УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ТЕПЛОВЫХ РАСШИРЕНИЙ РАЗРЯДНОЙ КАМЕРЫ ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Предлагаемая полезная модель относится к плазменной технике и может быть использована при получении потоков заряженных частиц, а также при создании плазменных холловских двигателей для космических аппаратов.
Из уровня техники известен источник US 6215124 B1, 10.04.2001, в котором раскрыто устройство для компенсации тепловых расширений разрядной камеры плазменного двигателя, содержащее пружинящие элементы, взаимодействующие с узлами для прижима керамических колец к полюсам.
Известное устройство для компенсации тепловых расширений имеет следующие недостатки: выходные кольца разрядной камеры поджимают к выходным (наружным и внутренним) полюсам за счет узлов для прижима, взаимодействующих с крупногабаритными пружинящими элементами, что при вибрации усиливает нагрузку на выходные керамические кольца и приводит к их быстрому износу. В месте стыковки стенок разрядной камеры с выходными кольцами существует зазор, в который может проникать плазма и рабочее тело (газ) из анода, что может привести к пробою и ухудшению рабочих характеристик двигателя.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является устранение вышеуказанных недостатков.
Техническим результатом является увеличение ресурса плазменного двигателя.
Для решения технической задачи и обеспечения технического результата предлагается устройство для компенсации тепловых расширений разрядной камеры плазменного двигателя, содержащее пружинящие элементы. Устройство дополнительно содержит подпятники, выполненные с возможностью установки на внутреннюю и внешнюю боковые стенки разрядной камеры плазменного двигателя и плотного контакта с керамическими выходными кольцами. Пружинящие элементы выполнены с возможностью взаимодействия одной стороной с боковыми стенками разрядной камеры плазменного двигателя и другой стороной - с подпятниками.
Каждый подпятник выполнен в виде полой ступенчатой монолитной детали, содержащей две последовательно и соосно размещенные цилиндрические части различного диаметра, при этом одна цилиндрическая часть снабжена уступом, высота которого равна толщине стенки другой цилиндрической части, контактирующей с керамическим выходным кольцом и снабженной буртиком.
Пружинящие элементы могут быть выполнены кольцеобразными из жаропрочной стали.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами.
Фиг. 1 - общая схема плазменного двигателя с устройством для компенсации тепловых расширений разрядной камеры.
Фиг. 2 - укрупненно показано устройство для компенсации тепловых расширений разрядной камеры плазменного двигателя.
Как видно на Фиг. 1 и 2 плазменный двигатель состоит из основания 1, на котором установлена магнитная система, создающая в разрядной камере 7 магнитное поле, включающая в себя: внутреннюю электромагнитную катушку 2, наружную электромагнитную катушку 3 и магнитопровод 4. К внутренней электромагнитной катушке 2, крепится внутренний полюс 5, а на наружную электромагнитную катушку 3, крепится наружный полюс 6 через магнитопровод 4, между катушками расположена кольцевая разрядная камера 7, внутри которой закреплен анод с газораспределителем 8, к которому подведена трубка подачи рабочего тела 9 и контакт электропитания 10. На конце разрядной камеры 7 расположены керамические выходные кольца (наружное 11 и внутреннее 12). Плазменный двигатель содержит узел 13 для прижима наружного керамического выходного кольца 11 к наружному полюсу 6 и узел 19 для прижима внутреннего керамического выходного кольца 12 к внутреннему полюсу 5. Узлы 13 и 19 крепятся соответственно к полюсам 6 и 5 посредством винтов 14 и 20. Узлы для прижима выполнены из металла с коэффициентом температурного расширения, близким к коэффициенту температурного расширения материала, из которого выполнены керамические выходные кольца.
Устройство для компенсации тепловых расширений разрядной камеры плазменного двигателя содержит подпятники и пружинящие элементы. Каждый подпятник выполнен в виде полой ступенчатой монолитной детали, содержащей две последовательно и соосно размещенные цилиндрические части различного (большего и меньшего) диаметра. При этом одна цилиндрическая часть снабжена уступом, высота которого равна толщине стенки другой цилиндрической части, контактирующей с керамическим выходным кольцом и снабженной буртиком. Первый 15 и второй 17 подпятники связаны соответственно с внешней 7а и внутренней 7b стенками разрядной камеры 7.
Первый подпятник 15 устанавливается на внешнюю стенку 7а разрядной камеры 7 таким образом, что внутренняя поверхность внешней стенки 7а разрядной камеры 7 плотно контактирует с внешней поверхностью цилиндрической части меньшего диаметра подпятника 15, при этом его уступ связан с выходным торцом внешней стенки разрядной камеры через первый пружинящий кольцеобразный элемент 16.
Второй подпятник 17 устанавливается на внутреннюю стенку 7b разрядной камеры 7 таким образом, что внутренняя поверхность внутренней стенки 7b разрядной камеры 7 плотно контактирует с внутренней поверхностью цилиндрической части большего диаметра подпятника 17, причем его уступ связан с выходным торцом внутренней стенки разрядной камеры через второй пружинящий кольцеобразный элемент 18.
На конце цилиндрической части большего диаметра первого подпятника 15 и на конце цилиндрическая часть меньшего диаметра второго подпятника 17 выполнены буртики, обеспечивающие большую площадь опоры для керамических колец 11, 12 и жесткость самих подпятников.
Подпятники 15, 17 и пружинящие кольцевые элементы 16, 18 позволяют скомпенсировать температурные расширения разрядной камеры 7 и плотно прижать ее к керамическим выходным кольцам 11, 12. Подпятники распределяют равномерно пружинящие нагрузки от пружинящих элементов по всей плоскости соприкосновения с выходными керамическими кольцами.
Пружинящие элементы 16, 18 выполнены из специальной жаропрочной стали (например, сталь марки 68НХКВТЮ(ВИ)), которая обладает высокими эксплуатационными свойствами, не изменяющимися на всем протяжении гарантийного срока работы двигателя. Кольцеобразные пружинящие элементы 16, 18 находятся между разрядной камерой 7 и подпятниками 15, 17 в заневоленном состоянии и не могут оттуда вылететь. Конструкция пружинящих элементов 16, 18 рассчитана таким образом, что при температурных расширениях разрядной камеры 7 во время работы двигателя, обеспечивается плотное прижатие подпятников 15, 17 к керамическим выходным кольцам 11,12 без оказания излишней нагрузки на них.
Устройство работает следующим образом.
При работе плазменного двигателя, в разрядной камере образуется плазма, она вылетает между внутренним 12 и наружным 11 выходными керамическими кольцами, нагревая как кольца, так и саму разрядную камеру 7. При разогреве разрядная камера расширяется и оказывает давление на керамические кольца и другие элементы двигателя. Предлагаемое устройство компенсирует тепловые расширения разрядной камеры плазменного двигателя за счет того, что пружинящие элементы 16, 18 сжимаются и передают остаточную нагрузку на подпятники 15, 17, которые в свою очередь равномерно распределяют ее по всей плоскости соприкосновения с выходными керамическими кольцами 11, 12, что в итоге предотвращает их поломку. При этом не образуется зазора между керамическими выходными кольцами и разрядной камерой. Таким образом, поддерживается стабильная работа плазменного двигателя и достигается увеличение его ресурса. А также снижается масса двигателя и соответственно затраты на изготовление.
Конструкция предлагаемого устройства предотвращает разрушение керамических выходных колец плазменного двигателя и обеспечивает отсутствие зазора между керамическими выходными кольцами и разрядной камерой при любых режимах эксплуатации, что исключает электрический пробой внутри двигателя и увеличивает его ресурс.
Плазменный двигатель с устройством для компенсации тепловых расширений разрядной камеры успешно прошел ресурсные испытания в полном объеме (4000 часов) и успешно работает на орбите в составе спутников.