Плазмовий холовський двигун малої потужності

Винахід відноситься до галузі ракетно-космічної техніки, а точніше до електроракетних двигунів, і може бути використаним при створенні двигунних установок для космічних апаратів із малою енергооснащеністю (100-200Вт). Відомі холовські двигуни середньої і великої потужності (0,5-5кВт), які використовуються на борту космічних апаратів із відповідною енергооснащеністю. Двигуни містять розрядну камеру, анодгазорозподільник, розміщений всередині камери, катод-компенсатор, розміщений за зрізом розрядної камери, та магнітну систему, що створює в розрядній камері магнітне поле [1]. Вони відрізняються конструктивною простотою, легкістю керування, високим рівнем вихідних характеристик. При зміні потужності в діапазоні 0,5-5кВт які-небудь якісні зміни в характері роботи таких двигунів не відбуваються, але при зменшенні потужності нижче 0,5кВт, що супроводжується зниженням витрати робочої речовини через анод двигуна, з'являються масштабні чинники, які впливають на характер його роботи і характеристики. Це пояснюється тим, що для забезпечення високого ступеня іонізації при малих витратах робочої речовини необхідно зменшувати площу перетину розрядної камери двигуна, що призводить до зміни оптимальної геометрії елементів магнітної системи і профілю магнітного поля і, як слідство, до порушення фокусування і втрати ефективності двигуна. Крім того, у конструкції двигуна малого розміру утруднене застосування відомих технічних рішень (додаткової магнітної котушки, магнітного екрану та інш.), які забезпечують мінімальну ерозію стінок розрядної камери і максимальний ресурс роботи холовських двигунів великої і середньої потужності. Із відомих холовських двигунів найбільш близьким за технічною суттю є двигун середньої потужності, у конструкції якого використаний полий анод, що одночасно виконує функції газорозподільника і магнітного екрану [2]. Відомий двигун містить кільцеву розрядну камеру, утворену стінками полого аноду з електропровідного матеріалу і полюсними наконечниками з діелектричного матеріалу, магнітну систему з джерелом магніторушійної сили, магнітопроводом, зовнішнім і внутрішнім магнітними полюсами та катодкомпенсатор, установлений за вихідним перетином розрядної камери. За рахунок застосування магнітного екрану двигун має достатньо високий робочий ресурс. Проте, при зменшенні конструктивних розмірів двигуна, необхідних для зниження його потужності, магнітний екран сильно шунтує магнітне поле, що потребує збільшення енерговитрат для його створення. Це призводить до зниження тягового к.к.д. У основу винаходу поставлено задачу створення холовського двигуна малої потужності з високим к.к.д. Поставлена задача досягається тим, що у відомій конструкції двигуна, що містить кільцеву розрядну камеру, утворену стінками полого аноду з електропровідного матеріалу і полюсними наконечниками з діелектричного матеріалу, магнітну систему з джерелом магніторушійної сили, магнітопроводом, зовнішнім і внутрішнім магнітними полюсами та катод-компенсатор, установлений за вихідним перетином розрядної камери, полий анод складається з магнітної і немагнітної частин, електрично сполучених між собою, при цьому кільця магнітної частини з'єднані радіальними перемичками з магнітного матеріалу, що розташовані в зоні, у межах якої значення радіальної стосовно розрядної камери складової індукції магнітного поля Вr, на уявлюваній серединній поверхні камери змінюються від значення 0,2Вr до 0,3Вr, де Вr - максимальний розмір індукції на зазначеній серединній поверхні, та мають опуклість у бік немагнітної частини аноду, і загальна площа поперечного перетину яких дорівнює площі поперечного перетину магнітної частини. У пропонуємій конструкції немагнітна частина полого аноду виконує функції розподілу і попередньої іонізації газу, а магнітна частина - функції магнітного екрана. Зменшення магнітної частини полого аноду та з'єднання кілець магнітного екрана радіальними перемичками, призначеними для замикання магнітного поля між кільцями, призводить до зменшення втрат потужності, пов'язаних із замиканням магнітних силових ліній на кільцях магнітного екрана, а рівність загальної площі поперечного перетину перемичок і площі поперечного перетину магнітної частини аноду забезпечує 100% замикання магнітного поля. При меншій площі матеріал перемичок входить у насичення, що не дозволяє одержати великий градієнт магнітного поля, який забезпечує високий к.к.д. і ресурс роботи двигуна. При більшій площізбільшуються втрати іонів на поверхні перемичок, що призводить до зниження к.к.д. Оптимальний розподіл магнітного поля, що забезпечує високий к.к.д., досягається тим, що радіальні перемички магнітного екрану мають опуклість убік немагнітної частини полого аноду відповідно до профілю силових ліній магнітного поля та розташовані в зоні, у межах якої значення радіальної стосовно розрядної камери складової індукції магнітного поля Вr, на уявлюваній серединній поверхні камери змінюються від значення 0,2Вr до 0,3Вr. Новизна полягає в тому, що кільцевий полий анод складається з двох електричнo сполучених частин: немагнітної частини, що виконує функції розподілу і попередньої іонізації газу та магнітної частини, кільця якої з'єднані радіальними перемичками, і яка виконує функції магнітного екрана. На фіг.1 наведено конструктивну схему плазмового холовського двигуна малої потужності; на фіг.2 розподіл магнітних силових ліній в конструкції відомого двигуна; на фіг.3 - розподіл магнітних силових ліній в конструкції плазмового холовського двигуна малої потужності. Плазмовий холовський двигун малої потужності включає кільцевий полий анод (немагнітну частину 1 і магнітну частину 2, кільця якої з'єднані радіальними перемичками 3), джерело магніторушійної сили 4, магнітопровід із полюсами 5, полюсні наконечники 6 та катод-компенсатор 7. Двигун працює таким чином. Робоча речовина, що подається в розрядну камеру, створену стінками полого аноду (1, 2) та полюсними наконечниками 6, поблизу аноду (немагнітної частини 1) іонізується електронами, які переміщуються під дією електричного поля від катоду 7 до аноду в магнітному полі. Магнітна система (4, 5) спроектована таким чином, що в розрядній камері реалізується переважно радіальне магнітне поле. В процесі роботи відбувається зміщення електронів до аноду за рахунок зіткнень з атомами робочої речовини, іонами та стінками, а також через коливання. Іони практично не замагнічені, рухаються переважно вздовж електричного поля і прискорюються в цьому полі. Потік, що ви тікає з двигуна, захоплює з собою необхідну кількість електронів і створює тягу. У конструкції двигуна, виконаного по відомій схемі, магнітні силові лінії замикаються на полий анод, що виконує роль магнітного екрана, по всій його довжині (фіг.2). Тому для зберігання оптимальної індукції магнітного поля в розрядній камері необхідно використовувати джерело магніторушійної сили підвищеної потужності, що знижує к.к.д. двигуна. У запропонованій схемі магнітні силові лінії замикаються тільки на магнітній частині полого аноду (фіг.3), що значно знижує втрати потужності джерела магніторушійної сили і веде до підвищення к.к.д. Експериментальні дослідження двигуна із зовнішнім діаметром розрядної камери 37мм показали можливість зниження потужності джерела магніторушійної сили ~ на 20% за рахунок використання запропонованого винаходу, що дозволило одержати к.к.д. двигуна, який працює на ксеноні, на рівні 35%. Використовувані джерела інформації 1. Белан Н.В., Ким В.П., Оранский А.И., Ти хонов В.Б. Стационарные плазменные двигатели. - Харьков: ХАЙ, 1989. - 316с. 2. Пат. 2139646 Россия, МКИ F03H1/00. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов / С.А. Хартов, А.Б. Жакупов, О.А. Горшков, Ризаханов Р.Н. - №98106621/06. Заявл. 07.04.98.