Эрозионный импульсный плазменный ускоритель



Эрозионный импульсный плазменный ускоритель
Эрозионный импульсный плазменный ускоритель
Эрозионный импульсный плазменный ускоритель

 

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 2516011:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (RU)

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиям и может использоваться в импульсных плазменных ускорителях, применяемых, в частности, в качестве электроракетных двигателей. Катод (1) и анод (2) эрозионного импульсного плазменного ускорителя (ЭИПУ) имеют плоскую форму. Между разрядными электродами (1 и 2) установлены две диэлектрические шашки (4), выполненные из абляционного материала. Торцевой изолятор (6) установлен между разрядными электродами в области размещения диэлектрических шашек (4). Устройство (9) инициирования электрического разряда подключено к электродам (8). Емкостный накопитель энергии (3) системы электропитания подключен через токоподводы к разрядным электродам (1 и 2). Разрядный канал ЭИПУ образован поверхностями разрядных электродов (1 и 2), торцевого изолятора (б) и торцевых частей диэлектрических шашек (4). Разрядный канал выполнен с двумя взаимно перпендикулярными срединными плоскостями. Разрядные электроды (1 и 2) установлены симметрично относительно первой срединной плоскости. Диэлектрические шашки (4) установлены симметрично относительно второй срединной плоскости. Касательная к поверхности торцевого изолятора (6), обращенной к разрядному каналу, направлена под углом от 87° до 45° относительно первой срединной плоскости разрядного канала. В торцевом изоляторе (6) выполнено углубление (7) с прямоугольным поперечным сечением. В углублении (7) со стороны катода (1) расположены электроды (8). Касательная к фронтальной поверхности углубления (7) направлена под углом от 87° до 45° относительно первой срединной плоскости разрядного канала. Углубление (7) вдоль поверхности торцевого изолятора (6) имеет форму трапеции. Большее основание трапеции расположено у поверхности анода (2). Меньшее основание трапеции расположено у поверхности катода (1). На поверхности торцевого изолятора (6) выполнены три прямолинейные канавки, ориентированные параллельно поверхностям разрядных электродов (1 и 2). Технический результат заключается в увеличении ресурса, повышении надежности, тяговой эффективности, эффективности использования рабочего вещества и стабильности тяговых характеристик ЭИПУ за счет равномерного испарения рабочего вещества с рабочей поверхности диэлектрических шашек. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиями, в частности к импульсным плазменным ускорителям, которые могут использоваться для создания реактивной тяги, например, в качестве электроракетных двигателей космических аппаратов, 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, связанных с обработкой изделий и модификацией свойств материалов.

В эрозионных импульсных плазменных ускорителях (ЭИПУ) используется твердое рабочее вещество в виде диэлектрических шашек, выполненных из абляционного материала, в частности из фторопласта Ускорение плазмы с помощью ЭИПУ осуществляется следующим образом. Первоначально производится электрический пробой межэлектродного промежутка, затем зажигается основной электрический разряд между электродами. За счет выделяющейся в дуговом разряде энергии происходит эрозия (абляция) и испарение рабочего вещества с рабочих поверхностей диэлектрических шашек, ионизация рабочего вещества и ускорение ионизованного газа. Электрический разряд в ЭИПУ носит кратковременный характер: длительность разряда составляет от 1 до 100 мкс. ЭИПУ широко применяются в качестве исполнительных органов систем управления космических летательных аппаратов, а также в импульсных инжекторах низкотемпературной плазмы.

Известны различные варианты конструкции ЭИПУ, 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 US 6373023 B1 (опубликован 16.04.2002) описана конструкция ЭИПУ, с помощью которого осуществляется ускорение потока плазмы. Разрядный канал ускорителя образован двумя параллельно расположенными плоскими электродами и торцевой поверхностью диэлектрической шашки, выполненной из абляционного материала. В процессе работы ЭИПУ осуществляется инициация электрического разряда между анодом и катодом с помощью термоэмиттера электронов, установленного в отверстии катода напротив анода. После электрического пробоя межэлектродного промежутка происходит испарение и ионизация рабочего вещества и последующее ускорение образованного плазменного сгустка в ускорительном канале под действием электромагнитных сил. По мере расходования абляционного рабочего материала при его испарении производится подача диэлектрической шашки вдоль ускорительного канала в направлении к его выходному отверстию разрядного канала.

В патенте RU 2143586 C1 (опубликован 27.12.1999) раскрыта конструкция ЭИПУ, который содержит плоские разрядные электроды (катод и анод), соединенные через омическую и индуктивную нагрузку с емкостным накопителем энергии. Устройство включает в свой состав торцевой керамический изолятор, разделяющий разрядные электроды, и диэлектрические шашки, выполненные из абляционного материала. Диэлектрические шашки устанавливаются между разрядными электродами. Накопитель энергии подключен к разрядным электродам через тонкие медные шины (токоподводы). Стенки разрядного канала образованы поверхностями электродов, торцевого изолятора и диэлектрических шашек. Устройство инициирования разряда (игнайтер) помещено в углублении, образованном в торцевом изоляторе. Диэлектрические шашки выполнены с возможностью перемещения в направлении к срединной линии разрядного канала с помощью специального средства перемещения (пружинного толкателя). Перемещение диэлектрических Шашек осуществляется до упора в фиксатор, который имеет форму выступа на поверхности одного из электродов.

При включении ускорителя осуществляется подача напряжения от емкостного накопителя энергии на разрядные электроды. После этого осуществляется периодическое формирование устойчивого плазменного сгустка в форме шнура (токового жгута) в области углубления торцевого изолятора, т.е. на входе в разрядный (ускорительный) канал. Предварительное формирование стабильной 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. Следует отметить, что разрядные электроды в процессе пробоя находятся под «ждущим» потенциалом за счет предварительной подачи на них напряжения с емкостного накопителя энергии.

После замыкания разрядных электродов плазменной перемычкой осуществляется пробой основного межэлектродного промежутка. В результате в разрядном канале формируется электрический разряд дугового типа. Под действием энергии, выделяющейся в разряде, происходит испарение рабочего диэлектрического материала и ускорение образовавшегося плазменного сгустка под действием электромагнитных сил и газодинамического давления.

Следует отметить, что 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 наблюдается также и при использовании керамического торцевого изолятора с углублением, в котором размещается устройство инициации разряда. При работе ЭИПУ не исключено образование углеродной пленки на рабочих поверхностях диэлектрических шашек из-за нестабильности пространственного положения канала инициирующего разряда. Вследствие этого, при использовании известного устройства-аналога, увеличение скорости истечения генерируемого плазменного потока возможно только за счет увеличения энергии, подводимой к разряду, что приводит к снижению тяговой эффективности ускорителя.

Наиболее близкий аналог изобретения описан в патенте RU 2253953 C1 (опубликован 10.06.2005). Известный ЭИПУ 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. При работе ускорителя первоначально подается напряжение на разрядные электроды и затем периодически производится зажигание электрического разряда между разрядными электродами с помощью устройства инициации разряда. В процессе работы ускорителя осуществляется перемещение диэлектрических шашек в полость разрядного канала ЭИПУ по мере испарения абляционного материала с рабочих поверхностей шашек. В процессе работы ЭИПУ в разрядном канале зажигают и поддерживают квазиапериодические импульсные разряды при величине разрядного напряжения не менее 1000 В, при этом обеспечивается условие согласования параметров внешней и внутренней электрической цепи плазменного ускорителя.

Однако, несмотря на синхронизацию процессов испарения рабочего вещества и ускорения плазменного сгустка, между рабочей поверхностью торцевого изолятора и токовым жгутом образуется пространственная зона, в которой возможно осаждение углерода из плазмы на рабочие поверхности диэлектрических шашек. Данное явление характерно для всех известных конструкций ЭИПУ. Осаждение из продуктов термического разложения фторопласта углеродной пленки на недостаточно нагретые поверхности диэлектрических шашек связано с тем, что теплота испарения углерода существенно выше теплоты испарения фторопласта. В результате углерод осаждается на участках поверхности, удаленных от инициируемого токового жгута, т.е. на менее нагретых участках по сравнению с участками поверхности, непосредственно контактирующих с плазменным сгустком.

Образование углеродной пленки на рабочей поверхности диэлектрических шашек приводит к существенному уменьшению площади поверхности, с которой происходит испарение рабочего вещества (фторопласта). В результате данного явления происходит снижение расхода рабочего вещества и падение тяги, создаваемой ЭИПУ. Кроме того, из-за образования на рабочей поверхности диэлектрических шашек углеродной пленки происходит неравномерная выработка рабочего вещества, что приводит к снижению подачи газообразного рабочего вещества в разрядный канал. В результате снижается тяговая эффективность и ресурса ЭИПУ.

Изобретение направлено на предотвращение образования углеродной пленки на рабочих поверхностях диэлектрических шашек за счет исключения в разрядном канале свободных от электрического разряда пространственных зон, расположенных между рабочей поверхностью торцевого изолятора и инициируемым токовым жгутом. Решение данной технической задачи позволяет увеличить ресурс, повысить надежность, тяговую эффективность, эффективность использования рабочего вещества и стабильность тяговых характеристик ЭИПУ за счет равномерного испарения рабочего вещества с рабочей поверхности диэлектрических шашек в течение срока эксплуатации устройства.

Достижение указанных выше технических результатов обеспечивается при использовании ЭИПУ, включающего в свой состав два разрядных электрода, имеющих плоскую форму. Один из электродов служит катодом, а второй - анодом. ЭИПУ включает также в свой состав две диэлектрические шашки, выполненные из абляционного материала. Шашки симметрично установлены между разрядными электродами. Устройство содержит средство перемещения диэлектрических шашек, фиксатор положения диэлектрических шашек, торцевой изолятор, установленный между электродами в области размещения диэлектрических шашек, и устройство инициирования электрического разряда с электродами, расположенными в отверстии, выполненном в катоде. Система электропитания включает в свой состав емкостный накопитель энергии и токоподводы, соединяющие накопитель энергии с разрядными электродами.

Разрядный канал ускорителя образован поверхностями разрядных электродов, торцевого изолятора и торцевых частей диэлектрических шашек и выполнен с двумя взаимно перпендикулярными срединными плоскостями. Разрядные электроды установлены симметрично относительно первой срединной плоскости разрядного канала, а диэлектрические шашки - симметрично относительно второй срединной плоскости разрядного канала. Торцевой изолятор расположен в ускорительном канале таким образом, что касательная к поверхности торцевого изолятора, обращенной к разрядному каналу, направлена под углом от 87° до 45° относительно первой срединной плоскости разрядного канала.

Технические результаты обеспечиваются за счет того, что поверхность торцевого изолятора, обращенная в сторону разрядного канала, наклонена относительно срединной плоскости симметрии разрядного канала под углом, соответствующим углу наклона токового жгута электрического разряда, который возникает между разрядными электродами при подаче напряжения на электроды устройства инициирования разряда. Данные электроды расположены в отверстии, выполненном в катоде.

В результате проведенных экспериментов было установлено, что при включении устройства инициирования разряда в течение ~500 нс с момента инициации электрического разряда между разрядными электродами происходит угловое смещение электрического разряда относительно первой срединной плоскости разрядного канала. Часть токового жгута со стороны анода смещается в сторону выходного отверстия разрядного канала относительно противолежащей части токового жгута, расположенной у катода в области размещения электродов устройства инициирования разряда. Вследствие этого токовый жгут в течение периода времени развития инициирующего разряда располагается под углом от 87° до 45° относительно первой срединной плоскости разрядного канала. При этом определенный угол наклона токового жгута (в диапазоне значений от 87° до 45°) зависит от конкретной конструкции ЭИПУ и его электрических характеристик.

Выбирая угол наклона касательной к поверхности торцевого изолятора, обращенной к разрядному каналу, относительно первой срединной плоскости разрядного канала в диапазоне значений от 87° до 45°, в зависимости от результатов предварительного эксперимента, проведенного для выбранной конструкции ЭИПУ, можно расположить торцевой изолятор таким образом, что токовый жгут инициирующего электрического разряда будет ориентирован вдоль поверхности торцевого изолятора. В этом случае все участки рабочих поверхностей диэлектрических шашек, прилегающие к торцевому изолятору, будут находиться в зоне высокотемпературного плазменного образования, генерируемого на начальной стадии электрического разряда. При этом со стороны торцевого изолятора отсутствуют относительно холодные участки поверхности диэлектрических шашек, на которые может осаждаться углерод и образовываться углеродная пленка. Вся рабочая поверхность диэлектрических шашек, обращенная к разрядному каналу, равномерно нагревается высокотемпературным плазменным образованием, пространственно ограниченным поверхностью торцевого изолятора.

Вследствие использования указанного выше условия выбора угла наклона поверхности торцевого изолятора относительно срединной плоскости разрядного канала обеспечивается равномерный нагрев и равномерное испарение рабочего вещества со всей поверхностей диэлектрических шашек, обращенных к разрядному каналу. Данное явление позволяет повысить эффективность использования твердого рабочего вещества, обеспечить высокую стабильность расхода рабочего вещества и тяговых характеристик ЭИПУ в течение всего срока его эксплуатации. Кроме того, за счет равномерного испарения рабочего вещества со всей рабочей поверхности диэлектрических шашек увеличивается ресурс и повышается тяговая эффективность и надежность ЭИПУ.

Форма поверхности торцевого изолятора, обращенной к разрядному каналу, выбирается в каждом конкретном случае в зависимости от конструкции и рабочих характеристик ЭИПУ. В частности, в простейшем варианте конструкции поверхность торцевого изолятора может иметь плоскую форму.

Дополнительный эффект, связанный с повышением стабильности электрического разряда, достигается при использовании торцевого изолятора, в котором выполнено прямолинейное углубление, расположенное между разрядными электродами. В полости данного углублении установлены электроды устройства инициирования электрического разряда. Для рассматриваемого варианта конструкции ЭИПУ должно выполняться следующее условие: касательная к поверхности углубления направлена под углом от 87° до 45° относительно первой срединной плоскости разрядного канала.

Углубление, выполненное в торцевом изоляторе, может иметь прямоугольное поперечное сечение. Предпочтительно конструктивное выполнение торцевого изолятора, при котором углубление вдоль поверхности торцевого изолятора, обращенной к разрядному каналу, имеет форму трапеции. При этом большее основание трапеции располагается у поверхности анода, а меньшее основание - у поверхности катода. В этом случае угол наклона боковых поверхностей углубления относительно второй срединной плоскости разрядного канала выбирается в диапазоне от 5° до 45°.

Поверхности диэлектрических шашек, обращенные к разрядному каналу, могут быть направлены под острым углом по отношению ко второй срединной плоскости разрядного канала. В данном варианте выполнения конструкции ЭИПУ расстояние между противолежащими поверхностями диэлектрических шашек со стороны торцевого изолятора меньше расстояния между противолежащими поверхностями диэлектрических шашек со стороны выходного отверстия разрядного канала.

В процессе работы ускорителя на поверхность торцевого изолятора может осаждаться углерод, что приводит к образованию углеродосодержащей токопроводящей пленки. Для исключения короткого замыкания между катодом и анодом, которое может возникнуть из-за образования на рабочей поверхности торцевого изолятора углеродосодержащей токопроводящей пленки, между разрядными электродами выполняется, по меньшей мере, одна прямолинейная канавка. Такая канавка (или канавки) ориентируется параллельно прилегающим к торцевому изолятору поверхностям разрядных электродов. Так, например, на поверхности торцевого изолятора могут быть выполнены три канавки, равномерно расположенные на поверхности торцевого изолятора между анодом и катодом. Размеры канавок предпочтительно выбираются следующим образом: глубина канавок - от 1 мм до 3 мм, ширина канавок - от 0,5 мм до 1 мм.

Далее изобретение поясняется описанием конкретного примера реализации изобретения. На прилагаемых чертежах изображено следующее:

на фиг.1 - разрез разрядного канала вдоль второй срединной плоскости и структурная схема ЭИПУ;

на фиг.2 - поперечный разрез (А-А) разрядного канала ЭИПУ с фронтальным видом на торцевой изолятор;

на фиг.3 - разрез (Б-Б) разрядного канала вдоль первой срединой плоскости.

Эрозионный импульсный плазменный ускоритель, изображенный на фиг.1-3 чертежей, включает в свой состав два разрядных электрода: катод 1 и анод 2. Разрядные электроды соединены через токоподводы с емкостным накопителем энергии 3 (ЕНЭ). Между катодом 1 и анодом 2 симметрично установлены две диэлектрические шашки 4, выполненные из абляционного материала, в качестве которого используется фторопласт.

Катод 1 и анод 2 имеют плоскую форму и состоят из двух участков, которые расположены вдоль направления ускорения плазмы. Первые участки разрядных электродов расположены параллельно друг другу. Данные участки электродов ограничивают боковую поверхность диэлектрических шашек 4 в межэлектродном промежутке. Вторые участки разрядных электродов расположены со стороны выходной части плазменного ускорителя и наклонены под острым углом относительно первых участков соответственно катода 1 и анода 2.

Для фиксации положения диэлектрических шашек 4 в разрядном канале ускорителя на первом участке анода 2 выполнен выступ 5, ограничивающий перемещение диэлектрических шашек 4 в процессе эрозии их рабочей поверхности. Между разрядными электродами в области размещения диэлектрических шашек 4 установлен торцевой изолятор 6, выполненный из керамики.

Разрядный канал ускорителя образован поверхностями катода 1 и анода 2, торцевого изолятора 6 и торцевых частей диэлектрических шашек 4. Разрядный канал выполнен с двумя взаимно перпендикулярными срединными плоскостями, Катод 1 и анод 2 установлены симметрично относительно первой срединной плоскости разрядного канала. Диэлектрические шашки 4 расположены симметрично относительно второй срединной плоскости разрядного канала.

Обращенные к разрядному каналу рабочие поверхности диэлектрических шашек 4 направлены под острым углом по отношению ко второй срединной плоскости разрядного канала. Расстояние между противолежащими поверхностями диэлектрических шашек 4 со стороны торцевого изолятора 6 меньше расстояния между противолежащими поверхностями диэлектрических шашек 4 со стороны выходного отверстия разрядного канала ускорителя.

Торцевой изолятор 6 установлен в разрядном канале таким образом, что касательная к поверхности торцевого изолятора, обращенной к разрядному каналу, направлена под углом 60° относительно первой срединной плоскости разрядного канала. В рассматриваемом примере выполнения конструкции ЭИПУ поверхность торцевого изолятора 6, обращенная к разрядному каналу, имеет плоскую форму.

В торцевом изоляторе 6 между разрядными электродами выполнено прямолинейное углубление 7, имеющее прямоугольное поперечное сечение. Глубина углубления 7 составляет 3 мм. В полости углубления 7 расположены электроды 8, разделенные диэлектрической вставкой, которые подключены к устройству 9 инициирования электрического разряда (УИР). Электроды 8 установлены в отверстии, выполненном в катоде 1, и электрически изолированы от разрядных электродов. Блок электродов 8 инициирования разряда расположен в центральной части поперечного сечения углубления 7, при этом внешняя часть блока касается поверхности торцевого изолятора 6.

Углубление 7 выполнено в торцевом изоляторе таким образом, что касательная к плоской фронтальной поверхности углубления 7, обращенной к разрядному каналу, направлена под углом 60° относительно первой срединной плоскости разрядного канала. В рассматриваемом примере выполнения ЭИПУ плоская фронтальная поверхность углубления 7 наклонена относительно срединной плоскости разрядного канала под таким же углом, как и плоская поверхность торцевого изолятора 6, которая обращена к разрядному каналу.

Прямолинейное углубление 7, расположенное вдоль поверхности торцевого изолятора 6, обращенной к разрядному каналу, в рассматриваемом примере выполнения конструкции ускорителя имеет форму трапеции. Большее основание трапеции расположено у поверхности анода 2, а ее меньшее основание - у поверхности катода 1. Угол наклона боковых поверхностей углубления 7 относительно второй срединной плоскости разрядного канала составляет 30°.

В процессе длительной эксплуатации ЭИПУ на поверхности торцевого изолятора 6 из плазменного образования, содержащего продукты испарения фторопласта, может осаждаться углеродная токопроводящая пленка. Для предотвращения короткого замыкания между катодом 1 и анодом 2 через токопроводящую пленку на поверхности торцевого изолятора 6, обращенной к разрядному каналу, выполнены три прямолинейные канавки 10. Глубина канавок 10 в области углубления 7 составляет 2 мм, ширина канавок - 1 мм. Канавки 10 равномерно расположены между катодом 1 и анодом 2 (на равном расстоянии относительно друг друга и относительно близлежащих разрядных электродов) и ориентированы параллельно поверхностям разрядных электродов.

Управление работой ЭИПУ осуществляется с помощью системы управления 11 (СУ). Управляющие входы УИР 9 и ЕНЭ 3 соединены с соответствующими выходами СУ 11. Перемещение диэлектрических шашек 4 в процессе работы ЭИПУ производится с помощью средства перемещения, которое в рассматриваемом примере конструкции представляет собой два механических устройства перемещения 12 и 13 (УП1 и УП2) с упругими толкателями пружинного типа

Работа ЭИПУ, конструкция которого изображена на фиг.1-3 чертежей, осуществляется следующим образом.

По управляющему сигналу, формируемому СУ 11, от ЕНЭ 3 на катод 1 и анод 2 подается разрядное напряжение. Затем по управляющим сигналам СУ 11, передаваемым в УИР 9, и на электроды 8 инициации основного разряда подается высоковольтный импульс напряжения, обеспечивающий зажигание электрического разряда. Генерируемый в углублении 7 торцевого изолятора 6 плазменный сгусток расширяется в разрядном канале и замыкает межэлектродный промежуток. В результате между катодом 1 и анодом 2 зажигается электрический разряд.

При использовании углубления 7 в торцевом изоляторе повышается стабильность зажигания вспомогательного инициирующего электрического разряда и основного разряда между катодом 1 и анодом 2. Из-за того, что форма углубления 7 выбрана соответствующей форме кромок диэлектрических шашек 4, примыкающих к торцевому изолятору 6, обеспечивается стабильность формы рабочей поверхности диэлектрических шашек 4 в процессе эрозии и испарения твердого рабочего вещества. Данный процесс происходит в результате действия тепловых потоков из плазменного образования (сгустка), генерируемого в разрядном канале.

Соответствие формы углубления 7 форме примыкающих кромок диэлектрических шашек 4 для рассматриваемой конструкции ЭИПУ обеспечивается за счет того, что углубление 7 имеет форму трапеции. Большее основание трапеции расположено у поверхности анода 2, а меньшее основание - у поверхности катода. Угол наклона боковых поверхностей углубления 7 относительно второй срединной плоскости разрядного канала составляет 30°.

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

После разряда ЕНЭ 3 прекращается подача напряжения на катод 1 и анод 2, заканчивается импульс разрядного напряжения и, соответственно, ускорение плазменного потока. Затем происходит заряд ЕНЭ 3 до рабочего уровня запасаемой энергии W=20 Дж, подача разрядного напряжения на разрядные электроды и последующее зажигание электрического разряда между катодом 1 и анодом 2 с помощью электродов 8, на которые подается импульс напряжения из УИР 9. Процесс заряда-разряда ЕНЭ 3 и зажигания электрического разряда между разрядными электродами периодически повторяется, посредством чего организуется импульсный режим работы ЭИПУ. При этом возможность короткого замыкания между катодом 1 и анодом 2 по поверхности торцевого изолятора 6 предотвращается с помощью прямолинейных канавок 10.

В процессе работы ИПУ осуществляется перемещение диэлектрических шашек 4 в разрядный канал по мере испарения абляционного материала с рабочих поверхностей шашек 4. Шашки 4 установлены с возможностью перемещения в направлении к срединной линии разрядного канала. Перемещение шашек 4 обеспечивается с помощью пружинных толкателей, которые входят в состав устройств УП1 12 и УП2 13. Положение рабочих поверхностей диэлектрических шашек 4 в разрядном канале фиксируется с помощью выступа 5, выполненного на поверхности катода 1. Выступ 5 обеспечивает заданное расчетное расстояние между рабочими поверхностями шашек 4 вдоль второй срединной плоскости разрядного канала.

Равномерная эрозия твердого рабочего тела вдоль всей поверхности диэлектрических шашек 4, обращенной к разрядному каналу, достигается за счет наклона рабочей поверхности торцевого изолятора 6, ограничивающей рабочую поверхность каждой из двух шашек 4, относительно первой срединной плоскости разрядного канала. Данный эффект обеспечивается путем выбора определенного угла наклона рабочей поверхности торцевого изолятора 6 в диапазоне расчетных значений. Указанное условие определяется следующим образом: угол наклона рабочей поверхности торцевого изолятора 6 относительно первой срединной плоскости разрядного канала должен соответствовать углу наклона токового жгута электрического разряда между разрядными электродами на стадии развития разряда, В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что данное существенное условие выполняется, если касательная к поверхности торцевого изолятора 6, обращенной к разрядному каналу, направлена под углом от 87° до 45° относительно первой срединной плоскости разрядного канала.

Аналогичным образом выбирается и угол наклона фронтальной поверхности углубления 7, выполненного в торцевом изоляторе 6: касательная к поверхности углубления должна быть направлена под углом от 87° до 45° относительно первой срединной плоскости разрядного канала.

Угол наклона рабочей поверхности торцевого изолятора 6 и фронтальной поверхности углубления 7 выбирается в пределах заданного диапазона значений для каждой конкретной конструкции ЭИПУ на основании результатов высокоскоростной фоторегистрации начальной стадии развития электрического разряда между катодом 1 и анодом 2. Выбор величины угла наклона поверхности торцевого изолятора 6 и поверхности углубления 7 производится по измеряемому углу наклона токового жгута, который регистрируется в течение 500 нс, начиная с момента инициирования электрического разряда.

В рассматриваемом примере выполнения конструкции ЭИПУ торцевой изолятор 6 установлен в разрядном канале таким образом, что касательная к поверхности торцевого изолятора, обращенной к разрядному каналу, направлена под углом 60° относительно первой срединной плоскости разрядного канала. Касательная к фронтальной поверхности углубления 7, выполненного в торцевом изоляторе 6, также направлена под углом 60° относительно первой срединной плоскости разрядного канала. Выбранный угол наклона поверхности торцевого изолятора и фронтальной поверхности углубления в изоляторе соответствует углу наклона токового жгута, образующегося в разрядном канале ЭИПУ при подаче напряжения на электроды 8 от блока УИР 9.

При выполнении указанного существенного условия обеспечивается стабильный расход рабочего вещества, испаряемого с рабочих поверхностей диэлектрических шашек 4. Кроме того, снижается вероятность образования на рабочей поверхности торцевого изолятора 6 токопроводящей пленки, состоящей из осаждаемого в процессе испарения фторопласта углерода. Вследствие этого повышается тяговая эффективность, ресурс и надежность ЭИПУ при снижении расхода рабочего вещества.

В случае если вышеуказанное условие не выполняется, угол наклона рабочей поверхности торцевого изолятора 6 не соответствует углу наклона токового жгута. Между рабочей поверхностью торцевого изолятора 6 и токовым жгутом электрического разряда образуется свободная зона, в которой происходит осаждение углерода из плазмы разряда на относительно холодную часть поверхности диэлектрических шашек 4, которая удалена от токового жгута, а также на рабочую поверхность торцевого изолятора 6, также удаленную от токового жгута. При этом с участков поверхности диэлектрических шашек, покрытых углеродной пленкой, в процессе электрического разряда не происходит испарение рабочего вещества.

Вследствие данного явления, а также принимая во внимание, что участки поверхности диэлектрических шашек 4 с осажденной углеродной пленкой находятся в области контакта с выступом 5, с помощью которого ограничивается перемещение шашек 4, затрудняется подача твердого рабочего тела в полость разрядного канала ускорителя. Через некоторое время перемещение диэлектрических шашек 4 в область горения электрического разряда прекращается несмотря на усилие, прикладываемое со стороны пружинных толкателей УП1 12 и УП2 13. Часть рабочей поверхности диэлектрических шашек 4 при эрозии твердого рабочего вещества удаляется от пространственной области горения электрического разряда. В результате прекращается функционирование ЭИПУ в расчетном режиме из-за существенного снижения расхода рабочего вещества.

Таким образом, выполнение условия выбора угла наклона касательной к поверхности торцевого изолятора, обращенной к разрядному каналу, позволяет исключить части рабочей поверхности диэлектрических шашек, удаленные от области формирования токового жгута на стадии инициации электрического разряда. Подбирая на основании проведенных экспериментов оптимальные значения угла наклона касательной к поверхности торцевого изолятора в заданном диапазоне значений (от 87° до 45°), можно обеспечить полное совпадение угла наклона рабочей поверхности торцевого изолятора 6 с углом наклона токового жгута электрического разряда между разрядными электродами. В этом случае вся рабочая поверхность диэлектрических шашек будет расположена в области действия тепловых потоков со стороны плазменного образования. Вследствие этого увеличивается ресурс, повышается надежность, тяговая эффективность, эффективность использования рабочего вещества и стабильность тяговых характеристик ЭИПУ за счет равномерного испарения рабочего вещества с рабочей поверхности диэлектрических шашек в течение срока эксплуатации устройства.

Вышеописанный пример осуществления изобретения основывается на конкретной предпочтительной форме выполнения конструкции ЭИПУ, однако это не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации изобретения. Так, например, поверхность торцевого изолятора, обращенная к разрядному каналу, может иметь не только плоскую, но и цилиндрическую, конической или иную криволинейную форму. Углубление в торцевом изоляторе также может выполняться с поперечным сечением различной формы. Форма углубления выбирается в зависимости от угла наклона рабочих поверхностей диэлектрических шашек относительно второй срединной плоскости разрядного канала. Количество и размеры прямолинейных канавок, расположенных между разрядными электродами, выбирается в зависимости от размеров разрядного канала и рабочих характеристик ЭИПУ.

Возможны также варианты конструкции ЭИПУ, в которых поверхности диэлектрических шашек, обращенные к разрядному каналу, расположены параллельно относительно друг друга и относительно второй срединной плоскости разрядного канала. Торцевой изолятор ЭИПУ может быть выполнен без углубления, в котором размещаются электроды устройства инициирования электрического разряда, и без прямолинейных канавок, расположенных между разрядными электродами.

Следует отметить, что достижение основного технического результата, заключающегося в повышении тяговой эффективности, эффективности использования рабочего вещества, стабильности тяговых характеристик, ресурса и надежности ЭИПУ, непосредственно связано с определенным расположением поверхности торцевого изолятора в разрядном канале ЭИПУ, а именно: касательная к поверхности торцевого изолятора, обращенной к разрядному каналу, должна быть направлена под углом от 87° до 45° относительно первой срединной плоскости разрядного канала. При выполнении данного условия обеспечивается равномерное испарение рабочего вещества со всей рабочей поверхности диэлектрических шашек в течение срока эксплуатации ЭИПУ.

1. Эрозионный импульсный плазменный ускоритель, содержащий два разрядных электрода, имеющих плоскую форму, один из которых служит катодом, а второй - анодом, две диэлектрические шашки, выполненные из абляционного материала и симметрично установленные между разрядными электродами, средство перемещения диэлектрических шашек, фиксатор положения диэлектрических шашек, торцевой изолятор, установленный между электродами в области размещения диэлектрических шашек, устройство инициирования электрического разряда с электродами, расположенными в отверстии, выполненном в катоде, систему электропитания, включающую емкостный накопитель энергии и токоподводы, соединяющие накопитель энергии с разрядными электродами, при этом разрядный канал образован поверхностями разрядных электродов, торцевого изолятора и торцевых частей диэлектрических шашек и выполнен с двумя взаимно перпендикулярными срединными плоскостями, разрядные электроды установлены симметрично относительно первой срединной плоскости разрядного канала, а диэлектрические шашки - симметрично относительно второй срединной плоскости разрядного канала, отличающийся тем, что торцевой изолятор расположен в ускорительном канале таким образом, что касательная к поверхности торцевого изолятора, обращенной к разрядному каналу, направлена под углом от 87° до 45° относительно первой срединной плоскости разрядного канала.

2. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что поверхность торцевого изолятора, обращенная к разрядному каналу, имеет плоскую форму.

3. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что в торцевом изоляторе между разрядными электродами выполнено углубление, в полости которого расположены электроды устройства инициирования электрического разряда, при этом касательная к фронтальной поверхности углубления направлена под углом от 87° до 45° относительно первой срединной плоскости разрядного канала.

4. Ускоритель по п.3, отличающийся тем, что углубление, выполненное в торцевом изоляторе, имеет прямоугольное поперечное сечение.

5. Ускоритель по п.3, отличающийся тем, что углубление вдоль поверхности торцевого изолятора, обращенной к разрядному каналу, имеет форму трапеции, большее основание которой расположено у поверхности анода, а меньшее основание - у поверхности катода, при этом угол наклона боковых поверхностей углубления относительно второй срединной плоскости разрядного канала составляет от 5° до 45°.

6. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что поверхности диэлектрических шашек, обращенные к разрядному каналу, направлены под острым углом по отношению ко второй срединной плоскости разрядного канала так, что расстояние между противолежащими поверхностями диэлектрических шашек со стороны торцевого изолятора меньше расстояния между противолежащими поверхностями диэлектрических шашек со стороны выходного отверстия разрядного канала.

7. Ускоритель по п.1, отличающийся тем, что на поверхности торцевого изолятора, обращенной к разрядному каналу, между разрядными электродами выполнена, по меньшей мере, одна прямолинейная канавка, ориентированная параллельно поверхностям разрядных электродов.

8. Ускоритель по п.7, отличающийся тем, что на поверхности торцевого изолятора выполнены три канавки, равномерно расположенные на поверхности торцевого изолятора между разрядными электродами.

9. Ускоритель по п.7, отличающийся тем, что глубина канавки в области углубления выбрана в диапазоне от 1 мм до 3 мм, ширина канавки выбрана в диапазоне от 0,5 мм до 1 мм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для нагнетания текучей среды. Нагнетательный насос с диэлектрическим барьером для ускорения потока текучей среды содержит первый диэлектрический слой, в который встроен первый электрод, и второй диэлектрический слой, в который встроен второй электрод.

Изобретение относится к области электричества, касается способа модификации ионосферной плазмы, который может быть использован для исследования околоземного пространства, задач дальней НЧ радиосвязи, а также в целях радиопротиводействия.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для упрочняющей обработки деталей из сталей и сплавов цветных металлов методом плазменного азотирования.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к инструментам для осуществления плазменной коагуляции ткани. Инструмент включает устройство подачи окислительного средства, устройство подачи газа и электрод для получения плазмы, устройство предотвращения карбонизации ткани при плазменной коагуляции.

Изобретение относится к электродуговым плазмотронам с водяной стабилизацией дуги и может быть эффективно использовано при резке всевозможных металлов. Технический результат - упрощение конструкции, увеличение мощности плазмотрона, энтальпии получаемой плазмы, скорости резки.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к трансформаторным плазмотронам низкого давления, и может быть использовано в микроэлектронике для обработки полупроводниковых материалов (плазменное травление, оксидирование, очистка поверхности и т.д.), осаждения тонких пленок, в металлообработке для плазмохимического модифицирования поверхности металлов (ионно-плазменное азотирование, плазменное оксидирование и т.д.), для плазменной обработки полимерных материалов (уменьшение пористости, изменение гидрофобных свойств и т.д.).

Изобретение относится к области плазменной техники. Генератор дуговой плазмы с многоступенчатой подачей газа содержит катод и анод.

Изобретение относится к области плазменной обработки поверхности. Способ заключается в том, что придают конструктивному элементу или конструктивным элементам (1), по меньшей мере, одно вращательное движение относительно, по меньшей мере, одного ряда неподвижно расположенных в линию элементарных источников (2), причем ряд или ряды расположенных в линию элементарных источников (2) размещают параллельно оси конструктивного элемента или осям вращения конструктивных элементов.

Изобретение относится к области плазменной техники. Предложены варианты систем для сжатия плазмы и способов сжатия плазмы, в которых могут быть достигнуты давления плазмы выше предела прочности твердого материала, за счет впрыска плазмы в воронку жидкого металла, в которой плазма сжимается и/или нагревается.

Заявленная группа изобретений относятся к области электрофизики, в частности к технике диагностики плазмы, и может быть использована для измерения электронной концентрации и температуры нестационарной плазмы в широком диапазоне исследуемых параметров.

Изобретение относится к области плазменных двигателей. Устройство содержит, по меньшей мере: один главный кольцевой канал (21) ионизации и ускорения, при этом кольцевой канал (21) имеет открытый конец, анод (26), находящийся внутри канала (21), катод (30), находящийся снаружи канала на его выходе, магнитную цепь (4) для создания магнитного поля в части кольцевого канала (21).

Изобретение относится к электроракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов. Электроракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит основной кольцевой ионизационный и ускорительный канал, по меньшей мере, один полый катод, кольцеобразный анод, трубку с коллектором для питания анода ионизируемым газом, и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале.

Изобретение относится к области электроракетных двигателей. В модели стационарного плазменного двигателя (СПД), содержащей кольцевую диэлектрическую разрядную камеру, с расположенным внутри нее кольцевым анодом-газораспределителем, магнитную систему и катод, внутри его разрядной камеры установлен дополнительный газораспределитель, выполненный в виде кольца, пристыкованного через изолятор к аноду-газораспределителю.

Изобретение относится к электрореактивным двигателям, использующим электронно-детонационный тип разряда. Двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком между ними, заполненным жидким рабочим телом в виде пленки.

Изобретение относится к летательным аппаратам тяжелее воздуха с вертикальным взлетом и посадкой, в частности к способам создания подъемной силы у летательных аппаратов с электрической силовой установкой.

Изобретение относится к устройству для отвода тепловых потерь, а также к системе ионного ускорителя с таким устройством. .

Изобретение относится к воздушному транспорту с вертикальным взлетом и посадкой. .

Изобретение относится к плазменной технике и может использоваться при разработке плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения (УЗДЭ).

Изобретение относится к ионному ускорителю в качестве приводного устройства космического летательного аппарата. .

Изобретение относится к космической технике, к классу электрореактивных двигателей и предназначено для управления движением космических аппаратов малой (до 5 Н) тягой. Циклотронный плазменный двигатель содержит корпус плазменного ускорителя, соленоиды (катушки индуктивности), электрическую цепь с катодами-компенсаторами. При этом содержится автономный источник ионов, разделитель потоков электронов и ионов. Плазменный ускоритель представляет собой асинхронный циклотрон. Циклотрон разделен вдоль на дуанты двумя соосными парами параллельных сеток с зазорами. Дуанты создают однородные, равные и постоянные ускоряющие электрические поля взаимно противоположного направления векторов напряженности. Циклотрон имеет по числу основных направлений создания тяги выходные каналы плазменного ускорителя - основные переходники-ферромагнетики с катушками индуктивности. Выходные прямые газовые диэлектрические каналы двигателя соединены с основными переходниками через пропускные электроклапаны. Эти каналы соединены между собой переходниками-ферромагнетиками с катушками индуктивности. Техническим результатом является увеличение удельного импульса тяги с сохранением и возможным уменьшением массогабаритных характеристик двигательных установок на космических аппаратах при относительно невысокой мощности энергопотребления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх