UA52278A - Стаціонарний плазмовий двигун - Google Patents

Abstract

Стаціонарний плазмовий двигун містить розрядну камеру з кільцеподібним прискорювальним каналом, кільцеподібний анод-розподільник з отворами у стінці для підводу робочого тіла й подачі у прискорювальний канал, магнітну систему, що включає зовнішні й внутрішнє джерела магніторушійної сили, зовнішні й внутрішній полюсні наконечники, магнітні екрани. Двигун оснащений принаймні одним анодом, розташованим у прискорювальному каналі на його внутрішній й (або) зовнішній поверхнях з мінімальним значенням радіальної складової магнітного поля й підключеним у живильне коло під потенціалом анода-розподільника.

Description

Опис винаходу

Винахід відноситься до плазмової техніки й може знайти застосування у прискорювачах, що 2 використовуються, зокрема, як електроракетні двигуні космічних рушійних установок.

Є відомим стаціонарний плазмовий двигун (Гришин С.Д., Лесков Л.В. Злектрические ракетнье двигатели космических аппаратов. М. Машиностроение. 1989, с.143 - 144), що містить у своєму складі вузол підводу електроживлення, діелектричну розрядну камеру, вузол підводу робочого тіла в розрядну камеру, магнітну систему що містить зовнішній й внутрішні магнітні котушки, магнітопровід з зовнішнім та внутрішнім полюсним 70 наконечниками біля вихідної частини розрядної камери, систему електродів - анод, розташований у розрядній камері біля задньої стінки, поєднаний з газоросподілителем кільцевої форми з отворами у стінці для подачі робочого тіла у розрядну камеру й катод-компенсатор, розташований поза розрядної камери по другу сторону міжполюсного зазору.

Найбільш близьким технічним рішенням до пропонованого винаходу, обраному у якості прототипу, є 12 стаціонарний плазмовий двигун (Патент РФ Мо2030134, кл. НОБНІ/54, РОЗНІ1/00, 1992), що містить розрядну камеру з кільцеобразним прискорювальним каналом, відкритим у вихідної частині розрядної камери, анод-газоросподілитель кільцевої форми з отворами у стінці для підводу й подачі робочого тіла у прискорювальний канал, розташований у порожнині прискорювального каналу біля його торцевої стінки, магнітну систему, що містить зовнішнє та внутрішнє джерела магніторушійної сили, встановлені у колі магнітопроводу, який включає зовнішній та внутрішній полюсні наконечники, розташовані біля вихідної частини прискорювального каналу, а також магнітні екрани, встановлені з зазором відносно полюсних наконечників, при цьому перший з магнітних екранів охвачує внутрішнє джерело магніторушійної сили, а другий охвачує зовні розрядну камеру, катод-компенсатор, розташований поза розрядної камери по другу сторону міжполюсного зазору. Одна з особливостей двигуна такого типу - поєднання процесів іонізації й прискорення робочого тіла у єдиному, протягненому вздовж осі двигуна, шарі іонізації й прискорення, де зосереджено найбільший перепад « потенціалів прискорюючого електричного поля, при тому, що електричне поле має осьовий й радіальний складники на протязі шару іонізації й прискорення. Наявність радіального складника електричного поля призводить до відхилення траєкторії іонів що прискорюються у шарі іонізації й прискорення від осьового напрямку й випадінню їх на поверхню прискорювального каналу, де вони нейтралізуються. За цим деяка частина со нейтралізованих іонів повертається у прискорювальний канал, де можлива їх повторна іонізація й прискорення, а. з друга частина вилітає за межи прискорювального каналу, не беручи участі в утворенні тяги.

Недоліком як відомих аналогів так і прототипу є наявність значного осьового складника вектору швидкості с часток робочого тіла у напрямку від аноду до виходу з прискорювального каналу, що обумовлено відбиваючою /-су дією поверхні аноду-розподілителя й поверхні прискорювального каналу, з приданням часткам робочого тіла осьового складника швидкості, у напрямку виходу з прискорювального каналу. Наявність осьового складника о вектору швидкості робочого тіла у напрямку до виходу з прискорювального каналу призводить до того, що як первинна іонізація деякої частини робочого тіла, так і повторна іонізація нейтралізованих й повернувшихся у канал іонів здійснюється у частинах шару іонізації й прискорення, віддалених від початку шару. Ці іони « проходять меншу частину прискорюючої різності потенціалів, що зосереджено на протязі шару іонізації й З 50 прискорення, як слідство, знижуючи середню швидкість іонного потоку на виході з розрядної камери. Зниження с середньої швидкості витікання робочого тіла знижує тягову й енергетичну ефективність роботи стаціонарного з» плазмового двигуна.

В основу винаходу поставлено задачу підвищення тягової й енергетичної ефективності роботи стаціонарного плазмового двигуна за рахунок збільшення середньої швидкості потоку іонів робочого тіла, прискорених при проходженні прискорюючої різності потенціалів зосередженого у розрядній камері електричного поля, що і-й досягається збільшенням долі іонів, що утворюються на початку шару іонізації й прискорення, ближче до аноду ка на основі зниження осьового складника, у напрямку виходу з прискорювального каналу, швидкості руху нейтральних часток робочого тіла при використанні винаходу. ді Поставлена задача вирішується тим, що стаціонарний плазмовий двигун, що містить розрядну камеру з -і 20 кільцеобразним прискорювальним каналом, відчиненим у вихідній чистині розрядної камери, кільцеобразний анод-розподілитель з отворами у стінці для підводу робочого тіла й подачі у прискорювальний канал, й со розташований у порожнині прискорювального каналу біля його торцевої стінки, магнітну систему, що включає зовнішні й внутрішнє джерела магніторушійної сили, встановлені у колі магнітопроводу, який включає зовнішні й внутрішній полюсні наконечники, розташовані біля вихідної частини прискорювального каналу, а також магнітні 25 екрани, встановлені з зазором відносно полюсних наконечників, при цьому перший з магнітних екранів охвачує в. внутрішнє джерело магніторушійної сили, а другий екран охвачує зовні розрядну камеру, катод-компенсатор розташований поза розрядною камерою по другу сторону міжполюсного зазору, згідно з винаходом, оснащено, принаймні, одним анодом, розташованим у прискорювальному каналі на його внутрішній й (або) зовнішній поверхнях з мінімальним значенням радіального складника магнітного поля й підключеним у живлючє коло під 60 потенціалом аноду-розподілителя, й маючи рельєф у вигляді канавок уздовж азимуту на поверхні, звернутої до області розряду, оснащено, принаймні, одним розсіюючим екраном, розташованим у прискорювальному каналі на його внутрішній й (або) зовнішній поверхнях, й маючим рельєф у вигляді канавок уздовж азимуту на поверхні, звернутої до області розряду, оснащено екраном, встановленим поблизу або на поверхні аноду-розподілителя й маючи рельєф на поверхні, звернутої до області розряду. бо Анод може бути виконаним у вигляді одного або декількох циліндричних кілець, що мають рельєф у вигляді кільцевих канавок, стінки яких утворено, принаймні, одною нахиленою і одною вертикальною поверхнею до осі двигуна. Підключення аноду може здійснюватися через металеві провідники, що проходять скрізь тіло розрядної камери або у її внутрішній області.

Розсіюючий екран може бути виконаним у вигляді одного або декількох циліндричних кілець, що мають рельєф у вигляді кільцевих канавок, стінки яких утворено, принаймні, одною нахиленою і одною вертикальною поверхнею до осі двигуна.

Екран може бути виконано у вигляді плоского кільця, встановленого на поверхні аноду-розподілителю й маючого рельєф у вигляді соосних кільцевих канавок, стінки яких утворено нахиленими й (або) вертикальними /о поверхнями до осі двигуна.

На стаціонарному режимі роботи стаціонарного плазмового двигуна екран з рельєфом на поверхні забезпечує розсіяння на ньому часток робочого тіла, нейтральних й нейтралізованих іонів, переважно, порівняно з поверхнею без штучного рельєфу, у напрямку уздовж площині екрану, перпендикулярно до осі двигуна, т.ч. знижуючи поздовжню, у напрямку виходу з прискорювального каналу, швидкість руху нейтральних часток 7/5 робочого тіла.

Окрім того, розсіюючий екран й аноди з рельєфом на поверхні забезпечують розсіяння на них часток робочого тіла, нейтральних й нейтралізованих іонів, переважно, порівняно з поверхнею без штучного рельєфу, у напрямку зворотному до виходу з прискорювального каналу, т.ч. знижуючи поздовжню, у напрямку виходу з прискорювального каналу, швидкість руху нейтральних часток робочого тілу.

Зниження швидкості руху нейтральних часток робочого тіла, у напрямку виходу з прискорювального каналу, призводить до того, що збільшується доля часток робочого тіла, що іонізуються на початку шару іонізації й прискорення, ближче до аноду-розподілителя, й проходять більшу частину прискорюючої різниці потенціалів, яка зосереджена на протязі цього шару, й, як наслідок, зростає середня швидкість іонного потоку на виході з прискорювального каналу. Збільшення середньої швидкості витікання робочого тілу забезпечує підвищення ов ТЯГОВОЇ й енергетичної ефективності стаціонарного режиму роботи стаціонарного плазмового двигуна.

На фігурі (Фіг.) наведено переріз одного з варіантів виконання запропонованого стаціонарного плазмового « двигуна.

Стаціонарний плазмовий двигун утримує розрядну камеру 1 з кільцеобразним прискорювальним каналом, відкритим у вихідної частині розрядної камери 1, анод-газоросподілитель 2 кільцевої форми з отворами у стінці оз зо для підводу й подачі робочого тіла у прискорювальний канал, розташований у порожнині прискорювального каналу біля його торцевої стінки. Стаціонарний плазмовий двигун утримує магнітну систему, що включає - магнітопровід, що служить для формування магнітного полю у зоні розряду й утримує у своєму складі внутрішній с

З та зовнішній 4 полюсні наконечники, задній фланець 5, центральний 6 та декілька периферійних 7 сердечників, що поєднують полюсні наконечники З і 4 з заднім фланцем 5, а також зовнішній 8 та внутрішній 9 магнітні с зв екрани, встановлені з зазором відносно полюсів З і 4. Магнітна система включає також джерело магніторушійної ю сили, що утримує у своєму складі центральну 10 та декілька периферійних 11 магнітних котушок, встановлених, відповідно, на центральному б та периферійному 7 сердечниках магнітопроводу. Стаціонарний плазмовий двигун утримує два розсіюючих екрана 12, розташованих у прискорювальному каналі на його внутрішній й (або) зовнішній поверхнях, виконаних у вигляді циліндричних кілець, що мають рельєф на поверхні, звернутої до « області розряду у розрядній камері 1, утримує екран 13, встановлений на поверхні аноду-розподілителя 2 й з с маючи рельєф на поверхні, звернутої до області розряду у розрядній камері 1. Стаціонарний плазмовий двигун . утримує два анода 14, розташованих у прискорювальному каналі на його внутрішній та зовнішній поверхнях з а мінімальним значенням радіального складника магнітного поля й підключеним у живлючеє коло потенціалом аноду-розподілителя 2, виконаних у вигляді одного або декількох циліндричних кілець й маючих рельєф на поверхні, звернутої до області розряду у розрядній камері 1. Стаціонарний плазмовий двигун також утримує с катод-компенсатор 15, встановлений поза розрядної камери 1 так, щоб його ось симетрії збігалася з напрямком силової лінії магнітного поля, що проходить через цю ось. Штриховими лініями 16 показано силові лінії ю магнітного поля у між полюсному зазорі й лінії розсіяння магнітного поля поблизу катоду-компенсатора 15. ко Двигун працює наступним чином. По команді на вмикання починається підготовка (нагрів) катод-компенсатор 5о 019 й подача у нього та у анод-розподілитель 2 робочого тіла. По закінченню часу підготовки подається напруга ш- запалення на катод-компенсатор 15 та напруга основного ланцюга розряду між анодом-розподілителєм 2 і с катод-компенсатор 15. Після запалення розряду у розрядній камері 1, нагрів катод-компенсатор 15 і напруга запалення відключаються. Двигун переходить до стаціонарного режиму роботи. При цьому, утворені у розряді іони робочого тіла прискорюються у електричному полі, сформованому електронами, дрейфуючими у магнітному ов полі, яке утворюється поміж полюсних наконечників З і 4 та магнітних екранів 8 Її 9 магнітопроводу за допомогою джерел магніторушійної сили - котушок 10 і 11, встановлених у колі магнитопроводу, а також за

Р допомогою заднього фланцю 5, центрального б і декількох периферійних 7 сердечників магнітопроводу, що поєднують полюсні наконечники З і 4 з заднім фланцем 5. Основна частина прикладеного поміж катодом-компенсатором 15 та анодом-розподілтелем 2 розрядної напруги зосереджена у шарі іонізації й бо прискорення, у розрядному проміжку розрядної камери 1, поблизу виходу, де й відбувається іонізація та прискорення робочого тіла. Наявність радіального складника електричного поля призводить до відхилення траєкторії іонів що прискорюються у шарі іонізації й прискорення від осьового напрямку й випадінню їх на поверхню прискорювального каналу, де вони нейтралізуються. За цим деяка частина нейтралізованих іонів повертається у прискорювальний канал, де можлива їх повторна іонізація й прискорення, а друга частина 65 вилітає за межи прискорювального каналу, не беручи участі в утворенні тяги. При цьому, розсіюючи екрани 12 й аноди 14 з рельєфом на поверхні забезпечують такий характер розсіяння на них нейтральних часток робочого тіла й нейтралізованих іонів, порівняно з поверхнею без штучного рельєфу, що середній, отриманий осередненням за всіма напрямками випускання часток з поверхні, осьовий складник швидкості руху часток робочого тіла, у напрямку виходу з прискорювального каналу, знижується.

У той же час, екран 13 з рельєфом на поверхні забезпечує збільшення, порівняно з поверхнею без штучного рельєфу, середнього, отриманого осередненням за всіма напрямками випускання часток з поверхні, радіального складника швидкості руху часток робочого тіла, т.ч. осьовий складник швидкості руху часток робочого тіла, у напрямку виходу з прискорювального каналу, знижується.

Вказаний механізм розсіяння часток робочого тіла на штучному рельєфі забезпечує збільшення долі робочого тіла, що іонізується на початку шару іонізації й прискорення, а також

7/0 Зменшує долю часток робочого тіла що вилітають за межи прискорювального каналу без прискорення.

При цьому, чим ближче до початку шару іонізації й прискорення трапляється іонізація часток робочого тіла, тим більшу частину прискорюючої різниці потенціалів електричного поля може пройти іон при прискореному русі у шарі іонізації й прискорення до виходу з каналу, й тим більший приріст швидкості може отримати іон на виході з каналу.

Як наслідок, більша тяга може бути розвита двигуном за умов одного й того ж масового розходу робочого тіла через анод-розподілитель 2 та при одній і тій же розрядній напрузі.

Компенсація позитивного заряду струменя іонів за межами дії магнітного поля здійснюється аналогічно тому, як це здійснюється у прототипі.

Таким чином, запропонований стаціонарний плазмовий двигун, оснащений розсіюючими екранами 12, екраном 13 та анодами 14, які мають штучний рельєф на поверхні, буде мати підвищені тяго-енергетичні характеристики.

Claims (6)

Формула винаходу

1. Стаціонарний плазмовий двигун, що містить розрядну камеру з кільцеподібним прискорювальним каналом, відкритим у вихідній частині розрядної камери, кільцеподібний анод-розподільник з отворами у стінці для підводу робочого тіла й подачі у прискорювальний канал, розташований у порожнині прискорювального каналу « біля його торцевої стінки, магнітну систему, що включає зовнішні й внутрішнє джерела магніторушійної сили, встановлені у колі магнітопроводу, який включає зовнішні й внутрішній полюсні наконечники, розташовані біля вихідної частини прискорювального каналу, а також магнітні екрани, встановлені з зазором відносно полюсних со зо наконечників, при цьому перший з магнітних екранів охоплює внутрішнє джерело магніторушійної сили, а другий екран охоплює зовні розрядну камеру, катод-компенсатор, розташований поза розрядною камерою по другу в. сторону міжполюсного зазору, який відрізняється тим, що він оснащений, принаймні, одним анодом, сч розташованим у прискорювальному каналі на його внутрішній й (або) зовнішній поверхнях з мінімальним значенням радіальної складової магнітного поля й підключеним у живильне коло під потенціалом с анода-розподільника, і що має рельєф у вигляді канавок уздовж азимуту на поверхні, повернутій до області ю розряду, оснащено, принаймні, одним розсіювальним екраном, розташованим у прискорювальному каналі на його внутрішній й (або) зовнішній поверхнях, й що має рельєф у вигляді канавок уздовж азимуту на поверхні, повернутій до області розряду, оснащено екраном, встановленим поблизу або на поверхні анода-розподільника й що має рельєф на поверхні, повернутій до області розряду. « 20 2.

Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що анод виконано у вигляді циліндричного кільця. з с З.

Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що рельєф на поверхні анода виконано у вигляді кільцевих канавок, стінки яких утворено, принаймні, одною нахиленою і одною вертикальною поверхнею до осі двигуна. :з»

4. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що розсіювальний екран виконано у вигляді циліндричного кільця.

5. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що рельєф на поверхні розсіювального екрана виконано у вигляді кільцевих канавок, стінки яких утворено, принаймні, одною нахиленою і одною вертикальною поверхнею до осі с двигуна.

6. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що рельєф на поверхні виконано у вигляді співвісних кільцевих іме) канавок, стінки яких утворено нахиленими й (або) вертикальними поверхнями до осі двигуна. й 50 Офіційний бюлетень "Промислоава власність". Книга 1 "Винаходи, корисні моделі, топографії інтегральних - мікросхем", 2002, М 12, 15.12.2002. Державний департамент інтелектуальної власності Міністерства освіти і со науки України. Р 60 б5