Катод плазменного ускорителя (варианты)



Катод плазменного ускорителя (варианты)
Катод плазменного ускорителя (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 2522702:

Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" (RU)

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно, к широкому классу плазменных ускорителей (холловских, ионных, магнитоплазмодинамических и др.), использующих в своем составе катоды. Технический результат-повышение ресурса и надежности работы катода при больших токах разряда путем выравнивания температур эмитирующих электроны элементов и обеспечения равномерности распределения рабочего тела по этим элементам. Катод плазменного ускорителя по первому варианту содержит полые эмитирующие электроны элементы, трубопровод с каналами для подачи рабочего тела к полым эмитирующим электроны элементам, единый теплопровод, охватывающий с внешней стороны каждый из полых эмитирующих электроны элементов, выполненных в виде тела вращения. Материал теплопровода имеет коэффициент теплопроводности не ниже коэффициента теплопроводности материала этих элементов. Каждый из полых эмитирующих электроны элементов присоединен к отдельному каналу трубопровода, а в каждом канале со стороны подачи рабочего тела установлен дроссель, причем поперечные сечения отверстий дросселей выполнены одинаковыми.Во втором варианте изобретения единый теплопровод охватывает и с внешней стороны по всей длине образующей и по выходному торцу каждый из полых эмитирующих электроны элементов, выполненных в виде тела вращения. В выходном торце единого теплопровода выполнены отверстия, оси которых совпадают с осями полых эмитирующих электроны элементов, причем проходные сечения отверстий в едином теплопроводе не больше проходных сечений отверстий в полых эмитирующих электроны элементах.2 н.п. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

 

Группа изобретений относится к области электрореактивных двигателей, а именно к широкому классу плазменных ускорителей (холловских, ионных, магнитоплазмодинамических и др.), использующих в своем составе катоды. При необходимости оно может быть использовано также в смежных областях техники, например при разработке источников плазмы.

Известен катод для холловских и ионных ускорителей, выполненный по широко распространенной конструктивной схеме [1]. Он включает в себя полый эмиттер, выполненный в виде цилиндрической втулки с одним осевым каналом, и трубопровод, через который к эмиттеру подается рабочее тело. Соосно с эмиттером расположен узел нагревателя, служащий для стартового разогрева эмиттера. Вблизи выходного конца эмиттера (вниз по потоку рабочего тела) установлен поджигной электрод, предназначенный для инициации дугового разряда.

Такого типа катоды с однополостным эмиттером с успехом используются при невысоких токах разряда ~1…20 А. При высоких токах разряда (на уровне 100 А и выше) у таких катодов появляются проблемы с отводом тепловой мощности, выделяющейся в катоде. В [2] было показано, что доля тепловой мощности, выделяемая в виде тепловых потерь в конструкцию катода при его автономных испытаниях, в которых в качестве имитатора анодной камеры двигателя использовался металлический анод, возрастает с ростом тока разряда и находится на уровне ~30% от полной мощности разряда. При больших токах разряда тепловая мощность, выделяющаяся в катоде, становится очень большой, так при токе ~100…200 А эта мощность будет уже составлять ~500…1000 Вт. Проблемы с теплоотводом в этом случае приводят к заметному повышению температуры эмиттера, что, в свою очередь, отрицательно влияет на ресурсные характеристики катода.

Поэтому не случайно, что в последнее время в качестве катодов с однополостным эмиттером для холловских двигателей, работающих при высоких токах разряда, рассматриваются гексаборид-лантановые катоды, хотя эмиссионная способность этих эмиттеров заметно ниже широко распространенных вольфрам-бариевых эмиттеров [3], то есть их эффективность заметно хуже. Это связано с тем, что рабочие температуры гексаборид-лантановых катодов существенно выше, чем у вольфрам-бариевых катодов, то есть проблемы теплоотвода в гексаборид-лантановых катодах решаются несколько проще.

Недостатком катодов с однополостным эмиттером является то, что для повышения тока разряда в этих катодах приходится увеличивать поверхность эмиссии. В однополостном эмиттере цилиндрической формы это может быть достигнуто в основном путем увеличения внутреннего диаметра эмиттера, поскольку плотность тока эмиссии ограничена известным уравнением Ричардсона-Дешмана, она не может быть заметно увеличена без опасности перегрева эмиттера. Существенное увеличение внутреннего диаметра в однополостном эмиттере приводит к заметному увеличению массогабаритных характеристик катода, к увеличению расхода рабочего тела, подаваемого в катод для поддержания необходимого давления во внутренней полости эмиттера. Повышение давления во внутренней полости эмиттера связано с необходимостью обеспечения приемлемой глубины затекания разряда во внутреннюю полость эмиттера, с необходимостью исключить контрагированные привязки разряда, то есть обеспечить диффузное горение разряда внутри эмиттера.

Поэтому катод с многополостным эмиттером, содержащим множество соосных между собой цилиндрических каналов, выполненных в едином теле эмиттера, будет обладать определенными преимуществами по сравнению с катодом, снабженным однополостным эмиттером. В эмиттере такого катода [4] будет находиться много каналов, суммарная площадь внутренней поверхности которых при одинаковых габаритных характеристиках эмиттеров многополостного и однополостного эмиттера будет существенно больше площади внутренней поверхности однополостного эмиттера. То есть многополостной эмиттер такого катода будет отличаться более развитой поверхностью эмиссии.

Но и конструкция катода, выполненная в соответствии с [4], не лишена недостатков. Прежде всего, технология изготовления многополостного эмиттера, которая обеспечивала бы одинаковые свойства всех каналов, сложнее технологии изготовления однополостного эмиттера. Механическая прочность эмиттера такой сложной формы тоже может быть невысокой, в то время как современные требования к механической прочности изделий космической техники довольно высоки. Следует учесть, что ряд материалов эмиттера не обладает высокой теплопроводностью, особенно если эти материалы являются неметаллами. В этом случае, например, каналы, приближенные к центральной зоне эмиттера, могут перегреваться по сравнению с периферийно расположенными каналами, нарушая условие равномерного распределения тепловой нагрузки на каждый канал эмиттера, то есть перегружая одни каналы и недогружая другие. Это не способствует улучшению ресурсных характеристик катода, повышению надежности его работы.

Кроме того, распределение расхода рабочего тела по каналам эмиттера может быть неравномерным. Это связано с тем, что в перегретом канале будет наблюдаться повышение температуры рабочего тела, повышение давления в зоне образования плазмы и, как следствие, повышение давления рабочего тела в канале. Такое повышение уменьшит расход в данном канале (при общем фиксированном расходе рабочего тела), что, соответственно, приведет к относительному увеличению расхода рабочего тела в другом канале, имеющего меньшую температуру. Понижение давления в более разогретом канале может привести к увеличению глубины затекания плазмы во внутреннюю полость рабочей эмитирующей электроны части данного канала, то есть распределение плотности тока по эмитирующей электроны части более разогретого канала может отличаться от распределения тока в другом канале.

Таким образом, при работе данного катода будет наблюдаться неравномерность в режиме работы его отдельных эмиссионных каналов.

Такая неравномерность может быть дополнительно связана с тем, что периферийные каналы охвачены в данной конструкции большим объемом материала эмиттера, чем каналы центральной части. Если, к примеру, таким эмиттером служит вольфрам-бариевый эмиттер, в котором со временем работы катода происходит унос бария (основного вещества, понижающего работу выхода электронов и обеспечивающего эффективность эмиссии) и его истощение в объеме эмиттера, то каналы центральной части эмиттера будут обеднены барием, а периферийные каналы будут иметь его еще в достатке. А с явлением уноса бария в вольфрам-бариевых эмиттерах напрямую связан ресурс работы катода.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению и принятым за прототип является катод плазменного ускорителя, выполненный в соответствии с [5] и предназначенный для работы с током разряда ~100 А и выше. Данный катод является катодом многополостного типа и содержит полые эмитирующие электроны элементы, которые представлены в виде продольных щелей между состыкованными друг с другом полыми металлическими цилиндрическими стержнями. Множество этих стержней, состыкованных по их образующим, создают множество полых элементов, при этом внешние поверхности в выходной части этих стержней (вместе с их выходными торцевыми частями) являются рабочими эмитирующими электроны элементами. Катод содержит трубопровод, служащий для подачи в него рабочего тела. Входные части достаточно длинных стержней образуют множество каналов, по которым непосредственно подается рабочее тело к эмитирующим электроны элементам.

Такая конструкция катода более проста в изготовлении по сравнению с конструкцией катода, выполненной в соответствии с [4], она отличается более высокой механической прочностью. Но и она не лишена недостатков, описанных выше и свойственных катоду, выполненному в соответствии с [4]. Теплопроводность вдоль металлических стержней, формирующих в катоде полые эмитирующие электроны элементы, довольно высока, однако теплопроводность в радиальном направлении поперек стержней низка, поскольку эти стержни не образуют монолит, они имеют крайне малую площадь теплового контакта друг с другом. В связи с этим теплопередача в радиальном направлении за счет теплопроводности будет невысокой и отдельные стержни могут перегреваться в процессе работы катода, нарушая условие равномерного распределения тепловой нагрузки на эмитирующие электроны элементы, образованные стержнями, то есть перегружая одни элементы и недогружая другие. Это не способствует улучшению ресурсных характеристик катода, повышению надежности его работы.

В связи с этим и распределение расхода рабочего тела по полым эмитирующим электроны элементам также будет неравномерным (см. выше). Причем эта неравномерность может быть проявлена в значительно большей степени, чем в конструкции катода, выполненной в соответствии с [4], поскольку в катоде, выполненном в соответствии с [5], возможно перетекание расхода по щелям между стержнями. То есть каждый из полых эмитирующих электроны элементов в катоде, выполненном в соответствии с [5], не присоединен к отдельному каналу трубопровода, по которому осуществляется подача рабочего тела исключительно в этот канал, подача рабочего тела к тому или иному эмитирующему электроны элементу может осуществляться из разных каналов трубопровода.

Поэтому неслучайно, что при работе катода с высокими токами разряда, выполненного в соответствии с [5], неравномерность тепловой нагрузки по эмитирующим электроны элементам, связанная с неравномерностью распределения тока разряда по этим элементам, проявляется очень заметно. Нередко это приводит к сильному локальному перегреву отдельных эмитирующих электроны элементов катода и последующему его разрушению, что и подтверждается результатами испытаний, представленных в [5].

Целью изобретения является повышение ресурса и надежности работы катода при больших токах разряда (~100 А и выше) путем выравнивания температур полых эмитирующих электроны элементов и обеспечения равномерного распределения рабочего тела по этим элементам.

Достижение поставленной цели решается двумя вариантами конструкций катода плазменного ускорителя.

В первом варианте изобретения предлагается катод плазменного ускорителя, который содержит полые эмитирующие электроны, трубопровод с каналами для подачи рабочего тела к полым эмитирующим электроны элементам. При этом каждый из полых эмитирующих электроны элементов, выполненных в виде тела вращения, с внешней стороны по образующей охвачен единым теплопроводом, материал которого имеет коэффициент теплопроводности не ниже коэффициента теплопроводности материала полых эмитирующих электроны элементов. Каждый из полых эмитирующих электроны элементов присоединен к отдельному каналу трубопровода, а в каждом канале со стороны подачи рабочего тела установлен дроссель, причем поперечные сечения отверстий дросселей выполнены одинаковыми.

Со стороны выхода рабочего тела из полых эмитирующих электроны элементов может быть установлена втулка с отверстиями, оси которых совпадают с осями полых эмитирующих электроны элементов.

Проходные сечения отверстий во втулке могут быть выполнены не больше проходных сечений отверстий в полых эмитирующих электроны элементах.

Таким образом, в конструкцию катода введен единый для всех полых эмитирующих электроны элементов теплопровод, материал которого имеет коэффициент теплопроводности не ниже коэффициента теплопроводности материала этих элементов. Это дает возможность выравнивать температуру всех полых эмитирующих электроны элементов в процессе работы катода, приводит к равномерному распределению тока разряда по этим элементам.

Если, к примеру, при работе катода в каком-либо полом эмитирующем электроны элементе по каким-либо причинам (например, за счет стартовой локальной привязки тока разряда) возрастет величина тока, приходящаяся на долю этого элемента, то, соответственно, увеличится тепловыделение и произойдет повышение температуры данного элемента, что приведет к повышению температуры теплопровода. За счет того, что теплопровод охватывает все без исключения полые эмитирующие электроны элементы, имеет значительную площадь теплового контакта с ними, обладает высокой теплопроводностью, общая температура теплопровода начнет повышаться, в том числе начнет повышаться температура в местах стыка теплопровода со всеми другими полыми эмитирующими электроны элементами. Повышение температуры в этих местах стыка за счет теплопроводности приведет к повышению температуры всех других полых эмитирующих электроны элементах, что повысит их эмиссионную способность, увеличит в них ток эмиссии, повысит величины тока, приходящиеся на эти элементы. При этом, соответственно, понизится величина тока, приходящаяся на долю того элемента, в котором произошло первичное повышение тока, что вызовет, в свою очередь, понижение его температуры. Таким образом произойдет выравнивание температуры всех эмитирующих электроны элементов катода.

Следует отметить, что каждый из полых эмитирующих электроны элементов, выполненных в виде тела вращения, с внешней стороны может быть охвачен теплопроводом не по всей длине, а только по части длины образующей со стороны входа рабочего тела в данные элементы. Такое техническое решение будет эффективным в тех случаях, когда температура полых эмитирующих электроны элементов при работе катода становится высокой (на уровне 2000°C и более) и тепловое охлаждение этих элементов может быть произведено более эффективно посредством излучения с их внешней поверхности, чем посредством теплопроводности через теплопровод. При этом, однако, каждый из полых эмитирующих электроны элементов с внешней стороны по части длины образующей должен быть охвачен единым теплопроводом для выравнивания температуры всех полых эмитирующих электроны элементов катода. Такое техническое решение может быть применено для катодов магнитоплазмодинамических двигателей, в которых полые эмитирующие электроны элементы работают при крайне высоких токах разряда и, соответственно, высоких температурах.

Для того чтобы катод работал еще более устойчиво, чтобы возможные локальные изменения не приводили к перераспределению расхода по полым эмитирующим электроны элементам, каждый из полых эмитирующих электроны элементов присоединен к отдельному каналу трубопровода, по которому осуществляется подача рабочего тела только в этот канал. Это исключает возможность перетекания расхода рабочего тела из одного канала в другой, как это наблюдается в конструкции прототипа.

Кроме того, каналы снабжены дросселями с одинаковым поперечным сечением внутреннего отверстия, что способствует выравниванию расхода по отдельным каналам, поскольку расход рабочего тела, подаваемый в тот или иной канал будет определяться не столько возможными изменениями давления в соответствующем данному каналу полом эмитирующем электроны элементе (см. выше описание прототипа), сколько перепадом давления на дросселе, установленном в канале.

При этом, если к полым эмитирующим элементам рабочее тело подается в виде газа или пара, то дроссель может быть выполнен с таким диаметром внутреннего отверстия, который обеспечивает сверхкритический перепад давлений. Это позволяет исключить влияние изменений давления внутри различных полых эмитирующих элементов при работе катода, иметь при всех условиях эксплуатации одинаковую величину расхода рабочего тела в каждом полом эмитирующем электроны элементе, то есть практически подавать в каждый полый эмитирующий электроны элемент величину расхода, независимую от режима работы катода за счет того, что расход рабочего тела в каждый канал будет определяться в этом случае величиной скорости звука и площадью поперечного сечения отверстия в дросселе. Выполнение дросселя с таким диаметром отверстия повысит устойчивость и надежность работы катода.

Таким образом, данное техническое решение по сравнению с прототипом позволяет выравнивать тепловую нагрузку на полые эмитирующие электроны элементы, способствует равномерности распределения тока разряда по этим элементам, позволяет избежать сильного локального перегрева отдельных полых эмитирующих электроны элементов катода при больших токах разряда (~100 А и выше), приводящего к его разрушению. Это повышает ресурс и надежность работы катода при больших токах разряда.

Дополнительно к этому со стороны выхода рабочего тела из полых эмитирующих элементов может быть установлена втулка с отверстиями, закрывающая выходные торцевые части этих элементов от плазмы дугового разряда при работе катода. Отверстия служат для выхода потоков электронов из этих элементов. Оси отверстий во втулке совпадают с осями полых эмитирующих электроны элементов, чтобы распределение плотности тока по рабочей поверхности полых эмитирующих электроны элементов было равномерным.

Наличие такой втулки, во-первых, защищает торцевую часть полых эмитирующих электроны элементов от плазмы дугового разряда. Во-вторых, при использовании в качестве этих элементов вольфрам-бариевых эмиттеров такая втулка ограничивает унос бария как с торцевой поверхности данных эмиттеров, так и из внутренней полости эмиттеров. Если же проходные сечения отверстий во втулке меньше или равны проходным сечениям полых эмитирующих электроны элементов, то это еще более ограничивает унос бария из внутренней полости этих элементов, то есть повышает ресурс работы катода. Кроме того, это повышает давление рабочего тела во внутренней полости эмитирующих электроны элементов, дает возможность работать катоду при пониженных расходах рабочего тела, что немаловажно, если катод используется в качестве катода-компенсатора холловского двигателя или катода-нейтрализатора ионного двигателя.

Для эффективной работы теплопровода следует обеспечить хороший тепловой контакт между эмитирующими элементами и теплопроводом. Такой контакт может быть обеспечен их плотной взаимной посадкой. При этом теплопровод служит не только для выравнивания температур между эмитирующими электроны элементами, но также и для отвода значительных величин тепловой мощности, выделяемой в полых эмитирующих электроны элементах и втулке с отверстиями. Посредством стыковки теплопровода с другими элементами конструкции катода такой теплоотвод может быть осуществлен более эффективно, чем в конструкции прототипа. Следует отметить, что в качестве основного материала теплопровода не обязательно использовать конструкционный материал, таким материалом может быть, например, жидкий металл или иное вещество, переходящее в жидкое состояние при интенсивном разогреве.

Во втором варианте изобретения предлагается катод плазменного ускорителя, который содержит полые эмитирующие электроны элементы, трубопровод с каналами для подачи к полым эмитирующим электроны элементам рабочего тела. При этом каждый из полых эмитирующих электроны элементов, выполненных в виде тела вращения, с внешней стороны по всей длине образующей и по выходному торцу охвачен единым теплопроводом, материал которого имеет коэффициент теплопроводности не ниже коэффициента теплопроводности материала полых эмитирующих электроны элементов. Каждый из полых эмитирующих электроны элементов присоединен к отдельному каналу трубопровода, в каждом канале со стороны подачи рабочего тела установлен дроссель, при этом поперечные сечения отверстий дросселей выполнены одинаковыми, а в выходном торце единого теплопровода выполнены отверстия, оси которых совпадают с осями полых эмитирующих электроны элементов, причем проходные сечения отверстий в едином теплопроводе не больше проходных сечений отверстий в полых эмитирующих электроны элементах.

Второе техническое решение, в котором теплопровод охватывает полые эмитирующие электроны элементы по всей образующей и по выходному торцу этих элементов единым теплопроводом, по сравнению с описанным выше первым техническим решением отличается целым рядом достоинств применительно к катодам для холловских и ионных двигателей, функционирующих при больших токах разряда, снабженных эмиттерами (как правило, вольфрам-бариевыми или гексаборид-лантановыми эмиттерами), работающими при умеренных температурах (~1100…1500°С).

Во-первых, катод с теплопроводом такой конструкции вместе с другими техническими средствами, описанными выше, способствует еще большему выравниванию тепловых режимов работы всех полых эмитирующих электроны элементов. Во-вторых, эффективность отвода тепловых потоков от полых эмитирующих электроны элементов к теплопроводу за счет теплопроводности по единому теплопроводу при умеренных температурах (~1100…1500°С) достаточно высока, более полный охват полых эмитирующих электроны элементов по внешним поверхностям интенсивнее отводит от этих элементов тепловые потоки.

В-третьих, при высоких значениях тока разряда катода (~100 А и выше) значительные величины тепловой мощности выделяются не только в полых эмитирующих электроны элементах, но и в зоне выходных отверстий единого теплопровода. Внутренние поверхности этих отверстий подвергаются интенсивной ионной бомбардировке из плазмы дугового разряда, не имея возможности производить охлаждение посредством термоэмиссии, как это имеет место у полых эмитирующих электроны элементов. Таким образом, при высоких значениях тока разряда катода необходим интенсивный отвод тепла от этой части катода.

В первом же техническом решении втулка не выполнена в виде единой детали с теплопроводом, она является отдельной деталью катода и отвод тепла от нее в сторону теплопровода затруднен. Это может перегреть втулку при высоких токах, что может вызвать перегрев выходных торцевых частей полых эмитирующих электроны элементов, работающих при умеренных рабочих температурах (см. выше), которые находятся в прямом тепловом контакте со втулкой.

В настоящее время разработана и изготовлена лабораторная модель катода такого типа, проведены ее автономные огневые испытания. Катод был снабжен набором вольфрам-бариевых эмиттеров в виде полых цилиндрических втулок, по результатам испытаний выпущен отчет. Результаты испытаний положительные, катод устойчиво работал при токах разряда от 30 до 110 А при расходе рабочего тела от 2 до 4 мг/с (в качестве рабочего тела использовался инертный газ ксенон) с низкими напряжениями разряда ~16…18 В и вполне умеренными температурами эмитирующих элементов ~1100…1200°C.

Сущность заявляемого технического решения, в котором полые эмитирующие электроны элементы, выполненные в виде тела вращения, охвачены теплопроводом только по образующей, поясняется схемой, представленной на фиг.1. Катод плазменного ускорителя содержит полые эмитирующие электроны элементы 1, 2, 3, трубопровод 4 для подачи в катод рабочего тела. Полые эмитирующие электроны элементы 1, 2, 3 с внешней стороны охвачены единым для всех элементов теплопроводом 5, а трубопровод 4 перед входом в эмитирующие электроны элементы 1, 2, 3 разделен на каналы 6, 7, 8.

На фиг.1 для примера показано три таких элемента цилиндрической формы 1, 2, 3, которые с внешней стороны по всей длине их образующих охвачены теплопроводом 5.

Каждый из полых эмитирующих электроны элементов 1, 2, 3 присоединен к отдельному каналу 6, 7, 8, а каждый канал 6, 7, 8 снабжен соответствующим дросселем 9, 10, 11 с одинаковым поперечным сечением внутренних отверстий 12, 13, 14. Эти отверстия могут быть выполнены с внутренним диаметром, обеспечивающим сверхкритический перепад давлений при течении рабочего тела по каналам 6, 7, 8.

На фиг.1 показана схема катода, на которой на выходе из полых эмитирующих электроны элементов 1, 2, 3 установлена втулка 15 с отверстиями 16, 17, 18. Оси отверстий 16, 17, 18 совпадают с осями полых эмитирующих электроны элементов 1, 2, 3. Проходные сечения отверстий 16, 17, 18 во втулке 15 меньше проходных сечений полых эмитирующих электроны элементов 1, 2, 3. Направление подачи рабочего газа в катод показано на фиг.1 стрелкой.

Катод плазменного ускорителя, схема которого представлена на фиг.1, работает следующим образом. Перед запуском катода производится его стартовый разогрев, например, за счет использования омического стартового нагревателя (на фиг.1 нагреватель не показан). После разогрева полых эмитирующих электроны элементов 1, 2, 3 до температуры, обеспечивающей термоэмиссию электронов, в катод через трубопровод 4 подается рабочее тело в направлении, показанном стрелкой. Затем подается напряжение разряда между катодом и плазменным двигателем (при эксплуатации катода в составе двигателя) или его имитатором - анодом (при автономных огневых испытаниях катода), что создает условия для возникновения дугового разряда между катодом и плазменным двигателем или его имитатором. Происходит инициация дугового разряда либо за счет подачи данного напряжения разряда (что характерно для катодов магнитоплазмодинамических двигателей), либо путем подачи напряжения на специальный поджигной электрод катода (что характерно для катодов холловских и ионных двигателей, на схеме 1 поджигной электрод не показан). После возникновения дугового разряда стартовый разогрев катода и подачу напряжения на поджигной электрод прекращают, катод продолжает работать за счет тепла, выделяемого в дуговом разряде.

При этом рабочее тело поступает на вход в каналы 6, 7, 8. Проходя дроссели 9, 10, 11, оно равномерно распределяется по полым эмитирующим электроны элементам 1, 2, 3. Внутри этих элементов рабочее тело ионизуется, обеспечивая горение дугового разряда во внутренних полостях этих элементов. Тепло от дугового разряда, выделяющееся в полых эмитирующих электроны элементах 1, 2, 3, передается единому теплопроводу 5, который выравнивает температуры этих элементов 1, 2, 3 при одинаковых расходах рабочего тела, подаваемых в каждый из этих элементов. Это обеспечивает практически одинаковое распределение тока разряда по полым эмитирующим электроны элементам 1, 2, 3.

Таким образом, заявляемое техническое решение за счет выравнивания температур полых эмитирующих электроны элементов при работе катода, обеспечения равномерности распределения рабочего тела по этим элементам позволяет повысить ресурс, надежность и устойчивость работы катода при больших токах разряда (~100 А и выше), исключить локальный перегрев отдельных полых эмитирующих электроны элементов, расширить рабочий диапазон токов разряда.

Сущность заявляемого технического решения, в котором полые эмитирующие электроны элементы, выполненные в виде тела вращения, охвачены теплопроводом по всей длине образующей и по выходному торцу, поясняется схемой, представленной на фиг.2. Катод плазменного ускорителя, схема которого представлена на фиг.2, содержит полые эмитирующие электроны элементы 1, 2, 3, трубопровод 4 для подачи в катод рабочего тела. Полые эмитирующие электроны элементы 1, 2, 3 с внешней стороны охвачены единым теплопроводом 5 по всей длине образующей и по выходному торцу каждого элемента. Трубопровод 4 перед входом в полые эмитирующие электроны элементы 1, 2, 3 разделен на каналы 6, 7, 8. На фиг.2 для примера показано три таких элемента цилиндрической формы 1, 2, 3.

Каждый из полых эмитирующих электроны элементов 1, 2, 3 присоединен к отдельному каналу 6, 7, 8, а каждый канал 6, 7, 8 снабжен соответствующим дросселем 9, 10, 11 с одинаковым поперечным сечением внутренних отверстий 12, 13, 14. Эти отверстия могут быть выполнены с внутренним диаметром, обеспечивающим сверхкритический перепад давлений при течении рабочего тела по каналам 6, 7, 8.

В выходном торце единого теплопровода 5 выполнены отверстия 15, 16, 17, оси которых совпадают с осями полых эмитирующих электроны элементов 1, 2, 3, причем проходные сечения отверстий 15, 16, 17 не больше проходных сечений отверстий в полых эмитирующих электроны элементах 1, 2, 3. Направление подачи рабочего газа в катод показано на фиг.2 стрелкой.

Катод плазменного ускорителя работает следующим образом. Перед запуском катода производится его стартовый разогрев, например, за счет использования омического стартового нагревателя (на фиг.2 нагреватель не показан). После разогрева полых эмитирующих электроны элементов 1, 2, 3 до температуры, обеспечивающей термоэмиссию электронов, в катод через трубопровод 4 подается рабочее тело в направлении, показанном стрелкой. Затем подается напряжение разряда между катодом и плазменным двигателем (при эксплуатации катода в составе двигателя) или его имитатором - анодом (при автономных огневых испытаниях катода), что создает условия для возникновения дугового разряда между катодом и плазменным двигателем или его имитатором. Происходит инициация дугового разряда либо за счет подачи данного напряжения разряда (что характерно для катодов магнитоплазмодинамических двигателей), либо путем подачи напряжения на специальный поджигной электрод катода (что характерно для катодов холловских и ионных двигателей). После возникновения дугового разряда стартовый разогрев катода и подачу напряжения на поджигной электрод прекращают, катод продолжает работать за счет тепла, выделяемого в дуговом разряде.

При этом рабочее тело поступает на вход в каналы 6, 7, 8. Проходя дроссели 9, 10, 11, оно равномерно распределяется по полым эмитирующим электроны элементам 1, 2, 3. Внутри этих элементов рабочее тело ионизуется, обеспечивая горение дугового разряда во внутренних полостях этих элементов. Тепло от дугового разряда, выделяющееся в полых эмитирующих электроны элементах 1, 2, 3, за счет более полного охвата этих элементов по внешним поверхностям, а также передаваемое к поверхностям отверстий 15, 16, 17 из плазмы дугового разряда более интенсивно отводится от этих наиболее нагруженных в тепловом отношении элементов конструкции катода, что особенно важно для катодов холловских и ионных двигателей, работающих при больших токах разряда.

В целом можно отметить, что данные технические решения позволяют не только увеличить ресурс и надежность работы катода при больших токах разряда, но и за счет интенсивного теплоотвода от полых эмитирующих электроны элементов расширить рабочий диапазон его токов разряда. При этом заявляемые технические решения не отличаются конструктивной сложностью, конструкции таких катодов вполне технологичны.

Таким образом, можно сказать, что связка эмитирующих электроны элементов, охваченная единым теплопроводом, в которой каждый элемент снабжен изолированным каналом с установленным в нем дросселем для выравнивания величины расхода, подаваемого в каждый элемент, а также использование других признаков заявляемых технических решений, позволяет существенно улучшить важные характеристики катода.

Источники информации

1. A.Sengupta, «Destructive Physical Analysis of Hollow Cathodes from the Deep Space 1 Flight Spare Ion Engine 30,000 Hr Life Test», 29th International Electric Propulsion Conference, USA, 2005, IEPC-2005-026.

2. Муравлев В.А., Шутов В.Н., "Определение тепловой мощности, выделяемой в вольфрам-бариевом катоде холловского плазменного двигателя", "Письма в ЖТФ", том 37, вып.4, стр.31, 2011 г.

3. D.M.Goebel, E.Chu, «High current lanthanum hexaboride hollow cathodes for high power hall thrusters», 32nd International Electric Propulsion Conference, Germany, 2011, IEPC-2011-053.

4. L.D.Cassady, E.Y.Choueiri «Experimental and theoretical studies of the lithium-fed multichannel and single- channel hollow cathode» 29-th International Electric Propulsion Conference, Princeton University, oct 31 - nov 4, 2005, IEPC-2005-094.

5. M.De Tata, R.Albertoni, P.Rossetti, F.Paganucci, M.Andrenucci, M.Cherkasova, V.Obukhov, V.Riaby, «100-hr Endurance Test on a Tungsten Multi-rod Hollow Cathode», 32nd International Electric Propulsion Conference, Germany, 2011, IEPC-2011-108.

1. Катод плазменного ускорителя, содержащий полые эмитирующие электроны элементы, трубопровод с каналами для подачи рабочего тела к полым эмитирующим электроны элементам, отличающийся тем, что каждый из полых эмитирующих электроны элементов, выполненных в виде тела вращения, с внешней стороны по образующей охвачен единым теплопроводом, материал которого имеет коэффициент теплопроводности не ниже коэффициента теплопроводности материала полых эмитирующих электроны элементов, каждый из полых эмитирующих электроны элементов присоединен к отдельному каналу трубопровода, а в каждом канале со стороны подачи рабочего тела установлен дроссель, причем поперечные сечения отверстий дросселей выполнены одинаковыми.

2. Катод плазменного ускорителя по п.1, отличающийся тем, что со стороны выхода рабочего тела из полых эмитирующих электроны элементов установлена втулка с отверстиями, оси которых совпадают с осями полых эмитирующих электроны элементов.

3. Катод плазменного ускорителя по п.2, отличающийся тем, что проходные сечения отверстий во втулке не больше проходных сечений отверстий в полых эмитирующих электроны элементах.

4. Катод плазменного ускорителя, содержащий полые эмитирующие электроны элементы, трубопровод с каналами для подачи рабочего тела к полым эмитирующим электроны элементам, отличающийся тем, что каждый из полых эмитирующих электроны элементов, выполненных в виде тела вращения, с внешней стороны по всей длине образующей и по выходному торцу охвачен единым теплопроводом, материал которого имеет коэффициент теплопроводности не ниже коэффициента теплопроводности материала полых эмитирующих электроны элементов, каждый из полых эмитирующих электроны элементов присоединен к отдельному каналу трубопровода, в каждом канале со стороны подачи рабочего тела установлен дроссель, при этом поперечные сечения отверстий дросселей выполнены одинаковыми, а в выходном торце единого теплопровода выполнены отверстия, оси которых совпадают с осями полых эмитирующих электроны элементов, причем проходные сечения отверстий в едином теплопроводе не больше проходных сечений отверстий в полых эмитирующих электроны элементах.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике переработки углеводородного сырья, в частности природного газа, и может быть использовано при получении углеродных нанотрубок и водорода.

Заявленное изобретение относится к соплу для плазменной горелки с жидкостным охлаждением. Заявленное сопло содержит отверстие для выхода плазменной струи на носке сопла, первый участок, наружная поверхность которого выполнена по существу цилиндрической, и примыкающий к первому участку со стороны носка сопла второй участок, наружная поверхность которого сужается в направлении к носку сопла по существу на конус, при этом предусмотрена, по меньшей мере, одна канавка для подачи жидкости, проходящая частично по первому участку и по второму участку на наружной поверхности сопла в направлении к носку сопла, а также предусмотрена одна отдельная от канавки или канавок для подачи жидкости канавка для отвода жидкости, проходящая по второму участку, или предусмотрены одна канавка для подачи жидкости, проходящая частично по первому участку и по второму участку на наружной поверхности сопла в направлении к носку сопла, и, по меньшей мере, одна отдельная от канавки для подачи жидкости канавка для отвода охлаждающей жидкости, проходящая по второму участку.

Изобретение относится к радиочастотным устройствам генерирования плазмы для двигателей внутреннего сгорания. Радиочастотное устройство генерирования плазмы содержит модуль (20) питания, подающий на выходной интерфейс сигнал (U) возбуждения на заданной частоте (Fc), позволяющий получить искру (40) на выходе резонатора (30) генерирования плазмы, соединенного с выходным интерфейсом модуля питания, и модуль (10) управления, задающий частоту модулю питания во время команды на радиочастотное генерирование плазмы.

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

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.).

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

Изобретение относится к реактивным средствам перемещения преимущественно в свободном космическом пространстве. Предлагаемое средство перемещения содержит корпус (1), полезную нагрузку (2), систему управления и не менее одной кольцевой системы сверхпроводящих фокусирующе-отклоняющих магнитов (3).
Изобретение относится к пучковым технологиям и может быть использовано для компенсации (нейтрализации) пространственного заряда пучка положительных ионов электроракетных двигателей, в частности, для применения в двигательных установках микро- и наноспутников.

Изобретение относится к космической технике, к классу электрореактивных двигателей и предназначено для управления движением космических аппаратов малой (до 5 Н) тягой.

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

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 плазменному маневровому реактивному двигателю на основе эффекта Холла, используемому для перемещения спутников с помощью электричества. Плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла содержит основной кольцевой канал ионизации и ускорения. Канал имеет открытый выходной конец. Двигатель также содержит, по меньшей мере, один катод, кольцевой анод, трубопровод с распределителем для подачи способного к ионизации газа в основной кольцевой канал и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале. Анод концентричен основному кольцевому каналу. Основной кольцевой канал содержит расположенные вблизи открытого выходного конца участок внутренней кольцевой стенки и участок наружной кольцевой стенки. Каждый из указанных участков содержит пакет расположенных рядом друг с другом проводящих или полупроводящих колец в виде пластин. Пластины разделены тонкими слоями изолирующего материала. Техническим результатом является устранение указанных в описании недостатков и, в частности, повышение долговечности плазменных реактивных двигателей на основе эффекта Холла при сохранении высокого уровня их энергетической эффективности. 9 н.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх