Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов

Изобретение относится к области космической техники, а именно к электрореактивным двигательным установкам, и может быть использовано при изготовлении и испытаниях стационарных плазменных двигателей. Техническим результатом является обеспечение стабилизации тяги в течение ресурса, снижение скорости эрозии стенок разрядной камеры и массы распыляемого материала. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий, по меньшей мере, один катод-компенсатор 1 и анодный блок 2, содержащий магнитную систему 6 и разрядную камеру 3 с ускорительным каналом с зонами ионизации и ускорения, образованным внутренней 4 и наружной 5 стенками и увеличивающимся в зоне ускорения к срезу разрядной камеры, участки внутренней 7 и наружной 8 стенок разрядной камеры, расположенные в зоне ускорения, спрофилированы в виде конусообразных профилей так, что ускорительный канал расширяется в наружном и внутреннем радиальных направлениях, а расстояние между внутренней и наружной стенками в азимутальном направлении остается постоянным. 3 ил.

 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к электрореактивным двигательным установкам, и может быть использовано при изготовлении и испытаниях стационарных плазменных двигателей.

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий кольцеобразную разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную внутренней и наружной кольцеобразными стенками, магнитную систему, и катод-компенсатор (патент РФ №2030134, Н05Н 1/54, F03H 1/00).

В таких известных двигателях ускорительный канал разрядной камеры в зоне ионизации и ускорения образован за счет цилиндрических стенок разрядной камеры при ее изготовлении и имеет цилиндрическую форму. Особенностью таких двигателей является то, что в начальный период ресурсной наработки наблюдается снижение тяги. В последующий период происходит увеличение тяги и ее стабилизация (Arkhipov. В., et. al., "The Results of 7000 Hour SPT-100 Life Testing", IEPC-95-039, 24th International Electric Propulsion Conference, Moscow, Russia, 1995).

Одним из факторов, ограничивающим ресурс двигателя, является эрозия стенок разрядной камеры, которая в начальный период ресурса имеет высокую скорость, а изменение формы стенок разрядной камеры при ее эрозии приводит к снижению тягового усилия. Кроме того, значительная часть массы материала изолятора распыляется именно в этот период времени, при этом загрязняется сам двигатель (˜20% распыляемой массы осаждается на участках внутренних стенок разрядной камеры и аноде, находящихся в зоне ионизации) и поверхности космического аппарата (КА). Подобный эффект нестабильности тяги проявляется для различных модификаций стационарных плазменных двигателей, как по мощности, так и по типоразмерам, так как при их изготовлении стенки разрядной камеры изготовляют аналогичной цилиндрической формы, подобно исходной конфигурации канала разрядной камеры.

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий по меньшей мере один катод-компенсатор и анодный блок, содержащий магнитную систему и кольцеобразную разрядную камеру с ускорительным каналом с зонами ионизации и ускорения, образованным внутренней и наружной кольцеобразными стенками и увеличивающимся в зоне ускорения к срезу разрядной камеры (патент РФ №2088802, Н05Н 1/54, F03H 1/00).

Известен способ изготовления плазменных двигателей, включающий изготовление основных узлов и деталей, в том числе изготовление разрядных камер с внутренней и наружной стенками, и испытания двигателей, которые включают длительные ресурсные испытания с целью подтверждения его безотказной работы и проверки стабильности его параметров в ресурсе (Gopantchuk. V., et. al., "Performance of Stationary Plasma Thruster PPS 1350 and its Qualification Status in Russia", IEPC-99-086, 26 th International Electric Propulsion Conference, Kitakyushu, Japan, 1999).

В конструкции известных плазменных двигателей, а также их способе изготовления устранен недостаток, присущий аналогам - от цилиндрической формы ускорительного канала осуществлен переход к расширяющемуся каналу в зоне ускорения в направлении среза разрядной камеры. Однако и такой конструкции присущ существенный недостаток: нестабильность основных параметров в процессе выработки ресурса, в частности тягового усилия двигателя.

Это связано с тем, что в известном двигателе ускорительный канал разрядной камеры выполнен с изменяющимся по азимуту расстоянием между стенками за счет локальных расширений только наружной стенки и имеет пирамидообразную форму, т.е. такое расширение ускорительного канала переменно по азимуту и выполнено в одностороннем наружном радиальном направлении. Подаваемый газ в ускорительный канал переменной ширины по азимуту распределяется из условия выравнивания давления газа по объему, а это приводит к азимутальной неравномерности распределения ионизируемого газа и ускоряемого потока плазмы. Такая азимутальная неравномерность распределения газа при работе плазменного двигателя приведет к различной скорости эрозии по азимуту и, как следствие, неравномерной эрозии стенок разрядной камеры, что вызовет нестабильность параметров плазменного двигателя в процессе выработки его ресурса.

При создании изобретения решались задачи по стабилизации тяги в течение ресурса, снижению скорости эрозии стенок разрядной камеры и массы распыляемого материала.

Решение данных задач обеспечивается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, включающим, по меньшей мере, один катод-компенсатор и анодный блок, содержащий магнитную систему и разрядную камеру с ускорительным каналом с зонами ионизации и ускорения, образованным внутренней и наружной стенками и увеличивающимся в зоне ускорения к срезу разрядной камеры, согласно изобретению участки внутренней и наружной стенок разрядной камеры, расположенные в зоне ускорения, спрофилированы в виде конусообразных профилей так, что ускорительный канал расширяется в наружном и внутреннем радиальных направлениях, а расстояние между внутренней и наружной стенками в азимутальном направлении остается постоянным.

Одновременное профилирование в азимутальном направлении участков внутренней и наружной стенок разрядной камеры и придание им конусообразных профилей, при которых ускорительный канал равномерно расширяется как в наружном, так и во внутреннем радиальных направлениях, а расстояние между внутренней и наружной стенками в азимутальном направлении постоянно позволяет выровнять эрозию стенок по азимуту и стабилизировать тяговое усилие в течение ресурсной наработки, а также снизить массу материала, загрязняющего внешние поверхности двигателя и КА.

Изготовление двигателя с заранее спрофилированными стенками разрядной камеры позволяет исключить нестабильность тяги и достигнуть повторяемости стабильных параметров при испытаниях двигателей одного типоразмера. При этом любой двигатель одного типоразмера будет иметь высокую повторяемость стабильных параметров и характеристик относительно другого двигателя, так как для двигателей одного типоразмера, работающих в одинаковых условиях окружающей среды и в одинаковом режиме по мощности, в процессе ресурса образующиеся профили стенок разрядных камер совпадают между собой с точностью до 4%.

Таким образом, плазменный двигатель с профилированными стенками разрядной камеры в виде конусообразных профилей, изготовленный согласно изобретению, позволяет повысить на 5...10% стабильность параметров в ресурсе.

Кроме того, у плазменного двигателя, выполненного согласно изобретению, масса распыляемого материала разрядной камеры за время ресурса будет ниже на 35...45% от общего объема распыляемой массы изолятора. Следовательно, и масса загрязнения на собственные поверхности двигателя и конструкцию КА будет существенно ниже.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На Фиг.1 изображен частичный осевой разрез конструкции предлагаемого плазменного двигателя, содержащего разрядную камеру со стенками, часть которых в зоне ускорения спрофилированы в азимутальном направлении в виде конусообразных профилей.

На Фиг.2 в увеличенном масштабе изображена спрофилированная наружная стенка разрядной камеры в зоне ускорения, выносной элемент А.

На Фиг.3 в увеличенном масштабе изображена спрофилированная внутренняя стенка разрядной камеры в зоне ускорения, выносной элемент Б.

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов включает катод-компенсатор 1 и анодный блок 2, содержащий разрядную камеру с ускорительным каналом 3, образованный внутренней 4 и наружной 5 стенками, часть которых соответственно спрофилированы в азимутальном направлении в виде конусообразных профилей 7 и 8, и магнитную систему 6.

Двигатель изготавливают и испытывают следующим образом. В начале изготавливают основные узлы и детали плазменного двигателя, в том числе изготавливают разрядную камеру с наружной и внутренней стенками цилиндрической формы. После завершения изготовления этот двигатель подвергают испытаниям, в том числе ресурсным испытаниям. В процессе испытаний контролируют основные параметры и характеристики, в том числе при ресурсных испытаниях дополнительно отслеживается процесс эрозии стенок разрядной камеры при помощи наблюдения за изменениями профилей эрозии внутренней и наружной стенок. Для определения профилей эрозии внутренней и наружной стенок разрядной камеры двигателя могут применяться различные методы и средства измерения: например метод измерения линейных размеров или оптический метод с использованием лазерного луча. После обработки выполненных измерений получают профили эрозии стенок разрядной камеры. Анализируя полученные результаты, определяют период нестабильности тяги и соответствующие профили эрозии, когда происходит стабилизация тяги. В последствии при изготовлении двигателей того же типоразмера участки стенок разрядных камер, расположенные в зоне ускорения, изготовляют с учетом профилей эрозии так, что канал получается увеличивающимся к срезу разрядной камеры, а участкам придают форму конусообразных профилей, которые более технологичны при изготовлении. Профилирование стенок выполняется в процессе механической обработке керамической разрядной камеры при ее изготовлении на токарных станках. Для наружной и внутренней стенок разрядной камеры профили эрозии могут быть различной конфигурации, соответствующие одной временной наработке двигателя. В процессе механической обработки с керамических стенок снимается объем материала, который при фактических ресурсных испытаниях известных двигателей распыляется в процессе эрозии стенок при воздействии на них ускоренного потока плазмы и соответствует периоду нестабильности параметров. При этом выбираемая конфигурация профилей соответствует, по меньшей мере, моменту времени наработки двигателя, когда происходит стабилизация тягового усилия в номинальном положении. После завершения изготовления последующих двигателей их подвергают приемочным испытаниям, включающим и огневые испытания, при которых подтверждается соответствие основных параметров и характеристик. При изготовлении партии двигателей также анализируется повторяемость их основных параметров между собой.

При огневых испытаниях запуск любого плазменного двигателя осуществляется путем запитывания магнитной системы 6 анодного блока 2 и подачи рабочего газа в катод-компенсатор 1 и разрядную камеру с ускорительным каналом 3. В ускорительном канале, образованном внутренней 4 и наружной стенками 5, газ ионизируется и ускоряется в скрещенных полях. Ускоренный ионный поток на выходе из ускорительного канала разрядной камеры 3 проходит зону ускорения, ограниченной спрофилированными участками 7 и 8 на соответствующих внутренней 4 и наружной 5 стенках разрядной камеры. За срезом разрядной камеры ускоренный ионный поток компенсируется электронами эмитируемыми катодом-компенсатором 1 (например, полым катодом с высокоэффективным термоэмиттером из гексаборида лантана).

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий по меньшей мере один катод-компенсатор и анодный блок, содержащий магнитную систему и разрядную камеру с ускорительным каналом с зонами ионизации и ускорения, образованным внутренней и наружной стенками и увеличивающимся в зоне ускорения к срезу разрядной камеры, отличающийся тем, что участки внутренней и наружной стенок разрядной камеры, расположенные в зоне ускорения, спрофилированы в виде конусообразных профилей так, что ускорительный канал расширяется в наружном и внутреннем радиальном направлениях, а расстояние между внутренней и наружной стенками в азимутальном направлении остается постоянным.