолятора, то полностью исключена возможность касания спирали поверхности держателя, то есть замыкания спирали с держателем.
Кроме того, поскольку основная часть витков спирали зафиксирована, то при механических воздействиях возникающие на них усилия будут передаваться не местам стыка спирали с токоподводами, а канавкам электроизолятора. Это существенно повысит механическую прочность мест стыка, а значит, и нагревателя в целом. Таким образом, места стыка спирали с токоподводами будут существенно разгружены и подвергаться силовому воздействию только от одного или нескольких ближайших витков, которые не утоплены в спиральные канавки электроизолятора, а располагаются в области, где на внутренней поверхности электроизолятора выполнены участки цилиндрической формы.
Наличие в данном техническом решении свободных витков спирали, не уложенных в спиральные канавки вблизи мест стыка спирали с токоподводами (для чего и выполнены на внутренней поверхности электроизолятора участки цилиндрической формы) связано с тем, что участки спирали нагревателя вблизи токоподводов должны быть свободно провисающими для компенсации тепловых расширений концевых участков спирали при ее разогреве до высоких температур (~1800 К и даже более). В противном случае тепловые расширения могут привести к заметным силовым нагрузкам на места стыка спирали с токоподводами.
Виброиспытания нагревательных узлов катодов подобного типа показали, что хотя бы один виток спирали должен находиться в свободном состоянии. Поэтому в конструкции предлагаемого изобретения у обоих концов спирали на длине не менее одного шага ее витка на внутренней поверхности электроизолятора выполнены участки цилиндрической формы, которые не фиксируют положение этих частей спирали в канавках электроизолятора.
Дополнительным достоинством такой конструкции катода, помимо прочего, является то, что корпус нагревательного узла охватывает полностью внешнюю поверхность электроизолятора. При механических воздействиях радиальной направленности вместо изгибающих усилий в области второго опорного узла (как в конструкции катода по [2]) на концевую часть электроизолятора будут действовать усилия сжатия. В этом случае радиально направленные усилия на внутреннюю поверхность электроизолятора со стороны токоподвода будут восприниматься корпусом нагревательного узла, а возможные радиальные усилия на внешнюю поверхность электроизолятора со стороны корпуса нагревательного узла - токоподводом. Таким образом, электроизолятор в области второго опорного узла будет подкреплен с наружной стороны корпусом нагревателя, что повышает его стойкость к механическим воздействиям.
Еще одним дополнительным достоинством такой конструкции катода является повышение его вибропрочности за счет того, что корпус нагревательного узла снабжен на конце, обращенном к выходной части поджигного электрода, выступом, направленным в сторону торцевой части электроизолятора. При этом в данной конструкции электроизолятор по своим торцевым поверхностям не стыкуется плотно к обоим сопрягаемым с ним в осевом направлении деталям, то есть и к держателю, и к корпусу катода одновременно, как в конструкции катода [2].
Данный выступ, с одной стороны, ограничивает возможные осевые перемещения электроизолятора, чтобы предотвратить его разрушение при возможных осевых нагрузках, и в то же время при значительном повышении температуры в процессе стартового разогрева катода не приводит к возникновению значительных силовых воздействий на элементы конструкции катода (включая сам электроизолятор) за счет линейных расширений.
При этом с целью демпфирования возможных осевых перемещений электроизолятора при механических воздействиях между выступом и торцевой частью электроизолятора может быть установлена пружина.
Предлагаемое устройство катода плазменного ускорителя иллюстрируется схемой, представленной на чертеже. Катод плазменного ускорителя содержит поджигной электрод 1, эмиттер 2 с держателем 3, трубопровод 4 подачи к эмиттеру 2 плазмообразующего вещества. Катод содержит также нагревательный узел, включающий соосно установленные друг относительно друга корпус 5, спираль 6 и электроизолятор 7, с внутренней стороны которого размещена спираль 6, а с внешней - корпус 5. Токоподводы 8 и 9 на концах спирали 6 имеют участки контакта 10 и 11 с внутренней поверхностью электроизолятора 7.
На внутренней поверхности средней части электроизолятора 7 выполнена спиральная канавка 12, в которой размещена большая часть спирали 6, причем у обоих концов спирали 6 на длине не менее одного шага ее витка на внутренней поверхности электроизолятора 7 выполнены участки цилиндрической формы 13 и 14.
На чертеже показана конструкция катода, в котором корпус 5 нагревательного узла охватывает полностью внешнюю поверхность электроизолятора 7, причем корпус 5 снабжен на конце, обращенном к выходной части поджигного электрода 1, выступом 15, направленным в сторону торцевой части электроизолятора 7. Дополнительно к этому между выступом 15 и торцевой частью электроизолятора 7 может быть установлена пружина 16.
Подача плазмообразующего вещества (обычно рабочего газа Хе) в катод осуществляется со стороны входного конца эмиттера 2 в сторону выходного конца эмиттера 2 и держателя 3. При этом трубопровод 4 может стыковаться к держателю 3 таким образом, что он подает рабочий газ практически непосредственно на вход эмиттера 2. Для придания большей жесткости всей конструкции катода между внешней оболочкой 17 поджигного электрода 1 и втулкой 18 токоподвода 9 может быть установлен дополнительный изолятор 19.
Катод плазменного ускорителя работает следующим образом. На спираль 6 подается напряжение от источника питания накала катода (на чертеже источник питания накала не показан). После разогрева спирали 6 и достижения эмиттером 2 температуры, обеспечивающей термоэмиссию электронов, во внутреннюю полость держателя 3 подается рабочий газ в направлении, указанном стрелкой 17. От источника питания поджига катода (на чертеже источник питания поджига разряда не показан) подается напряжение на поджигной электрод 1, расположенный ниже по течению рабочего газа относительно эмиттера 2, а также подается напряжение разряда между катодом и плазменным ускорителем от источника питания разряда плазменного ускорителя (на чертеже ускоритель плазмы не показан). Между поджигным электродом 1 и эмиттером 2 возникает электрический разряд.
Образовавшаяся в результате этого разряда плазма инициирует зажигание основного разряда между эмиттером 2 катода и плазменного ускорителя. После зажигания основного разряда отключают источник питания накала катода и источник питания поджига разряда. Катод продолжает работать от источника питания разряда плазменного ускорителя.
При выполнении серии включений катода, особенно при выполнении большого числа включений, измеряемых десятками тысяч часов, осуществляется многократный разогрев эмиттера 2 катода до высокой температуры с последующим его охлаждением. Кроме того, при проведении комплекса испытаний катода, он подвергается механическим воздействиям различного вида (вибрационным, удару и т.п.). При использовании катода в составе плазменного ускорителя для космических летательных аппаратов (КЛА) катод испытывает механические воздействия на этапе выведения КЛА в космос.
В ФГУП "Центр Келдыша" был изготовлен экспериментальный образец катода с нагревательным узлом, в котором были выполнены основные признаки предлагаемого изобретения, в том числе электроизолятор со спиральной канавкой, в которой была размещена большая часть спирали, корпус, охватывающий полностью внешнюю поверхность электроизолятора с выступом и др. Этот образец был подвергнут механическим воздействиям (при уровне случайной вибрации до ~25 g), а также продолжительным циклическим циклам нагрева с целью определения стойкости электроизолятора при воздействии на него высокой температуры. Испытания дали положительный результат, они подтвердили возможность создания рабочей конструкции катода при использовании основных признаков предлагаемого изобретения.
Таким образом, благодаря наличию выше представленных отличительных признаков предлагаемое техническое решение позволяет существенно увеличить механическую прочность катода, повысить надежность его работы, создать высоко работоспособную конструкцию катода для плазменных двигателей.
Источники информации
1. "Плазменный катод-компенсатор", патент РФ на изобретение №2283203, МПК H01J 37/077, H05H 1/54, F03H 1/00, Опытное конструкторское бюро "Факел", заявка РФ №2005100357/28, заявл. 11.01.05 г., опубл. 20.06.2006 г.
2. "Плазменный катод-компенсатор", патент РФ на изобретение №2012946, МПК H01J 37/077, F03H 1/00, Опытное конструкторское бюро "Факел", заявка РФ №4843045/25, заявл. 26.06.1990 г., опубл. 15.05.1994 г.