Электрический реактивный двигатель малой тяги и способ изготовления и термической обработки биметаллических магнитопроводов

Изобретение относится к областям космической техники, металлургии. Электрический реактивный двигатель малой тяги включает, по меньшей мере, один катод-компенсатор и анодный блок, содержащий разрядную камеру с ускорительным каналом и магнитную систему. Концевые участки магнитопровода, формирующие на выходе разрядной камеры магнитную линзу, выполнены из материала с более высокой температурой точки Кюри. Способ изготовления магнитопроводов включает механическую обработку деталей с припуском на чистовую доводку, вакуумный отжиг и соединение деталей с различной магнитной проницаемостью пайкой или сваркой. Магнитопровод изготавливают из магнитомягкой стали, а его концевые участки - из кобальтовых пермендюров с более высокими температурой точки Кюри и магнитной индукцией. Их соединяют аргонодуговой сваркой или пайкой. После сварки или пайки проводят высокотемпературный вакуумный отжиг, а после чистовой механической обработки - стабилизирующий вакуумный отжиг с последующим охлаждением с одинаковой скоростью при обеих отжигах. Изобретение обеспечивает создание магнитного поля высокой напряженности, повышение надежности и ресурса работы магнитопроводов при обеспечении высокой технологичности их изготовления и обработки. 2 н. и 3 з.п.ф-лы, 7 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к электрореактивным двигательным установкам, и может быть использовано при изготовлении электрических реактивных двигателей малой тяги (ЭРД МТ), в частности стационарных плазменных двигателей (СПД) или двигателей с анодным слоем (ДАС). Кроме того, изобретение также относится к области металлургии, в части изготовления и термической обработки биметаллических деталей из магнитомягких сталей и сплавов, применяемых для магнитопроводов в конструкциях ЭРД МТ различных типоразмеров, и может также найти применение в приборостроении.

Известен ЭРД МТ, включающий катод-компенсатор и анодный блок, содержащий разрядную камеру с ускорительным каналом и магнитную систему, включающую магнитопровод с концевыми участками, формирующими на выходе разрядной камеры магнитную линзу [Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М. Машиностроение, 1989 г., с.143-145].

Основным недостатком такого известного ЭРД МТ является низкая эффективность магнитной системы по формированию оптимальной конфигурации магнитной линзы [патент РФ №1715183, кл. 6 Н05Н 1/54, F03H 1/00 ] на выходе разрядной камеры и четкой локализации границ топологии магнитного поля в ней.

Известна технология (способ) изготовления и термической обработки сварных и паяных магнитопроводов ЭРД МТ, предусматривающая, с целью повышения коэффициента использования материала (КИМ) и сокращения трудоемкости обработки, сварку трубных заготовок и оснований из однородного магнитомягкого материала, например из стали 10880 [МиТОМ, 1998 г., №1, с.23-27].

Недостатком такого способа является низкая коррозионная стойкость исходного материала и малая напряженность магнитного поля непосредственно вблизи концевых участков (рабочих кромок) магнитопровода, которые образуют магнитную линзу и формируют соответствующую топологию магнитного поля.

Известен способ изготовления деталей магнитных систем, преимущественно цельных, точеных из прутков и витых из лент прецизионных сплавов железокобальтовых пермендюров 49КФ, 49К2Ф с вакуумным отжигом при температуре 820°С и 1100°С [Сплавы прецизионные магнитомягкие. Технические условия. ГОСТ 10160-75, с.32, 33].

Данные процессы достаточно трудоемки и применимы только для цельных магнитопроводов, и не предусматривают особенностей обработки тонкостенных сварных деталей.

Известен электрический реактивный двигатель малой тяги, принятый за прототип, включающий, по меньшей мере, один катод-компенсатор и анодный блок, содержащий разрядную камеру с ускорительным каналом и магнитную систему, включающую магнитопровод с концевыми участками, формирующими на выходе разрядной камеры магнитную линзу [патент РФ № 2030134, кл. 6 Н05Н 1/54, F03H 1/00].

В таком известном ЭРД МТ, по сравнению с аналогом, несколько повышена эффективность магнитной системы по формированию конфигурации магнитной линзы на выходе разрядной камеры и локализации границ топологии магнитного поля в ней за счет дополнительных выступов на магнитопроводе, охватывающих разрядную камеру по обе стороны. Однако и такая конструкция не позволяет сформировать достаточно четкую форму магнитной линзы и хорошо локализовать магнитное поле на выходе из разрядной камеры при генерации в магнитном контуре относительно малых магнитных потоков. Такие трудности характерны в особенности для ЭРД МТ малой мощности или в ЭРД МТ относительно малых типоразмеров, в которых на топологию магнитного поля в зоне магнитной линзы велико влияние близости расположения источников намагничивающей силы, вследствие чего границы магнитной линзы искажаются и "размываются".

Известен способ изготовления и обработки, принятый за прототип, каркасов и катушек из стали 10880 с плоскими вставками из железокобальтовых сплавов 18КХ, 27КХ, соединяемых в процессе вакуумного отжига пайкой через слой оплавляющегося химического никеля [Особенности применения магнитомягких железокобальтовых сплавов в магнитных системах ЭРД МТ, Технология машиностроения, 2006 г., №7, с.52-55].

Известный способ ограниченно применим для плоских полюсов простого сечения и преимущественно сплавов 18КХ, 27КХ, и достаточно трудоемок в осуществлении.

При создании изобретения решались задачи по созданию направленного магнитного поля высокой напряженности в зоне магнитной линзы, повышения надежности и ресурса эксплуатации магнитопроводов ЭРД МТ, при обеспечении высокой технологичности способов изготовления и обработки биметаллических магнитопроводов тонкостенных конструкций.

Указанный технический результат достигается тем, что в электрическом реактивном двигателе малой тяги, включающем, по меньшей мере, один катод-компенсатор и анодный блок, содержащий разрядную камеру с ускорительным каналом и магнитную систему, включающую магнитопровод с концевыми участками, формирующими на выходе разрядной камеры магнитную линзу, согласно изобретению, концевые участки магнитопровода выполнены из материала с более высокой температурой точки Кюри.

Изготовление концевых участков магнитопровода из материала с более высокой температурой точки Кюри по сравнению с материалом основного магнитопровода позволяет решить задачу по созданию направленного магнитного поля высокой напряженности в рабочем межполюсном зазоре магнитопровода (в зоне магнитной линзы) за счет применения, в наиболее теплонапряженной зоне, более стойкого магнитомягкого материала, который повышает надежность функционирования магнитной системы ЭРД МТ в целом путем обеспечения более стабильной топологии повышенной плотности силовых линий магнитного поля и локализации оптимальной конфигурации магнитной линзы при минимальных магнитных полях и относительно малых линейных размеров ЭРД МТ. В качестве источников намагничивающей силы в магнитной системе могут быть использованы электромагнитные катушки, которые при эксплуатации должны запитываться от источников электропитания, или постоянные магниты, которые генерируют необходимый магнитный поток в магнитном контуре без подвода электропитания, или их совместное сочетание.

Указанный технический результат также достигается тем, что в способе изготовления и термической обработки биметаллических магнитопроводов, включающем механическую обработку деталей из магнитомягких материалов с припуском на чистовую доводку, вакуумный отжиг и соединение деталей с различной магнитной проницаемостью пайкой или сваркой, согласно изобретению, магнитопроводы изготавливают из магнитомягкой стали, а его концевые участки из кобальтовых пермендюров с более высокими температурой точки Кюри и магнитной индукцией, после чего их соединяют при помощи аргонодуговой сварки по внутреннему и наружному диаметрам, после которой вначале проводят высокотемпературный вакуумный отжиг при 880-940°С в течение 120-150 минут, а после чистовой механической обработки проводят стабилизирующий вакуумный отжиг при 580-620°С в течение 60-90 минут с последующим охлаждением с одинаковой скоростью при обеих отжигах. Кроме того, концевые участки для сварки с магнитопроводом из стали 10880 могут быть выполнены тороидальной формы из пермендюров 49КФ, 49К2Ф высотой 0,2-0,3 от общей высоты магнитопровода при толщине тороидов 1-3 толщины примыкающих участков магнитопровода. С наружной стороны центральная часть магнитопровода из стали 10880 дополнительно может быть оснащена тарельчатой накладкой из пермендюров, свариваемых по сопряженной образующей. А перед стабилизирующим отжигом на магнитопровод может быть нанесено защитное покрытие из химического никеля толщиной 10-15 мкм.

Поставленная задача также решается путем создания биметаллического магнитопровода, набранного из, по меньшей мере, двух разнородных магнитомягких материалов с различной температурой точки Кюри, соединенных между собой методом сварки или пайки с последующей их совместной механической обработкой и термической обработкой. Такое биметаллическое соединение может быть образовано из магнитомягкого железа (магнитопровод) и пермендюров 49КФ или 49К2Ф (концевые участки). При этом концевые участки, образующие торцевые тороиды заданной высоты и толщины из пермендюров, свариваются с основной частью магнитопровода по внутреннему и наружному диаметрам и отжигаются в вакууме в интервале температур 880-940°С в течение 120-150 минут, а после механической доводки подвергаются стабилизирующему отжигу при 580-620°С в течение 60-80 минут с охлаждением с одинаковой скоростью при обеих отжигах.

Одновременно выбирается высота пермендюровых концевых участков равной 0,2-0,3 от общей высоты магнитопровода, а толщина таких тороидов берется равной 1-3 толщины сопрягаемых участков магнитопроводов. Выбранные параметры изготовления и обработки позволяют достигнуть максимальные магнитные свойства входящих в биметаллическое соединение материалов, а также создать направленное магнитное поле повышенной напряженности на торцевых концевых участках в рабочей наиболее теплонагруженной части магнитопровода. Это приводит к более стабильной работе двигателя и к увеличению ресурса работы и надежности магнитной системы. Дополнительное оснащение центральной части магнитопровода (оптимальной зоны размещения электрической катушки намагничивания) сварной тарельчатой вставкой из пермендюра улучшает условия тепловой нагрузки по рабочей кромке, а нанесение слоя химического никеля после сварки и двух отжигов существенно повышает коррозионную стойкость стальной части из 10880 при различных условиях хранения и эксплуатации.

Изобретение иллюстрируется чертежами.

На Фиг.1 представлен вариант конструктивной схемы предлагаемого ЭРД МТ с осевым разрезом анодного блока. Кроме того, представлена технологическая последовательность формирования магнитопровода по заявленной схеме, где 6 - цилиндрические части магнитопровода из стали 10880, 7, 8, 9 и 10 - привариваемые или припаиваемые концевые участки магнитопровода, выполненные в виде отдельных деталей различных геометрических форм из пермендюров 49КФ или 49К2Ф, 12 - центральная часть магнитопровода из 10880, 13 - сварные швы, выполняемые аргонодуговой сваркой (АрДС), 3 - керамическая разрядная камера из термостойкой керамики БГП или БГП-10.

На Фиг.2 приведена фотография плотности магнитных силовых линий тороидального сварного набора из стали 10880 и пермендюра 49КФ, полученная на установке намагничивания ПМД-7 с напылением супермикронного порошка магнитной окиси железа.

На Фиг.3 показана микроструктура сварного шва деталей из стали 10880 и пермендюра 49КФ.

На Фиг.4 показана микроструктура концевых участков в виде тороидов, образцов свидетелей после выполненной сварки и проведенного отжига.

На Фиг.5 представлена фотография стационарного плазменного двигателя малой тяги СПД-60, в котором внутренний диаметр наружной стенки разрядной камеры 60 мм.

На Фиг.6 показан фрагмент участка магнитопровода после выполненной сварки пермендюрового тороида высотой 0,3 высоты магнитопровода и толщиной 3 от толщины стенки магнитопровода перед проведением вакуумного отжига.

На Фиг.7 приведены результаты измерений магнитных свойств пермендюра 49К2Ф (кривая 4), сваренного со сталью 10880 в виде графиков, где кривая 1 - после механической обработки, 2 - после вакуумного отжига при температуре 1100°С, 3 - после сварки со сталью 10880, без проведения отжига, 4 - после сварки АРДС с последующим отжигом при температуре 880°С.

Электрический реактивный двигатель малой тяги включает катод-компенсатор 1 и анодный блок 2, содержащий разрядную камеру 3 с ускорительным каналом 4 и магнитную систему 5, включающую магнитопровод 6 с концевыми участками 7, 8, 9 и 10, формирующими в зоне выхода разрядной камеры 3 магнитную линзу 11 и охватывающими ее с внешних сторон.

ЭРД МТ изготавливают и испытывают следующим образом. В начале изготавливают основные узлы и детали ЭРД МТ, в том числе изготавливают систему магнитную с магнитопроводом, который при изготовлении образуют набором из разнородных материалов, соединяемых по биметаллической схеме с последующей их совместной механической и термической обработкой. После завершения изготовления этот двигатель подвергают различным испытаниям.

При огневых испытаниях запуск любого ЭРД МТ производится, во-первых, путем электрического запитывания магнитной системы 5 анодного блока 2 и катода-компенсатора 1 и, во-вторых, подачей рабочего газа в разрядную камеру 3 и катод-компенсатор 1. В ускорительном канале 4 газ ионизируется и ускоряется в скрещенных полях в зоне магнитной линзы 11, формируемой при помощи выбранных линейных размеров концевых участков 7, 8, 9 и 10 магнитопровода 6, а также их взаимного расположения относительно друг друга. За срезом разрядной камеры ускоренный ионный поток плазмы компенсируется электронами, эмитируемыми катодом-компенсатором 1, содержащим высокоэффективный термоэмиттер, например, из гексаборида лантана.

Изобретение также иллюстрируется примерами практического осуществления предлагаемого способа в условиях мелкосерийного производства ЭРД МТ. Для изготовления использованы горячекатаные прутки, поковки из стали 10880 и сплавов 49КФ, 49К2Ф по ГОСТ 10160-75.

Для вакуумного отжига использовали печи двухколпаковые СГВ-2.4/15И2, сварку аргонодуговую вольфрамовым электродом с присадочным материалом и без него проводили на установках ТИР-200, ТИР-300.

Пример 1. Магнитопроводы из стали 10880 диаметром 70 мм и толщиной стенки 2,0 мм оснащали торцевыми вставками из пермендюра 49КФ высотой 12 мм, равной 0,3 от высоты магнитопровода 60 мм. После АрДС в приспособлении крепежном патроне вначале по внутреннему диаметру магнитопровода, а затем по наружному диаметру магнитопровода (сварные швы 13) проводили вакуумный отжиг при 880°С, в вакууме 10^-3 Па, в течение 150 минут, с охлаждением со скоростью 100°С/ч до 500°С далее с печью до 80°С. Затем, после чистовой обработки по образующим проводили стабилизирующий вакуумный отжиг в этой же печи СГВ-2.4/15В2 при 620°С, в течение 60 минут и аналогичным охлаждением. На Фиг.3 представлена микроструктура зоны сварного шва, а на Фиг.4 показана микроструктура тороидов, образцов-свидетелей после сварки и отжига. В таблице приведены свойства биметаллических магнитопроводов тороидальной формы, изготовленных и обработанных по предложенному способу.

Вакуумная термическая обработка после сварки, проведенная по предложенным режимам, позволила сформировать высокопрочное соединение с оптимальным соотношением магнитных характеристик обоих материалов, при снижении трудоемкости на 30%. Ресурс работы и эрозионная стойкость рабочих кромок магнитопровода возросла в 1,5 раза, повысилась стабильность работы двигателя при генерации в нем относительно малых магнитных полей.

Пример 2. Магнитопроводы одного из стационарных плазменных двигателей СПД-60 (См. Фиг.5) изготовляли и обрабатывали по предложенному способу, примыкая к торцевым цилиндрическим участкам магнитопровода, выполненного из магнитомягкой стали 10880, приваренными (сварные швы 13)к ним тороидальными вставками из пермендюра 49К2Ф. На Фиг.6 показан фрагмент наружной стенки магнитопровода после ее сварки с пермендюровым тороидом высотой 0,3 высоты магнитопровода и толщиной 3 толщины стенки магнитопровода перед проведением вакуумного отжига.

После вакуумного отжига биметаллических сварных магнитопроводов при температуре 940°С в течение 120 минут с охлаждением со скоростью 100°С/ч до 400°С, проводили химникелирование стальной части и сварного шва поверхностей, механически обработанных по цилиндрам магнитопроводов. Затем проводили стабилизирующий отжиг при 580°С, 90 минут, совмещенный с отпуском покрытия, с охлаждением с аналогичной скоростью.

В результате обработки получены магнитопроводы с улучшенными фокусирующими свойствами составляющих элементов, с коррозионно-стойкой поверхностью повышенной твердости, НУ_0,5Н=680-710, с оптимальными магнитными свойствами В₅₀₀=1,6-1,8 Тл. Кроме того, повысилась эрозионная стойкость в плазме внешних кромок магнитопроводов, обеспечена более устойчивая работа при разогреве кромок до 800-900°С, улучшены тяговые характеристики и повышен в 1,4 раза ресурс работы двигателя.

Пример 3. Внутренний набор каркаса магнитопровода состоял из катушки диаметром 40 мм из стали 10880 и торцевой вставки (5) из сплава 49К2Ф, которая паялась медненым титаном с катушкой. Температура пайки была 1000-1020°С. Вакуумный отжиг в печи СГВ-2.4/15И2 проводили непосредственно после завершения пайки при температуре 890-900°С с выдержкой в течение 120 минут и охлаждением со скоростью 80°С/ч до 550°С, далее с печью. Затем, после чистовой обработки торцевой и цилиндрической части с классом чистоты Ra=0,35-0,40 мкм проводили стабилизирующий отжиг при 600°С в течение 90 минут в вакууме 10^-2 Па.

В результате обработки было получено надежное паяное соединение с пропаем 95-98% по площади, с прочностью на растяжение выше 350-370 МПа. Магнитные свойства были в пределах В₃₀₀=1,70-1,80 Тл и В₁₀₀₀=2,00-2,05 Тл. Это обеспечило при выбранном соотношении толщин вставки и катушки высокую плотность магнитного потока в разогретой рабочей зоне и лучшие эксплуатационные характеристики ЭРД МТ в целом. При сокращенном расходе дефицитного железокобальтового пермендюра на 40% достигнута также минимальная энергоемкость и трудоемкость механической обработки каркаса.

При изготовлении и обработке биметаллических магнитопроводов по геометрии и параметрам и вакуумной термической обработки за пределами заявляемых значений положительный эффект существенно снижался.

Таким образом, предложенный способ создания биметаллических цилиндрических тонкостенных магнитопроводов прост в осуществлении, технологичен, экономичен по энергозатратам и трудоемкости и позволяет повысить эксплуатационные характеристики ЭРД МТ. Заявленный способ применим также в приборостроении и электротехнике.

1. Электрический реактивный двигатель малой тяги, включающий, по меньшей мере, один катод-компенсатор и анодный блок, содержащий разрядную камеру с ускорительным каналом и магнитную систему, включающую магнитопровод с концевыми участками, формирующими на выходе разрядной камеры магнитную линзу, отличающийся тем, что концевые участки магнитопровода выполнены из материала с более высокой температурой точки Кюри.

2. Способ изготовления и термической обработки биметаллических магнитопроводов, включающий механическую обработку деталей из магнитомягких материалов с припуском на чистовую доводку, вакуумный отжиг и соединение деталей с различной магнитной проницаемостью пайкой или сваркой, отличающийся тем, что магнитопроводы изготавливают из магнитомягкой стали, а его концевые участки из кобальтовых пермендюров с более высокими температурой точки Кюри и магнитной индукцией, после чего их соединяют при помощи аргонодуговой сварки по внутреннему и наружному диаметрам, после которой вначале проводят высокотемпературный вакуумный отжиг при 880-940°С в течение 120-150 мин, а после чистовой механической обработки проводят стабилизирующий вакуумный отжиг при 580-620°С в течение 60-90 мин с последующим охлаждением с одинаковой скоростью при обоих отжигах.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что концевые участки для сварки с магнитопроводом из стали 10880 выполняют тороидальной формы из пермендюров 49КФ, 49К2Ф высотой 0,2-0,3 от общей высоты магнитопровода при толщине тороидов 1-3 толщины примыкающих участков магнитопровода.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что с наружной стороны центральную часть магнитопровода из стали 10880 также оснащают тарельчатой накладкой из пермендюров, свариваемых по сопряженной образующей.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что перед стабилизирующим отжигом на магнитопровод наносят защитное покрытие из химического никеля толщиной 10-15 мкм.