Катод плазменного ускорителя
PLASMA ACCELERATOR CATHODE

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к классу плазменных ускорителей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды, и может быть использовано при разработке электроракетных двигателей.
Катод является одним из самых конструктивно и технологически сложных узлов ионных и холловских двигателей и во многом определяет их характеристики. Современные двигатели оснащаются полыми газоразрядными катодами, запуск которых осуществляется после разогрева эмиттера до рабочей температуры с помощью стартового нагревателя. После запуска катода нагреватель отключается, а рабочая температура эмиттера поддерживается за счет энергии, выделяемой из разряда внутри катода.
Спираль нагревателя является самым горячим элементом катода. В процессе стартового разогрева катода спираль и окружающие ее элементы нагреваются до температур, превышающих рабочую температуру эмиттера на несколько сотен градусов. Это требует применения материалов с высокой рабочей температурой. Для эффективной передачи тепла при стартовом разогреве узел нагревателя должен находиться в непосредственной близости к эмиттерному узлу. При этом для минимизации тепловых потерь с эмиттера при работе катода узел нагревателя должен быть достаточно ажурным. С другой стороны он должен обладать достаточной прочностью для обеспечения стойкости к внешним механическим нагрузкам и термомеханическим нагружениям, возникающим в момент работы стартового нагревателя.
Так, известен катод плазменного ускорителя (патент РФ на изобретение №2418337, опубликованный 10.05.2011 г), выполненный по общему принципу накальных катодов и содержащий корпус с эмиссионным отверстием, установленный в полости корпуса эмиттер со сквозным каналом, соосным с эмиссионным отверстием, пусковой электрод с отверстием в торцевой поверхности, нагревательный узел со спиралью и трубку подачи рабочего тела в канал эмиттера. Данное устройство имеет достаточно сложную конструкцию из-за наличия узла нагревателя, кроме того, необходимость электрической изоляции спирали от других элементов приводит к использованию в конструкции катода нескольких дополнительных изоляторов как в зоне монтажного фланца, так и зоне эмиттера, что также усложняет конструкцию катода. Еще одним недостатком катодов, снабженных стартовым нагревателем, является относительно высокая длительность запуска, которая составляет от одной минуты до десятка минут в зависимости от размера катода.
Альтернативой катоду, оснащенному стартовым нагревателем, является безнакальный катод. Запуск такого катода осуществляется за счет пробоя при подаче высокого напряжения между двумя электродами катода. После пробоя происходит разогрев эмиттера до рабочей температуры газовым разрядом. Время запуска таких катодов составляет от десятков миллисекунд до единиц секунд. За счет отсутствия узла стартового нагревателя безнакальный катод конструктивно и технологически проще и имеет лучшие массогабаритные характеристики. Основным недостатком такого катода является сильная пусковая эрозия электродов.
В уровне техники известен безнакальный катод (Dan Lev et al., "Heaterless Hollow Cathode Technology - A Critical Review", Space Propulsion Conference, Rome, Italy, 2016, SP 2016-3125366, fig. 1), выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус с эмиссионным отверстием, установленный в полости корпуса эмиттер со сквозным каналом, соосным с эмиссионным отверстием, пусковой электрод с отверстием в торцевой поверхности и трубку подачи рабочего тела в канал эмиттера, при этом корпус эмиттера расположен в полости пускового электрода соосно с ним. Для поджига разряда прикладывается напряжение между корпусом и пусковым электродом, а через трубку подачи рабочего тела и канал эмиттера подается рабочее тело. В результате электрического пробоя возникает разряд, который разогревает эмиттер до рабочей температуры. Недостатком данного катода, как указано выше, является сильная пусковая эрозия рабочей поверхности эмиттера и эмиссионного отверстия.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение высокого ресурса безнакального катода плазменного ускорителя по количеству включений за счет уменьшения пусковой эрозии рабочей поверхности эмиттера в сочетании с относительно малым временем запуска.
Технический результат заключается в обеспечении высокого ресурса катода по количеству включений за счет уменьшения пусковой эрозии эмиттера.
Указанный результат достигается тем что, в катоде плазменного ускорителя, содержащем пусковой электрод с отверстием в торцевой поверхности, расположенный в полости пускового электрода соосно корпус с эмиссионным отверстием, установленный в полости корпуса эмиттер со сквозным каналом, соосным с эмиссионным отверстием, и трубку подачи рабочего тела в канал эмиттера, на боковой поверхности корпуса выполнено отверстие, любой линейный размер которого больше толщины стенки боковой поверхности корпуса, причем радиальный зазор между боковыми поверхностями корпуса и пускового электрода превышает осевой зазор между торцом корпуса и торцевой поверхностью пускового электрода.
Дополнительно, упомянутое отверстие может быть выполнено таким образом, что его размер в осевом направлении не превышает длину эмиттера, а размер в перпендикулярном направлении - не более радиуса эмиттера.
Помимо этого, радиальный зазор между боковыми поверхностями корпуса и пускового электрода может превышать осевой зазор между торцом корпуса и торцевой поверхностью пускового электрода в 5 раз и более.
Дополнительно торцевая поверхность пускового электрода может быть электрически изолирована от его боковой поверхности.
Также отверстие пускового электрода может быть смещено от оси на расстояние не меньше, чем сумма радиусов эмиссионного отверстия и отверстия в пусковом электроде.
Кроме того, напротив отверстия в корпусе на внутренней боковой поверхности пускового электрода может быть выполнено как минимум одно острие, выступающее над поверхностью пускового электрода.
-3
-2
-2
При запуске катода после подачи расхода рабочего тела характерное значение давления в полости пускового электрода составляет р=(10…100) Па. С учетом характерных зазоров между эмиттером и пусковым электродом d=(10…10) м, величина произведения пробойного промежутка на давление составит p⋅d=(10…1) Па⋅м, что соответствует левой ветви кривой Пашена, для которой характерно снижение пробойного напряжения с ростом разрядного промежутка при фиксированном давлении. Поэтому, при превышении радиального зазора между эмиттером и пусковым электродом над зазором в осевом направлении, вероятность пробоя на боковую поверхность корпуса эмиттера возрастает, а на торцевую - снижается, что предохранит рабочую поверхность эмиттера и эмиссионное отверстие в корпусе от пусковой эрозии.
Благодаря выполнению на боковой поверхности корпуса отверстия, открывающего часть боковой поверхности эмиттера, происходит зажигание разряда непосредственно между эмиттером и пусковым электродом, что обеспечит более быстрый прогрев эмиттера до рабочей температуры, и, тем самым, снизит длительность фазы разряда с повышенной эрозией электродов, а также несколько снизит суммарное время, необходимое для запуска катода и выхода его на рабочий режим. Чтобы стенки отверстия (то есть границы отверстия) не снижали напряженность электрического поля на поверхности эмиттера, размеры отверстия должны быть не меньше толщины стенки корпуса.
Выполнение на боковой поверхности корпуса эмиттера отверстия, у которого линейный размер в осевом направлении меньше длины эмиттера, а в перпендикулярном направлении - не более радиуса эмиттера, дополнительно позволит исключить значительные утечки рабочего тела через данное отверстие.
В зависимости от предъявляемых к катоду требований, различные катоды отличаются, в том числе, номинальным расходом рабочего тела, геометрией эмиттера и пускового электрода. Эти факторы влияют на условия возникновения пробоя между эмиттером и пусковым электродом. Обеспечение более благоприятных условий для пробоя на боковую поверхность эмиттера, а не на его торцевую поверхность, что предохраняет рабочую поверхность эмиттера и эмиссионное отверстие в корпусе от пусковой эрозии, может быть достигнуто за счет дополнительных конструктивных решений:
- в зависимости от геометрии эмиссионного отверстия, через которое истекает газ в полость пускового электрода, и геометрии собственно пускового электрода вблизи эмиссионного отверстия и торцевой поверхности корпуса, давление газа может быть выше (до 5 раз), чем у боковой поверхности корпуса. Для обеспечения большего значения произведения p⋅d у боковой поверхности эмиттера, в том числе у катодов с максимальным перепадом давления в полости пускового электрода, радиальный зазор между эмиттером и пусковым электродом может быть в 5 раз и более превышать зазор между ними в осевом направлении;
- торцевая поверхность пускового электрода может быть электрически изолирована от его боковой поверхности, что позволит при запуске катода прикладывать пробойное напряжение только между эмиттером и боковой поверхностью пускового электрода;
- напротив отверстия в корпусе на внутренней боковой поверхности пускового электрода может быть установлено как минимум одно острие, выступающее над поверхностью. Такое острие создаст локальное повышение напряженности электрического поля, и наряду с обеспечением пробоя на боковой поверхности, позволит несколько снизить необходимое пробойное напряжение, что приведет к снижению пусковой эрозии.
Также для повышения давления в полости пускового электрода отверстие пускового электрода может быть смещено от оси на расстояние не меньше, чем сумма радиусов эмиссионного отверстия и отверстия в пусковом электроде. В этом случае напротив эмиссионного отверстия будет располагаться торцевая поверхность пускового электрода, и поток газа, истекающий из эмиссионного отверстия, будет отражаться от нее. Это приведет к некоторому повышению давления в полости пускового электрода и позволит при фиксированном расходе рабочего тела снизить необходимое пробойное напряжение, что приведет к снижению пусковой эрозии.
Таким образом, предлагаемое решение, выполненное по принципу безнакальных катодов, в сочетании с относительно малым временем запуска позволяет практически полностью исключить пусковую эрозию рабочей поверхности эмиттера, что обеспечивает достижение высокого ресурса катода по количеству включений.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется на фиг. 1-3.
На фиг. 1 представлен катод плазменного ускорителя по настоящему изобретению.
На фиг. 2 показан катод плазменного ускорителя, включающий в себя дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3 показан один из вариантов исполнения отверстия в боковой поверхности корпуса.
Предлагаемый катод содержит эмиттер 1 со сквозным каналом, помещенный в корпусе 2 с эмиссионным отверстием 3, который в свою очередь расположен в полости пускового электрода 4 соосно с ним. Корпус 2 имеет в боковой поверхности отверстие 6, открывающее часть боковой поверхности эмиттера 1, при этом любой линейный размер отверстия 6 больше толщины δ его стенок. Также к корпусу герметично подсоединена трубка подачи рабочего тела 7. При этом сквозной канал эмиттера 1 соосен эмиссионному отверстию 3 и, как показано на фиг. 1, соосен отверстию 5 в торцевой поверхности пускового электрода 4. Также на фиг. 1 обозначены радиальный зазор между боковыми поверхностями корпуса и пускового электрода Н и осевой зазор между торцом корпуса и торцевой поверхностью пускового электрода h.
Катод плазменного ускорителя с дополнительными вариантами осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 2. На внутренней боковой поверхности пускового электрода 4 напротив отверстия 6 выполнено острие 8. Торцевая поверхность пускового электрода электрически изолирована от его боковой поверхности путем вставок изоляторов 9, а отверстие 5 пускового электрода смещено от оси эмиссионного отверстия 3 на расстояние не меньше, чем сумма радиусов эмиссионного отверстия 3 и отверстия 5 в пусковом электроде 4.
а
Отверстие 6 может быть выполнено, например, в виде круга, овала, прямоугольника и других геометрических фигур. На фиг. З показан один из вариантов исполнения отверстия 6 в боковой поверхности корпуса. Пунктирной линией обозначены границы эмиттера 1, расположенного внутри корпуса 2 (другие элементы катода на данном рисунке не показаны). Упомянутое отверстие выполнено в виде окна, линейный размер которого в осевом направлении  не превышает длину эмиттера L, а размер в перпендикулярном направлении b составляет не более радиуса эмиттера r.
Предлагаемый катод плазменного ускорителя работает следующим образом.
Перед запуском в катод подают рабочее тело. В качестве рабочего тела обычно используется ксенон, возможно также применение других инертных газов - криптона, аргона. Газ проходит через трубку подачи рабочего тела 7, сквозной канал эмиттера 1, эмиссионное отверстие 3 и выходит через отверстие 5 в торцевой поверхности пускового электрода.
Во внутренней полости пускового электрода устанавливается давление р=(10…100) Па, которое определяется, в основном, расходом рабочего тела и гидравлическим сопротивлением отверстия 5. Более высокое давление облегчает запуск катода.
Далее инициируют электрический пробой между эмиттером 1 и пусковым электродом 4, прикладывая между ними разность потенциалов.
В момент пробоя возможно сильное разрушение электродов в месте привязки разряда, и распыленный материал может осаждаться на других деталях катода. Поэтому для обеспечения работоспособности катода в течение длительного времени необходимо исключить возможность возникновения пробоя на рабочей поверхности эмиттера 1 (поверхность сквозного канала эмиттера) или вблизи нее (поверхность эмиссионного отверстия и торцевая поверхность корпуса). Если сделать радиальный зазор между эмиттером и пусковым электродом больше зазора между ними в осевом направлении, то более благоприятные условия (большее значение произведения давления и величины зазора) для возникновения пробоя реализуются на боковой поверхности эмиттера через отверстие в корпусе. После пробоя между боковой поверхностью эмиттера и пусковым электродом поддерживается разряд мощностью десятки - сотни Ватт (в зависимости от размеров катода). Под действием ионной бомбардировки происходит разогрев поверхности эмиттера. Благодаря выполнению на боковой поверхности корпуса отверстия 6, открывающего часть боковой поверхности эмиттера, привязка разряда осуществляется непосредственно к эмиттеру. С учетом относительно небольшой массы эмиттера его разогрев до рабочей температуры в этом случае происходит существенно быстрее, чем в случае привязки разряда к относительно массивному корпусу. В результате снижается длительность фазы горения разряда с непрогретым эмиттером, сопровождающаяся повышенной эрозией электродов, то есть сокращается время запуска катода с сохранением высокого ресурса по количеству включений.
После прогрева эмиттера до рабочей температуры (1000…1800°С в зависимости от материала эмиттера) с его рабочей поверхности начинается термоэлектронная эмиссия. Поскольку внутри канала эмиттера давление на порядок выше, чем снаружи, место привязки разряда изменяется с внешней поверхности эмиттера на внутреннюю. После чего ток и мощность разряда между эмиттером и пусковым электродом могут быть снижены до номинальных значений. После подачи напряжения между эмиттером и анодом плазменного ускорителя (плазменный ускоритель на рисунках не показан) и подачи рабочего тела в канал ускорителя возникает разряд между катодом и анодом плазменного ускорителя. Источник питания, поддерживающий разряд между эмиттером и пусковым электродом, может быть отключен, и катод продолжает работать от источника питания разряда плазменного ускорителя.
Запуск катода с электрически изолированными друг от друга торцевой и боковой поверхностями пускового электрода производится аналогичным образом с тем отличием, что до возникновения пробоя разность потенциалов прикладывается между эмиттером и боковой поверхностью пускового электрода, а торцевая поверхность остается под плавающим потенциалом. Торцевая и боковая поверхности пускового электрода коммутируются друг с другом после пробоя и прогрева эмиттера до рабочей температуры, но перед подачей напряжения между эмиттером и анодом плазменного ускорителя.
В ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» был изготовлен экспериментальный образец безнакального катода с эмиттером из пористого вольфрама, в ходе испытаний которого была подтверждена возможность поджига разряда между боковой поверхностью эмиттера и пусковым электродом с последующим перестроением места привязки разряда во внутреннюю полость эмиттера после его прогрева. При этом время запуска катода, включая время прогрева эмиттера дуговым разрядом мощностью около 100 Вт, составило 10…20 с. Необходимо отметить, что время запуска катода аналогичного размера, оснащенного стартовым нагревателем мощностью 70…90 Вт, составляет 3…5 минут. Сравнительные испытания различных конфигураций катода показали, что смещение отверстия пускового электрода от оси эмиссионного отверстия, а также установка на боковой поверхности пускового электрода заостренного винта, расположенного напротив окна в боковой поверхности корпуса, позволили снизить необходимое пробойное напряжение.
Таким образом, благодаря наличию выше представленных отличительных признаков предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить высокий ресурс катода по количеству включений за счет уменьшения пусковой эрозии рабочей поверхности эмиттера в сочетании с относительно малым временем запуска, то есть создать высоко работоспособную конструкцию катода для плазменных ускорителей.