Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов

 

Изобретение предназначено для использования в области космической техники, а именно в электрореактивных двигательных установках, и может быть использовано в стационарных плазменных двигателях и двигателях с анодным слоем, а также в области прикладного применения плазменных ускорителей. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий по меньшей мере один катод-компенсатор, разрядную камеру с анодом-газораспределителем и магнитную систему, содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, наружные и внутренние источники намагничивающей силы, причем наружные источники намагничивающей силы расположены на равноудаленном расстоянии друг от друга, наружные источники намагничивающей силы выполнены в таком виде, что их поперечное сечение имеет вытянутую форму, причем наибольший поперечный размер расположен параллельно касательной разрядной камеры. Поперечные сечения наружных источников намагничивающей силы могут иметь прямоугольную или эллиптическую форму или выполнены в виде кольцеобразного сегмента. Изобретение позволяет повысить механическую прочность магнитной системы и азимутальную однородность магнитного поля. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области космической техники, а именно к электрореактивным двигательным установкам, и может быть использовано в стационарных плазменных двигателях и двигателях с анодным слоем, а также в области прикладного применения плазменных ускорителей.

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий катод-компенсатор, коаксиальную разрядную камеру, образованную внутренней и наружной стенками, в полости которой установлен кольцевой анод-газораспределитель, и магнитную систему, содержащую магнитопровод-основание, внутренний и наружный магнитные полюса, наружный и внутренний источники намагничивающей силы, причем наружный источник намагничивающей силы, имеющий торообразную форму, окружен с внешней стороны сплошным магнитопроводящим ярмом [1]. Двигатели, в которых реализована данная конструктивная схема магнитной системы, обладают оптимальной азимутальной однородностью магнитного поля. Внешняя часть магнитного контура, образованная соединением ярма с наружным полюсом, определяет конфигурацию магнитной линзы в межполюсном зазоре и влияет на фокусирующие свойства магнитной линзы. Кроме этого, цилиндрическое ярмо выполняет функцию силового элемента конструкции, несущего на себе магнитопроводящий наружный полюс, которое должно иметь достаточную механическую прочностью.

Однако для повышенных механических нагрузок требуемый запас прочности магнитной системы может быть достигнут за счет увеличения толщины ярма, что, в свою очередь, приведет к увеличению его массы. Другим недостатком такой магнитной системы является повышенная теплонапряженность конструкции двигателя из-за теплосборса излучением с наиболее горячей разрядной камеры на окружающее ее цилиндрическое ярмо, что приводит лишь к перераспределению значительного теплового потока между собственными элементами двигателя.

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, принятый за прототип, включающий катод-компенсатор, коаксиальную разрядную камеру с зонами ионизации и ускорения, образованную внутренней и наружной стенками, в полости которой установлен кольцевой анод-газораспределитель, и магнитную систему, содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, наружные и внутренний источники намагничивающей силы, причем разрядная камера с анодом при помощи фланца закреплена на наружном магнитном полюсе [2]. Задача по снижению теплонапряженности конструкции решена за счет замены одного наружного источника намагничивающей силы торообразной формы на несколько источников намагничивающей силы цилиндрической формы, равномерно размещенных с внешней стороны разрядной камеры и формирующих внешнюю часть магнитного контура магнитной системы. В такой конструктивной схеме двигателя исключается сплошное экранирующее цилиндрическое ярмо, которое препятствовало сбросу части теплового потока излучением с внешней боковой стенки разрядной камеры в окружающее пространство через промежутки между наружными источниками намагничивающей силы.

Однако и такая конструктивная схема имеет ряд недостатков: низкую механическую прочность конструкции магнитной системы и азимутальную неоднородность магнитного поля.

В данной конструктивной схеме магнитная система выполняет дополнительные функции, так как является силовым несущим узлом. Такой узел образован закрепленными по углам магнитопровода источниками намагничивающей силы, на которых, в свою очередь, закрепляется наружный магнитный полюс, к которому при помощи фланца присоединена разрядная камера с анодом-газораспределителем. Такая массивная пространственная конструкция магнитной системы имеет недостаточную механическую прочность при внешних механических воздействиях в двух взаимно перпендикулярных поперечных направлениях относительно цилиндрических источников намагничивающей силы. Опорная база каждого источника намагничивающей силы ограничена собственным наружным диаметром, который из условия магнитного насыщения материала является относительно небольшим. Увеличение же диаметра каждого цилиндрического источника намагничивающей силы приведет к увеличению массы самих источников намагничивающей силы, магнитной системы и габаритов двигателя в целом. При этом повышение механической прочности конструкции будет несущественным.

При переходе к двигателям повышенной мощности, а следовательно, к увеличенному типоразмеру, расстояние между наружными источниками намагничивающей силы становится больше. При этом увеличение собственных габаритов наружных источников намагничивающей силы является небольшим, что приведет к увеличению азимутальной неоднородности магнитного поля во внешней части магнитного контура (в наружном магнитном полюсе) и соответственно к азимутальной неоднородности конфигурации магнитной линзы в полости ускорительного канала разрядной камеры.

Целью изобретения является повышение механической прочности магнитной системы с одновременным повышением азимутальной однородности магнитного поля, а также обеспечение эффективного теплосброса излучением с внешней боковой поверхности разрядной камеры Это достигается тем, что в плазменном двигателе с замкнутым дрейфом электронов, включающим по меньшей мере один катод-компенсатор, разрядную камеру с анодом-газораспределителем и магнитную систему, содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, наружные и внутренний источники намагничивающей силы, причем наружные источники намагничивающей силы расположены на равноудаленном расстоянии друг от друга, согласно изобретению наружные источники намагничивающей силы выполнены в таком виде, что их поперечное сечение имеет вытянутую форму, причем наибольший поперечный размер расположен параллельно касательной разрядной камеры. Поперечное сечение наружных источников намагничивающей силы могут представлять собой прямоугольную или эллиптическую форму или форму кольцеобразного сегмента.

Выполнение наружных источников намагничивающей силы плоской или эллиптической формы или в виде кольцеобразных сегментов (т.е. протяженных в одном из двух взаимно перпендикулярных направлениях), а также их размещение таким образом, что их наибольший поперечный размер расположен параллельно касательной разрядной камеры, позволяет решить задачу повышения механической устойчивости магнитной системы и запасов прочности ее конструкции за счет увеличения опорной базы при воздействии на нее инерционных сил в двух поперечных взаимно перпендикулярных направлениях.

Оптимальное соотношение поперечных размеров источников намагничивающей силы, выполненных согласно изобретению, позволяет одновременно уменьшить расстояния между соседними источниками намагничивающей силы, что повысит азимутальную однородность магнитного поля по сравнению с аналогами, и обеспечить высокую эффективность дополнительного теплосброса излучением с боковой поверхности разрядной камеры через промежутки между источниками намагничивающей силы Изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 изображен осевой разрез Б-Б предлагаемого плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов.

На фиг.2 показан поперечный разрез (А-А) варианта двигателя с наружными источниками намагничивающей силы, выполненных плоской формы.

На фиг. 3 показан поперечный разрез двигателя (А-А) по одному наружному источнику намагничивающей силы, выполненного эллиптической формы.

На фиг. 4 показан поперечный разрез двигателя (А-А) по одному наружному источнику намагничивающей силы, выполненного в виде кольцеобразного сегмента.

L_х и L_y - проекции поперечных размеров сердечников индукционных катушек на соответствующие оси Х и Y (направления внешних механических воздействий), определяющие опорную базу каждого источника намагничивающей силы.

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов включает катод-компенсатор 1, разрядную камеру 2, анод-газораспределитель 3, магнитную систему, состоящую из магнитопровода 4, внутреннего 5 и наружного 6 магнитных полюсов, наружных 7 и внутреннего 8 источников намагничивающей силы. Причем между наружными источниками намагничивающей силы 7 образованы пролеты 9.

Двигатель работает следующим образом.

Запуск двигателя осуществляется путем запитывания магнитной системы, магнитный контур которой образован магнитопроводом 4, внутренним 5 и наружным 6 магнитными полюсами, наружными 7 и внутренним 8 источниками намагничивающей силы. Подача рабочего газа осуществляется в катод-компенсатор 1 и через анод-газораспределитель 3 в разрядную камеру 2. Газ, попадая в разрядную камеру 2, ионизируется и ускоряется в скрещенных полях. Ускоренный ионный поток на выходе из разрядной камеры 2 проходит межполюсный зазор, образованный внутренним 5 и наружным 6 магнитными полюсами, компенсируется при помощи катода-компенсатора 1. В процессе работы двигатель разогревается и дополнительный теплосброс излучением осуществляется с боковой поверхности разрядной камеры 2 через пролеты 9 между наружными источниками намагничивающей силы 7.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ: 1. Гришин С.Д. и Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1989, с. 143.

2. Патент РФ 2030134, кл. 6 Н 05 Н 1/54, F 03 H 1/00 - прототип.

Формула изобретения

1. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, включающий по меньшей мере один катод-компенсатор, разрядную камеру с анодом-газораспределителем, и магнитную систему, содержащую магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, наружные и внутренний источники намагничивающей силы, причем наружные источники намагничивающей силы расположены на равноудаленном расстоянии друг от друга, отличающийся тем, что наружные источники намагничивающей силы выполнены в таком виде, что их поперечное сечение имеет вытянутую форму, причем наибольший поперечный размер расположен параллельно касательной разрядной камеры.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что поперечное сечение наружных источников намагничивающей силы представляет собой прямоугольную форму.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что поперечное сечение наружных источников намагничивающей силы представляет собой эллиптическую форму.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что поперечное сечение наружных источников намагничивающей силы представляет собой кольцеобразный сегмент.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4