Устройство для увеличения силы тяги в электрическом ионном двигателе
DEVICE FOR INCREASING THRUST IN AN ELECTRIC ION THRUSTER

Изобретение относится к ракетной технике, в частности к электрическим ионным двигателям, снабженным устройством для увеличения силы тяги за счет ускорения ионов в постоянном электрическом поле.
Известно устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ракетном двигателе (патент на изобретение RU №2704523, МПК:F03H 1/00) и достижения скоростей истечения ионного потока более 200 км/сек за счет дополнительного ускорения ионов в высокочастотном поле. В данном устройстве для достижения более высокой и плавно регулируемой скорости ионной струи в ускоряющей системе, при уменьшенной, по сравнению с прототипом (патент на полезную модель RU №73405, МПК:F03H 1/00, B64G 1/40), величине постоянного ускоряющего напряжения, а также с целью достижения большей долговечности устройства, в состав ИОС введены дополнительные, последовательно чередующиеся, управляющие и фокусирующие электроды с пролетными отверстиями.
Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ракетном двигателе работает следующим образом. Газоразрядную камеру заполняют рабочим газом. После инициирования газового разряда, например, с помощью СВЧ энергии, ионы извлекают из газоразрядной камеры, используя первые два электрода ИОС (экранный и входной ускоряющий электрод). Окончательное ускорение многолучевого потока ионов постоянным электрическим полем происходит в промежутке между ускоряющим электродом и экранирующим электродом, который находится под нулевым потенциалом. Далее ионные лучи проходят через отверстия разноименно заряженных электродов, образующих систему одиночных линз.
Регулирование величины силы тяги осуществляется за счет дополнительного ускорения их в сильном высокочастотном электрическом поле, величину которого плавно изменяют. ВЧ ускорение ионных сгустков осуществляется в выходной секции, пространство взаимодействия в которой образуют три последовательно расположенных двойных высокочастотных зазора, образованных между торцами управляющих и экранирующих электродов. Фазу сигналов в этой линии регулируют с помощью дополнительного фазовращателя таким образом, чтобы суммарное ВЧ напряжение, действующее в области ускорения было синхронизировано по фазе с фазой ионных сгустков, образующихся во входной секции прибора за счет скоростной модуляции и группировки ионов несинусоидальным синусоидальным сигналом.
Недостатком устройства является необходимость синхронизации по фазе суммарного ВЧ напряжения с фазой ионных сгустков. Нарушение такой синхронизации приведет к уменьшению эффективности этого устройства.
Известно устройство (см. https://pcnews.ru/news/dual-stage-ds4g-esa-10-210-smart-orson-sutherland-roger-walker-103198.html#gsc.tab=0статья от 19.01.2006) ионный двигатель, четырехсетчатый Dual-Stage (DS4G), который был успешно протестирован Европейским космическим агентством (ESA) в Лаборатории электрической тяги в Нидерландах. По мощности он в 10 раз превышает существующие ионные аналоги и в 4 - прототипные, и развивает удельную тягу до 210 км/сек.
Обычный ионный двигатель состоит из трех сеток, каждая - с тысячей миллиметровых отверстий. Они подсоединяются к камере, содержащей заряженные частицы. Первая работает под напряжением в тысячи вольт, а вторая - под низким напряжением. Разница создает электрическое поле, которое извлекает ионы из топливного резервуара и ускоряет их наружу. Третья сетка останавливает электроны, летящие обратно в ионный луч. В идеале, разница напряжений между двумя сетями должна быть как можно больше, чтобы увеличить скорость ионов, а также эффективность расхода топлива. Но когда разница приближается к 5 тыс.вольт, ионы сталкиваются со второй сеткой и начинают ее разрушать. В новом проекте - четыре сетки. Ионы извлекаются из резервуара при помощи двух сеток, расположенных рядом под напряжением 3-5 тыс.вольт. Ускорение происходит на второй стадии, когда извлеченные ионы передаются от второй сетки к третьей, находящейся под очень большим напряжением. И, наконец, последняя стадия - с низким напряжением - предохраняет от попадания электронов назад. Система позволяет создавать между двумя наборами сеток разность напряжений до 30 тыс.вольт и не повреждает их.
Недостатком данного устройства является то, что ускорение ионов осуществляется одной парой электродов (между второй и третьей сеткой). А первая и вторая сетки используются для извлечения ионов из резервуара, но при этом не обеспечивают максимально возможную плотность тока. В результате устройство реализует невысокое значение произведения плотности тока на скорость истечения.
Это устройство является наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению для увеличения силы тяги в электрическом ионном двигателе.
Целью заявляемого устройства является увеличение силы тяги ионного двигателя при сохранении высоких значений удельного импульса.
Устройство увеличения силы тяги в электрическом ионном двигателе, которое содержит систему ионизации, замедляющий электрод, и многолучевую ионно-оптическую систему (ИОС), состоящую из n последовательно установленных плоских ускоряющих электродов с пролетными отверстиями, соединенных с источниками постоянного ускоряющего напряжения последовательно, а катод предыдущей пары является анодом последующей пары плоских электродов с пролетными отверстиями, а расстояние между первой парой электродов выбирается минимально возможной, при фокусировке ионных пучков, а также отсутствие электрического пробоя и деформаций, приводящих к контакту ускоряющих электродов, чтобы обеспечить максимально возможную плотность тока для заданного соотношения удельного заряда - отношение заряда иона к его массе. При этом напряжение между каждой парой электродов ограниченно величиной напряженности электростатического поля, при которой отсутствует пробой между электродами. Плотность тока заряженной струи формируется первой парой электродов; между электродом, осуществляющим эмиссию ионов (анодом для положительно заряженных ионов), и первым электродом. Учитывая ограничения, связанные с максимально допустимой напряженностью поля, напряжение, подаваемое на первую пару электродов, не позволяет достигать высоких скоростей заряженной струи. Достижение высокой скорости истечения обеспечивается ускорением заряженной струи последующими парами электродов. При этом максимально возможная плотность тока между последующими парами электродами не меньше плотности тока первой пары электродов, что достигается за счет подбора расстояния между парами электродами и напряжением, подаваемым на пары электродов. При наличии технических ограничений на максимально возможное прикладываемое напряжение расстояние между парами электродов подбирается из условий обеспечения максимально возможного напряжения, подаваемого на пару электродов, и обеспечения максимально возможной плотности тока не ниже плотности тока, получаемой на первой паре электродов.
При использовании изобретения достигается технический результат, а именно более высокая сила тяги ионного двигателя при обеспечении высоких скоростей истечения заряженной струи.
a
с
м
На фиг. 1 приведена зависимость максимальной плотности тока, отнесенной к квадратному корню значения удельного заряда, от расстояния между электродами и начальной скорости зарядов w=100 /.
На фиг. 2 представлена принципиальная схема разгона ионов, включающая n последовательно установленных плоских ускоряющих электродов с пролетными отверстиями, соединенных с источниками постоянного ускоряющего напряжения последовательно. На этой схеме катод предыдущей пары является анодом последующей пары плоских ускоряющих электродов.
На фиг. 3 представлена принципиальная схема разгона ионов, включающая n гальванически разорванных пар последовательно установленных плоских ускоряющих электродов с пролетными отверстиями.
Заявляемое устройство содержит систему ионизации, систему нейтрализации, замедляющий электрод. Отличительной особенностью является многолучевая ИОС, состоящая из n последовательно установленных плоских ускоряющих электродов с пролетными отверстиями. Первая пара электродов служит для создания максимально возможной плотности токи, последующие - для достижения скорости истечения.
Тяга ионного двигателя, выраженная через плотность тока и удельный заряд ионов, равна
где
- удельный заряд ионов;
q - заряд иона;
m - масса одной заряженной частицы;
S - площадь поперечного сечения струи;
ист
W - скорость истечения.
Поделив (1) на S, получим выражение для мидельной тяги (тяга площади поперечного сечения струи)
Как видно из (2) мидельная тяга пропорциональна плотности тока и скорости истечения и обратно пропорциональна удельному заряду.
Максимальная плотность тока, которая может быть достигнута между анодом и катодом приведена в книге О.Н. Фаворский, В.В. Фишгойт, Е.И. Янтовский, Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. Под. ред. О.Н. Фаворского. Учеб. пособие для вузов. М., "Высшая школа", 1970. 488 с.:
здесь
0
-12
ε=8.85×10 - диэлектрическая постоянная;
- относительная скорость среды у анода (в точке х=0);
к
w - скорость среды у катода (в точке х=L);
L - расстояние между анодом и катодом;
- удельный заряд.
Плотность тока, выраженная через скорость ионов у анода, потенциал анода или напряженность поля, будет иметь вид
здесь  напряженность поля между анодом и катодом при отсутствии заряженной среды.
Из представленных на фиг. 1 данных видно, что максимально возможная плотность тем выше, чем меньше расстояние между электродами. Влияние расстояния между электродами на величину мидельной тяги такое же, как на величину максимальной плотности тока.
Из приведенных данных очевидно, что для увеличения тяги двигателя необходимо уменьшать расстояние между электродами, что приводит к повышению плотности тока, но уменьшению ускоряющего заряды напряжения, что связано с необходимостью обеспечения значения напряженности поля, при котором отсутствует электрический пробой между электродами.
В заявляемом устройстве разгона зарядов предлагается использовать систему из последовательно установленных электродов, напряжение и расстояние между которыми обеспечивают максимально возможную плотность тока не ниже, чем первая пара электродов (фиг. 2). Суммарное напряжение разгона ионов определяется
i
Σ
здесь ΔU - напряжение, прикладываемое к i-ой паре электродов, ΔU - суммарное напряжение, необходимое для разгона ионов с заданным удельным зарядом до требуемой скорости истечения. Первая пара электродов обеспечивает максимально возможную для используемых ионов (или зарядов) плотность тока. Для идеального электростатического двигателя, у которого отсутствуют токи утечки, связанные с попаданием зарядов на ускоряющие электроды, плотность тока остается постоянной до нейтрализации струи. Последующие пары электродов обеспечивают разгон заряженных частиц до требуемой скорости. При этом на каждой следующей паре электродов должно выполняться условие обеспечения напряженности электрического поля, при котором отсутствует пробой между электродами, а также расстояние между электродами, обеспечивающими максимально возможную плотность тока не меньше, чем для первой пары ускоряющих электродов.
Расстояние между электродами i-ой пары, обеспечивающими максимально возможную плотность тока не меньше, чем для первой пары ускоряющих электродов, определяется численным решением неравенства
Конструктивно многосеточная схема может быть выполнена как показано на фиг. 2, где катод предыдущей пары является анодом последующей пары ускоряющих электродов, так и в виде гальванически разорванных пар фиг. 3.
Σ
Σ
В первом варианте преимуществом является некоторой сокращение общей длины ускоряющей системы. Недостатком первой схемы является необходимость прикладывать суммарное напряжение ΔU между первым (самым левым) анодом и последним (самым правым) катодом, а также использовать делитель напряжения между промежуточными сетками, чтобы обеспечить требуемое напряжение на внутренних парах ускоряющих электродов. Второй вариант при некотором увеличении длины ускоряющей системы позволяет прикладывать к парам ускоряющих электродов независимые источники напряжения. Тем самым снимается требование иметь источник высокого напряжения ΔU.
Заявляемое устройство для увеличения силы тяги в электрическом ионном двигателе работает следующим образом:
1
После ионизации электрически заряженная среда попадает в первую пару ускоряющих электродов, имеющую разность потенциалов ΔU. Электрически заряженная среда представляет собой неравномерный объемный заряд, который влияет на распределение потенциала между электродами. Функция распределения потенциала между электродами представляет собой кривую, имеющую максимум. Таким образом, сначала происходит торможение заряженной среды, до достижения ею точки максимума потенциала, после чего среда ускоряется. В книге О.Н. Фаворский и др. (О.Н. Фаворский, В.В. Фишгойт, Е.И. Янтовский, Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. Под. ред. О.Н. Фаворского. Учеб. пособие для вузов. М., "Высшая школа", 1970. 488 с.) приведена зависимость максимально возможной плотности тока от разности потенциалов между ускоряющими электродами, расстояния между, величины удельного заряда и начальной скорости ионов
q,Cs
q,Li
5
7
4
Там же приведены расчеты для ионов цезия (k=7.25⋅10) и лития (k=1.39⋅10). Задавая напряженность поля между электродами в  как обеспечивающую отсутствие пробоя между электродами (согласно https://yandex.ru/search/?text=Напряженность+пробоя+электорческого+поля&lr=2&clid=1955454&win=2301, [https://studopedia.net/14_38080_probivnoe-napryazhenie-i-probivnaya-napryazhennost.html] величина пробоя в воздухе составляет , для расстояния между ускоряющими электродами в 10 мм (ускоряющая разность потенциалов 10 В) и начальной скорости  получаем:
мид
для цезия  скорость истечения  Р=7.867 Па;
мид
для лития  скорость истечения  Р=7.867 Па.
При использовании заявляемой схемы разгона для тех же ионов и значений скоростей истечения получены следующие данные:
мид
для цезия  скорость истечения  Р=24.88 Па;
мид
для лития  скорость истечения  Р=24.88 Па.
Таким образом, заявляемая схема разгона увеличивает мидельную тягу в 3.16 раза по сравнению с классической схемой разгона. При этом потребовалось 3 пары ускоряющих электродов. Ниже в таблице приведены параметры ускоряющих систем заявляемой схемы
Результат достигается за счет того, что на первой паре ускоряющих электродов создаются условия для достижения максимально возможной плотности тока, т.е. плотности заряженной среды. При этом скорость после прохождения первой пары ускоряющих электродов будет относительно не велика. А достижение высокой скорости истечения достигается за счет ускорения последующими парами ускоряющих электродов, разность потенциалов и расстояние между которыми выбираются таким образом, чтобы максимально возможная плотность тока была бы не ниже, чем для первой пары ускоряющих электродов. Плотность тока во всей ускоряющей системе остается постоянной при отсутствии токов утечек (нет разфокусировки ионных пучков), отсутствии пульсаций, т.к. постоянная подача рабочего тела - ионов - и постоянные (не пульсирующие) напряжения между электродами.
Из приведенных данных видно, что ускоряющее напряжение, прикладываемое к очередной паре ускоряющих электродов меньше суммарного ускоряющего напряжения, необходимого для достижения скорости истечения такого же, как в классической схеме. Это позволяет существенно увеличивать скорость истечения в заявляемой схеме. Например, для ионов лития скорость истечения  необходимо суммарное ускоряющее напряжение 158.63 кВ.
При этом для классической (двухэлектродной) схемы разгона будем иметь:
для заявляемой схемы разгона:
что в 12.6 раза выше, чем для классической схемы.
Для сравнения с наиболее близким аналогом, в котором использовались ионы ксенона, удельный заряд которых равен  были оценены значения плотности тока, начальной скорости зарядов и расстояния между первой парой пластин (в описании аналога эти параметры не указаны). Были получены следующие значения:
расстояния между первой парой пластин - 5 мм;
начальная скорость зарядов -
При этих параметрах увеличение плотности тока (и мидельной тяги) аналога по сравнению с классическим устройством составляет 2.75.
Заявляемое устройство при сохранении той же скорости истечения позволяет достичь увеличения плотности тока (мидельной тяги) в 2.25-3.19 раз выше, чем для ближайшего аналога. Эффективность по мидельной тяге может быть еще больше увеличена по сравнению с аналогом за счет достижения более высокой скорости истечения. Плотность тока в заявляемом устройстве остается без изменения, т.к. не меняются параметры первой пары ускоряющих электродов.
Еще большую эффективность заявляемое устройство обеспечивает при разгоне заряженных частиц, имеющих относительно невысокий удельный заряд. Например, для заряженных частиц с удельным зарядом  может быть достигнута скорость истечения в  при мидельной тяге 4334 Па, что в 551 раз выше, чем для классического устройства. При этом суммарное ускоряющее напряжение составляет 5 MB, но для заявляемого устройства за счет использования последовательно установленных ускоряющих пар электродов ускоряющее напряжение, подаваемое на эти пары может не превышать максимально технически возможного напряжения, обеспечиваемого энергоустановкой, например, 10 кВ.
км
с
Расчеты показали, что предлагаемая схема разгона ионов позволяет получить увеличение мидельной тяги по сравнению с классической схемой разгона от 2 до 500 раз в зависимости от величины удельного заряда при скорости истечения от 50 до 500 /, что примерно в 2 раза выше приведенного значения для ближайшего аналога.