Способ работы импульсного плазменного ускорителя



Способ работы импульсного плазменного ускорителя
Способ работы импульсного плазменного ускорителя
Способ работы импульсного плазменного ускорителя
Способ работы импульсного плазменного ускорителя

 

H05H1/54 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2452142:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (государственный технический университет)" (RU)

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиями и может использоваться в импульсных плазменных ускорителях, применяемых, в частности, в качестве электроракетных двигателей. Ускорение плазменных потоков производится с помощью импульсного плазменного ускорителя, содержащего катод (1) и анод (2), между которыми установлен разделительный торцевой изолятор (3) и диэлектрические шашки (5), выполненные из абляционного материала. В процессе работы ускорителя осуществляют предварительный нагрев рабочих поверхностей диэлектрических шашек (5), обращенных к разрядному каналу (4). После предварительного нагрева диэлектрических шашек до рабочего уровня температуры ускорителя на катод (1) и анод (2) подается напряжение от емкостного накопителя энергии (6) и осуществляется периодическое зажигание электрического разряда между разрядными электродами с помощью устройства (7) инициации разряда. Диэлектрические шашки (5) перемещают в разрядный канал (4) по мере испарения абляционного материала с рабочих поверхностей диэлектрических шашек (5). Технический результат - повышение тяговой эффективности плазменного ускорителя. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиями, более конкретно - к плазменным ускорителям и способам их работы, которые могут использоваться для создания реактивной тяги, например, в качестве электроракетного двигателя, устанавливаемого на борту космического летательного аппарата, а также для генерации высокоскоростных плазменных потоков при проведении экспериментальных исследований и модельных испытаний. Кроме того, изобретение может применяться для осуществления различного рода технологических операций по обработке изделий и модификации свойств материалов.

Плазменными ускорителями принято называть устройства, посредством которых производится ионизация рабочего вещества и последующее ускорение ионизованного газообразного рабочего вещества (плазмы) под действием электромагнитных сил и газодинамического давления в процессе генерации электрического разряда.

Ускорение плазмы с помощью импульсных плазменных ускорителей (ИПУ), в которых используется твердое рабочее вещество в виде диэлектрических шашек, выполненных из абляционного материала, осуществляется следующим образом. Первоначально производится электрический пробой межэлектродного промежутка, затем зажигается основной электрический разряд между электродами. За счет выделяющейся в дуговом разряде энергии происходит испарение рабочего вещества с рабочих поверхностей диэлектрических шашек, ионизация рабочего вещества и ускорение ионизованного газа (рабочего вещества).

В ИПУ электрический разряд носит кратковременный характер. Длительность разряда составляет от 1 до 100 мкс. ИПУ широко применяются в качестве исполнительных органов систем управления космических летательных аппаратов, а также в импульсных инжекторах низкотемпературной плазмы. Рабочее вещество в таких установках представляет собой шашки из твердого диэлектрика, в частности из фторопласта.

Как известно, для поддержания заданного орбитального положения космического летательного аппарата в процессе торможения в относительно плотной остаточной атмосфере космического пространства целесообразно использовать малогабаритные электроракетные двигательные установки с низким потреблением электрической энергии. Таким требованиям удовлетворяют двигательные установки на базе ИПУ. В двигательных установках данного типа в качестве рабочего вещества используется твердый диэлектрик, выделяющий газообразные продукты в результате абляции под воздействием тепловой и лучистой энергии генерируемого электрического разряда. ИПУ обладают достаточно простой конструкцией при потребляемой мощности от единиц до сотен ватт и обеспечивают высокую точность управления космическим летательным аппаратом по сравнению с иными типами двигательных установок, используемых в качестве исполнительных органов. Вместе с тем тяговая эффективность известных ИПУ не удовлетворяет предъявляемым требованиям для решения большинства задач.

Известны различные варианты конструкции ИПУ, принцип работы которых основан на абляции (эрозии) твердого диэлектрического материала под действием энергии, выделяющейся в результате генерации импульсного электрического разряда в межэлектродном промежутке. Так, например, в патенте США №6373023 (МПК7 B23K 10/00, опубликован 16.04.2002) описан способ работы ИПУ, включающий зажигание электрического разряда в разрядном канале ускорителя, который образован двумя параллельно расположенными плоскими электродами и торцевой поверхностью диэлектрической шашки, выполненной из абляционного материала. Инициация электрического разряда между анодом и катодом осуществляется с помощью термоэмиттера электронов, установленного в катоде напротив анода. После электрического пробоя межэлектродного промежутка происходит испарение и ионизация рабочего вещества и последующее ускорение образованного сгустка в ускорительном канале.

В патенте РФ №2253953 (МПК7 H05H 1/54, F03H 1/00, опубликован 10.06.2005) представлена конструкция ИПУ, который включает в свой состав два плоских электрода, между которыми установлены диэлектрические шашки, выполненные из абляционного материала, и разделительный торцевой изолятор, устройство инициации разряда и накопитель энергии, соединенный через токоподводы с электродами. Способ работы ускорителя заключается в подаче напряжения от накопителя энергии на разрядные электроды, периодическом зажигании электрического разряда между разрядными электродами с помощью устройства инициации разряда и перемещении диэлектрических шашек в разрядный канал по мере испарения абляционного материала с рабочих поверхностей диэлектрических шашек. При этом в разрядном канале зажигают и поддерживают квазиапериодические импульсные разряды при величине разрядного напряжения не менее 1000 В и выбранных характеристиках внешней электрической цепи ускорителя, обеспечивающих эффективное согласование параметров внешней и внутренней цепи плазменного ускорителя.

Для указанных выше конструкций ИПУ характерно образование в процессе работы на поверхности диэлектрических шашек углеродной пленки, осаждаемой из продуктов термического разложения фторопласта, используемого в качестве рабочего вещества. Поскольку теплота испарения углерода существенно выше по сравнению с фторопластом, осаждение углеродной пленки приводит к существенному уменьшению площади рабочей поверхности диэлектрических шашек, с которой происходит испарение рабочего вещества (фторопласта).

В результате данного явления происходит снижение расхода рабочего вещества и вследствие этого падение тяги, создаваемой ИПУ. Кроме того, из-за образования на рабочей поверхности диэлектрических шашек углеродной пленки происходит неравномерная выработка рабочего вещества, что приводит к снижению подачи рабочего вещества в разрядный канал. Перечисленные негативные процессы являются причиной снижения тяговой эффективности и ресурса ИПУ, принцип работы которых основан на абляции рабочего вещества.

В патенте РФ №2143586 (МПК7 F03H 1/00, H05H 1/54, опубликован 03.12.1995) описан способ работы ИПУ, выбранный в качестве наиболее близкого аналога изобретения, который направлен на устранение осаждения углеродной пленки на рабочих поверхностях диэлектрических шашек. Известный ИПУ содержит плоские электроды (анод и катод), образующие разрядный канал, емкостный накопитель энергии, соединенный с электродами, шашки из твердого диэлектрика, служащего рабочим телом, устройство инициации разряда (игнайтер), установленное в катоде, и разделительный торцевой изолятор. Диэлектрические шашки установлены между электродами со стороны торцевого изолятора с возможностью поступательного перемещения навстречу друг другу. Перемещение шашек осуществляется с помощью пружинного толкателя. Расстояние между рабочими поверхностями диэлектрических шашек фиксируется с помощью выступов, выполненных на электродах. В торцевом изоляторе образовано углубление, в котором установлено устройство инициации разряда.

При включении ИПУ осуществляется подача напряжения от накопителя энергии на разрядные электроды и периодическое формирование устойчивого плазменного сгустка в форме шнура в области углубления торцевого изолятора, т.е. на входе в ускорительный канал, входной участок которого образован рабочими поверхностями диэлектрических шашек. Предварительное формирование токовой перемычки перед диэлектрическими шашками позволяет снизить вероятность образования углеродной пленки на поверхности испаряемого материала и за счет этого уменьшить неравномерность его испарения. В результате пробоя между электродами устройства инициации разряда образуется плазменный сгусток, заполняющий межэлектродный зазор разрядного канала. Разрядные электроды в процессе пробоя находятся под «ждущим» потенциалом, на них подается напряжение от емкостного накопителя энергии. После замыкания электродов плазменной перемычкой осуществляется пробой основного межэлектродного промежутка и в разрядном канале формируется электрический разряд дугового типа. Под действием энергии, выделяющейся в разряде, происходит испарение рабочего диэлектрического материала и ускорение образовавшегося сгустка под действием электромагнитных сил и газодинамического давления.

Однако решение проблемы генерации устойчивого плазменного шнура на начальном участке разрядного канала не позволяет полностью исключить осаждение углеродной пленки на рабочих поверхностях диэлектрических шашек. Неравномерность выработки рабочего вещества и ограничение роста тяговых характеристик ИПУ наблюдается также при использовании керамического торцевого изолятора с углублением, в котором размещено устройство инициации разряда. Следует отметить, что увеличение скорости истечения генерируемого плазменного потока, при использовании известных аналогов ИПУ, возможно только за счет увеличения энергии, подводимой к разряду, вследствие чего снижается тяговая эффективность ускорителя.

Патентуемое изобретение направлено на создание условий, препятствующих осаждению углеродной пленки на рабочие поверхности диэлектрических шашек из области термического разложения испарившегося рабочего вещества.

Технический результат, достигаемый при решении указанных выше задач, заключается в повышении эффективности использования рабочего вещества за счет равномерности его выработки и, как следствие, в повышении стабильности тяговых характеристик и надежности ИПУ, а также в увеличении тяги и ресурса ускорителя.

Достижение технического результата обеспечивается при реализации способа работы ИПУ, который заключается в следующем.

На разрядные электроды ИПУ, между которыми установлен разделительный торцевой изолятор и диэлектрические шашки, выполненные из абляционного материала, подают напряжение от накопителя энергии. После этого осуществляют периодическое зажигание электрического разряда между разрядными электродами, которые образуют разрядный канал импульсного плазменного ускорителя. В процессе работы плазменного ускорителя производят перемещение диэлектрических шашек в разрядный канал по мере испарения абляционного материала с рабочих поверхностей диэлектрических шашек. Согласно изобретению, перед подачей напряжения на разрядные электроды, т.е. перед инициацией основного электрического разряда в разрядном канале, осуществляют предварительный нагрев рабочих поверхностей диэлектрических шашек, обращенных к разрядному каналу.

Изобретение в совокупности перечисленных выше признаков обеспечивает достижение технического результата за счет осуществления следующих процессов и явлений.

В ИПУ эрозионного типа при фиксированном расстоянии между рабочими поверхностями диэлектрических шашек (6÷20 мм) энергия, необходимая для испарения абляционного материала, передается из разрядного канала посредством излучения дугового разряда, теплопроводности рабочей среды и конвективного теплообмена. При включении ИПУ вследствие низкой (по сравнению с рабочей температурой) начальной температуры диэлектрических шашек происходит науглероживание их рабочих поверхностей, обращенных к разрядному каналу.

Осаждение углерода на испаряемые поверхности шашек обусловлено снижением объемной плотности энергии, выделяемой в процессе электрического разряда емкостного накопителя энергии. С увеличением расстояния между рабочими поверхностями диэлектрических шашек и плазменным сгустком происходит существенное снижение теплопроводности рабочей среды из-за формирования плазменного сгустка вдоль оси разрядного канала, и перенос энергии к рабочим поверхностям шашек осуществляется главным образом за счет излучения плазменного сгустка. Однако энергии, передаваемой излучением, оказывается недостаточно для равномерного нагрева до рабочей температуры и, как следствие, эффективного испарения абляционного материала по всей рабочей поверхности диэлектрической шашки. В результате происходит осаждение газообразных углеродосодержащих продуктов разложения рабочего вещества (фторопласта) на относительно холодные рабочие поверхности диэлектрических шашек.

При предварительном нагреве рабочих поверхностей диэлектрических шашек, обращенных к разрядному каналу, до рабочей температуры, которая может изменяться в широком диапазоне значений в зависимости от выбора рабочего абляционного материала, конструкции ИПУ и его рабочих характеристик, образование углеродосодержащих пленок на рабочих поверхностях диэлектрических шашек не происходит. Как показали проведенные исследования, углеродосодержащие продукты разложения рабочего вещества не осаждаются на предварительно нагретые поверхности диэлектрических шашек, и процесс испарения абляционного материала протекает равномерно по всей рабочей поверхности каждой из диэлектрических шашек.

Предварительный нагрев диэлектрических шашек можно производить с помощью нагревательного устройства, например с помощью электронагревательных элементов, установленных вблизи шашек. Электронагревательное устройство размещается на поверхности разрядного электрода с внешней стороны по отношению к разрядному каналу. При этом между электронагревательным устройством и поверхностью анода должен быть образован тепловой контакт. В другом варианте выполнения конструкции могут использоваться электронагревательные элементы, образующие тепловой контакт непосредственно с диэлектрическими шашками.

Для нагрева рабочих поверхностей диэлектрических шашек может также использоваться средство перемещения шашек, с помощью которого перед подачей напряжения на разрядные электроды и зажиганием между ними электрического разряда производится сближение шашек до расстояния, на котором происходит эффективный нагрев рабочих поверхностей шашек. После этого зажигают и поддерживают вспомогательный электрический разряд у рабочих поверхностей диэлектрических шашек. В данном случае энергия вспомогательного разряда используется для предварительного нагрева рабочих поверхностей диэлектрических шашек. После окончания предварительного нагрева диэлектрические шашки перемещают в исходное рабочее положение, подают напряжение на разрядные электроды и осуществляют периодическое зажигание основного электрического разряда между разрядными электродами.

Расстояние, на которое осуществляют сближение диэлектрических шашек, зависит от конструкции ИПУ и его рабочих характеристик. В частности, для ИПУ, используемых в качестве двигателей малой тяги космических летательных аппаратов, сближение диэлектрических шашек может производиться на расстояние между их рабочими поверхностями до 6 мм, при этом исходное рабочее положение диэлектрических шашек устанавливают в диапазоне расстояний между их рабочими поверхностями от 10 мм до 20 мм.

Предварительный нагрев рабочих поверхностей диэлектрических шашек предпочтительно осуществляют до температуры, выбранной в диапазоне от 70°С до 200°С.

Для повышения устойчивости плазменного шнура, формируемого при зажигании электрического разряда, устройство инициации разряда устанавливают в углублении, выполненном в разделительном торцевом изоляторе. При этом глубина углубления преимущественно выбирается равной не менее 3 мм. В качестве материала, из которого выполняется разделительный торцевой изолятор, предпочтительно применяют термостойкую керамику.

В качестве разрядных электродов, образующих разрядный канал ИПУ, могут применяться два плоских электрода, расположенных напротив друг друга.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров реализации способа работы ИПУ.

На прилагаемых чертежах изображено следующее:

на фиг.1 - схема ИПУ с электронагревательным элементом, размещенном на аноде;

на фиг.2 - схема ИПУ со средством перемещения диэлектрических шашек;

на фиг.3 - продольный разрез (А-А) разрядного канала ИПУ, изображенного на фиг.2,

на фиг.4 - продольный разрез (Б-Б) разрядного канала ИПУ, изображенного на фиг.2.

В качестве примеров осуществления изобретения ниже приведено описание способов работы ИПУ с двумя вариантами выполнения технических средств, с помощью которых обеспечивается предварительный нагрев рабочих поверхностей диэлектрических шашек, обращенных к разрядному каналу.

ИПУ, включающий в свой состав электронагревательный элемент (см. фиг.1), содержит плоские разрядные электроды: катод 1 и анод 2. Между электродами установлен разделительный торцевой изолятор 3, выполненный из керамического материала, в качестве которого используется тугоплавкая керамика Al2O3. Поверхности катода 1, анода 2 и торцевого изолятора 3 образуют разрядный канал 4 рельсового типа. Между катодом 1 и анодом 2 установлены напротив друг друга две диэлектрические шашки 5, выполненные из абляционного материала - фторопласта. Рабочие поверхности диэлектрических шашек 5, обращенные к разрядному каналу 4, образуют его боковые стенки. Диэлектрические шашки 5 выполнены с возможностью перемещения в разрядный канал 4 по мере испарения абляционного материала. Для этого в рассматриваемом варианте реализации изобретения используются ограничители перемещения диэлектрических шашек 5, в качестве которых используются уступы, образованные на направляющей поверхности катода 1, и пружинные толкатели, установленные между тыльными поверхностями диэлектрических шашек 5 и опорными поверхностями (на чертеже не показаны).

Катод 1 и анод 2 плазменного ускорителя подключены к емкостному накопителю энергии 6 (ЕНЭ). В закрытой торцевой части разрядного канала 4 у поверхности торцевого изолятора 3 установлено устройство 7 инициации разряда, электроды которого подключены к блоку 8 питания устройства инициации разряда (БПУ).

На поверхности анода 2 с внешней стороны по отношению к разрядному каналу 4 установлен электронагревательный элемент 9 (ЭНЭ), который подключен к блоку 10 питания нагревателя (БПН). Теплопровод электронагревательного элемента 9 образует тепловой контакт с внешней поверхностью анода 2. Управляющие входы емкостного накопителя энергии 6, а также блоков питания 8 и 10 подключены к соответствующим выходам системы управления 11 (СУ).

Данный пример размещения электронагревательного элемента 9 не ограничивает возможность установки нагревательных элементов на других элементах конструкции ИПУ с целью предварительного нагрева рабочих поверхностей диэлектрических шашек 5. В частности, электронагревательные элементы могут непосредственно контактировать с диэлектрическими шашками 5.

В другом варианте выполнения технического средства, обеспечивающего предварительный нагрев рабочих поверхностей диэлектрических шашек, ИПУ также содержит катод 1, анод 2 и торцевой изолятор 3, внутренние поверхности которых образуют разрядный канал 4 (см. фиг 2, 3 и 4).

В закрытой торцевой части разрядного канала 4 у поверхности торцевого изолятора 3 установлено устройство 7 инициации разряда, электроды которого подключены к блоку питания 8. При этом устройство 7 размещено в полости 12, образованной углублением, выполненным в разделительном торцевом изоляторе 3, перед входом в разрядный канал 4 (см. фиг.3). Глубина полости 12 относительно близлежащих поверхностей диэлектрических шашек 5 составляет 5 мм.

В качестве средства предварительного нагрева рабочих поверхностей диэлектрических шашек 5 в рассматриваемом варианте конструкции ИПУ используется устройство 13 перемещения диэлектрических шашек (УПШ). Устройство 13 содержит механизм перемещения диэлектрических шашек 5 и электропривод механизма, соединенный с блоком 14 питания устройства перемещения диэлектрических шашек (БПП). Управляющие входы емкостного накопителя энергии 6 и блоков питания 8 и 14 подключены к соответствующим выходам системы управления 11.

Способ работы импульсного плазменного ускорителя осуществляется следующим образом.

При использовании в составе ИПУ электронагревательного элемента (см. фиг.1) перед подачей напряжения на катод 1 и анод 2 осуществляют предварительный нагрев рабочих поверхностей диэлектрических шашек 5, обращенных к разрядному каналу 4. Для этого по сигналу системы управления 11 производится включение блока питания 10, и через электронагревательный элемент 9, установленный на аноде 2, пропускается электрический ток. Тепловой поток, выделяющийся при протекании тока через электронагревательный элемент 9, подводится через теплопровод нагревателя (на чертеже не показан), анод 2 и контактирующие с ним диэлектрические шашки 5 к рабочим поверхностям шашек, обращенным к разрядному каналу 4.

Температура нагреваемых рабочих поверхностей диэлектрических шашек 5 контролируется с помощью датчиков температуры (на чертеже не показаны), выходы которых подключены к входам системы управления 11. Нагрев производится до 100°С, после чего по сигналу системы управления 11 происходит отключение питания электронагревательного элемента 9 от блока питания 10. Выбор температуры, до которой производится предварительный нагрев рабочих поверхностей диэлектрических шашек 5, определяется рабочим тепловым режимом ИПУ, при котором не происходит осаждение углеродосодержащих продуктов разложения рабочего вещества на относительно холодные элементы конструкции плазменного ускорителя и образование на них углеродной пленки. Такой рабочий тепловой режим зависит от химического состава рабочего вещества, поверхностных свойств и размеров диэлектрических шашек, размеров разрядного канала и параметров электропитания ИПУ.

Следует отметить, что осаждение углерода на рабочие испаряемые поверхности диэлектрических шашек 5 обусловлено снижением объемной плотности энергии, выделяемой в процессе разряда конденсаторной батареи емкостного накопителя энергии 6, вследствие увеличения разрядного объема при постоянной величине подводимой энергии. С увеличением расстояния между диэлектрическими шашками 5, что обусловлено необходимостью увеличения скорости истечения плазменного потока и снижения расхода рабочего вещества, теплопередача от формируемого в разрядном канале плазменного сгустка к испаряемым поверхностям диэлектрических шашек значительно снижается. Учитывая, что плазменный сгусток формируется вдоль оси разрядного канала, лучистой энергии становится недостаточно для эффективного равномерного нагрева и последующего испарения рабочего вещества по всей рабочей поверхности диэлектрических шашек 5. Предварительный нагрев рабочих поверхностей до рабочего уровня температуры позволяет обеспечить последующее эффективное испарение рабочего вещества в течение импульса разряда емкостного накопителя энергии 6 и исключить осаждение углеродной пленки, препятствующей равномерному испарению рабочего вещества.

После завершения предварительного нагрева по сигналу системы управления 11 от емкостного накопителя энергии 6 на катод 1 и анод 2 подается разрядное напряжение, затем включается блок питания 8 и на электроды устройства 7 инициации разряда подается высоковольтный импульс напряжения, обеспечивающий зажигание электрического разряда. Генерируемый плазменный сгусток расширяется в разрядном канале 4 и замыкает межэлектродный промежуток, вследствие этого зажигается электрический разряд между катодом 1 и анодом 2.

Под действием излучения и конвекции из области электрического разряда (плазменного сгустка) происходит испарение (абляция) фторопласта с рабочих поверхностей диэлектрических шашек 5. В разрядном канале 4 происходит частичная ионизация рабочего вещества и последующее ускорение плазменного сгустка электромагнитными силами и газодинамическим давлением. Истекающий из разрядного канала 4 плазменный поток создает реактивную тягу.

После разряда емкостного накопителя энергии 6 прекращается подача напряжения на катод 1 и анод 2, заканчивается импульс разрядного напряжения и, соответственно, ускорение плазменного потока. Затем происходит заряд емкостного накопителя энергии 6 до рабочего уровня запасаемой энергии W=20Дж, подача разрядного напряжения на разрядные электроды и последующее зажигание электрического разряда между катодом 1 и анодом 2 с помощью устройства 7 инициации разряда. Процесс заряда-разряда емкостного накопителя энергии 6 и зажигания электрического разряда между разрядными электродами периодически повторяется, посредством чего организуется импульсный режим работы ИПУ.

В процессе работы ИПУ осуществляется перемещение диэлектрических шашек 5 в разрядный канал 4 по мере испарения абляционного материала. Для этого диэлектрические шашки 5 установлены с возможностью перемещения в направлении к срединной линии разрядного канала. В качестве средств, обеспечивающих перемещение диэлектрических шашек 5, в рассматриваемом варианте конструкции плазменного ускорителя используются пружинные толкатели (на чертеже не показаны). Положение рабочих поверхностей диэлектрических шашек 5 фиксируется с помощью выступа, выполненного на поверхности катода 1, который определяет расстояние между рабочими поверхностями шашек.

Следует отметить, что наряду с описанным могут использоваться и иные варианты реализации изобретения с использованием нагревательных элементов. Например, предварительный нагрев рабочих поверхностей диэлектрических шашек может осуществляться с использованием электронагревательных элементов, установленных не только на аноде 2, но и на катоде 1, с его внешней стороны по отношению к разрядному каналу 4. Кроме того, могут использоваться электронагревательные элементы, контактирующие непосредственно с диэлектрическими шашками.

При использовании в составе ИПУ устройства 13 перемещения диэлектрических шашек (см. фиг.2, 3 и 4) предварительный нагрев рабочих поверхностей шашек осуществляется перед подачей напряжения на катод 1 и анод 2 следующим образом.

В исходном рабочем положении диэлектрических шашек 5 перед включением ИПУ расстояние между рабочими поверхностями шашек устанавливается равным 12 мм. По сигналу системы управления 11 включается электропривод устройства 13, усилие с которого передается на механизм перемещения шашек. Диэлектрические шашки 5 сближаются до расстояния 6 мм между их рабочими поверхностями. Затем в полости 12 разделительного торцевого изолятора 3 зажигают и поддерживают вспомогательный электрический разряд с помощью устройства 7 инициации разряда. Для этого по сигналу системы управления 11 на электроды устройства 7 инициации разряда периодически подаются высоковольтные импульсы напряжения от блока 8.

Под действием излучения и конвекции из области формирования вспомогательного электрического разряда происходит нагрев рабочих поверхностей диэлектрических шашек 5. Зажигание вспомогательного электрического разряда происходит в полости 12 глубиной 5 мм. За счет этого формируется устойчивый плазменный сгусток вблизи рабочих поверхностей диэлектрических шашек.

Уровень температуры диэлектрических шашек 5 измеряется с помощью датчиков температуры, выходы которых соединены с входами системы управления 11. После достижения уровня температуры 70÷80°С, который в рассматриваемом примере реализации изобретения соответствует рабочему тепловому режиму ИПУ, по сигналу системы управления 11 происходит включение устройства 13 перемещения диэлектрических шашек. С помощью механизма перемещения шашки удаляются друг от друга до достижения исходного рабочего положения, при котором расстояние между рабочими поверхностями шашек составляет 12 мм. После этого емкостный накопитель энергии 6 подключается к катоду 1 и аноду 2, и на разрядные электроды подается рабочее напряжение, величина которого составляет не менее 1000 В.

За счет последующего зажигания электрического разряда в углублении 12 разделительного торцевого изолятора 3 между противоположно расположенными плоскими разрядными электродами (катодом 1 и анодом 2) формируется плазменный сгусток, замыкающий межэлектродный промежуток, и в разрядном канале 4 зажигается основной электрический разряд.

Следует отметить, что в данном примере реализации изобретения устройство 7 инициации разряда используется как для зажигания вспомогательного разряда, так и для зажигания и поддержания основного электрического разряда в разрядном канале 4.

В результате периодического режима разряда-заряда емкостного накопителя энергии 6 в разрядном канале 4 поддерживаются импульсные разряды. Под действием излучения и конвекции из области электрического разряда (плазменного сгустка) происходит испарение (абляция) фторопласта с рабочих поверхностей диэлектрических шашек 5. В разрядном канале 4 рабочее вещество частично ионизируется и ускоряется электромагнитными силами и газодинамическим давлением в форме направленного плазменного потока.

Как и в первом примере реализации изобретения, предварительный нагрев рабочих поверхностей диэлектрических шашек 5 до рабочего уровня температуры позволяет обеспечить последующее эффективное испарение рабочего вещества в течение импульса разряда емкостного накопителя энергии 6 и исключить осаждение углеродной пленки, препятствующей равномерному испарению абляционного материала. Вследствие этого повышается стабильность тяговых характеристик ИПУ, повышается его надежность, а также увеличивается тяга и ресурс плазменного ускорителя.

Описанные выше примеры реализации изобретения относятся к двум вариантам выполнения средств предварительного нагрева рабочих поверхностей диэлектрических шашек, однако это не исключает возможности применения иных средств предварительного нагрева, которые выбираются в зависимости от конкретных условий и задач, решаемых с помощью ИПУ.

Способ работы ИПУ может найти применение в различных областях техники. Изобретение может использоваться в электрореактивных двигательных установках космических летательных аппаратов при осуществлении различного рода экспериментов в космическом пространстве, а также в технологических процессах: для обработки поверхности изделий, напыления покрытий и получения новых композиционных материалов. Другим важным направлением использования изобретения является проведение наземных экспериментальных исследований и испытаний новых образцов техники путем имитации воздействия высокоскоростных плазменных потоков на исследуемые объекты.

Перечень цифровых и сокращенных буквенных обозначений структурных элементов ИПУ, изображенных на чертеже.

1 - катод;

2 - анод;

3 - разделительный торцевой изолятор;

4 - разрядный канал;

5 - диэлектрические шашки;

6 - емкостный накопитель энергии (ЕНЭ);

7 - устройство инициации разряда;

8 - блок питания устройства инициации разряда (БПУ);

9 - электронагревательный элемент (ЕНЭ);

10 - блок питания нагревателя (БПН);

11 - система управления (СУ);

12 - полость в разделительном торцевом изоляторе 3;

13 - устройство перемещения диэлектрических шашек (УПШ);

14 - блок питания устройства перемещения диэлектрических шашек (БПП).

1. Способ работы импульсного плазменного ускорителя, включающий подачу напряжения от накопителя энергии на разрядные электроды, между которыми установлен разделительный торцевой изолятор и диэлектрические шашки, выполненные из абляционного материала, периодическое зажигание электрического разряда между разрядными электродами, образующими разрядный канал импульсного плазменного ускорителя, и перемещение диэлектрических шашек в разрядный канал по мере испарения абляционного материала с поверхностей диэлектрических шашек, отличающийся тем, что перед подачей напряжения на разрядные электроды осуществляют предварительный нагрев поверхностей диэлектрических шашек, обращенных к разрядному каналу.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительный нагрев поверхностей диэлектрических шашек осуществляют с помощью, по меньшей мере, одного электронагревательного элемента, размещенного на разрядном электроде с внешней стороны по отношению к разрядному каналу и образующего тепловой контакт с поверхностью разрядного электрода.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительный нагрев поверхностей диэлектрических шашек осуществляют с помощью электронагревательных элементов, образующих тепловой контакт с диэлектрическими шашками.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительный нагрев поверхностей диэлектрических шашек осуществляют с помощью устройства перемещения диэлектрических шашек, при этом перед подачей напряжения на разрядные электроды и зажиганием между ними электрического разряда производят сближение диэлектрических шашек, затем зажигают и поддерживают вспомогательный электрический разряд у поверхностей диэлектрических шашек, после окончания предварительного нагрева диэлектрические шашки перемещают в исходное рабочее положение, подают напряжение на разрядные электроды и осуществляют периодическое зажигание электрического разряда между разрядными электродами.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что сближение диэлектрических шашек производят на расстояние между их поверхностями не менее 6 мм, при этом исходное рабочее положение диэлектрических шашек устанавливают в диапазоне расстояний между их поверхностями от 10 мм до 20 мм.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительный нагрев поверхностей диэлектрических шашек осуществляют до температуры, выбранной в диапазоне от 70°С до 200°С.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что зажигание электрического разряда осуществляют с помощью устройства инициации разряда, размещенного в углублении, выполненном в разделительном торцевом изоляторе.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют разделительный торцевой изолятор, выполненный из керамического материала, при этом глубину углубления выбирают не менее 3 мм.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют два плоских разрядных электрода, образующих разрядный канал импульсного плазменного ускорителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области вакуумно-плазменной технологии и может быть использовано для нанесения покрытий в вакууме. .

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано в электроракетных двигателях (ЭРД), например, в стационарных плазменных двигателях и двигателях с анодным слоем, а также в технологических плазменных ускорителях, применяемых в вакуумно-плазменной технологии.

Изобретение относится к металлургической промышленности. .

Изобретение относится к ракетным двигателям малой тяги. .

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к системам подачи рабочего тела, и может быть использовано в пневматических трактах доставки самых разнообразных газообразных рабочих тел (РТ) плазменным ускорителям и двигателям на их основе, а также в технологических источниках плазмы, применяемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме.

Изобретение относится к способам нагрева плазмы с использованием электрических и магнитных полей и может быть применено для нагрева плазмы до термоядерных температур.

Изобретение относится к технике получения плазмы, частиц вещества, пучков ионов и электронов и может быть использовано при обработке деталей плазмой, а также в электронных и ионных источниках для нанесения покрытий, модификации поверхностей.

Изобретение относится к плазменной технике. .

Изобретение относится к получению тепла, образующегося иначе, чем в процессах горения. .

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно к широкому классу плазменных двигателей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды.

Изобретение относится к ракетным двигателям малой тяги. .

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к системам подачи рабочего тела, и может быть использовано в пневматических трактах доставки самых разнообразных газообразных рабочих тел (РТ) плазменным ускорителям и двигателям на их основе, а также в технологических источниках плазмы, применяемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме.

Изобретение относится к ракетным двигателям, основанным на получении тяги путем поглощения лазерного излучения, и предназначено для управления малыми космическими аппаратами.

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при разработке, наземных испытаниях и эксплуатации электрореактивных двигателей (ЭРД), а также в области прикладного применения плазменных ускорителей.

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при разработке электроракетных двигателей, а также в технологических плазменных ускорителях, применяемых в вакуумно-плазменной технологии.

Изобретение относится к области электроракетных двигателей. .

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно к классу плазменных ускорителей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды. .

Изобретение относится к области космического аппаратостроения и может быть использовано для ускорения движения космических аппаратов в условиях глубокого вакуума.

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к системам подачи рабочего тела, и может быть использовано в пневматических трактах доставки рабочего тела (РТ) плазменным ускорителям, а также в технологических источниках плазмы, применяемых для ионно-плазменной обработки поверхностей различных материалов в вакууме.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в области космической техники при создании стационарных плазменных двигателей, а также в вакуумно-плазменных технологиях
Наверх