Ионный двигатель
Qn ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К ПАТЕНТУ
Союз Советских
Социалистических
Республик (61) Дополнительный к патенту(22) Заявлено 01.02.77 (21) 2448755/40-25 (23) Приоритет - (32) 28.07.76
2 (51) M. Кл, F 03 Н 5/00 (33) ФРГ (31) Р2633778.0
Государственный комитет
СССР но делам изобретений и открытий (53) УДК621.455 (088. 8) Опубликовано 250879 Бюллетень № 31
Дата опубликования описания 250879
Иностранцы
Винфрид Бирнер, Ханс Мюллер, Хорст Листманн и Хельмут Васснер (ФРГ) (72) Авторы изобретения
Иностранная фирма Мессершмитт — Белков-Блом Гмбх (ФРГ) (71) Заявитель (S 4) ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
l6
2,5 10т — -д — „у - ъ 1, r
Изобретение относится к области космйческого двигателестроения и может быть использовано при разработке электроракетных (ионных) двигателей.
Известны ионные двигатели, в которых используются источники ионов различного типа, в том числе и источники ионов с индукционным высокочастотным (радиочастотным) разрядом (1) . Этим двигателям свойственна низкая энергетическая или газовая экономичность.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является ионный двигатель, содержащий высокочастотный источник ионов, включающий диэлектрическую камеру с торцовой перфорированной стенкой-анкербм и установленную на камере обмотку возбуждения высокочастотного поля, а также ионооптическую систему, образованную ускоряющим и замедляющим электродами с отверстиями (2).
Известный двигатель работает на ртути или инертных газах (неон или ксенон) . Ионизация осуществляется в ионизационной диэлектрической камере, в объеме которой индукционным методом создается высокочастотное электромагнитное поле. Ионы извлекаются- с помощью ионооптической системы, формирующей пучок ионов заданной энергии.
Существенную роль играют процессы вблизи торцовой стенки анкера.
Как показали многочисленные исследования неоднородность электромагнитного поля вблизи анкера приводит к неоднородности распределения концентрации плазмы и, в свою очередь, k снижению энергоэкономичности и стабильности работы двигателя.
Целью изобретения является повышение КПД двигателя путем создания вблизи стенки-анкера продольного высокочастотного поля.
Достигается это тем, что материал и толщина ускоряющего электрода выбираются такими, что выполняется условие где f — частота высокочастотного пол я, гц;
Фн — относительная магнитная проницаемость;
682150
65 коэффициент электропроводности материала ускоряющего электрода, мо-см; д — толщина ускоряющего электрода, см..
По зависимым признакам ускоряющий электрод выполнен из диэлектрика, а боковые стенки отверстий — проводящими, электрически соединенными одна с другой. Ускоряющий электрод может быть ныполнен из графита, обмотка возбуждения установлена на расстоянии от ускоряющего электрода, составляющем не менее 1/10 ее длины, а вокруг обмотки возбуждения установлен проводящий экран.
На фиг. 1 изображен двигатель, продольный разрез; на фиг. 2 схематично показано распределение силовых линий высокочастотного поля в камере ионизации.
Двигатель содержит высокочастотный источник ионов, включающий в себя диэлектрическую камеру 1 с торцовой перфорированной стенкой-анкером 2, и установленную на камере обмотку 3 возбуждения поля.На задней торцовой стенке 4 камеры установлен газораспределитель 5 системы подачи рабочего тела. Со стороны анкера установлена ионооптическая система, образованная ускоряющим б и замедляющим 7 электродами, установленными на камере 1 с помощью изоляторных узлов крепления 8. В анкере и обоих электродах выполнено большое число соосных отверстий 9, 10 11, соответственно. На камере устанонлен также проводящий экран 12, охватывающий обмотку 3. Показаны также силовые линии поля 13.
Двигатель работает следующим образом. Рабочее тело подается через гаэораспределитель 5 в камеру ионизации 1 и заполняет ее объем.
При подводе высокочастотной энергии от генератора к обмотке источника 3 в камере зажигается безэлектродный высокочастотный разряд. Образующаяся газоразрядная плазма соприкасается со стенкой-анкером 2. Ионы, попадающие в отнерстия 9, извлекаются ионо-оптической системой, а электроны отражаются в объем камеры ионизации, В результате формируI ется .ионный пучок, состоящий из множества .элементарных пучков, формируемых каждой элементарной ячейкой, образованной отверстиями 9, 10, 11.в анкере 2 с ускоряющим б и замедляющим 7 электродами. Для компенсации пространственного заряда ионов на выходе из двигателя в пучок эмиттируются электроны из нейтрализатора (на чертеже не показан).
Наличие проводящего ускоряющего электрода б приводит к искажению силовых линий высокочастотного поля из-за экранирующега эффекта.
Эти искажения оказывают существенное влияние на скорость генерации ионов и на плотность йоиизации плаз. ьы в области перед анкером на границе плазмы. Вследствие хорошей проводимости плазмы это приводит также к неоднородностям электростатичес-кого ускоряющего поля перед анкером на границе плазмы. Искажения электростатического ускоряющего поля вызывают снижение миделевой тяги двигателя и дефокусировку части элемен.тарных пучков, что приводит к возрастанию доли ионов, перехватываемых ускоряющим электродом б и ограничению его ресурса.
При выборе материала ускоряющего электрода и его толщины в соответствии с приведенной выше формулой обеспечивается глубина проникновения высокочастотного поля в этот электрод, сравниваемая или превышающая толщину электрода. 3а счет этого достигается получение практически продольного высокочастотного поля вблизи анкера.
Эксперименты показали, что названное условие может быть выполнено, например, при использовании в качестве материала ускоряющего электрода толщиной 2 мм графита с удельным сопротивлением 10 ом мм /м и выше.
Влияние ускоряющеro электрода на электромагнитное переменное поле может быть уменьшено, если его изго" товить из изолятора, а в отверстия вставить втулки из проводящего материала, электрически соединенного, друг с другом.
Собственно электродом в э1- ом случае являются лишь места с электрически проводящим материалом, которые безусловно необходимы для создания электростатического ускоряющего поля.
Далее расстояние между электродом б и концом обмотки возбуждения
3, расположенным со стороны катода, выбирают так, что искривление силовых линий переменного поля у границы плазмы незначительно. Это достигается когда расстояние между концом обмотки 3 и электродом 6 составляет, как минимум, 10% от длины обмотки возбуждения.
Чем меньше воздействие электрода б на ход силовых линий переменного поля 13,.тем меньше может быть расстояние между ним и концом обмотки возбуждения. Целесообразно для хода силовых линий электромагнитного переменного поля 13 также то, чтобы обмотка возбуждения снаружи была окружена на некотором расстоянии экраном 12.
Это мероприятие оказывается особенно выгодным, когда обмотка возбуждения является относительно короткой.
682150
Изобретение позволяет выровнять параметры плазмы по радиусу вблизи: анкера и за. счет этого повысить энергетическую и газовую экономичность двигателя, а также его корпус.
Формула изобретения
1, Ионный двигатель, содержащий высокочастотный источник ионов, включающий в себя диэлектрическую камеру с торцовой перфорированной стенкой - анкером и установленную на 10 камере обмотку возбуждения высокочастотного поля, а также ионно-оптическую систему, образованную ускоряющим и замедляющим электродами с отверстиями, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения
КПД двигателя путем созданий вблизи стенки -анкера продольного высокочастотного поля, материал и толщина ускоряющего электрода выбираюФсятакими, что выполняется условие
25 <о
Тй„ У " где f — частота высокочастотного поля гц; ,Ог — относительная магнитная проницаемость) — коэффициент электропроводности материала ускоряющего электрода, мо см с — толщина ускоряющего электрода, см.
2. Двигатель по п.1, о т л и ч аю шийся тем, что ускоряющий электрод выполнен из диэлектрика, а боковые стенки отверстий — проводящими, электрически соединенными одна с другой °
3. Двигатель по п. 1 о т л и ч а ю шийся тем, что ускоряющий электрод выполнен иэ графита.
4. Двигатель по и. 1, о т л и ч а ю щ н и с я тем, что обмотка возбуждения установлена на расстоянии от ускоряющего электрода, составляющем не менее 1/10 ее длины.
5. Двигатель по и. 1 и 4, о т л и ч а ю шийся тем, что установлен охватывающий обмотку возбуждения проводящий экран.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Айленберг С.Л., Хюбнер A.Ë.
Технические и научные проблемы движения при помощи ионов в сб. Ионные плазменные и дуговые ракетные двигатели, Госатомиздат, 1961 с. Эб.
2. Н.W.Loeb "Reacent or)с on
radio fraguency 1оп thrusters"
"Journal spacecraft and rockts ч.8
9 5 с 494-500, 1971.
М
4bre.Р
Составитель В.обухов
Техредд.Алферова корректор В. Синицкая
Редактор Е.Гончар
Заказ 4949/56 Тираж 5 75 Подписное
ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий ,113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,д.4/5
Филиал ППП Патент, r.Óæãîðîä, ул.Проектная,4
