Ракетный лабораторный двигатель на эффекте холла и стенд для его испытаний

Изобретение относится к испытательному оборудованию для проведения стендовых испытаний - ракетным лабораторным двигателям на эффекте Холла, в частности торцевым холловским двигателям (ТХД), а также к испытательным стендам для исследования этих двигателей. Ракетный лабораторный двигатель на эффекте Холла содержит электрическую часть, магнитный контур, криостат, средства подключения к источникам напряжения и средства подачи плазмообразующего вещества. Электрическая часть включает анод в форме цилиндрического кольца и трубчатый катод, связанный со средством подачи плазмообразующего вещества, коаксиально размещенный внутри анода. Магнитный контур включает сверхпроводящие индукционные катушки, выполненные из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения, подключенные к источнику напряжения посредством сверхпроводящего кабеля. Криостат выполнен с патрубками для ввода и вывода криогенной жидкости и представляет собой герметичный объем, ограниченный внутренней и внешней цилиндрическими стенками и торцевыми стенками, соединяющими упомянутые цилиндрические стенки с образованием сквозного выпускного канала. Сверхпроводящие индукционные катушки размещены в криостате. Анод с катодом установлены в упомянутом канале. Также предложен стенд для испытания ракетного лабораторного двигателя на эффекте Холла. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к испытательному оборудованию для проведения стендовых испытаний электроракетных двигателей (ЭРД), а именно, к ракетным лабораторным двигателям на эффекте Холла, в частности торцевым холловским двигателям (ТХД), магнитный контур которых выполнен из магнитов на основе высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), а также к испытательным стендам для исследования этих двигателей, в частности, для измерения силы тяги, проведения испытаний для исследования состава плазменных пучков, ресурсных испытаний, исследования магнитных полей и т.д.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

К ЭРД относятся ракетные двигатели, принцип работы которых основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц рабочего тела.

ЭРД принято классифицировать по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы двигателей:

электротермические ракетные двигатели (ЭТД);

электростатические двигатели (ИД, СПД);

сильноточные (электромагнитные, магнитоплазмодинамические) двигатели;

импульсные двигатели.

К сильноточным относят, в частности, двигатели ТХД с внешним магнитным полем. В ТХД плазма ускоряется за счет взаимодействия тока разряда с внешним магнитным полем.

Спецификой этого двигателя является значительно большая скорость истечения рабочего тела, а, следовательно, такой двигатель обладает большей тягой.

Наиболее близкий двигатель ТХД, к заявленному холловскому двигателю, описан в монографии О.А. Горшкова и др. «Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов», М., 2008, с.с. 17-18.

ТХД включает электрическую часть в виде коаксиально установленных кольцевого анода и катода, размещенного в кольце анода. Катод состоит из катодной трубки и непосредственно многополостного катода, где происходит образование плазмы. Катодная трубка изолирована от анода посредством изолирующей вставки. Также коаксиально к аноду и катоду размещен электромагнит, создающий внешнее магнитное поле, эффективно разгоняющее плазму. Двигатель также снабжен средствами подключения к источникам напряжения, а также средствами для подачи плазмообразующего вещества.

Под лабораторным двигателем в настоящем случае понимается двигатель, обладающий теми же рабочими характеристиками, как и рабочий с конструктивными особенностями, обусловленными проведением его лабораторных стендовых испытаний.

К недостаткам таких двигателей относится то, что электромагниты двигателей, как правило, изготавливают из традиционных проводов на основе меди, в результате чего получают тяжелые и громоздкие электромагниты с высоким электропотреблением. Кроме того, такие магнитные модули не обладают достаточным градиентом магнитного поля, что не позволяет эффективно разгонять плазму для создания реактивной струи двигателя.

Испытания лабораторных двигателей происходят на стендах, которые, как правило, изготавливаются под какие-то конкретные испытания или измерения и осуществляются в условиях, имитирующих космическую среду.

Стенды для проведения испытаний обязательно включают вакуумные камеры с системой вакуумирования и различного рода средства для проведения испытаний.

В патенте на полезную модель RU124664 раскрывается испытательный стенд, содержащий вакуумную камеру с переходным фланцем, герметичную камеру, выполненную из прозрачного для электромагнитного излучения диэлектрика с возможностью установки на ее внутренней торцевой поверхности электроракетного двигателя, безэховую камеру, обеспечивающую экранирование объема камеры от внешнего электромагнитного излучения и поглощение внутреннего электромагнитного излучения, стыковочный узел и измерительный комплекс, при этом безэховая камера установлена на мобильной платформе и выполнена с возможностью перемещения относительно переходного фланца вдоль направляющих элементов, герметичная камера выполнена с торцевым отверстием и установлена в полости безэховой камеры, между внутренней стенкой безэховой камеры и герметичной камерой расположена, по меньшей мере, одна измерительная радиоантенна, подключенная к измерительному комплексу, отличающийся тем, что в качестве стыковочного узла использована кольцеобразная планшайба с разъемными элементами крепления, расположенными на двух противоположных поверхностях кольцеобразной планшайбы, причем кольцеобразная планшайба выполнена с возможностью соединения с помощью разъемных элементов крепления с переходным фланцем со стороны первой поверхности и с герметичной камерой и безэховой камерой со стороны второй поверхности.

Как следует из данного патента полезная модель относится к испытательным стендам, предназначенным для измерения электромагнитных полей, создаваемых ЭРД. Данные измерения проводятся с целью определения электромагнитной совместимости ЭРД и бортовых радиосистем. Соответственно, полезная модель направлена на решение технической задачи, связанной с осуществлением быстрого отсоединения безэховой камеры совместно с герметичной камерой от переходного фланца вакуумной камеры.

Известная полезная модель ориентирована только на испытания электромагнитной совместимости (ЭМС) оборудования и не имеет установленной в нее измерительной аппаратуры, позволяющей замерять рабочие характеристики двигателя, такие как реактивная тяга, удельный импульс и т.д., что говорит о ее узконаправленности, а также отсутствии универсальности при достаточно сложной конструкции стенда.

Необходимо также отметить, что в устройстве в соответствии с RU124664 двигатель закрепляется на стенде следующим образом: двигатель устанавливается в торце герметичной камеры, которая, в свою очередь, устанавливается в безэховой камере, безэховая камера размещается на мобильной платформе, перемещающейся по рельсам и все это сложным образом посредством резьбовых элементов, переходного фланца и кольцевой шайбы стыкуется с диагностическим отсеком. Соответственно, для получения доступа к двигателю, например, для его профилактического осмотра либо для проведения другой серии испытаний и т.п. нужно сначала открутить резьбу, отделить безэховую камеру от диагностического отсека, отодвинуть безэховую камеру на мобильной платформе и удалить из нее герметичную камеру и только после этого получить доступ к двигателю. Кроме того, поскольку двигатель закреплен в торце конусообразной герметичной камеры, то доступ для его осмотра затруднен и, поэтому, для проведения качественного осмотра двигателя нужно его извлечь из этой конусообразной камеры, на что также уйдут временные и трудовые ресурсы.

Авторы данного изобретения считают, как установку двигателя, так и его извлечение достаточно простым и удобно осуществимым процессом, однако, с этим трудно согласиться из-за большого количества конструктивных элементов, требующих приложения ручного труда и наличия специального инструмента для работы с резьбовыми соединениями.

Кроме того, в предложенном стенде возможны испытания двигателя в одном строго заданном положении, поскольку двигатель прикручен к торцу конусообразной герметичной камеры без возможности его перемещения вдоль продольной оси камеры.

Все вышеперечисленные недостатки известных технических решений представляют определенные технические проблемы для проведения испытаний ракетного лабораторного двигателя на эффекте Холла.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание компактного и легкого лабораторного двигателя ТХД с низким электропотреблением и высоким градиентом магнитного поля, позволяющим эффективно разгонять плазму для создания реактивной струи двигателя.

Также задачей изобретения является создание универсального испытательного стенда для ракетного лабораторного двигателя на эффекте Холла, простого в эксплуатации и в изготовлении и позволяющего быстро осуществить перенастройку стенда под различные испытания двигателей на основе эффекта Холла.

Другие задачи изобретения станут более понятны из описания.

Поставленная задача решается ракетным лабораторным двигателем на эффекте Холла, содержащим электрическую часть, магнитный контур, криостат, средства подключения к источникам напряжения и средства подачи плазмообразующего вещества, в котором:

электрическая часть включает анод в форме цилиндрического кольца и трубчатый катод, связанный со средством подачи плазмообразующего вещества, коаксиально размещенный внутри анода;

магнитный контур включает сверхпроводящие индукционные катушки, выполненные из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения, подключенные к источнику напряжения посредством сверхпроводящего кабеля;

криостат выполнен с патрубками для ввода и вывода криогенной жидкости и представляет собой герметичный объем, ограниченный внутренней и внешней цилиндрическими стенками, и торцевыми стенками, соединяющими упомянутые цилиндрические стенки с образованием сквозного выпускного канала, где сверхпроводящие индукционные катушки размещены в криостате, а анод с внутренним изолятором и катодом установлены в упомянутом канале.

В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается двигателем, в котором электрическая часть двигателя оснащена внутренним и внешним изоляторами, примыкающими друг к другу и установленными коаксиально аноду, причем внутренний изолятор размещен между анодом и катодом, а внешний изолятор выполнен с возможностью закрепления на нем анода и катода.

В этом случае внутренний и внешний изоляторы могут быть выполнены из диоксида алюминия.

Также во внешнем изоляторе может быть установлен держатель катода, выполненный с возможностью подвода через него плазмообразующего вещества к катоду.

Трубчатый катод двигателя может представлять собой полый многополостной катод, состоящий из катодной трубки из тугоплавкого материала с размещенными в ней цилиндрическими стержнями из тугоплавкого материала, образующими продольные полости.

Сверхпроводящий кабель двигателя может быть выполнен из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения.

Сверхпроводящие индукционные катушки в магнитном контуре заявленного двигателя могут быть размещены в криостате соосно выпускному каналу и отделены друг от друга изолирующими элементами.

Поставленная задача также решается стендом для испытания ракетного лабораторного двигателя на эффекте Холла, содержащим:

горизонтально ориентированную вакуумную камеру с торцевыми и боковыми фланцами, оснащенную системой вакуумирования,

крышку, установленную в одном из торцевых фланцев упомянутой вакуумной камеры, снабженную крепежными цилиндрическими элементами для установки ракетного двигателя, размещенными перпендикулярно к поверхности крышки; крепежный диск, размещенный параллельно крышке и установленный на упомянутых крепежных элементах с возможностью перемещения диска по этим элементам и его закрепления в выбранной позиции; криобак, оснащенный системой трубопроводов для подачи криогенной жидкости к двигателю и отвода упомянутой жидкости от двигателя;

и средства для проведения испытаний.

На вакуумной камере заявленного стенда может быть установлен рельс с кареткой в направлении, параллельном направлению продольной оси камеры, где каретка жестко связана с упомянутой крышкой.

Крепежный диск в заявленном стенде может быть выполнен с ушками, а крепежные цилиндрические элементы могут быть установлены в ушках диска.

Крепежные цилиндрические элементы могут быть выполнены в форме труб.

Стенд может быть оснащен расходометром.

В качестве средства для проведения испытаний в стенде может быть установлен измеритель тяги, содержащий рычажный элемент, на одном конце которого размещена приемная пластина, а на другом - тензометрический датчик, опорный элемент и комплект средств, обеспечивающий расчёт реактивной тяги, где опорный элемент может быть закреплен в боковых фланцах вакуумной камеры

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 приведён общий вид двигателя в сборе с электрической частью и магнитным контуром.

На фиг. 2 приведён общий вид электрической части двигателя.

На фиг. 3 приведён общий вид стенда.

На фиг. 4 приведен вид части вакуумной камеры стенда с измерителем тяги двигателя.

На фиг. 5 приведен общий вид измерителя тяги в сборе.

Позиции означают следующее:

1. Анод

2. Катод

3. Внутренний изолятор

4. Внешний изолятор

5. Центральный канал анода

6. Крепежные резьбовые элементы

7. Крепежные резьбовые отверстия

8. Катодная трубка

9. Катодные стержни

10. Держатель катода

11. Резьбовое отверстие под трубку для подачи плазмообразующего вещества

12. Индукционная катушка

13. Сверхпроводящий кабель

14. Криостат

15. Патрубок залива криогенной среды

16. Патрубок слива криогенной среды

17. Внутренняя цилиндрическая стенка криостата

18. Внешняя цилиндрическая стенка криостата

19. Торцевая стенка криостата

20. Выпускной канал

21. Изолирующие элементы индукционных катушек.

22. Вакуумная камера

23. Торцевые фланцы вакуумной камеры

24. Боковые фланцы вакуумной камеры

25. Система вакуумирования

26. Крышка вакуумной камеры

27. Крепежные цилиндрические элементы

28. Крепежный диск с ушками

29. Рельс

30. Каретка

31. Расходометр

32. Криобак

33. Рукав подачи криогенной жидкости

34. Рукав отвода криогенной жидкости

35. Измеритель тяги

36. Рычажный элемент

37. Приемная пластина

38. Тензометрический датчик

39. Опорный элемент

40. Фланцевый диск

41. Фиксирующий диск двигателя

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для решения поставленной задачи был создан ракетный лабораторный ТХД, у которого разгон плазменного пучка происходит электромагнитом на базе сверхпроводниковой ленты второго поколения.

Высокотемпературный сверхпроводящий (ВТСП) провод второго поколения представляет собой металлическую длинномерную ленту, на которой располагается многослойная тонкопленочная архитектура, включающую в себя соответственно: сверхпроводящий слой, буферные оксидные слои, и защитные металлические слои.

Ракетный лабораторный двигатель на эффекте Холла (см. фиг. 1, 2) содержит электрическую часть и магнитный контур. Электрическая часть включает анод (1), трубчатый катод (2) и изоляторы – внутренний (3) и внешний (4). Анод (1), выполненный в форме цилиндрического кольца, и трубчатый многополостной катод (2) подключены к источникам напряжения (не показаны). Катод (2) коаксиально размещен внутри кольца анода (1).

К аноду (1) примыкают внутренний (3) и внешний (4) керамические изоляторы, изготовленные из электроизолирующего материала, например, диоксида алюминия.

Оба изолятора, по существу, выполнены в форме фланцев к цилиндрическому аноду (1) и примыкают друг к другу. Внутренний изолятор (3) заходит в центральный канал (5) анода (1) и изолирует катод (2) от анода (1).

И анод (1), и катод (2) закреплены на внешнем изоляторе (4). Анод (1) крепится к фиксирующему диску двигателя (41) посредством крепежных резьбовых элементов (шпилек) (6) и этими же шпильками происходит закрепление двигателя в испытательном стенде (см. ниже). Под шпильки в аноде (1) и фиксирующем диске двигателя (41) выполнены резьбовые крепежные отверстия (7).

Катод (2) катод представляет собой полый катод и состоит из катодной трубки (8) из тугоплавкого материала с размещенными в ней катодными цилиндрическими стержнями (9) из тугоплавкого материала, образующими продольные полости. В качестве тугоплавкого материала катодной трубки и катодных стержней могут быть использованы, например, сплавы на основе вольфрама.

Катод закреплен в держателе (10), выполненном из прочного жаростойкого материала, например, из бронзы, установленном в канале внешнего изолятора (4), причем, в держателе размещена только катодная трубка (8), а цилиндрические катодные стержни (9) размещены непосредственно в катодной трубке (1).

В держателе (10) выполнено резьбовое отверстие (11), в которое ввинчивается трубка (не показана) для подачи плазмообразующего вещества по катодной трубке (8) к цилиндрическим катодным стержням (9), образующим продольные полости, которые позволяют эффективно ионизировать рабочее тело за счет большой площади контактирующей поверхности с последующим образованием плазмы, создающей реактивную струю двигателя.

Магнитный контур включает сверхпроводящие индукционные катушки (12), выполненные из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения, подключенные к источнику напряжения посредством сверхпроводящего кабеля (13).

Для функционирования магнитного контура предусмотрен криостат (14) с патрубками залива (15) и слива (16) криогенной жидкости. Криостат (14) представляет собой герметичный объем, ограниченный внутренней (17) и внешней (18) цилиндрическими стенками и торцевыми стенками (19), соединяющими цилиндрические стенки (17, 18) в радиальном направлении с образованием сквозного выпускного канала (20). Анод (1) с внутренним изолятором (3) установлен в канале (20), а внешний изолятор (4) - вне канала и снаружи криостата.

Внутри криостата (14) размещены сверхпроводящие индукционные катушки (12), индуцирующие магнитное поле для разгона заряженных частиц, выполненные из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения. Сверхпроводящие индукционные катушки (12) магнитного контура могут быть размещены соосно выпускному каналу (20) и могут быть отделены друг от друга изолирующими элементами (21).

И электрическая часть ТХД, и магнитный контур подключены к внешним источникам напряжения. Для подключения магнитного контура служит сверхпроводящий витой кабель (13), выполненный из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения. От сверхпроводящего кабеля ответвляются фазы кабеля к каждой катушке.

Описанный магнитный контур на данный момент способен создавать магнитное поле величиной до 1 Тл.

Преимущества заявленного лабораторного двигателя очевидны: традиционный электромагнит на основе медных проводов с аналогичным магнитным полем, например, 0.4 Тл, будет в 4 раза тяжелее, в 3 раза больше по габаритам и будет потреблять электроэнергии как минимум в 20 раз больше. Соответственно, уменьшение габаритов и веса магнитного контура значительно снижает габариты и вес предложенного лабораторного ТХД двигателя, а также уменьшает электропотребление двигателя. Кроме того, были проведены испытания заявленного ТХД двигателя и двигателя на основе традиционных медных проводов с совпадающими значениями величин магнитных полей, которые показали, что в заявленном двигателе реализуется больший градиент магнитного поля, чем в традиционном.

Стенд (см. фиг. 3) для испытания ракетного лабораторного двигателя на эффекте Холла содержит горизонтально ориентированную вакуумную камеру (22) с торцевыми (23) и боковыми (24) фланцами, оснащенную системой вакуумирования (25). Система вакуумирования (25) может быть связана с вакуумной камерой (22) через один из торцевых фланцев (23) и представляет собой насосный отсек с размещенными в нем вакуумными насосами (турбомолекулярными), а также форвакуумный насос, где насосы связаны между собой и с вакуумной камерой трубопроводами и различными переходными элементами.

В другом торцевом фланце (23) камеры установлена крышка (26), на которой закреплены цилиндрические крепежные элементы (27), например, в форме труб. Другим концом трубы (28) закреплены на криостате (14), благодаря чему криостат стационарно установлен в камере (22).

Параллельно крышке (26) размещен крепежный диск (28) для установки электрической части ракетного двигателя. Крепежный диск (28) размещен на крепежных цилиндрических элементах (трубах) (27) между крышкой (26) и криостатом (14). Диск может быть снабжен ушками и цилиндрические трубы проходят через отверстия в этих ушках (см. фиг. 3 и 4).

В отличие от стационарно установленного криостата (14) с магнитными индукционными катушками (12), электрическая часть двигателя, состоящая из анода и катода, прикрепленная к диску, способна свободно перемещаться вдоль оси труб (27) для выбора положения двигателя внутри криостата (14). На ушках крепежного диска (28) имеются винты (не показаны), которые после выбора положения двигателя, затягиваются, прижимаясь к трубе (27) и, тем самым, фиксируют точное положение двигателя.

В отличие от известного стенда, в предложенном стенде возможна смена положения двигателя, что позволяет провести более точные измерения различных параметров.

На внешней поверхности вакуумной камеры (22) установлен рельс (29) с кареткой (30). Рельс (29) установлен на верхней внешней части камеры в направлении, параллельном направлению продольной оси камеры. Каретка (30) жестко связана с крышкой (26) камеры. Каретка (30) при своем перемещении по рельсу (29) отводит крышку (26) от камеры (22) в направлении параллельном продольной оси камеры, соответственно, параллельно торцу камеры.

Таким образом, в предложенном стенде для легкого доступа к двигателю для его осмотра достаточно отодвинуть крышку (26) камеры (22), что легко осуществляется с помощью передвигаемой каретки (30).

Вне камеры установлен баллон (не показан) с плазмообразующим веществом, из которого данное вещество подводится с помощью трубок к расходометру (31), позволяющему точно контролировать подачу вещества, а, затем, через крепление в крышке (не показано) трубка подводится к резьбовому отверстию (11), ввинчивается в него и плазмообразующее вещество подается к катоду (2).

Криобак (32), являющийся одним из узлов, обеспечивающих испытания двигателя в заявленном стенде, оснащен системой трубопроводов (рукавов) подачи криогенной жидкости (33) к двигателю и отвода криогенной жидкости (34) от двигателя. Рукава (33, 34), соответственно подведены к патрубкам залива и слива криогенной жидкости (15, 16).

Для обеспечения проведения испытаний стенд также обязательно включает различные средства для проведения испытаний.

В частности, стенд может быть использован для проведения таких испытаний, как измерения силы тяги, ресурсные испытания ЭРД, испытания для исследования состава плазменных пучков, исследования сильных внешних магнитных полей, которые могут быть применены как внешние магнитные поля для ТХД двигателей или иметь другие применения и т.д.

Испытательное оборудование может быть размещено или закреплено в боковых (24) фланцах вакуумной камеры (22).

В частности, в боковых фланцах может быть установлен измеритель силы тяги (см. фиг. 4 и фиг. 5). Измеритель тяги (35), установленный в вакуумной камере (22) содержит рычажный элемент (36), на одном конце которого размещена приемная пластина (37), а на другом - тензометрический датчик (38), опорный элемент (39) и комплект средств, обеспечивающий расчёт реактивной тяги. Опорный элемент (39) жестко закреплен в боковых фланцах (23) вакуумной камеры (22) посредством фланцевых дисков (40).

Для исследования состава плазменных пучков возможно проведение в заявленном стенде масс-спектрального анализа плазменного пучка.

Для его осуществления необходимо установить в боковом фланце (24) вакуумной камеры (22) испытательного стенда направленный на плазменный пучок масс-спектральный датчик, который позволит собрать необходимые данные для определения концентрации различных компонентов в плазме, а именно состав химический, элементный и т. д.

Испытания, проводимые с помощью заявленного стенда, не ограничиваются измерением силы тяги.

Испытательный стенд в соответствии с изобретением полностью подготовлен к имитации космической среды, что позволяет проводить любые испытания двигателя, в том числе огневые, с целью оптимального выбора рабочего вещества и т. д., в зависимости от предъявляемых требований заказчика, ресурсные, а также исследования плазмы реактивного пучка.

Исследования плазмы реактивного пучка проводят методами масс-спектрального анализа и дают уникальную возможность изучения химического состава испаряемых материалов двигателя: катодных материалов, анода, керамических изоляторов и т.д., что позволяет получать очень ценную информацию об износе элементов двигателя и возможности корректировки элементной базы с целью уравновешивания ресурса деталей двигателя. Также по степени эрозии того или иного материалы в результате работы двигателя можно эффективно оценивать правильность выбора материалы и подбирать оптимальный, в случае на то необходимости.

Ресурсные испытания – это вид испытаний, который позволяет оценить двигатель при условиях длительной работы, что позволяет подтвердить или опровергнуть данные оценки на этапе огневых испытаний двигателя. Ресурсные испытания являются неотъемлемой частью испытаний двигателя, поскольку именно на их базе появляется возможность построения картины работы двигателя в реальных условиях на орбите, в составе космического аппарата.

Ресурсные испытания предусматривают непрерывную работу ТХД вплоть до 100 часов. Такие испытания могут быть проведены при дополнительном оснащении стенда системой отведения тепловой энергии.

Пример осуществления изобретения.

Монтаж стенда и холловского двигателя осуществляли следующим образом.

К торцевой стенке (19) криостата (14) аргоновой сваркой приваривали патрубки залива (15) и слива (16) жидкого азота. Патрубки (15,16) соединяли, соответственно, с рукавами подачи (33) и слива (34) жидкого азота и подсоединяли к криобаку (32) для обеспечения циркуляции жидкого азота.

Торцевую стенку (19) криостата (14) соединяли аргоновой сваркой с крепежным диском с ушками (28) посредством крепежных труб (27). Закрепление крепежного диска на трубах осуществляли через ушки крепежного диска (27).

Криостат (14) монтировали путем точной лазерной сварки торцевой стенки с листами нержавеющей стали для создания цилиндрической внутренней стенки (17) криостата (14). По периферии внутренней цилиндрической стенки (17) криостата устанавливали магнитные индукционные катушки (12), в сформированный выпускной канал (20) устанавливали сборку электрической части ТХД (фиг. 2), состоящую из анода (1), катода (2) и изоляторов (3, 4).

Магнитный контур собирали следующим образом: в патрубок (15) залива жидкого азота, а также в рукав подачи жидкого азота (33), продевали сверхпроводящий кабель (13), который фиксировали внутри криостата (14). От сверхпроводящего кабеля (13) отводили фазы кабеля, подводящие ток к магнитному контуру. Для этого соединяли ВТСП ленты, из которых состоит кабель (13), с ВТСП лентами индукционных катушек (12).

Из индукционных катушек (12) были сформированы четыре секции, каждая из которых состояла из 200 оборотов 12-мм ленты ВТСП в двух противоположных направлениях. Секции были отделены друг от друга изолирующими элементами (21), в данном случае, это листы текстолита, изолирующие секции друг от друга и от криостата (14). Листы текстолита жестко соединяли между собой для обеспечения фиксации положения текстолитовых листов относительно друг друга, а также ВТСП катушек между ними.

Первую секцию магнитных индукционных катушек (12) закрепляли через проставку к торцевой стенке криостата. Последующие секции магнита устанавливали последовательно за первой секцией.

Затем точной лазерной сваркой приваривали внешнюю цилиндрическую стенку криостата стенка криостата (18) и вторую торцевую стенку криостата, обеспечивающие получение герметичного объема с циркулирующим азотом.

После сбора криостата (14) с размещенными в нем катушками (12) к каждому из двух направлений катушек секций магнитной системы припаивали соответствующие, заранее подобранные, фазы сверхпроводящего кабеля. Противоположные концы сверхпроводящего кабеля припаивали к медным проводам и через эти провода подключали к лабораторным источникам тока.

Готовый криостат (14) стационарно устанавливали на крепежные трубы (27) из нержавеющей стали, которые закрепляли на крышке (26) испытательной вакуумной камеры и на одной из торцевых стенок криостата (14) посредством винтов.

Перед установкой криостата закрепляли крепежные трубы (27) в ушках крепежного диска (28) (см. фиг. 3). Затем, в соответствии со схемой на фиг. 2 собирали электрическую часть двигателя, состоящую из анода (1), катода (2) и изоляторов (3, 4), скрепляли анод и внешний изолятор шпильками (6), сборку устанавливали в выпускном канале (20) и этими же шпильками (6), зажатыми с двух сторон гайками, присоединяли ее к крепежному диску (28).

Таким образом, двигатель жестко фиксировался на крепежном диске (28), при этом сам диск мог передвигаться по оси для выбора оптимального положения двигателя внутри криостата с магнитным контуром, при этом сохраняя заданное положение и ориентацию двигателя.

Далее к катоду (2) двигателя привинчивали медный провод большого сечения (не показан), второй конец которого через торцевую крышку (26) вакуумной камеры (22) выводили к источнику напряжения. Аналогично подсоединяли кабели положительной фазы для анода (1) ТХД.

Затем к ТХД подводили от баллона через расходометр (31) трубку с плазмообразующим веществом (не показана), в качестве которого использовали аргон, криптон и ксенон.

Собранный двигатель помещали в вакуумную камеру (22), на внешней стороне камеры устанавливали рельсы (29), каретку (30), которую жестко соединяли с крышкой.

Была проведена апробация стенда для измерения силы тяги лабораторного ТХД. В качестве средства для проведения испытаний в камере (2) установили измеритель тяги (35).

Измеритель тяги включал графитовую приемную пластину (37) диаметром 150 мм, соединенную с керамическим рычажным элементом (36) длиной 400 мм. Керамический рычаг через опорный элемент (39) соединен с тензодатчиком (38), корпус которого выполнен из алюминиевого сплава. Опорный элемент (39) посредством фланцевых дисков (40) устанавливался в боковых фланцах (24) вакуумной камеры (2).

При погружении графитового диска в плазменную струю, сила, оказываемая потоком на пластину (37) вызывала микроскопическое смещение относительно опорного элемента (39). Это приводило к возникновению напряжения в датчиках (38) и возникновению электрического сигнала, который регистрировался посредством специализированного модуля на базе микроконтроллера Arduino. Передача данных осуществлялась через физический интерфейс UART. Сигнал с датчика преобразовывался в протокол RS-232 и обрабатывался на компьютере.

Данные испытания прошли успешно и показали высокую эффективность лабораторного двигателя на основе эффекта Холла за счет создания сильного внешнего магнитного поля, наведенного индукционными магнитными катушками из ВТСП лент второго поколения.

Возможности созданного испытательного стенда для испытаний лабораторного двигателя на основе эффекта Холла позволили провести весь ряд необходимых испытаний данного двигателя и продемонстрировать перспективность применения сверхпроводников второго поколения в формировании внешнего магнитного поля для реактивного ускорения плазмы в ТХД, при этом лабораторный двигатель продемонстрировал конкурентоспособные характеристики, которые ничем не уступают существующим на данный момент в мире моделям, а во многом имеет и свои преимущества, тем самым создавая свою нишу маршевых двигательных установок для полетов космических аппаратов на дальние дистанции.

Как следует из вышеописанного, заявленный испытательный стенд позволяет проводить комплексные испытания ТХД, что дает испытателям исчерпывающую информацию о любых технических характеристиках двигателя и позволяющий имитировать абсолютно любые возможные условия работы двигателя. Сам же испытательный стенд, за счет продуманности и оптимизации компонентов, представляет собой простую и эффективную системы, максимально приспособленную к быстрому перестроению, если того требует производственная необходимость, под любые задаваемые условия работы испытуемого ТХД.

1.	Ракетный лабораторный двигатель на эффекте Холла, содержащий электрическую часть, магнитный контур, криостат, средства подключения к источникам напряжения и средства подачи плазмообразующего вещества, в котором:

электрическая часть включает анод в форме цилиндрического кольца и трубчатый катод, связанный со средством подачи плазмообразующего вещества, коаксиально размещенный внутри анода;

магнитный контур включает сверхпроводящие индукционные катушки, выполненные из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения, подключенные к источнику напряжения посредством сверхпроводящего кабеля;

криостат выполнен с патрубками для ввода и вывода криогенной жидкости и представляет собой герметичный объем, ограниченный внутренней и внешней цилиндрическими стенками и торцевыми стенками, соединяющими упомянутые цилиндрические стенки с образованием сквозного выпускного канала, где сверхпроводящие индукционные катушки размещены в криостате, а анод с катодом установлены в упомянутом канале.

2. Двигатель по п. 1, в котором электрическая часть двигателя оснащена внутренним и внешним изоляторами, примыкающими друг к другу и установленными коаксиально аноду, причем внутренний изолятор размещен между анодом и катодом, а внешний изолятор выполнен с возможностью закрепления на нем анода и катода.

3. Двигатель по п. 2, в котором внутренний и внешний изоляторы выполнены из диоксида алюминия.

4. Двигатель по п. 2, в котором во внешнем изоляторе установлен держатель катода, выполненный с возможностью подвода через него плазмообразующего вещества к катоду.

5. Двигатель по п. 1, в котором трубчатый катод представляет собой полый многополостной катод, состоящий из катодной трубки из тугоплавкого материала с размещенными в ней цилиндрическими стержнями из тугоплавкого материала, образующими продольные полости.

6. Двигатель по п. 1, в котором сверхпроводящий кабель выполнен из высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения.

7. Двигатель по п. 1, в котором сверхпроводящие индукционные катушки в магнитном контуре размещены в криостате соосно выпускному каналу и отделены друг от друга изолирующими элементами.

8. Стенд для испытания ракетного лабораторного двигателя на эффекте Холла, содержащий:

горизонтально ориентированную вакуумную камеру с торцевыми и боковыми фланцами, оснащенную системой вакуумирования,

крышку, установленную в одном из торцевых фланцев упомянутой вакуумной камеры, снабженную крепежными цилиндрическими элементами для установки ракетного двигателя, размещенными перпендикулярно поверхности крышки;

крепежный диск, размещенный параллельно крышке и установленный на упомянутых крепежных элементах с возможностью перемещения диска по этим элементам и его закрепления в выбранной позиции;

криобак, оснащенный системой трубопроводов для подачи криогенной жидкости к двигателю и отвода упомянутой жидкости от двигателя;

и средства для проведения испытаний.

9. Стенд по п. 8, в котором на вакуумной камере установлен рельс с кареткой в направлении, параллельном направлению продольной оси камеры, где каретка жестко связана с упомянутой крышкой.

10. Стенд по п. 8, в котором крепежный диск выполнен с ушками, а крепежные цилиндрические элементы установлены в ушках диска.

11. Стенд по п. 8, в котором крепежные цилиндрические элементы выполнены в форме труб.

12. Стенд по п. 8, который оснащен расходометром.

13. Стенд по п. 8, в котором в качестве средства для проведения испытаний установлен измеритель тяги, содержащий рычажный элемент, на одном конце которого размещена приемная пластина, а на другом - тензометрический датчик, опорный элемент и комплект средств, обеспечивающий расчёт реактивной тяги, где опорный элемент закреплен в боковых фланцах вакуумной камеры.