СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И СБОРКИ ИОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ (ВАРИАНТЫ), ИОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
METHOD OF PRODUCING ELEMENTS AND ASSEMBLIES OF ION OPTICAL SYSTEM (VERSIONS), ION-OPTICAL SYSTEM

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к ионным системам, и может быть использовано в области ракетно-космической техники, при разработке, изготовлении и сборке ионно-оптической системы (ИОС) ионных двигателей (ИД).
ИОС является конструктивно и технологически наиболее сложным и ответственным элементом ИД. Она состоит, как правило, из эмиссионного, ускоряющего и замедляющего электродов, в которых выполнены отверстия, причем обычно отверстия в каждом из электродов имеют свой, отличный от отверстий в других электродах, диаметр. Одной из наиболее важных проблем при изготовлении и сборке ИОС ИД является обеспечение точности изготовления электродов ИОС, обеспечения как зазора между электродами, так и соосности отверстий в электродах.
Изменение зазора между электродами на 10% по сравнению с расчетным номинальным значением приводит к падению плотности тока до 5%, отклонение диаметра отверстий в электродах от номинального на 2,5% приводит к снижению плотности тока на 2-6,5%, отклонение соосности между отверстиями на 2,5% приводит к падению плотности тока до 5%. Кроме того, плохо сфокусированный пучок ионов приводит к распылению стенок отверстий в электродах, что в итоге ведет к ухудшению параметров ИД. Все это требует особого внимания, создает существенные трудности при проектировании, изготовлении и сборке ИОС ИД.
Известна конструкция ионно-оптической системы, содержащая эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды, способ ее изготовления и сборки, основанный на изготовлении отверстий в электродах, обеспечении осесимметричности отверстий в электродах и зазора между электродами (патент США 7414355 (2005 г.) "Charged particle beam extraction and formation apparatus"; Лесневский Л.Н. Технология производства космических двигателей и энергоустановок с использованием наноматериалов: Учебно-методический комплекс / Л.Н. Лесневский, В.Н. Тюрин. - Калуга, Москва: Изд-во «Эйдос», 2011. - 482 с.; Космические ядерные энергоустановки и электроракетные двигатели. Конструкция и расчет деталей: Учебное пособие / П.В. Андреев, А.С. Демидов, Н.И. Ежов и др. - М.: Изд-во МАИ, 2014. - 508 с. - прототипы).
Такая ионно-оптическая система обладает следующими недостатками:
- сложность обеспечения соосности между отверстиями в электродах при сборке;
- невозможность регулировки зазора между электродами при сборке ИОС, что требует повышенной точности изготовления составных частей ИОС.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно:
- упрощение обеспечения соосности между отверстиями в электродах при сборке ИОС;
- обеспечение регулировки зазора между электродами при сборке ИОС.
В предлагаемом изобретении технический эффект достигается тем, что в известном способе изготовления и сборки ионно-оптической системы, основанном на обеспечении осесимметричности отверстий в электродах и зазора между этими электродами согласно изобретению:
- изготовление отверстий осуществляют от базы, представляющей собой не менее двух базовых отверстий, выполненной в каждом из электродов;
- базу образуют из не менее двух неравномерно расположенных отверстий;
- обработку отверстий в электродах выполняют на станке с числовым программным управлением;
- обработку отверстий в электродах выполняют на станке с числовым программным управлением по одной и той же программе;
- отверстия в электродах выполняют с помощью электроэрозионной обработки;
- после получения отверстий в электродах выполняют их электрополировку;
- соосность отверстий между электродами обеспечивают настройкой соосности базовых отверстий;
- настройку зазора обеспечивают доработкой или подбором регулировочных шайб, при этом электроды опирают не менее чем на три элемента, представляющих собой сочетание керамических изоляторов и регулировочных шайб.
Указанные способы реализованы в ионно-оптической системе, содержащей эмиссионный, ускоряющий, замедляющий электроды и изоляторы между ними, в которой согласно изобретению:
- в электродах, как минимум в эмиссионном и ускоряющем, выполнено не менее двух дополнительных соосных базовых отверстий;
- соосные базовые отверстия расположены неравномерно;
- изоляторы выполнены с развитой поверхностью.
Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что благодаря ей появляется возможность обеспечить точную настройку (юстировку) ионно-оптической системы, минимизировав время на ее изготовление и сборку.
Предлагаемая ионно-оптическая система представлена на фиг. 1, 2 представлен вариант ионно-оптической системы, на фиг. 3-5 представлены элементы ионно-оптической системы, где
1 - эмиссионный электрод
2 - ускоряющий электрод
3 - замедляющий электрод;
4 - отверстие в эмиссионном электроде
5 - отверстие в ускоряющем электроде
6 - отверстие в замедляющем электроде
7 - базовое отверстие
8 - фланец эмиссионного электрода
9 - фланец ускоряющего электрода
10, 12, 15, 16 - керамический изолятор
11 - регулировочная шайба
13 - фланец замедляющего электрода
14 - регулировочная шайба
17 - кольцевой замедляющий электрод
18 - изолятор с увеличенной поверхностью контакта
1
δ - зазор между эмиссионным и ускоряющим электродами
2
δ - зазор между ускоряющим и замедляющим электродами
1
8
l-l - размеры элементов ионно-оптической системы.
Ионно-оптическая система состоит из эмиссионного 1, ускоряющего 2 и замедляющего 3 электродов с отверстиями 4, 5, 6, формирующими апертурную сетку, и дополнительными базовыми отверстиями 7, фланцев 8, 9, 13 электродов, керамических изоляторов 10, 12, 15, 16, регулировочных шайб 11, 14. Отверстия 4, 5, 6, как правило, имеют различный диаметр. Для упрощения конструкции замедляющий электрод 17 может иметь кольцевую форму без отверстий. Изолятор между электродами для исключения пробоев из-за металлизации при длительной работе может иметь развитую поверхность, например в осевом направлении 18 или за счет кольцевых проточек на наружном диаметре изоляторов 10, 15.
Принцип изготовления и сборки ионно-оптической системы заключается в следующем.
При изготовлении отверстий 4, 5, 6 в эмиссионном 1, ускоряющем 2 и замедляющем 3 электродах, соответственно, в качестве базы используют не менее двух специальных базовых отверстий 7, которые выполняются в каждом из электродов. При этом, как вариант, базовые отверстия 7 могут быть расположены неравномерно как по углу, так и по диаметру для обеспечения однозначной установки электродов при сборке. Отверстия 4, 5, 6 в электродах можно выполнять сверлением, фрезерованием, лазерным и другими способами изготовления. Для повышения точности изготовления отверстия 4, 5, 6 в электродах выполняют на станке с числовым программным управлением, при этом для изготовления эмиссионного, ускоряющего и замедляющего электродов используют одну и ту же управляющую программу. В качестве способа получения отверстий в электродах может быть использована электроэрозионная обработка, обеспечивающая высокую точность и чистоту поверхности отверстий. Для повышения качества поверхности электродов 1, 2, 3 и внутренней поверхности отверстий 4, 5, 6, а также удаления заусенцев на кромках после обработки отверстий выполняют их электрополировку электродов.
После изготовления электродов 1, 2, 3 при сборке ионно-оптической системы обеспечения соосности отверстий 4, 5, 6 обеспечивают выставлением (настройкой) соосности, например, за счет технологических штифтов, базовых отверстий 7, выполненных в каждом из электродов. Применение при сборке выставления соосности по базовым отверстиям 7, которые при изготовлении служили базой для обработки отверстий, позволит обеспечить высокую точность, так как обеспечено единство баз при изготовлении и сборке.
1
2
4
8
При сборке электроды опираются не менее чем на три элемента. Элементы представляют собой сочетание керамических изоляторов 10, 15 и регулировочных шайб 11, 14, устанавливаемых между фланцами 8, 11, 13. Настройка зазоров δ - между эмиссионным и ускоряющим электродами и δ - между ускоряющим и замедляющим электродами осуществляется доработкой или подбором количества регулировочных шайб 11, 14, соответственно. Расчет размеров l и l регулировочных шайб осуществляется по следующим зависимостям:
1
2
3
4
5
6
7
где l, l, l, l, l, l, l - фактически измеренные при сборке ионно-оптической системы значения;
1
2
δ, δ - расчетные, полученные при проектировании ионно-оптической системы, значения зазоров между эмиссионным и ускоряющим и между ускоряющим и замедляющим электродами зазоров.
1
2
1
2
4
5
6
7
Так как с точки зрения обеспечения параметров и характеристик ИОС наиболее важным является точная настройка зазора между эмиссионным и ускоряющим электродами (δ), а зазор между ускоряющим и замедляющим электродами (δ) может изменяться в достаточно широких пределах, настраивать при сборке можно только зазор δ, а зазор δ обеспечить за счет точности (допусков) изготовления составных частей ионно-оптической системы, определяемых размерами l, l, l, l. После сборки необходимо определить значения зазоров между электродами по следующим зависимостям:
1
2
3
5
6
7
где l, l, l, l, l, l - фактически измеренные при сборке ИОС значения;
4
8
l, l - фактические, измеренные после доработки или подбора количества, значения размера регулировочных шайб.
1
2
Значения зазоров δ, δ должны находиться в пределах допусков, заданных при проектировании ИОС.
Таким образом, благодаря использованию изобретения обеспечивается изготовление и сборка ионно-оптической системы с минимальным отклонением соосности отверстий и зазоров между электродами от номинального расчетного значения, что обеспечит минимальный разброс параметров и характеристик ионно-оптической системы.