Способ регулирования ионных электрических ракетных двигателей и устройство для его осуществления (варианты)



Способ регулирования ионных электрических ракетных двигателей и устройство для его осуществления (варианты)
Способ регулирования ионных электрических ракетных двигателей и устройство для его осуществления (варианты)
Способ регулирования ионных электрических ракетных двигателей и устройство для его осуществления (варианты)

 

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 2458490:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) (RU)

Изобретение относится к ракетно-космической технике (РКТ) и может быть использовано в ионных электрических ракетных двигателях (ЭРД) для их регулирования с целью обеспечения нормальной работы ионных ЭРД в условиях эксплуатации на космических аппаратах (КА) и орбитальных пилотируемых космических станциях (ОПС). Способ регулирования тяги ионных электрических ракетных двигателей заключается в снижении разнотяговости двух или более входящих в тяговый модуль ионных двигателей с нейтрализаторами путем регулирования тока разряда двигателя для компенсации деградации тяги с использованием нескольких групп плазменных ускорителей. Создают в ионном электрическом ракетном двигателе плазменный ускоритель ионов с использованием диафрагмированного газопроточного полого катода - нейтрализатора и импульсного лазера. Формируют с помощью импульсного лазера лазерный луч. Направляют лазерный луч в автономную полость нейтрализатора, наполняемого притоком рабочего вещества ионного двигателя. Фокусируют лазерный луч в объеме газопроточного рабочего вещества, возбуждают в нем оптический разряд с образованием плазмы. Формируют ионные пучки путем изменения параметров плазмы, обеспечивают транспортировку ионных пучков под действием внешнего электрического поля с границы внутренней плазмы в зону основного ускоряемого ионного потока электрического ракетного двигателя, создают этими ионными пучками дополнительную тягу и компенсируют деградацию тяги этого двигателя с последующим устранением разнотяговости тягового модуля. Устройство регулирования тяги ионных электрических ракетных двигателей содержит вспомогательный источник энергии и диафрагмированный газопроточный полый катод - нейтрализатор, состоящий из корпуса катодной автономной полости, соединенного с узлом подачи рабочего вещества, катодной автономной полости, сопряженной с узлом подачи рабочего вещества, диафрагмы, размещенной внутри корпуса катодной автономной полости, и электрически изолированного от диафрагмы вспомогательного анода. В устройство введены лазерная свеча, закрепленная в катодной автономной полости с образованием полости над поверхностью лазерной свечи для подвода рабочего вещества ионного двигателя в полость полого катода, трубопровод для транспортировки ионных пучков. На одном конце трубопровода установлена диафрагма, а на другом - вспомогательный анод, при этом вспомогательный источник энергии выполнен в виде импульсного лазера, оптический выход которого соединен с оптическим входом лазерной свечи. Изобретение позволяет повысить эффективность построения ЭРД на основе тяговых модулей (ТМ) и их объединения в многодвигательную электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) для обеспечения большого суммарного импульса в течение большого времени активной работы. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к ракетно-космической технике (РКТ) и может быть использовано в ионных электрических ракетных двигателях (ЭРД) для регулирования тяги с целью обеспечения нормальной работы ионных ЭРД в условиях эксплуатации на космических аппаратах (КА) и орбитальных пилотируемых космических станциях (ОПС). Особенно целесообразно использование предлагаемых технических решений в двигателях с анодным слоем (ДАС) для повышения ресурса и обеспечения надежности функционирования ДАС в натурных условиях эксплуатации двигателя на борту КА и ОПС, а также при отработке двигателей в стендовых условиях.

Известны ионные ЭРД (см., например, Гришин С.Д. и Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1989 г., с.86-93). Анализ применения ЭРД в космосе свидетельствует о необходимости их построения на основе тяговых модулей (ТМ) и объединения в многодвигательную электроракетную двигательную установку (ЭРДУ) для обеспечения большого суммарного импульса в течение большого времени активной работы. Поэтому ЭРДУ характеризуется более сложными схемно-конструкторскими и технологическими решениями и, как правило, является многоцелевой, выполняя кроме маршевых разные задачи управления движением КА (стабилизации, коррекции, разгрузки гиродинов, устранения ошибок выведения и т.д.).

Эти и некоторые другие отличия ЭРДУ существенно влияют на наземную отработку ресурса и показателей надежности для наиболее напряженного в части наземной отработки ТМ ЭРДУ. Для конкретного КА с временем активной работы порядка 5…7 лет необходимо подтверждение ресурса не менее 2000 часов с вероятностью безотказной работы на начало полета 0,9 при доверительной вероятности подтверждения 0,8. Для подтверждения надежности ТМ требуется проведение испытаний в объеме не менее:

- двух образцов двигателей до отказа;

- четырех образцов двигателей на назначенный ресурс;

- испытания связок из двух-четырех ТМ на разнотяговость.

Способы устранения разнотяговости характеризуют сложность их осуществления: селективный отбор пар ТМ, которым предстоит работать совместно; анализ методов борьбы с возможными отклонениями вектора тяги от его сдаточного положения, т.е. деградации вектора тяги, которое, как известно, носит случайный характер и в настоящее время не имеет четкого объяснения; введение второго режима регулирования тока разряда двигателя, а именно режима «пониженная тяга», для компенсации возможной деградации тяги при натурных испытаниях; парирование моментов, которые возникают из-за разнотяговости, путем установки дополнительных пар газовых сопел и др.

Способы регулирования тяги ионных ЭРД, основанные на регулировании тяги для парирования разнотяговости ТМ, являются аналогами заявляемых технических решений. В частности, плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов и способ изготовления плазменных двигателей одного типоразмера являются патентованным комплексным изобретением - аналогом заявляемого комплексного изобретения. См. Мурашко В.М. и др. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов и способ изготовления плазменных двигателей одного типоразмера. // Патент РФ №2191291 от 2000.10.04.

Способ изготовления плазменных двигателей одного типоразмера в указанном выше патенте РФ №2191291 от 2000.10.04 - аналоге заявляемого комплексного изобретения - предполагает: изготовление первого (эталонного) плазменного двигателя; его испытание; определение профилей эрозии его стенок, соответствующих времени окончания нестабильности тяги в процессе испытаний, копирование при изготовлении разрядных камер того же типоразмера последующих двигателей в соответствии с полученными профилями эрозии при испытании первого (эталонного) двигателя; последующие сравнительные испытания первого и последующих двигателей с целью констатации уменьшения разнотяговости.

Недостатком аналогов заявляемого комплексного изобретения является трудоемкость и неэффективность регулирования ионных ЭРД для парирования разнотяговости ТМ.

Наиболее близкий по технической сути аналог заявляемого способа регулирования тяги ионных ЭРД изложен в способе создания ускоренного потока ионов (см. Мурашко В.М. и др. Способ создания ускоренного потока ионов. // Патент РФ №2292678 от 2005.06.01), в котором предполагается введение второго режима регулирования тока разряда двигателя, а именно режима «пониженная тяга», для компенсации возможной деградации тяги при натурных испытаниях. Поэтому наиболее близкий аналог заявляемого способа регулирования тяги - патент РФ №2292678 от 2005.06.01 - может быть выбран в качестве прототипа заявляемого способа регулирования тяги ионных ЭРД.

Способ, реализованный в выбранном патенте РФ №2292678 от 2005.06.01 - прототипе, основан на создании в азимутально замкнутом канале разрядной камеры продольного магнитного поля, подаче в нее рабочего вещества, зажигании электрического разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях и поддержании разряда импульсами напряжения, подаваемыми на размещенный на дне разрядной камеры анод и на размещенный на выходе за срезом разрядной камеры катод. При этом период повторения импульсов напряжения согласуется с пролетным временем ускоряемых ионов в разрядной камере. Для создания ускоренного потока ионов в прототипе могут использоваться несколько плазменных ускорителей или несколько групп плазменных ускорителей. В данном случае осуществляют последовательно-попеременную подачу импульсов напряжения на анод и катод каждого плазменного ускорителя или каждой группы плазменных ускорителей. В способе ускорения тяги ионов - прототипе - можно использовать также один общий для всех плазменных ускорителей катод.

Недостатком способа, реализованного в выбранном патенте РФ №2292678 от 2005.06.01 - прототипе, является недостаточная эффективность регулирования разнотяговости ТМ ионных ЭРД, в частности тяги для парирования разнотяговости.

Для устранения отмеченного недостатка в выбранном патенте РФ №2292678 от 2005.06.01 - прототипе - в заявляемом изобретении решается техническая задача повышения эффективности способа регулирования тяги для парирования разнотяговости ионных ЭРД, используемых в ТМ.

Для решения технической задачи повышения эффективности способа регулирования тяги в способе регулирования тяги ионных ЭРД, заключающемся в снижении разнотяговости двух или более входящих в тяговый модуль ионных двигателей с нейтрализаторами путем регулирования тока разряда двигателя для компенсации деградации тяги с использованием нескольких групп плазменных ускорителей, создают в ионном электрическом ракетном двигателе плазменный ускоритель ионов с использованием диафрагмированного газопроточного полого катода - нейтрализатора и импульсного лазера, формируют с помощью импульсного лазера лазерный луч, направляют лазерный луч в автономную полость нейтрализатора, наполняемого притоком рабочего вещества ионного двигателя, фокусируют лазерный луч в объеме газопроточного рабочего вещества, возбуждают в нем оптический разряд с образованием плазмы, формируют ионные пучки путем изменения параметров плазмы, обеспечивают транспортировку ионных пучков под действием внешнего электрического поля с границы внутренней плазмы в зону основного ускоряемого ионного потока электрического ракетного двигателя, создают этими ионными пучками дополнительную тягу и компенсируют деградацию тяги этого двигателя с последующим устранением разнотяговости тягового модуля.

Дополнительно в способе регулирования тяги возбуждают оптический разряд в объеме газопроточного рабочего вещества ионного двигателя вблизи мишени, установленной в автономной полости нейтрализатора.

В устройствах для осуществления способа регулирования тяги, ионных ЭРД-аналогах заявляемого устройства для осуществления способа регулирования тяги ЭРД, регулирование обычно основано на применении специальных нейтрализаторов - источников электронов, которые установлены на выходе из ускорительной системы. Например, в плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов (см., например, Мурашко В.М. и др. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов и способ изготовления плазменных двигателей одного типоразмера // Патент РФ №2191291 от 2000.10.04 - аналог) включены, по меньшей мере, один катод-компенсатор (КК) и анодный блок, содержащий магнитную систему и разрядную камеру с ускорительным каналом с зонами ионизации и ускорения, который расширяется в наружном и внутреннем радиальных направлениях.

В других ионных ЭРД (см., например, книгу Гришина С.Д. и Лескова Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение 1989 г., с.86-93) в качестве нейтрализаторов могут быть использованы проволочные прямонакальные катоды, плазменные источники электронов (плазменные нейтрализаторы, полые катоды и катоды-компенсаторы (КК)) которые являются аналогами заявляемого устройства для осуществления способа регулирования тяги ионных ЭРД.

Например, газоразрядный плазменный нейтрализатор в вышеупомянутой книге авторов Гришина С.Д. и Лескова Л.В. может быть указан в качестве аналога и состоит из катода в виде трубочки из гексоборида лантана с малым внутренним отверстием, стартового нагревателя, выполненного из вольфрамовой проволоки, тепловых экранов и поджигающего электрода. Плазменный нейтрализатор, изложенный в упомянутой книге Гришина С.Д. и Лескова Л.В., основан на подаче газообразного рабочего вещества по трубчатому молибденовому токоподводу, обладающему малой теплопроводностью, в трубчатый эмитирующий электрод (катод). После предварительного прогрева катода и срабатывания поджигающего электрода в газообразном рабочем веществе между катодом и ионным пучком ионного ЭРД загорается низковольтная дуга. Образующаяся плазма истекает из нейтрализатора, создавая так называемый «плазменный мост», охватывающий часть ионного пучка, по которому электроны беспрепятственно поступают в ионный пучок ионных ЭРД (см. упомянутую выше книгу авторов Гришина С.Д. и Лескова Л.В.).

Недостатком вышеперечисленных аналогов - нейтрализаторов (см. упомянутую выше книгу авторов Гришина С.Д. и Лескова Л.В.), при их использовании в устройствах для осуществления способа регулирования ионных ЭРД является низкая эффективность регулирования тяги и разнотяговости, а также ограниченный ресурс нейтрализаторов из-за теплонапряженного режима катодов.

Наиболее приемлемым и близким по технической сути является диафрагмированный газопроточный полый катод - нейтрализатор (см. упомянутую выше книгу авторов Гришина С.Д. и Лескова Л.В. на с.87), который может быть использован как регулирующее устройство в устройствах для осуществления способа регулирования тяги ионных ЭРД и который может быть выбран в качестве прототипа нейтрализатора для использования в заявляемом устройстве для осуществления способа регулирования тяги ионных ЭРД.

Диафрагмированный газопроточный полый катод - нейтрализатор - в упомянутой выше книге авторов Гришина С.Д. и Лескова Л.В на с.87 состоит из катодной полости, катода, диафрагмы катода с выходным отверстием, нагревателя, канала подачи рабочего вещества, тепловых экранов, вспомогательного электрода (анода) для поджига внутреннего и внешнего разрядов при совместном функционировании нейтрализатора и ионного двигателя ЭРД.

В прототипе, основанном на использовании в качестве нейтрализатора полого катода, рабочая полость образуется в объеме цилиндрической вставки диаметром в диапазоне 3-10 мм и высотой в диапазоне 5-15 мм. Прогреваемое дно вставки образует собственно катод и выполняется из материала с высокой термоэмиссионной способностью (обычно из гексоборида лантана). Крышка вставки также выполняется из материала с высокой термоэмиссионной способностью (из гексоборида лантана) и образует диафрагму с отверстием для истечения электронов из полого катода в зону основного ионного пучка при совместном функционировании ДАС и нейтрализатора, которое осуществляется при расходе ксенона в токовых единицах в диапазоне 0,03-2,5 А. Минимальное разрядное напряжение составляет 14 В. Расход рабочего вещества (ксенона) обеспечивает выходной электронный ток в диапазоне 0,1…50 А. Для включения требуется стартовое нагревание катода, а также подача рабочего газа в рабочую полость полого катода. Нейтрализатор может работать в авторежиме, т.е. без нагревания катода от постороннего источника. Прогреваемое дно вставки образует собственно катод и выполняется из материала с высокой термоэмиссионной способностью (обычно из гексоборида лантана). Крышка вставки также выполняется из материала с высокой термоэмиссионной способностью (из гексоборида лантана) и образует диафрагму с отверстием для истечения электронов и/или плазмы из полого катода в зону ионного пучка при совместном функционировании ионного двигателя и нейтрализатора.

Из приведенных выше разъяснений следует, что для включения нейтрализатора требуется стартовое нагревание катода и подача газа в рабочую полость полого катода, что ограничивает ресурс нейтрализатора из-за теплонапряженного режима работы полого катода и дополнительного расхода рабочего газа при его функционировании.

Недостатком прототипа является низкая эффективность регулирования тяги и разнотяговости ионных ЭРД, а также ограниченный ресурс нейтрализаторов из-за теплонапряженного режима катодов.

Для устранения отмеченных недостатков в заявляемом устройстве для осуществления способа регулирования тяги ионных ЭРД решается техническая задача повышения эффективности регулирования тяги ионных ЭРД.

Для решения поставленной технической задачи устройство для осуществления способа регулирования тяги ионных ЭРД содержит вспомогательный источник энергии и диафрагмированный газопроточный полый катод - нейтрализатор, состоящий из корпуса катодной автономной полости, соединенного с узлом подачи рабочего вещества, катодной автономной полости, сопряженной с узлом подачи рабочего вещества, диафрагмы, размещенной внутри корпуса катодной автономной полости, и электрически изолированного от диафрагмы вспомогательного анода. При этом в него введена лазерная свеча, закрепленная в катодной автономной полости с образованием полости над поверхностью лазерной свечи для подвода рабочего вещества ионного двигателя в полость полого катода, трубопровод для транспортировки ионных пучков, на одном конце которого установлена диафрагма, а на другом - вспомогательный анод, при этом вспомогательный источник энергии выполнен в виде импульсного лазера, оптический выход которого соединен с оптическим входом лазерной свечи.

Указанная в устройстве регулирования тяги лазерная свеча состоит из корпуса лазерной свечи, выполненного с сужением концевой части и помещенного этой частью в корпус катодной автономной полости, фиксирующей втулки, закрепленной в передней части корпуса лазерной свечи, линзы и проставки, размещенных в корпусе лазерной свечи между фиксирующей втулкой и крышкой, расположенной в концевой части корпуса лазерной свечи. Отверстие в фиксирующей втулке является оптическим входом лазерной свечи, при этом крышка выполнена с отверстием.

Кроме того, вышеуказанная в устройстве регулирования тяги лазерная свеча может состоять из корпуса лазерной свечи, выполненного с сужением концевой части и помещенного этой частью в корпус катодной автономной полости, и фиксирующей втулки, закрепленной в передней части корпуса лазерной свечи, в концевой части которого расположена крышка; фиксирующая втулка и корпус лазерной свечи имеют сквозные отверстия, в которых помещено оптическое волокно, один конец которого образует оптический вход лазерной свечи, а другой служит для возбуждения оптического разряда. При этом крышка, на которой крепится другой конец волокна, выполнена с отверстием.

Дополнительно в вышеуказанной в устройстве регулирования тяги крышке свечи установлена мишень.

Для решения технической задачи в способе регулирования тяги ионных ЭРД (вариант), основанном на снижении разнотяговости двух или более входящих в ТМ ионных двигателей с нейтрализаторами путем регулирования тока разряда двигателя для компенсации возможной деградации тяги с использованием нескольких групп плазменных ускорителей, дополнительно создают в ионном ЭРД плазменный ускоритель ионов с использованием диафрагмированного газопроточного полого катода - нейтрализатора и импульсного лазера, при этом в автономную полость нейтрализатора, наполняемого притоком газа рабочего вещества ионного двигателя, дополнительно направляют пары цезия и в объеме автономной полости, наполняемой притоком рабочего вещества ионного двигателя и парами цезия, возбуждают с помощью вспомогательного источника энергии газоразрядную плазму. Используют плазму для формирования ионных пучков и их транспортировки в зону основного ускоряемого ионного потока электрического ракетного двигателя, а в качестве вспомогательного источника энергии используют импульсный лазер, луч которого с фокусировкой направляют в автономную полость нейтрализатора, где в зоне вблизи фокуса в объеме смеси газопроточного рабочего вещества и паров цезия возбуждают оптический разряд, создают плазму и осуществляют под действием внешнего электрического поля ее транспортировку в ускоряемый ионный пучок ЭРД для создания дополнительной тяги компенсации возможной деградации тяги.

Дополнительно в вышеизложенных способах регулирования тяги ионных электрических ракетных двигателей объемный оптический разряд возбуждают в объеме смеси газопроточного рабочего вещества и паров цезия вблизи мишени, установленной в автономной полости нейтрализатора.

Для решения поставленной технической задачи в устройство для осуществления способа регулирования тяги ионных электрических ракетных двигателей (вариант), содержащее вспомогательный источник энергии и диафрагмированный газопроточный полый катод - нейтрализатор с автономной катодной полостью, с диафрагмой, с отверстием в диафрагме и трубопроводом для подачи рабочего вещества ионного двигателя в его полость, дополнительно введены узел подачи паров цезия, лазерная свеча и источник.

Для решения поставленной технической задачи в устройство для осуществления способа регулирования тяги ионных ЭРД (вариант), содержащее вспомогательный источник энергии и диафрагмированный газопроточный полый катод - нейтрализатор с автономной катодной полостью, с диафрагмой, с отверстием в диафрагме и трубопроводом для подачи рабочего вещества ионного двигателя, в его полость дополнительно введены узел подачи паров цезия, лазерная свеча и источник энергии на основе импульсного лазера, при этом узел подачи паров цезия подключен через ввод к электрически изолированному трубопроводу, оптический выход импульсного лазера соединен с входом лазерной свечи по световоду, по которому лазерный луч направлен через установленную в корпусе лазерной свечи фокусирующую линзу в точку фокусировки в корпусе автономной полости полого катода, а вставляемый (вворачиваемый) для введения лазерного луча в корпус катодной автономной полости корпус лазерной свечи выполнен с сужением при входе в корпус катодной автономной полости, позволяющим образовать зазор для создания вспомогательной полости над поверхностью корпуса лазерной свечи для подвода рабочего вещества ионного двигателя через ввод в корпусе полого катода, при этом отверстие в диафрагме связано по трубопроводу с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом, а на внешней поверхности корпуса автономной полости установлены соответственно узлы подачи рабочего вещества ионного двигателя в автономную полость полого катода и паров цезия в трубопровод для эмиссии электронов к вспомогательному аноду.

Дополнительно в вышеуказанной в устройстве регулирования тяги крышке свечи установлена мишень.

Таким образом, комплексное решение технической задачи сформулировано в двух вариантах способа регулирования ионных ЭРД и в двух вариантах устройств для их осуществления. Предлагаемые способ регулирования тяги ионных ЭРД и устройство для его осуществления иллюстрируют следующие графические материалы:

на фиг.1 представлена конструктивная схема по 1-му варианту способа и устройства, в котором излучение от лазера вводится в лазерную свечу и в область пробоя в объеме полости полого катода с помощью фокусирующей линзы, если лазерный луч уже заранее сфокусирован;

на фиг.2 представлена конструктивная схема по 2-му варианту способа и устройства, в котором излучение от лазера также вводится в лазерную свечу и в область пробоя в объеме полости полого катода с помощью фокусирующей линзы, однако фокусирование производится на специальную мишень, расположенную в области пробоя в объеме полости полого катода;

на фиг.3 представлена конструктивная схема устройства, использующего 3-й вариант выполнения лазерной свечи 19, при котором излучение от лазера вводится в лазерную свечу 19 и в область пробоя в полости полого катода с помощью оптического волокна и направлено на мишень, расположенную в области пробоя в объеме полости полого катода. Лазерная свеча 19 связана с областью в катодной полости по оптическому волокну. Данный вариант служит лишь примером для возможной реализации заявленных способов, что, согласно п.10.7.4.4. (4) Административного регламента, правомерно. На его защиту заявитель не претендует.

При этом на фиг.1, фиг.2 и фиг.3 представлены следующие узлы и элементы, которые иллюстрируют графические материалы:

- корпус катодной автономной полости 1;

- узел подачи рабочего вещества 2;

- узел подачи паров цезия 3;

- катодная автономная полость 4;

- вариант лазерной свечи 5, связанной через линзу с катодной автономной полостью 4;

- линза 6; проставка 7; фиксирующая втулка 8; крышка 9;

- точка фокусировки 10; мишень 11; оптическое волокно 12; втулки 13 и 14;

- полость подачи рабочего вещества над свечой 15;

- диафрагма 16; вспомогательный анод 17;

- трубопровод для транспортировки плазменного потока 18;

- вариант лазерной свечи 19, связанной с областью пробоя в катодной полости по оптическому волокну.

Устройство для осуществления способа регулирования ионных ЭРД содержит вспомогательный источник энергии на основе импульсного лазера (в графических материалах не показан), лазерную свечу 5 с фокусирующей линзой 6 и проставкой 7, позволяющей устанавливать (регулировать) положение точки фокусировки 10 в объеме катодной автономной полости 4 диафрагмированного газопроточного полого катода - нейтрализатора.

Диафрагмированный газопроточный полоый катод - нейтрализатор - связан с узлом подачи рабочего вещества 2 через ввод в автономную полость полого катода 4. Корпус лазерной свечи 5, вставляемый (вворачиваемый) для введения лазерного луча в корпус катодной автономной полости 1, выполнен с сужением при входе в корпус катодной автономной полости, позволяющим образовать зазор для создания вспомогательной полости 15 над поверхностью корпуса лазерной свечи при подаче рабочего вещества ионного двигателя через ввод в корпусе полого катода.

Отверстие в диафрагме 16 связано с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом 17 по трубопроводу 18, который связан через ввод с узлом подачи паров цезия 3 в катодную автономную полость 4. Втулки 8, 13 и 14 фиксируют канал транспортировки лазерного луча в корпусе катодной автономной полости 1 в точку фокусировки 10 автономной полости полого катода 4 или на установленную на крышке 9 мишень 11. На фиг.3 в корпусе катодной автономной полости 1 установлена лазерная свеча 19, связанная с импульсным лазером (на фиг.3 не показан) по оптическому волокну 12.

Запуск устройства для осуществления способа начинается после подачи рабочего вещества через узел 2 в автономную полость катода 4 и подачи сигнала на запуск импульсного лазера, который включает лазер (на фиг.1, 2, 3 не показан). Лазерное излучение при функционировании лазера через лазерную свечу 5 фокусируется в определенной точке полости полого катода 4 либо на поверхности мишени 11, вызывая оптический пробой и зажигание разряда наполняемого притоком рабочего вещества ионного двигателя полости полого катода 4. В результате в зоне вблизи фокуса в объеме газопроточного рабочего вещества возбуждают оптический разряд, создают плазму и осуществляют ее транспортировку по трубопроводу 18 в основной ускоряемый ионный пучок с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля.

Во всех вариантах устройство для осуществления способа регулирования ионных пучков состоит из корпуса 1, в котором имеется ограничивающая внутреннюю плазму диафрагма 16 с отверстием. Отверстие в диафрагме 16 связано с электрически изолированным на его торце вспомогательным анодом 17. Трубопровод 18 на фиг.2 и фиг.3 связывает через ввод узел подачи паров цезия 3 катодную автономную полость 4. Трубопровод 18 обеспечивает подачу паров цезия в наполняемую притоком рабочего вещества ионного двигателя полсть нейтрализатора 4, в которой происходит оптический пробой, возбуждение оптического разряда и создание плазмы, а также последующая транспортировка плазменного факела в ускоряемый ионный пучок с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля.

В вариантах 1 и 2 лазерная свеча, соединяемая с корпусом 1, состоит из корпуса свечи 5, линзы 6, проставки 7 и фиксирующей втулки 8. Излучение, прошедшее через фокусирующую линзу 6, попадает в камеру через отверстие в крышке 9. В случае если излучение от лазерного источника заранее сфокусировано, то вместо линзы 6 может быть использовано оптическое стекло, служащее для пропускания излучения и предотвращения попадания рабочего вещества (ксенона) и/или цезия наружу. Оптический пробой происходит в точке фокусировки 10 или вблизи мишени 11. В последнем случае излучение от лазера вводится в лазерную свечу 19 и в область пробоя в объеме камеры с помощью оптического волокна 12, зафиксированного во втулке 13, и направлено на мишень 11, расположенную в камере. В лазерной свече на фиг.1 аналогичная втулка 14 выполняется полой с центральным отверстием и образует полость 15 подачи рабочего вещества (ксенона) над поверхностью корпуса лазерной свечи.

Вариант 1 целесообразно использовать при достаточно мощных лазерных импульсах, создающих интенсивность в области фокусировки ~1010 Вт/см2. При таких импульсах возможно осуществить оптический пробой в объеме среды в катодной автономной полости 4.

Для снижения энергии поджигающего импульса, а следовательно, и снижения массогабаритных характеристик лазерного источника целесообразно лазерное излучение фокусировать не в свободном объеме в катодной автономной полости 4, а на поверхность мишени 11, как предлагается в вариантах лазерной свечи на фиг.2 и фиг.3. В этом случае, как известно, интенсивность необходимого излучения может быть снижена на порядки.

При таких уровнях энергии лазерных импульсов транспортировку излучения в область пробоя можно осуществлять с помощью оптического волокна (поз.12 на фиг.3), которое через оптический разъем 8 подсоединяется к транспортному волокну, идущему к лазеру. В такой конструкции система лазерной свечи обладает наилучшими массогабаритными характеристиками, которые при учете прогресса в развитии малогабаритных лазеров будут наиболее востребованы.

Функционирование устройства для осуществления способа (варианта) с цезием также начинается с подачи сигнала на запуск импульсного лазера (см. Синявский В.В. См. Способ определения давления пара цезия с учетом встречного потока. // Патент №2004082 с приоритетом от 01.07.91 H01J 45/00; опубл. 30.11.93, Бюл. №43/44, и статью Волков Ю.М. Импульсный неизотермический разряд в смесях инертных газов с цезием // ТВТ 1965, т.3, с.3.

При использовании цезия в КК удается сформировать слой катодного падения потенциала с напряжением, не превышающим порог катодного распыления материала КК, что обеспечивает повышенный ресурс КК и ускорителя в целом. Уменьшение расхода цезия в КК достигнуто:

1) введением в полость КК независимого внутреннего газового разряда в парах цезия;

2) созданием противодавления на выходе из КК;

3) использованием разлагающихся при рабочей температуре КК соединений цезия.

Конструктивно цезиевый КК выполнен в виде трубопровода с электрически изолированной на его торце дроссельной диафрагмой. Между диафрагмой и трубопроводом организован газовый разряд в парах цезия. Эмиссия пучков ионов и электронов в ускоряемый ионный пучок осуществляется с границы внутренней плазмы под действием внешнего электрического поля.

Разряд в полости катода существует в диапазоне давлений 10-3 - 1 мм рт.ст. и позволяет управлять параметрами внешнего разряда. При работе в атмосфере ксенона обнаружено существование двух устойчивых зон насыщения внешнего разрядного тока: низковольтная цезиевая дуга и газовый ксеноновый разряд с пороговым напряжением зажигания 33 В (см. упомянутую выше статью Волкова Ю.М., с.3).

1. Способ регулирования тяги ионных электрических ракетных двигателей, заключающийся в снижении разнотяговости двух или более входящих в тяговый модуль ионных двигателей с нейтрализаторами путем регулирования тока разряда двигателя для компенсации деградации тяги с использованием нескольких групп плазменных ускорителей, отличающийся тем, что создают в ионном электрическом ракетном двигателе плазменный ускоритель ионов с использованием диафрагмированного газопроточного полого катода-нейтрализатора и импульсного лазера, формируют с помощью импульсного лазера лазерный луч, направляют лазерный луч в автономную полость нейтрализатора, наполняемого притоком рабочего вещества ионного двигателя, фокусируют лазерный луч в объеме газопроточного рабочего вещества, возбуждают в нем оптический разряд с образованием плазмы, формируют ионные пучки путем изменения параметров плазмы, обеспечивают транспортировку ионных пучков под действием внешнего электрического поля с границы внутренней плазмы в зону основного ускоряемого ионного потока электрического ракетного двигателя, создают этими ионными пучками дополнительную тягу и компенсируют деградацию тяги этого двигателя с последующим устранением разнотяговости тягового модуля.

2. Способ регулирования тяги ионных электрических ракетных двигателей по п.1, отличающийся тем, что оптический разряд возбуждают в объеме газопроточного рабочего вещества ионного двигателя вблизи мишени, установленной в автономной полости нейтрализатора.

3. Устройство регулирования тяги ионных электрических ракетных двигателей, содержащее вспомогательный источник энергии и диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор, состоящий из корпуса катодной автономной полости, соединенного с узлом подачи рабочего вещества, катодной автономной полости, сопряженной с узлом подачи рабочего вещества, диафрагмы, размещенной внутри корпуса катодной автономной полости, и электрически изолированного от диафрагмы вспомогательного анода, отличающееся тем, что введены лазерная свеча, закрепленная в катодной автономной полости с образованием полости над поверхностью лазерной свечи для подвода рабочего вещества ионного двигателя в полость полого катода, трубопровод для транспортировки ионных пучков, на одном конце которого установлена диафрагма, а на другом - вспомогательный анод, при этом вспомогательный источник энергии выполнен в виде импульсного лазера, оптический выход которого соединен с оптическим входом лазерной свечи.

4. Устройство регулирования тяги ионных электрических ракетных двигателей по п.3, отличающееся тем, что на крышке свечи установлена мишень.

5. Способ регулирования тяги ионных электрических ракетных двигателей, заключающийся в снижении разнотяговости двух или более входящих в тяговый модуль ионных двигателей с нейтрализаторами путем регулирования тока разряда двигателя для компенсации деградации тяги с использованием нескольких групп плазменных ускорителей, отличающийся тем, что создают в ионном электрическом ракетном двигателе плазменный ускоритель ионов с использованием диафрагмированного газопроточного полого катода-нейтрализатора и импульсного лазера, формируют с помощью импульсного лазера лазерный луч, направляют лазерный луч в автономную полость нейтрализатора, наполняемого притоком рабочего вещества ионного двигателя и парами цезия, фокусируют лазерный луч в объеме смеси газопроточного рабочего вещества и паров цезия, возбуждают в нем оптический разряд с образованием плазмы, формируют ионные пучки путем изменения параметров плазмы, обеспечивают транспортировку ионных пучков под действием внешнего электрического поля с границы внутренней плазмы в зону основного ускоряемого ионного потока электрического ракетного двигателя, создают этими ионными пучками дополнительную тягу и компенсируют деградацию тяги этого двигателя с последующим устранением разнотяговости тягового модуля.

6. Способ регулирования тяги ионных электрических ракетных двигателей по п.5, отличающийся тем, что оптический разряд возбуждают в объеме смеси газопроточного рабочего вещества ионного двигателя и паров цезия вблизи мишени, установленной в автономной полости нейтрализатора.

7. Устройство регулирования тяги ионных электрических ракетных двигателей, содержащее вспомогательный источник энергии и диафрагмированный газопроточный полый катод-нейтрализатор, состоящий из корпуса катодной автономной полости, соединенного с узлом подачи рабочего вещества, катодной автономной полости, сопряженной с узлом подачи рабочего вещества, диафрагмы, размещенной внутри корпуса катодной автономной полости, и электрически изолированного от диафрагмы вспомогательного анода, отличающееся тем, что введены трубопровод, первый вход которого связан с узлом подачи рабочего вещества ионного двигателя, а второй вход - с узлом подачи паров цезия, лазерная свеча, закрепленная в катодной автономной полости с образованием полости над поверхностью лазерной свечи для подвода рабочего вещества ионного двигателя в полость полого катода, при этом на одном конце трубопровода установлена диафрагма, а на другом - вспомогательный анод, при этом вспомогательный источник энергии выполнен в виде импульсного лазера, оптический выход которого соединен с оптическим входом лазерной свечи.

8. Устройство регулирования тяги ионных электрических ракетных двигателей по п.7, отличающееся тем, что на крышке корпуса свечи установлена мишень.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике и аналитическому приборостроению, а именно к источникам возбуждения эмиссионных спектров анализируемых проб, и может быть использовано в плазмохимии для получения дисперсных материалов.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к устройствам с управляемой плазмой, и может быть использовано для решения широкого круга технических задач в фотохимии, осветительной технике, световых технологиях обработки материалов, при испытаниях материалов, приборов, образцов техники на устойчивость к воздействию светового излучения природных и техногенных факторов.

Изобретение относится к энергетике, металлургической промышленности, а именно к сжиганию твердого топлива: угля, торфа, древесины, и обеспечивает при его использовании интенсификацию процесса горения со снижением расхода топлива.

Изобретение относится к энергетике, металлургической промышленности, а именно к сжиганию твердого топлива: угля, торфа, древесины, и обеспечивает при его использовании интенсификацию процесса горения со снижением расхода топлива.

Изобретение относится к плазменным горелкам для обработки материалов при сверхвысокой температуре в атмосфере с управляемой реактивностью и находит применение, в частности, для сварки, разметки, термического напыления и для обработки отходов.

Изобретение относится к области получения нанодисперсных порошков тугоплавких неорганических материалов и соединений регулируемого химического, фазового и гранулометрического состава.

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиями и может использоваться в импульсных плазменных ускорителях, применяемых, в частности, в качестве электроракетных двигателей.

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 области физики плазмы и плазменных технологий и может быть использовано при разработке и создании источников высокоинтенсивных плазменных потоков для научных и технологических применений

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к устройству для генерации оптически плотной излучающей плазмы с помощью подрыва заряда взрывчатого вещества, и может найти применение в экспериментальной физике

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для рассечения, коагуляции, деструкции, испарения и абляции мягких тканей потоком плазмы

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для рассечения, коагуляции, деструкции, испарения и абляции мягких тканей потоком плазмы

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для проведения физиотерапевтических процедур

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для нагрева газов до высоких температур с помощью электрической дуги, и может использоваться в плазмохимических, металлургических процессах, в частности, для выплавки ферросплавов, уничтожения бытовых и техногенных отходов, а также в исследовательских целях

Изобретение относится к области исследования физических свойств вещества, в частности к исследованию процессов в газоразрядных приборах и в плазме

Изобретение относится к электротехнике, в частности к средствам для напыления покрытий плазменным способом, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, в том числе для упрочнения и восстановления деталей автотракторной техники: коленчатых валов, распределительных валов, поршневых колец, вкладышей и др

Изобретение относится к области обработки поверхности твердых материалов с помощью ионных пучков в вакууме, в частности ионно-лучевой полировки или ионного травления оптического стекла, ситалов и кремния
Наверх