Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов

 

Использование: в области космической техники в качестве электрореактивных двигателей, а также в области прикладного применения плазменных ускорителей. Сущность изобретения: плазменный двигатель содержит разрядную камеру с кольцевым анодом-газораспределителем, катод-компенсатор и магнитную систему, состоящую из магнитопровода с наружными и внутренними кольцевыми магнитными полюсами, внутренней и наружных магнитных катушек, размещенных на осевых магнитопроводящих сердечниках 9, и магнитопроводящих кольцевых экранов с осевыми перемычками. Магнитопровод 4 может быть выполнен в виде группы радиальных перемычек, исходящих от стержней внутренней катушки. Осевые перемычки экранов соединены радиальными перемычками, а стержни внутренней и наружных электромагнитных катушек - радиальными стержнями. Конструкция позволяет установить на радиальных и осевых перемычках экранов дополнительные катушки намагничивания. Достигаемый технический результат заключается в значительном снижении теплонапряженности конструкции двигателя в сочетании с его многорежимностью, что позволяет повысить КПД двигателя, снизить его массу и повысить надежность. 7 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к космической технике, в частности к электрореактивным двигательным установкам, и может быть использовано в стационарных плазменных двигателях (СПД), двигателях с анодным слоем (ДАС), а также в области прикладного применения плазменных ускорителей.

Известны плазменные двигатели с замкнутым дрейфом электронов типа СПД и ДАС, содержащие разрядную камеру с кольцевым анодом-газораспределителем магнитную систему, состоящую из магнитопровода внутренних и наружных магнитных полюсов электромагнитных катушек, кольцевых внутренних и наружных экранов и катод-компенсатор [1].

Недостатками таких двигателей являются низкие значения КПД и ресурса из-за неоптимального распределения магнитного поля в разрядной камере, а именно, низкий градиент радиальной составляющей вектора магнитной индукции и слабые фокусирующие свойства магнитной линзы, что приводит к расширению зоны ускорения в разрядной камере и большой расходимости ускоренного потока плазмы.

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий коаксиальную разрядную камеру с кольцевым анодом-газораспределителем, катод-компенсатор и магнитную систему, состоящую из магнитопровода, наружных и внутренних кольцевых магнитных полюсов, внешних и внутренней электромагнитных катушек намагничивания, установленных на магнитопроводящих сердечниках.

Это устройство имеет ряд существенных недостатков: повышенная теплонапряженность конструкции двигателя, в частности магнитной системы, большая масса магнитной системы из-за наличия паразитных магнитных потоков в области разрядной камеры; низкий КПД, связанный с большой долей обратного пристеночного электронного тока.

Эти недостатки обусловлены особенностью распределения магнитного поля в области межполюсного зазора. Высокие удельные характеристики двигателя достигаются при наличии достаточно больших градиентов магнитного поля от анода к срезу разрядной камеры, смещении максимума радиальной составляющей вектора магнитной индукции за срез канала и достаточно большом коэффициенте выпучивания магнитного поля, определяющем фокусирующие свойства магнитной линзы.

Целью изобретения является повышение КПД двигателя и снижение массы, а также повышение надежности конструкции и обеспечение многорежимности.

Это достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем коаксиальную разрядную камеру с кольцевым анодом-газораспределителем, катод-компенсатор и магнитную систему, состоящую из магнитопровода с наружным и внутренним кольцевыми магнитными полюсами, внешних и внутренней электромагнитных катушек намагничивания, установленных на магнитопроводящих сердечниках, соосно разрядной камере со смещением относительно магнитных полюсов установлены магнитопроводящие экраны, расположенные в области слабого магнитного поля, часть которых выполнена по меньшей мере в виде трех симметрично размещенных осевых перемычек, соединяющих кольцевые части экранов с магнитопроводом, при этом общая площадь поперечного сечения перемычек выбирается равной площади поперечного сечения кольцевой части экранов. Более эффективный теплосброс достигается за счет того, что витки внутренней катушки размещены по меньшей мере на трех симметрично размещенных стержнях, а внутренний магнитный полюс выполнен полым. Осевые перемычки магнитопроводящих кольцевых экранов могут быть изолированы от магнитопровода и соединены между собой радиальными магнитопроводящими перемычками. Сердечники внешних и внутренней электромагнитных катушек соединены между собой со стороны анода-газораспределителя радиальными магнитопроводящими стержнями. Часть витков внешних электромагнитных катушек и витки внутренней электромагнитной катушки могут быть размещены на радиальных магнитопроводящих стержнях, а на радиальных и внешних осевых магнитопроводящих перемычках могут быть установлены дополнительные электромагнитные катушки намагничивания.

Для снижения теплонапряженности конструкции часть магнитопровода в зоне теплового контакта с разрядной камерой выполнена в виде по меньшей мере трех симметрично размещенных перемычек, соединяющих сердечники внешних электромагнитных катушек намагничивания с сердечником внутренней катушки.

Снижение теплонапряженности конструкции достигается путем выполнения каждого магнитного экрана в виде цилиндрического кольца, закрепленного на магнитопроводе с помощью осевых перемычек, что дает возможность частично открыть заднюю стенку разрядной камеры. Например, для четырех перемычек магнитопровод будет иметь крестообразную форму, тем самым повышается сброс тепла излучением с нее и в промежутках между осевыми перемычками в радиальном направлении. Число перемычек определяется из условия обеспечения требуемой азимутальной однородности магнитного поля.

Внутренняя катушка намагничивания может быть размещена на соосных стержнях, что позволяет несколько снизить теплонапряженность магнитной системы. Однако существенный эффект не достигается, так как теплосброс с разрядной камеры происходит через магнитные экраны и магнитопровод, а внутренние катушки, находясь в замкнутом объеме, переизлучают тепло одна на другую.

Для дальнейшего повышения теплосброса внутренний магнитный полюс может быть выполнен полым для обеспечения сброса тепла за счет излучения по оси двигателя.

Сам по себе разрыв основного контура намагничивания с контуром магнитных экранов приводит к удлинению основного контура для обеспечения требуемого зазора и соответственно к увеличению массы магнитной системы, поэтому задача по снижению массы магнитной системы решена за счет размещения радиальных и осевых перемычек в различных плоскостях, обеспечив необходимый зазор между ними.

Наличие радиальных стержней основного контура намагничивания позволяет ликвидировать наиболее теплонапряженную электромагнитную катушку двигателя - внутреннюю, и перенести ее витки вместе с частью витков наружных катушек на радиальные стержни, обеспечив им нормальные тепловые условия за счет сброса тепла излучением. При этом оставшаяся часть наружных катушек будет корректировать присущую коаксиальным моделям неоднородность магнитного поля из-за разности диаметров магнитных полюсов.

Обеспечение многорежимности работы двигателя - разных сочетаний ионного тока и ускоряющего напряжения - осложняется в известных конструкциях тем, что каждому режиму требуются соответствующие распределения магнитного поля с оптимальным значением радиальной составляющей индукции магнитного поля и его выносом за срез камеры, что обеспечить одним лишь основным контуром намагничивания невозможно, так как доля магнитного поля, замыкающегося на экраны, определяется только взаимным расположением магнитных полюсов и экранов, а также сечением последних. Введение дополнительных электромагнитных катушек на радиальных и осевых перемычках, размещенных аналогично катушкам на стержнях, позволит регулировать долю потока, замыкающегося на экраны, ширину образованной ими вытеснительной линзы и соответственно общее распределение магнитного поля в разрядной камере в зависимости от режима работы.

На фиг.1 изображен предложенный двигатель, осевой разрез; на фиг.2 - то же, вид по стрелке А; на фиг.3 показан план размещения радиальных перемычек; на фиг.4 - разрез двигателя по радиальным перемычкам; на фиг.5 - расположение внутренней катушки на радиальных стержнях; на фиг.6 - установка дополнительных катушек намагничивания.

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит разрядную камеру 1 с кольцевым анодом-газораспределителем 2, катод-компенсатор 3 и магнитную систему, состоящую из магнитопровода 4 с наружными и внутренними кольцевыми магнитными полюсами 5, 6, внутренней и наружных магнитных катушек 7, 8, размещенных на осевых магнитопроводящих сердечниках 9, и магнитопроводящих кольцевых экранов 10 с осевыми перемычками 11. Магнитопровод 4 может быть выполнен в виде группы радиальных перемычек 12, исходящих от стержня 13 внутренней катушки 7. Осевые перемычки экранов соединены между собой радиальными перемычками 14, а стержни внутренней и сердечники наружных электромагнитных катушек соединены между собой радиальными стержнями 15. Конструкция позволяет установить на радиальных и наружных перемычках экранов дополнительные катушки намагничивания 16.

Двигатель работает следующим образом.

При запитывании магнитных катушек 7, 8 во время запуска двигателя создаваемый ими магнитный поток частично замыкается между внутренними 6 и наружным 5 полюсами, образуя в разрядной камере 1 магнитную линзу. Другая часть магнитного потока замыкается с магнитных полюсов 5 и 6 на кольцевую часть экранов 10 и далее, проходя по магнитопроводящим осевым перемычкам 11, замыкается на магнитопроводе 4. Рабочее тело, выходя из анода 2, ионизируется и ускоряется в разрядной камере. Ускоренный ионный поток на выходе из камеры компенсируется при помощи катода-компенсатора 3.

Теплосброс с разрядной камеры 1 во время работы двигателя осуществляется через промежутки между перемычками 12 - участки, неэкранированные элементами магнитной системы.

В случае выполнения сердечника внутренней катушки намагничивания 8 в виде группы стержней 13 все катушки записываются согласованно между собой так, чтобы направление магнитных потоков было общим для всех катушек.

В другом случае образуется контур, через который проходит часть потока, замыкаясь через кольцевые экраны 10 и перемычки 11 и 14, создавая вытеснительные линзы и обеспечивая в разрядной камере требуемое распределение магнитного поля.

Размещение внутренней и части наружных катушек на радиальных стержнях 15 обеспечивает во время работы двигателя эффективный радиационный теплосброс с конструкции.

Дополнительные катушки 16 (см. фиг.6) обеспечивают регулирование вытеснительных магнитных линз при смене режима работы двигателя, обеспечивая для каждого режима оптимальное распределение магнитного поля в разрядной камере 1.

Формула изобретения

1. ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ, содержащий коаксиальную разрядную камеру с кольцевым анодом-газораспределителем, катод-компенсатор и магнитную систему, в состав которой входят магнитопровод с наружным и внутренним кольцевыми магнитными полюсами, внешние и внутренняя по отношению к разрядной камере электромагнитные катушки намагничивания, установленные на магнитопроводящих сердечниках, отличающийся тем, что магнитная система дополнительно снабжена магнитопроводящими экранами, части которых выполнены в форме колец, размещенных соосно с разрядной камерой со стороны ее наружной и внутренней стенок со смещением относительно магнитных полюсов, при этом части магнитопроводящих экранов, расположенные в области слабого магнитного поля, выполнены в виде по меньшей мере трех симметрично размещенных осевых перемычек, соединяющих кольцевые части экранов с магнитопроводом, причем общая площадь поперечного сечения перемычек выбрана равной площади поперечного сечения кольцевых частей магнитопроводящих экранов.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что часть магнитопровода в зоне теплового контакта с разрядной камерой выполнена в виде по меньшей мере трех симметрично размещенных перемычек, соединяющих сердечники внешних электромагнитных катушек намагничивания с сердечником внутренней катушки.

3. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что сердечник внутренней электромагнитной катушки намагничивания выполнен в виде по меньшей мере трех симметрично расположенных стержней, на которых равномерно размещены витки внутренней катушки, запитанные так, чтобы создаваемые ими магнитные потоки имели общее направление.

4. Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что внутренний магнитный полюс выполнен полым.

5. Двигатель по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что осевые перемычки магнитопроводящих экранов изолированы от магнитопровода и соединены между собой радиальными магнитопроводящими перемычками.

6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что сердечники внешних и внутренней электромагнитных катушек намагничивания соединены между собой со стороны радиальных магнитопроводящих стержней.

7. Двигатель по п. 6, отличающийся тем, что часть витков внешних электромагнитных катушек намагничивания и витки внутренней электромагнитной катушки намагничивания размещены на радиальных магнитопроводящих стержнях.

8. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что на радиальных и осевых магнитопроводящих перемычках экранов размещена по меньшей мере одна дополнительная электромагнитная катушка намагничивания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6