ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ
PLASMA ENGINE WITH CLOSED ELECTRON DRIFT

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано в электроракетных двигателях (ЭРД), например, в магнитных системах стационарных плазменных двигателях и двигателях с анодным слоем (именуемые также по мировой классификации Холловскими двигателями), которые используются в двигательных установках космических аппаратов, а также в технологических плазменных ускорителях, применяемых в вакуумно-плазменной технологии.
Среди ЭРД наибольшую известность приобрел стационарный плазменный двигатель (СПД) [Арцимович Л.А. и др. Разработка стационарного плазменного двигателя и его испытание на ИСЗ "Метеор". Космические исследования. М., "Наука", 1974, т. XII, в. 3, с. 455. рис. 5], различные модели которого уже многие годы применяются и успешно эксплуатируются на КА, производимых по всему миру. Другим известным ЭРД является двигатель с анодным слоем (ДАС) [Плазменные ускорители. Под ред. Арцимовича Л.А., М.: Машиностроение, 1974 г., с. 75-81], который прошел демонстрационные летные испытания на борту КА. Обе разновидности ЭРД базируются на физических принципах ускорителя заряженных частиц и плазменных потоков, а основное принципиальное различие между ними заключается в применяемом материале разрядной камеры: если в СПД она сделана из диэлектрического материала, то в ДАС разрядная камера выполнена металлической. В части других элементов их конструкции подобны и содержат следующие основные функциональные компоненты, а именно, катод-компенсатор, разрядную и магнитную системы. Разрядная система предназначена для формирования ускорительного канала необходимой протяженности, в котором происходят процессы ионизации рабочего тела и ускорению ионов в электрическом поле, и, в большинстве случаев, она состоит из диэлектрической разрядной камеры с кольцевым ускорительным каналом, в донной части которого располагаются анод и газовый распределитель подачи рабочего газа (например, ксенон газообразной фазы), которые зачастую для упрощения конструкции объединяются в единый узел. Магнитная система предназначена для генерации в ускорительном канале магнитного поля необходимого уровня и определенной структуры, обеспечивающей положительный градиент радиальной составляющей индукции магнитного поля в зоне от анода до выхода в направлении ускорения плазмы. Как правило, магнитная система состоит из магнитопроводящих элементов конструкции (пара магнитных полюсов внутренний и наружный, базовый, внутренний (или центральный) и внешний (или периферийный) магнитопроводы, а также в отдельных вариантах и другие дополнительные элементы конструкции, как, например, магнитные экраны), которые в собранном виде образуют общий магнитный контур магнитной системы, а также источников намагничивающей силы, которые в управляемых системах преимущественно выполняют в виде соленоида, расположенного вдоль участка магнитного контура. В другом варианте конструкции источники намагничивающей силы могут быть выполнены в виде постоянных магнитов, однако при этом магнитное поле будет постоянно действующим и неуправляемым, что в отдельных случаях несколько ограничивает применение таких конструкций. Относительно же друг друга эти системы располагаются таким образом, чтобы выходная часть ускорительного канала располагалась в области между магнитными полюсами, то есть в межполюсном промежутке. Применяемые же катоды-компенсаторы в таких ЭРД могут быть как накального типа [Н.В. Белан, В.П. Ким, А.И. Оранский, В.Б. Тихонов. Стационарные плазменные двигатели // Харьков: Харьк. авиац. ин-т, 1989, стр. 140], так и безнакальные [J.A. Burkhart, G.R. Seikel, J. Spacecraft and Rockets, v. 9, №7, 1972].
Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий катод-компенсатор, разрядную систему с зонами ионизации и ускорения, а также магнитную систему с магнитным контуром прямоугольного профиля [Патент РФ №2030134, Н05Н 1/54, F03H 1/00].
Известный плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов также имеет недостатки. Основной недостаток его магнитной системы, базирующейся на магнитном контуре прямоугольного профиля, заключается в увеличенных потерях магнитодвижущей силы (ампер-витков источников намагничивающей силы) в виде рассеивания вокруг магнитопроводящих элементов магнитной системы, и которые преимущественно происходят на участках крутых переходов в местах ортогональных сопряжений отдельных элементов магнитной системы.
Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов (или иначе плазменный двигатель на основе эффекта Холла), принятый за прототип, включающий катод-компенсатор, разрядную и магнитную системы [Патент US №7,624,566, Н05Н 1/54, В63Н 11/00].
В таком известном плазменном двигателе, также как и в большинстве других моделях, магнитная система выполнена с магнитным контуром прямоугольного профиля. В общем случае прямоугольный профиль магнитного контура изначально был выбран из соображений доступной технологии и низкой трудоемкости изготовления отдельных элементов конструкции магнитной системы. Однако, для варианта конструкции на основе магнитного контура с дополнительными внутренними элементами в виде тонкостенных магнитных экранов (шунтирующих часть магнитного потока), исходящих из базового магнитопровода и простирающихся до соответствующих магнитных полюсов и не доходящих при этом до них на величину относительно малых зазоров. При такой усложненной конфигурации технологичность их производства снижается, а трудоемкость и стоимость существенно увеличиваются [см. также Патент US №5,359,258, Н05Н 1/54, F03H 1/00].
При длительной ресурсной наработке наиболее интенсивному износу подвержены элементы конструкции, максимально прилегающие и обращенные к ускоренному потоку плазмы, которые в результате этого являются наиболее критичными элементами, поскольку ограничивают ресурс любого плазменного двигателя [Arkhipov. В., et al, "The Results of 7000 Hour SPT-100 Life Testing". IEPC-95-039, 24th International Electric Propulsion Conference, Moscow. Russia, 1995, а также Ben Welander, Christian Carpenter, Christian Carpenter, Richard R. Hofer, Thomas M. Randolph and David H. Manzella, "Life and Operating Range Extension of the BPT-4000 Qualification Model Hall Thruster", AIAA 2006-5263, 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, 9-12 July 2006, Sacramento, California]. Именно процессы эрозии основных конструкционных материалов в ЭРД предопределяют достигаемый ресурс известных плазменных двигателей.
При создании изобретения решались задачи повышения эффективности работы плазменного двигателя и ресурса его работы.
Указанный технический результат достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем по меньшей мере один катод-компенсатор, разрядную систему и магнитную систему с магнитным контуром, согласно изобретению, внешний силуэт магнитного контура выполнен эллипсообразной формы с усечением, которое образует межполюсный промежуток. Усечение магнитного контура выполнено перпендикулярно оси плазменного двигателя. Магнитный контур дополнительно неразрывно усечен с противоположной стороны относительно межполюсного промежутка. Кроме того, магнитный контур вдоль оси симметрии может быть выполнен полым. Магнитная система может быть выполнена торообразной формы. В полости магнитной системы может располагаться катод-компенсатор.
Выполнение внешнего силуэта магнитного контура эллипсообразной формы позволяет решить задачи по повышению эффективности работы плазменного двигателя и увеличению ресурса путем снижения потерь магнитодвижушей силы (МДС) вдоль магнитного контура и уменьшения в окружающем пространстве уровня магнитного поля рассеивания, а также путем снижения разрушающего воздействия ускоренным потоком плазмы, оказываемого на основные элементы конструкции магнитной системы за счет придания магнитным полюсам геометрической формы, позволяющей расположить внешние поверхности основных элементов магнитной системы тангенциально относительно направления ускоренного потока, при котором преимущественное направление воздействия большей части заряженных частиц происходит по касательной.
Выполнение усечения магнитного контура перпендикулярно оси плазменного двигателя позволяет в большинстве случаев добиться максимальной эффективности работы плазменного двигателя по генерации тягового усилия за счет истекающей ускоренной струи плазмы путем наилучшей ориентации преимущественного направления ускорения струи плазмы параллельно геометрической оси плазменного двигателя.
Дополнительное усечение магнитного контура с противоположной стороны межполюсного промежутка (без разрыва магнитопровода) облегчает организацию механического интерфейса закрепления изделий.
Выполнение магнитного контура вдоль оси симметрии полым позволяет решить задачу по дополнительному повышению эффективности работы за счет организации дополнительного процесса теплового сброса с внутренних поверхностей и, тем самым, дополнительному отводу избыточного тепла через центральную зону конструкции.
Выполнение магнитной системы торообразной формы позволяет расширить вариативность предлагаемого изобретения в случаях разработки плазменных двигателей увеличенного типоразмера, в которых по центру образуется полость с геометрическими размерами достаточными для размещения в ней катода-компенсатора, что является наиболее предпочтительным с точки зрения исключения асимметричного внешнего расположения катода, которое обеспечивает азимутальную равномерность распределения плотности разрядного тока в плазме.
Таким образом, реализация предложенной конструкции магнитной системы эллипсообразной формы позволит создавать плазменные двигатели нового дизайна с улучшенной эффективностью его работы за счет снижения потерь магнитного поля и увеличения ресурса за счет повышения стойкости конструкции при бомбардировке ускоренным потоком плазмы.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На Фиг. 1 представлена половина осевого разреза предлагаемого плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов, соответствующего нескольким исполнениям данного изобретения. В таком плазменном двигателе внешний силуэт магнитного контура (поперечный профиль) его магнитной системы имеет эллипсообразную форму с переменной кривизной на разных участках, и который усечен с разрывом в предпочтительном варианте исполнения по плоскости перпендикулярной оси симметрии плазменного двигателя таким образом, что в зоне выхода разрядной системы образуется межполюсный промежуток. По другому варианту исполнения плазменного двигателя магнитный контур его магнитной системы может быть дополнительно усечен с противоположной стороны относительно межполюсного промежутка без разрыва самого контура. Вдоль магнитного контура магнитной системы стрелками на различных участках показан преобладающий магнитный поток индукции (показанное направление условно, которое зависит от полярности электрической схемы подключения источника намагничивающей силы к источнику электрического питания).
На Фиг. 2 показана также половина осевого разреза предлагаемого плазменного двигателя в варианте с магнитной системой, в которой магнитный контур вдоль оси симметрии выполнен полым. В таком варианте исполнения при увеличенных геометрических размерах плазменного двигателя его магнитная система приобретает торообразную форму, при которой и внутренний и наружный силуэт магнитного контура приобретает эллипсообразную форму с переменной кривизной. При таком варианте исполнения магнитный контур магнитной системы такого плазменного двигателя предпочтительней стремиться выполнять с формой, приближенной к симметричной относительно оси симметрии, проходящей посередине ширины ускорительного канала его разрядной системы.
На Фиг. 3 также показана половина осевого разреза другого варианта исполнения плазменного двигателя с центральным размещением катода-компенсатора.
Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, согласно изобретению, содержит разрядную систему 2, магнитную систему 3 с источником намагничивающей силы соленоидального типа (показан условно), которая имеет поперечный магнитный контур с межполюсным промежутком 4, и катод-компенсатор 1. С противоположной стороны относительно межполюсного промежутка 4 магнитный контур дополнительно усечен перпендикулярно оси симметрии двигателя, что предпочтительней для организации установочного и присоединительного интерфейса конструкции 5. В варианте исполнения с полым магнитным контуром 6 магнитной системы 3 катод-компенсатор 1 может быть размещен по центру плазменного двигателя.
Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов работает следующим образом.
В рабочую полость ускорительного канала разрядной системы 2 подается рабочий газ. В межполюсном промежутке 4 при помощи источника магнитодвижущей силы (на чертеже показан условно) создается преимущественно поперечное по отношению к направлению ускорения плазмы магнитное поле, при этом большая доля генерируемого магнитного потока (показан стрелками) проходит преимущественно по магнитному контуру магнитной системы 3. При запуске плазменного двигателя и последующей стационарной работе разрядное напряжение прикладывается между анодом разрядной системы 2 и катодом-компенсатором 1, между которыми инициируется основной плазменный разряд, происходящий в скрещенных электрическом и магнитном полях . Логистика транспортировки электронов  от катода-компенсатора 1 к аноду разрядной системы 2 происходит по спиралеообразным траекториям вдоль и вокруг силовых линий магнитного поля с последующими переходами к другим силовым линиям магнитного поля по мере их проникновения к аноду. Суммарная результирующая от взаимодействия одновременно действующих электрического и магнитного полей вызывает дрейф электронов в азимутальном направлении, в процессе которого электроны ионизируют нейтральные атомы  рабочего газа. Образовавшиеся в газовом разряде ионы  ускоряются за счет приложенного напряжения между катодом-компенсатором 1 и анодом разрядной системы 2. На выходе разрядной системы 2 поток ускоренных ионов также компенсируется частью электронов, имитируемых катодом-компенсатором 1. Часть электронов из катода-компенсатора 1 поступают в виде обратного тока  к аноду через рабочую полость ускорительного канала разрядной системы 2, в которой они участвуют в столкновительном процессе в виде встречных соударений с нейтральными атомами подаваемого газа и передачей им при этом части своей энергии, ионизируя тем самым нейтралы, превращающиеся в ионы, которые в свою очередь ускоряются продольным электрическим полем. Другая часть электронов  из катода-компенсатора 1 во время работы плазменного двигателя нейтрализует ускоренный ионный поток уже за пределами разрядной системы 2.
В варианте конструкции плазменного двигателя с соосным расположением катода-компенсатора 1 в его центре по геометрической оси, размещенного во внутренней полости магнитного контура его магнитной системы 2, эффективность взаимодействия основных компонентов анода и катода при их функционировании максимальна вследствие обеспечения наиболее оптимальных условий для азимутальной равномерности рабочих процессов.
Использование предложенного изобретения в космической технике позволит создавать более эффективные электроракетные двигатели (ЭРД), в частности плазменные двигатели с замкнутым дрейфом электронов для выполнения различных практических задач в составе двигательных установок различных КА.
Использование данного изобретения в ионно-плазменной технологии позволит разрабатывать более производительное промышленного оборудование, использующее технологические плазменные ускорители, применяемые для процессов нанесения покрытий и сухого травления материалов.