RU2618761C1 - Ion source for electrostatic rocket engine - Google Patents

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: ion source comprises ionic and electron emitters, made of high purity silver in the form of pyramids or cones that act as reservoirs of the working substance, the surface of the ion emitters are coated with a thin film solid electrolyte crystalline mobile silver ions. Reliable operation of the ion source, its resistance to mechanical vibrations and accelerations provided by the rigid structure, wherein no reservoir of gaseous or liquid working medium and the system is in its power supply.

EFFECT: due to the higher density of the working substance proposed by the ion source is capable of generating a greater number of ions per unit volume of the working substance than discharge ion sources and sources with low-temperature ionic liquids.

1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области электростатических ракетных двигателей малой тяги и может быть использовано для ускорения и управления спутниками и малоразмерными космическими аппаратами после их отделения от ракеты-носителя.The present invention relates to the field of electrostatic small thrust rocket engines and can be used to accelerate and control satellites and small spacecraft after they are separated from the launch vehicle.

Из существующего уровня техники известны электростатические ракетные двигатели, в которых для создания силы тяги используется истечение потока положительных ионов из газоразрядных источников в вакуум [С.Д. Гришин, Л.В. Песков. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1989. 216 с.]. Конструкция таких двигателей хорошо отработана [Н.А. Важенин, В.А. Обухов, А.П. Плохих, Г.А. Попов. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов и их влияние на радиосистемы космической связи. М.: Физматлит, 2012. 432 с.; Г. Эмселлем, С. Ларигальди. Ракетный двигатель малой тяги для космического летального аппарата // Патент RU 0002445510, опубл. 20.03.2012]. Они апробированы на орбитальных космических аппаратах и в условиях дальних космических полетов. Основными недостатками ионных двигателей с газоразрядными ионными источниками является малое количество ионов, которое можно получить с единицы объема газообразного рабочего вещества, и большие габаритные размеры источников, в состав которых, помимо разрядной камеры, входят резервуар и система подачи газа в источник. Кроме того, для токовой компенсации и нейтрализации пространственного положительного заряда в таких двигателях необходимо иметь дополнительный источник отрицательно заряженных частиц, обычно электронов. Вышеуказанные недостатки затрудняют использование ионных двигателей с газоразрядными ионными источниками в современных малоразмерных космических аппаратах формата CubeSat с базовыми ячейками размерами 10×10×10 см³.From the current level of technology, electrostatic rocket engines are known in which the flow of positive ions from gas discharge sources into vacuum is used to create traction force [S.D. Grishin, L.V. Sands. Electric rocket engines of spacecraft. M .: Engineering, 1989. 216 p.]. The design of such engines is well developed [N.A. Vazhenin, V.A. Obukhov, A.P. Bad G.A. Popov. Electric rocket engines of spacecraft and their impact on space communications radio systems. M .: Fizmatlit, 2012.432 s .; G. Emsell, S. Larigaldi. Small thrust rocket engine for a spacecraft // Patent RU 0002445510, publ. 03/20/2012]. They are tested on orbiting spacecraft and in the conditions of long-distance space flights. The main disadvantages of ion engines with gas-discharge ion sources are the small amount of ions that can be obtained per unit volume of the gaseous working substance, and the large overall dimensions of the sources, which, in addition to the discharge chamber, include a reservoir and a gas supply system to the source. In addition, for current compensation and neutralization of the positive space charge in such engines, it is necessary to have an additional source of negatively charged particles, usually electrons. The above disadvantages make it difficult to use ion engines with gas discharge ion sources in modern small-sized spacecraft of the CubeSat format with base cells of 10 × 10 × 10 cm ^{3 in} size.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является матричный ионный источник для электростатических ракетных двигателей [С. Ryan, A. Daykin-Iliopoulos, J. Stark, A.Z. Salaverri, E. Vargas, P. Rangsten, S. Dandavino, C. Ataman, S. Chakraborty, D. Courtney, H. Shea. Experimental progress towards the MicroThrust MEMS electrospray electric propulsion system // Proc. 33^rd Intern. Electric Propulsion Conference (IEPC-2013), Oct. 6-10, 2013; George Washington University (U.S.A.) 146 (10 p.)], использующий в качестве рабочего вещества низкотемпературные ионные жидкости - жидкие ионно-проводящие материалы, состоящие из расплавов органических солей с температурой плавления ниже 100°С [А.Б. Толстогузов, С.Ф. Белых, B.C. Гуров, А.И. Таганов, O.M.N.D. Teodoro, А.А. Трубицын, С.П. Ченакин. Источники ионов на основе низкотемпературных ионных жидкостей для аэрокосмического применения, нанотехнологии и микрозондового анализа (обзор) // Приборы и техника эксперимента. 2015. №1]. Этот источник создан в Политехническом институте Лозанны (Швейцария), а затем доработан в рамках Европейского проекта FP-7 MICROTHRUST при участии ведущих университетов и фирм из Великобритании, Нидерландов и Швеции. Рабочее вещество - низкотемпературная ионная жидкость [emim][BF₄] или [emim][Tf₂N], подается из резервуара по капилляру в эмиттерную ячейку, содержащую матричные сопла и электрически изолированный от них экстрактор ионов. На выходе сопел в режиме полевого испарения формируется пучок ионов или заряженных микрокапель, который затем ускоряется внешним электрическим полем, создаваемым высоковольтным биполярным источником питания. Плотность эмиттерных ячеек составляет 100-200 см^-2. Токовая компенсация и нейтрализация объемного заряда осуществляются за счет поочередной эмиссии положительно и отрицательно заряженных частиц - катионов и анионов, входящих в состав ионной жидкости, при этом полярность ускоряющего напряжения меняется с частотой модуляции 1 Гц. Число ионов, которое можно получить в таком ионном источнике, с единицы объема рабочего вещества больше, чем в газоразрядном ионном источнике из-за более высокой плотности ионной жидкости по сравнению со сжиженными инертными газами. Основными недостатками матричного ионного источника с низкотемпературной ионной жидкостью является недостаточная механическая прочность капиллярной системы, обеспечивающей подачу ионной жидкости из резервуара в сопла, и нестабильность работы источника вследствие химического разложения (деградации) ионной жидкости в процессе испарения из эмитирующего слоя ионов разной полярности. Эти недостатки делают матричный ионный источник с низкотемпературной ионной жидкостью малопригодным для использования в электростатических ракетных двигателях при выполнении продолжительных орбитальных полетов и межпланетных миссий.Closest to the claimed technical solution is a matrix ion source for electrostatic rocket engines [S. Ryan, A. Daykin-Iliopoulos, J. Stark, AZ Salaverri, E. Vargas, P. Rangsten, S. Dandavino, C. Ataman, S. Chakraborty, D. Courtney, H. Shea. Experimental progress towards the MicroThrust MEMS electrospray electric propulsion system // Proc. 33 ^rd Intern. Electric Propulsion Conference (IEPC-2013), Oct. 6-10, 2013; George Washington University (USA) 146 (10 p.)], Which uses low-temperature ionic liquids as liquid-ionic conductive materials consisting of melts of organic salts with a melting point below 100 ° C [A. B. Tolstoguzov, S.F. Belykh, BC Gurov, A.I. Taganov, OMND Teodoro, A.A. Trubitsyn, S.P. Chenakin. Ion sources based on low-temperature ionic liquids for aerospace applications, nanotechnology and microprobe analysis (review) // Instruments and experimental technique. 2015. No. 1]. This source was created at the Polytechnic Institute of Lausanne (Switzerland), and then finalized as part of the European project FP-7 MICROTHRUST with the participation of leading universities and firms from the UK, the Netherlands and Sweden. The working substance - a low-temperature ionic liquid [emim] [BF ₄ ] or [emim] [Tf ₂ N], is supplied from the reservoir by capillary to an emitter cell containing matrix nozzles and an ion extractor electrically isolated from them. At the nozzle exit in field evaporation mode, a beam of ions or charged microdrops is formed, which is then accelerated by an external electric field created by a high-voltage bipolar power source. The density of the emitter cells is 100-200 cm ^-2 . Current compensation and space charge neutralization are carried out due to the alternating emission of positively and negatively charged particles - cations and anions that make up the ionic liquid, while the polarity of the accelerating voltage changes with a modulation frequency of 1 Hz. The number of ions that can be obtained in such an ion source, per unit volume of the working substance, is greater than in a gas-discharge ion source due to the higher density of the ionic liquid compared to liquefied inert gases. The main disadvantages of a matrix ion source with a low-temperature ionic liquid are the insufficient mechanical strength of the capillary system, which supplies the ionic liquid from the reservoir to the nozzles, and the instability of the source due to chemical decomposition (degradation) of the ionic liquid during evaporation of ions of different polarity from the emitting layer. These shortcomings make the matrix ion source with a low-temperature ionic liquid unsuitable for use in electrostatic rocket engines during long-term orbital flights and interplanetary missions.

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании компактного ионного источника с высокой механической прочностью, устойчивостью к перегрузкам и продолжительным сроком службы за счет способности генерировать большее число ионов с единицы объема рабочего вещества, чем у известного прототипа.The objective of the invention is to create a compact ion source with high mechanical strength, resistance to overloads and long service life due to the ability to generate a greater number of ions per unit volume of the working substance than the known prototype.

Решение указанной задачи достигается тем, что ионный источник для электростатического ракетного двигателя содержит ионные и электронные эмиттеры, равномерно распределенные по площади источника, ускоряющий электрод-экстрактор, низковольтный источник питания для нагрева ионного источника и высоковольтный биполярный импульсный источник ускоряющего напряжения, отличающийся тем, что ионные и электронные эмиттеры, расположенные на металлической подложке, под которой находится керамический нагреватель, выполнены в виде конусов или пирамид из серебра высокой степени чистоты, являющегося рабочим веществом ионного источника, причем поверхность ионных эмиттеров покрыта пленкой кристаллического твердого электролита с мобильными ионами серебра, а поверхность электронных эмиттеров не покрыта такой пленкой.The solution to this problem is achieved in that the ion source for an electrostatic rocket engine contains ion and electronic emitters uniformly distributed over the area of the source, an accelerating electrode-extractor, a low voltage power source for heating the ion source and a high voltage bipolar pulse source of accelerating voltage, characterized in that the ion and electronic emitters located on a metal substrate, under which there is a ceramic heater, made in the form of cones or a feast Id of silver of high purity, which is an ion source of the working medium, the surface of the ion emitters are coated with a film of a crystalline solid electrolyte mobile silver ions and the surface electron emitters are not covered with such a film.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является устойчивость ионного источника к механическим вибрациям и перегрузкам за счет жесткой конструкции, в которой отсутствуют резервуар с жидким рабочим веществом и капиллярная система его подачи в источник, повышенная стабильность работы и продолжительный срок службы ионного источника за счет раздельного использования ионных и электронных эмиттеров при токовой компенсации и нейтрализации пространственного заряда, а также более эффективного использования рабочего вещества при генерации потока ионов.The technical result provided by the given set of features is the stability of the ion source to mechanical vibrations and overloads due to the rigid structure, in which there is no reservoir with a liquid working substance and a capillary system for supplying it to the source, increased stability of operation and long life of the ion source due to separate use of ionic and electronic emitters for current compensation and spatial charge neutralization, as well as more efficient use Bani working substance stream at an ion generation.

Сущность технического решения поясняется Фиг.1, на которой приведена схема изобретения - ионного источника для электростатического ракетного двигателя.The essence of the technical solution is illustrated in figure 1, which shows a diagram of the invention is an ion source for an electrostatic rocket engine.

Изобретение содержит резервуары рабочего вещества конической или пирамидальной формы. Диаметр резервуаров у основания равен 1 мм при высоте в несколько мм с углом при вершине 30-40° и радиусом закругления на конце острия в несколько мкм. Резервуары изготавливаются с применением специальных масок методами реактивного ионного травления или травления сфокусированным ионным пучком из слоя серебра 1 с чистотой не менее 99%, осажденного гальваническим способом на медную подложку 2 размерами 10×10 см². На поверхность резервуаров, выполняющих роль ионных эмиттеров 3, методами импульсного лазерного или магнетронного напыления наносится тонкая пленка (0.5-1 мкм) кристаллического твердого электролита 4 с мобильными ионами серебра. В качестве твердого электролита используются электролиты с быстрым ионным транспортом RbAg₄I₅ или CsAg₄Br_3-xI_2+x, изготовленные методом механохимического синтеза из мелкодисперсных порошков исходных чистых материалов (AgI, RbI, CsI, AgBr) в планетарной мельнице при комнатной температуре. Количество ионных эмиттеров может достигать величины 10⁴ и более на подложке площадью 100 см². Часть резервуаров, равномерно распределенных по площади подложки, не покрывается пленкой твердого электролита и служит электронными эмиттерами 5, необходимыми для нейтрализации ионного тока и компенсации положительного пространственного заряда. Т.к. эффективность автоэлектронной эмиссии выше, чем полевого испарения ионов, то количество ионных эмиттеров составляет не менее 90% от общего количества эмиттеров. Эмиттерный узел, включающий медную подложку с ионными и электронными эмиттерами, монтируется на керамическом нагревателе 6. Механическая прочность эмиттерного узла обеспечивается керамическими держателя-изоляторами 7, на которых также крепится ускоряющий электрод-экстрактор 8, выполненный из тонкой металлической пластины с отверстиями напротив ионных и электронных эмиттеров. Низковольтный источник питания 9 обеспечивает нагрев эмиттерного узла до температуры ниже температуры плавления твердых электролитов, а импульсный высоковольтный источник питания 10 служит для полевого испарения ионов серебра с поверхности ионных эмиттеров и ускорения эмитированных ионов 11, а также для обеспечения автоэлектронной эмиссии с поверхности электронных эмиттеров-нейтрализаторов и ускорения эмитированных электронов 12.The invention comprises reservoirs of a working substance of a conical or pyramidal shape. The diameter of the tanks at the base is 1 mm at a height of several mm with an angle at the apex of 30-40 ° and a radius of curvature at the end of the tip of several microns. The tanks are made using special masks by reactive ion etching or etching with a focused ion beam from a silver layer 1 with a purity of at least 99%, deposited galvanically on a copper substrate 2 with dimensions of 10 × 10 cm ² . A thin film (0.5-1 μm) of crystalline solid electrolyte 4 with mobile silver ions is deposited on the surface of reservoirs acting as ionic emitters 3 by pulsed laser or magnetron sputtering. As a solid electrolyte, electrolytes with fast ion transport RbAg ₄ I ₅ or CsAg ₄ Br _3-x I _{2 + x are used} , made by mechanochemical synthesis from fine powders of starting pure materials (AgI, RbI, CsI, AgBr) in a planetary mill at room temperature temperature. The number of ionic emitters can reach 10 ⁴ or more on a substrate with an area of 100 cm ² . A part of the reservoirs uniformly distributed over the substrate area is not covered by a solid electrolyte film and serves as electronic emitters 5 necessary for neutralizing the ion current and compensating for the positive space charge. Because since field emission is higher than field evaporation of ions, the number of ionic emitters is at least 90% of the total number of emitters. The emitter assembly, including a copper substrate with ionic and electronic emitters, is mounted on a ceramic heater 6. The mechanical strength of the emitter assembly is provided by ceramic holder-insulators 7, on which an accelerating electrode-extractor 8 is also mounted, made of a thin metal plate with holes opposite ionic and electronic emitters. A low-voltage power supply 9 provides heating of the emitter assembly to a temperature below the melting temperature of solid electrolytes, and a pulsed high-voltage power supply 10 serves for field evaporation of silver ions from the surface of ionic emitters and accelerates emitted ions 11, as well as for field emission from the surface of electronic emitter-neutralizers and acceleration of emitted electrons 12.

Изобретение работает следующим образом. На эмиттерный узел с высоковольтного блока питания подается биполярное импульсное напряжение с амплитудой 10 кВ и частотой модуляции 1 Гц. При положительном (относительно ускоряющего электрода-экстрактора) потенциале на эмиттерном узле атомы серебра в ионных эмиттерах за счет окислительно-восстановительных реакций на границе «серебряный резервуар - твердый электролит» превращаются в положительные ионы, концентрация которых в электролите может достигать 10²² см^-3. Эти ионы мигрируют по туннелям быстрого ионного транспорта внутри жесткой подрешетки катионов в электролите к границе «электролит-вакуум», испаряются в вакуум и ускоряются внешним электрическим полем в пространстве между острием ионного эмиттера и входным отверстием в ускоряющем электроде. При отрицательном (относительно ускоряющего электрода-экстрактора) потенциале на эмиттерном узле происходит автоэлектронная эмиссия с острия электронных эмиттеров, непокрытых пленкой твердого электролита. Подбором количества ионных и электронных эмиттеров, а также длительности импульсов положительного и отрицательного ускоряющего напряжения достигаются полная токовая компенсация и нейтрализация пространственного заряда.The invention works as follows. A bipolar pulse voltage with an amplitude of 10 kV and a modulation frequency of 1 Hz is supplied to the emitter assembly from a high-voltage power supply unit. At a positive (relative to the accelerating electrode-extractor) potential at the emitter site, silver atoms in ionic emitters are transformed into positive ions, the concentration of which in the electrolyte can reach 10 ²² cm ^-3 due to redox reactions at the silver reservoir – solid electrolyte interface. These ions migrate through tunnels of fast ion transport inside the rigid sublattice of cations in the electrolyte to the electrolyte-vacuum interface, evaporate into vacuum and are accelerated by an external electric field in the space between the tip of the ion emitter and the inlet in the accelerating electrode. At negative (relative to the accelerating electrode-extractor) potential at the emitter site, field emission occurs from the tip of electronic emitters, which are not coated with a solid electrolyte film. By selecting the number of ionic and electronic emitters, as well as the pulse duration of the positive and negative accelerating voltage, full current compensation and spatial charge neutralization are achieved.

Ионная эмиссия обеспечивается в основном за счет полевого испарения ионов, поэтому ионные эмиттеры с пленкой твердого электролита работают при более низкой напряженности электрического поля, чем автоионные эмиттеры с жидкими металлами в качестве рабочих веществ, т.к. отпадает необходимость в ионизации эмитируемых частиц. Нагрев эмиттерного узла до температуры 150-200°С стимулирует миграцию ионов через электролит, что улучшает эффективность работы ионных эмиттеров. При этом рабочая температура ионного источника остается гораздо ниже, чем температура контактных термоионных источников, работающих в режиме поверхностной ионизации элементов с низкой работой выхода. Убыль подвижных ионов серебра в пленке твердого электролита из-за их эмиссии в вакуум компенсируется за счет миграции этих ионов из серебряного резервуара. В идеальном случае каждый отдельный ионный эмиттер может работать пока не израсходуется весь объем резервуара. Учитывая, что удельная плотность серебра составляет 10.5 г/см³ при атомной плотности 5.86×10²² ат/см³, можно подсчитать, что ионный эмиттер с серебряным резервуаром весом 0.1 г способен генерировать ионный ток порядка 0.5 мкА в течение 1 года. Суммарный ток ионов серебра, который можно получить с ионного источника площадью 100 см², будет составлять не менее 50 мА. Такой источник может обеспечить силу тяги в несколько десятков микроньютонов, что позволит проводить автономное маневрирование микроспутников в формате CubeSat на околоземных орбитах на высоте 600-700 км от поверхности Земли, где сила сопротивления воздуха составляет примерно 0.15 мкН. При необходимости, возможно одновременное использование нескольких источников, что позволит увеличить силу тяги и удельный импульс электростатического ракетного двигателя.Ion emission is ensured mainly due to field evaporation of ions; therefore, ion emitters with a solid electrolyte film operate at a lower electric field strength than auto ion emitters with liquid metals as working substances, because there is no need for ionization of emitted particles. Heating the emitter assembly to a temperature of 150-200 ° C stimulates the migration of ions through the electrolyte, which improves the efficiency of ion emitters. In this case, the working temperature of the ion source remains much lower than the temperature of contact thermionic sources operating in the surface ionization mode of elements with a low work function. The loss of mobile silver ions in the solid electrolyte film due to their emission into vacuum is compensated by the migration of these ions from the silver reservoir. In the ideal case, each individual ion emitter can operate until the entire tank volume is consumed. Given that the specific gravity of silver is 10.5 g / cm ³ at an atomic density of 5.86 × 10 ²² at / cm ³ , it can be estimated that an ion emitter with a silver tank weighing 0.1 g is capable of generating an ion current of the order of 0.5 μA for 1 year. The total current of silver ions, which can be obtained from an ion source with an area of 100 cm ² , will be at least 50 mA. Such a source can provide a traction force of several tens of micronewtons, which will allow for autonomous maneuvering of CubeSat microsatellites in near-earth orbits at an altitude of 600-700 km from the Earth’s surface, where the air resistance is about 0.15 μN. If necessary, the simultaneous use of several sources is possible, which will increase traction and specific impulse of an electrostatic rocket engine.

Эффективность работы заявляемого компактного твердотельного ионного источника с пленкой твердого электролита гораздо выше, чем у матричного ионного источника, использующего в качестве рабочего вещества низкотемпературную ионную жидкость, за счет более высокой плотности твердого серебра по сравнению с ионной жидкостью. Отсутствие резервуара для жидкого рабочего вещества и системы его подачи в источник уменьшает габариты источника и увеличивает его механическую прочность, устойчивость к вибрациям и перегрузкам. В отличие от матричного ионного источника с низкотемпературной ионной жидкостью, в твердотельном ионном источнике в процессе его работы не происходит химическая деградация эмитирующего слоя (пленки твердого кристаллического электролита), т.к. эта пленка служит только транспортной системой для мобильных положительных ионов серебра, поставляемых из твердотельного резервуара. Предложенное устройство найдет применение при создании электростатических двигателей малой тяги, в первую очередь для микроспутников в формате CubeSat.The efficiency of the inventive compact solid-state ion source with a film of solid electrolyte is much higher than that of a matrix ion source that uses a low-temperature ionic liquid as a working substance due to the higher density of solid silver compared to an ionic liquid. The absence of a reservoir for a liquid working substance and a system for supplying it to the source reduces the dimensions of the source and increases its mechanical strength, resistance to vibration and overloads. Unlike a matrix ion source with a low-temperature ionic liquid, in a solid-state ion source, during its operation, chemical degradation of the emitting layer (film of solid crystalline electrolyte) does not occur. this film serves only as a transport system for mobile positive silver ions supplied from a solid-state tank. The proposed device will find application in the creation of electrostatic low-thrust engines, primarily for microsatellites in the CubeSat format.

Claims (1)

Ионный источник для электростатического ракетного двигателя, содержащий ионные и электронные эмиттеры, равномерно распределенные по площади источника, ускоряющий электрод-экстрактор, низковольтный источник питания для нагрева ионного источника и высоковольтный биполярный импульсный источник ускоряющего напряжения, отличающийся тем, что ионные и электронные эмиттеры, расположенные на металлической подложке, под которой находится керамический нагреватель, выполнены в виде конусов или пирамид из серебра высокой степени чистоты, являющегося рабочим веществом ионного источника, причем поверхность ионных эмиттеров покрыта пленкой кристаллического твердого электролита с мобильными ионами серебра, а поверхность электронных эмиттеров не покрыта такой пленкой.An ion source for an electrostatic rocket engine containing ion and electronic emitters uniformly distributed over the area of the source, an accelerating electrode-extractor, a low voltage power source for heating the ion source and a high voltage bipolar pulse source of accelerating voltage, characterized in that the ion and electronic emitters located on metal substrate, under which there is a ceramic heater, made in the form of cones or pyramids of silver of high purity, is working ion source, and the surface of the ion emitters is coated with a film of crystalline solid electrolyte with mobile silver ions, and the surface of the electronic emitters is not covered with such a film.

Images