Холловский двигатель

 

Использование: в электроракетных двигательных установках космических аппаратов. Сущность изобретения: двигатель содержит анод, катод-нейтрализатор, магнитную систему, ускорительный канал и систему управления вектором тяги, воздействующую на поток ускоряемого рабочего тела неоднородными по азимуту электромагнитными полями. У выходного среза канала двигателя установлены электроды, размещенные последовательно один за другим по азимуту. Канал в зоне ускорения выполнен с увеличивающимся вниз по потоку и изменяющимся по азимуту в соответствии с местоположением источников магнитодвижущей силы внешних секций магнитной системы расстоянием между внутренней и внешней стенками канала. Количество внешних секций магнитной системы не менее трех. Полюса внешних секций могут быть смещены вниз по потоку относительно полюса внутренней секции. Величина смещения не превышает половины расстояния между внутренним и внешним полюсами. Изменение расстояния между стенками канала может быть выполнено изменением профиля внешней стенки. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при конструировании электрических ракетных двигателей, в частности плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов, предназначенных для работы в космических условиях для коррекции орбиты и ориентации космических аппаратов, а также в технологии обработки материалов.

Известны плазменные ускорители (двигатели) с замкнутым дрейфом электронов (или холловские ускорители), которые в зависимости от токопроводящих свойств материала стенок ускорительного канала условно делятся на два типа: стационарный плазменный двигатель (СПД) материал стенок диэлектрик, двигатель с анодным слоем (ДАС) материал стенок проводник. Холловский двигатель создает тягу в фиксированном направлении, и для управления космическим аппаратом (спутником) необходимо использовать или, как минимум, два двигателя, или дополнительный механизм поворота двигателя относительно аппарата. Использование двух двигателей дорого и увеличивает вес аппарата, а поворачивающий (шарнирный) механизм тяжел, сложен и ненадежен.

Ближайшим техническим решением является плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий азимутально замкнутый ускорительный канал, имеющий зону ионизации и зону ускорения рабочего тела, ограниченный внутренней и внешней стенками и открытый на выходе анод, расположенный в начале канала вверх по потоку, по крайней мере один катод-нейтрализатор, размещенный за выходным срезом вниз по потоку, магнитную систему, состоящую из четырех симметричных периферийных внешних независимых, размещенных последовательно одна за другой по азимуту, и центральной внутренней секций, связанных магнитопроводом и имеющих каждая источник магнитодвижущей силы и полюс, размещенный у выходного среза [2] Недостатком этого устройства является слабая эффективность отклонения вектора тяги, которое не превышает 1,5 при условии сохранения остальных параметров ускорителя неизменными. По существу в этом устройстве возможности по отклонению вектора тяги могут использоваться лишь для юстировки направления вектора тяги, но не для управления космическим аппаратом.

Техническим результатом предложенного технического решения является увеличение диапазона отклонения вектора тяги при сохранении остальных параметров ускорителя на прежнем уровне, тем самым создание реальных возможностей для управления космическим аппаратом.

Технический результат достигается тем, что в плазменном ускорителе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем азимутально замкнутый ускорительный канал, имеющий зону ионизации и зону ускорения рабочего тела, ограниченный внутренней и внешней стенками и открытый на выходе, анод, расположенный в начале канала вверх по потоку, по крайней мере один катод-нейтрализатор, размещенный за выходным срезом вниз по потоку, магнитную систему, состоящую из периферийных внешних независимых, размещенных последовательно одна за другой по азимуту, и центральной внутренней секций, связанных магнитопроводом и имеющих каждая источник магнитодвижущей силы и полюс, размещенный у выходного среза, дополнительно введены электроды, установленные у выходного среза последовательно один за другим по азимуту, при этом число внешних секций не менее трех, причем канал в зоне ускорения выполнен с увеличивающимся вниз по потоку и изменяющимся по азимуту в соответствии с местоположением источников магнитодвижущей силы внешних секций расстоянием между стенками; при этом внешние полюса и выходной срез внешней стенки смещены вниз по потоку относительно внутреннего полюса и выходного среза внутренней стенки, соответственно, причем величины смещений не превышают половины расстояния между полюсами и стенками, соответственно, причем увеличение расстояния между стенками выполнено изменением профиля внешней стенки.

На фиг. 1 и 2, схематично показан двигатель со стороны выходного среза для случая трех внешних магнитных секций и соответственно трех дополнительных электродов; на фиг. 3 разрез в плоскости его оси.

Ускоритель содержит ускорительный канал 1 с зоной ионизации 2 и зоной ускорения 3, анод 4, расположенный в канале, катод 5, расположенный вне канала, внутреннюю 6 и внешнюю 7 стенки, ограничивающие канал, магнитную систему, состоящую из центральной внутренней секции с сердечником 8 и периферийных внешних секций с сердечниками 9, 10, 11, магнитопровода 12, связывающего секции, полюса 13, 14, 15, 16 секций и их источники магнитодвижущей силы 17, 18, 19, 20, электроды 21, 22, 23, расположенные в области среза, магнитные экраны 24 и 25.

Ускоритель работает следующим образом.

В рабочем теле, например ксеноне, в ускорительном канале после подачи напряжения на анод 4, выполненный из тугоплавкого материала, например, молибдена, зажигается разряд. В зоне ионизации 2 канала 1 образуются электроны и ионы, причем ионы, проходя зону ускорения 3, формируются внешним полем в поток, создающий тягу двигателя. Заряд ионов потока компенсируется электронами, эмитируемыми катодом-нейтрализатором 5 (например, полым катодом с высокоэффективным термоэмиттером из гексаборида лантана). Источники магнитодвижущей силы 17, 18, 19, 20, например, катушки, с помощью магнитопровода 12 и сердечников 9, 10, 11, выполненных из магнитомягкого материала, создают между полюсом 13 внутренней секции и полюсами 14, 15, 16 внешних секций, также выполненных из магнитомягкого материала, магнитное поле, преимущественно перпендикулярное направлению потока. Корректировка магнитного поля осуществляется выбором конфигурации магнитных экранов 24 и 25. Это поле замагничивает электроны и затрудняет их перемещение на анод, поэтому основная часть тока в ускорителе переносится ионами, что и требуется для его нормального функционирования.

Для осуществления поворота вектора тяги меняют величину тока по крайней мере в одной из катушек 18, 19, 20 и прикладывают потенциал по крайней мере на один из электродов 21, 22, 23, выполненных из тугоплавкого металла, например из молибдена, и установленных у среза внешней стенки. Изменение тока в одной из внешних катушек, например 18, меняет конфигурацию магнитного поля между внешним полюсом 14, соответствующим этой катушке, и внутренним полюсом 13, при этом здесь, в зоне ускорения, изменяется конфигурация электрического поля (в холловском двигателе магнитное и электрическое поля взаимосвязаны). Одновременная подача на электрод 21, соответствующий этой внешней секции, потенциала, например обеспечивающего интенсивное стекание электронов из плазмы на него, создает радиальное электрическое поле в этой области. Хотя величина этого поля может быть относительно мала (порядка 10 В/см), изменения радиальной составляющей скорости иона при внешнем осевом поле порядка 300 В/см составит (1/30)^1/2≈20% Совместное действие таких изменений электрического поля в одной из азимутальных секций канала приведет к значительному по сравнению с прототипом отклонению направления потока ионов в этой секции, то есть повороту вектора тяги. Эксперименты дают величину угла отклонения вектора тяги не менее ±5^o.

Расширение канала в зоне ускорения изменением профиля внешней стенки 7 (то есть если образующая внутренней стенки 6 параллельна оси, то внешняя 7 должна отклоняться от оси) усилит этот эффект, так как уменьшит число ионов потока, перехватываемых стенкой 7 канала, выполняемой из материала, стойкого к ионному распылению, например, нитрида бора. Периодическое изменение по азимуту ширины канала играет ту же роль, что и расширение, а одновременно позволит исключить отрицательное влияние азимутальной неоднородности магнитного поля, вызванной локальностью местоположения источников магнитодвижущей силы внешних секций, на номинальном режиме, то есть без отклонения вектора тяги, что увеличивает ресурс на 20-30% Дополнительной эффективности в управлении вектором тяги достигают увеличением неоднородности магнитного поля в области среза: смещением вниз по потоку внешних полюсов 14, 15, 16 по отношению к внутреннему 13.

Для снижения эрозии стенок канала выходной срез внешней стенки 7 смещают вниз по потоку по отношению к выходному срезу внутренней стенки 6. В этом случае для уменьшения эрозии внешней стенки увеличение расстояния между стенками создают изменение угла наклона образующей внешней стенки.

Для увеличения эффективности управления вектором тяги с помощью электродов последние делают максимально протяженными в азимутальном направлении.

Для того, чтобы иметь возможность осуществлять поворот вектора тяги в двух независимых плоскостях, необходимо иметь по крайней мере три азимутальные секции канала, где производят изменения электромагнитных полей и геометрии.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет осуществить новую технологию поворота вектора тяги, когда комплексное воздействие на поток ионов в зоне ускорения магнитное, электрическое и геометрическое (причем, в осевом и азимутальном направлениях, а также осевое смещение центральной части относительно периферийной) обеспечивает возможность эффективного поворота вектора тяги, а следовательно и управления движением космического аппарата.

Формула изобретения

1. Холловский двигатель на основе ускорителя с замкнутым дрейфом электронов, содержащий азимутально замкнутый ускорительный канал, имеющий зону ионизации и зону ускорения рабочего тела, ограниченный внутренней и внешней стенками и открытый на выходе, анод, расположенный в начале канала вверх по потоку по крайней мере один катод-нейтрализатор, размещенный за выходным срезом вниз по потоку, магнитную систему, состоящую из периферийных внешних независимых, размещенных последовательно одна за другой по азимуту, и центральной внутренней секций, связанных магнитопроводом и имеющих каждая источник магнитодвижущей силы и полюс, размещенный у выходного среза, отличающийся тем, что дополнительно введены электроды, установленные у выходного среза последовательно один за другим по азимуту, при этом число внешних секций не менее трех, причем канал в зоне ускорения выполнен с увеличивающимся вниз по потоку и изменяющимся по азимуту в соответствии с местоположением источников магнитодвижущей силы внешних секций расстоянием между стенками.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что полюса внешних секций смещены вниз по потоку относительно полюса внутренней секции, причем величина смещения не превышает половины расстояния между внешними и внутренними полюсами.

3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что выходной срез внешней стенки смещен вниз по потоку по отношению к выходному срезу внутренней стенки, причем величина смещения не превышает половины расстояния между внутренней и внешней стенками.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что увеличение расстояний между стенками канала выполнено изменением профиля внешней стенки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3