Плазмовий двигун зменшеної довжини з замкненим дрейфом електронів

1. Плазменный двигатель уменьшенной дли ны с замкнутым дрейфом электронов, содержа щий основной кольцевой канал ионизации и уско рения, ограниченный элементами из изолирующе го материала и открытый на своем нижнем конце, по меньшей мере, один полый катод, расположен ный снаружи основного кольцевого канала вблизи нижней части канала, кольцевой анод концентри ческий с основным кольцевым каналом и распо ложенный на расстоянии от открытого нижнего конца, первые и вторые средства подачи ионизи руемого газа, сообщающиеся соответственно с полым катодом и кольцевым анодом, магнитную цепь, которая создает магнитное поле в основном кольцевом канале, и кольцевую камеру-заглушку, которая имеете радиальном направлении размер, по меньшей мере, равный размеру основного кольцевого канала и расположена выше этого ка нала над зоной, в которой помещен кольцевой анод, вторые средства подачи ионизируемого га за, сообщающиеся с кольцевой камерой - заглуш кой выше кольцевого анода в зоне, отличной от зоны, содержащей кольцевой анод, отличаю щийся тем, что средства создания магнитного поля в основном кольцевом канале создают в этом основном кольцевом канале магнитное поле, в основном, радиальное в нижнем конце основно го кольцевого канала, причем это магнитное поле имеет максимальную индукцию на этом уровне и минимальную индукцию в переходной зоне, рас положенной вблизи кольцевого анода, абсолют ная величина индукции этого поля возрастает выше кольцевого анода на уровне кольцевой ка меры-заглушки и создает эффект магнитного зеркала, при этом линии магнитного поля имеют между кольцевым анодом и нижним концом основного кольцевого канала вогнутость, направленную вниз, которая вызывает фокусирование ионов, с максимальной плотностью ионизации ниже кольцевого анода, при этом средства создания магнитного поля включают несколько средств создания магнитного поля, а также внешние и внутренние радиальные полюсные плоские элементы, расположенные на уровне выходной поверхности по обе стороны от основного кольцевого канала и соединенные между собой посредством центрального сердечника, ярма и периферийной магнитной цепи, расположенной аксиально снаружи основного кольцевого канала, причем ярмо состоит из радиальных элементов, расположенных в непосредственной близости от кольцевого анода и пересекают кольцевую камеру-заглушку с образованием канала связи между кольцевой камеройзаглушкой и основным кольцевым каналом. 2. Плазменный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что размер кольцевой камеры-заглушки в радиальном направлении имеет величину от од ного до двух радиальных размеров основного кольцевого канала 3. Плазменный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что средства создания магнитного поля включают первое средство, расположенное вокруг и снаружи основного кольцевого канала вблизи его нижнего конца, второе средство, расположен ное вокруг центрального сердечника в зоне, нахо дящейся напротив кольцевого анода и частично напротив камеры-заглушки, которые создают эф фект магнитного зеркала и третье средство, рас положенное вокруг центрального сердечника ме жду вторым средством и нижним концом основно го кольцевого канала. 4 Плазменный двигатель по п 3, отличающийся тем, что первое, второе и третье средства созда ния магнитного поля состоят из индукционных катушек 5 Плазменный двигатель по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что кольцевая камеразаглушка включает несколько ячеек, которые вы ходят в основной кольцевой канал вблизи кольце вого анода, распределены вокруг оси двигателя и ограничены перегородками, параллельными оси двигателя, которые определяют между соседними ячейками проходы для цилиндрических магнитных О см О) см 27921 стержней, составляющих ярмо, без проникновения в кольцевую камеру-заглушку с ячейками. 6. Плазменный двигатель по п. 5, отличающийся тем, что кольцевая камера-заглушка с ячейками выполнена в виде моноблока. 7. Плазменный двигатель по любому из пп 1-4, отличающийся тем, что ярмо включает радиаль ные элементы, состоящие из цилиндрических магнитных стержней, пересекающих кольцевую камеру-заглушку. 8. Плазменный двигатель по п. 7, отличающийся тем, что магнитные стержни ярма состоят из ме таллических стержней, которые электроизолированы оболочками из двух частей, жестко соеди ненных соответственно со стенками основного кольцевого канала и стенками кольцевой камерызаглушки. 9. Плазменный двигатель по п 7 или п 8, отли чающийся тем, что магнитные стержни соедине ны с их внешней периферийной частью кольцеоб разным магнитным элементом, который является конструктивной деталью крепления двигателя на конструкции спутника. 10. Плазменный двигатель по п. 7, отличающий ся тем, что магнитные стержни ярма состоят из металлических стержней, которые электроизолированы элементами из феррита, составляющими соответственно периферийную магнитную цепь, расположенную аксиально снаружи основного кольцевого канала и центрального сердечника, причем магнитные стержни могут быть под потен циалом кольцевого анода. 11. Плазменный двигатель по п. 7, отличающий ся тем, что магнитные стержни ярма состоят из изолирующего ферритного материала, и установ лены непосредственно в кольцевой камерезаглушке. 12. Плазменный двигатель по любому из пп. 7-10, отличающийся тем, что периферийная магнитная цепь включает набор соединительных стержней, расположенных между внешним радиальным по люсным плоским элементом и ярмом. 13. Плазменный двигатель по любому из пп 1-11, отличающийся тем, что периферийная магнитная цепь состоит из обечайки. 14. Плазменный двигатель по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что ярмо включает стержни, радиально направленные в плоскости перпендикулярной оси кольцевой камеры-заглушки и основного кольцевого канала. 15. Плазменный двигатель по любому из пп. 1-12, отличающийся тем, что ярмо включает стержни, радиально направленные по образующим усечен ного конуса, у которого наименьшее сечение со единено с центральным сердечником, конец наи большего сечения соединен с периферийной маг нитной цепью, а ось соответствует оси кольцевой камеры-заглушки и основного кольцевого канала. 16. Плазменный двигатель по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что ярмо включает элемент в форме усеченного конуса из феррита, конец меньшего сечения которого соединен с централь ным сердечником, а конец большего сечения со единен с обечайкой, которые составляют перифе рийную магнитную цепь, при этом каналы, выпол нены аксиально в элементе в форме усеченного конуса, образуют каналы связи между кольцевой камерой-заглушкой и основным кольцевым кана лом. 17. Плазменный двигатель по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что вторые средства подачи ионизируемого газа выходят в кольцевую камерузаглушку выше кольцевого анода через кольцевой распределитель. 18. Плазменный двигатель по пп. 5 и 17, отли чающийся тем, что кольцевой распределитель объединен с горловинами звуковых сопел, кото рые выходят в различные ячейки кольцевой каме ры-заглушки с ячейками 19. Плазменный двигатель по любому из пп 1-4, отличающийся тем, что вторые средства подачи ионизируемого газа, выходят в кольцевую камерузаглушку выше кольцевого анода через единст венную горловину звукового сопла, установлен ную касательно к наибольшему диаметру кольце вой камеры-заглушки так, чтобы создать вихревой поток 20. Плазменный двигатель по любому из пп. 1-19, отличающийся тем, что полый катод размещен на оси двигателя внутри центрального сердечника и термически изолирован от этого центрального сердечника с помощью суперизолирующего экра на Настоящее изобретение относится к плазменным двигателям, применяемым при движении в космосе, в частности к плазменным двигателям с замкнутым дрейфом электронов, называемых двигателями со стационарной плазмой или, в Соединенных Штатах Америки, "холловскими двигателями". Электрические двигатели предназначены в основном для применения при движении в условиях космоса. В качестве источников ионов или плазмы они также используются для наземного применения, в частности для ионной обработки Благодаря их высокому удельному импульсу (от 1500 до бОООсек.) они обеспечивают в спутниках значительный выигрыш по массе в сравнении с химическими реактивными двигателями. Одним из типичных применений этого вида двигателей является контроль Север-Юг геостационарных спутников, где обеспечивается выигрыш по массе от 10 до 16%. Он может быть также использован для компенсации сопротивления на низкой орбите в целях сохранения гелиоцентрической орбиты на начальном участке межпланетного движения. Ионные ракетные двигатели могут быть разделены на несколько категорий. Первый тип ионного ракетного двигателя состоит, таким образом, из двигателя с ионизацией путем бомбардировки, называемого еще двигателем Кауфмана. Примеры такого типа ракетного двигателя описаны, в частности, в документах ЕРА-Р 132 065, WO 89/05404 и ЕР-А-0 468 706. 27921 В двигателях, использующих ионизацию рабочего вещества путем бомбардировки, атомы газообразного рабочего вещества при низком давлении вводятся в разрядную камеру, где они подвергаются бомбардировке электронами испускаемыми полым катодом и собираемыми анодом Процесс ионизации усиливается в присутствии магнитного поля Определенное число столкновений атомов с электронами приводит к созданию плазмы, ионы которой притягиваются ускоряющими электродами (выходными сетками), сами они имеют отрицательный потенциал по отношению к потенциалу плазмы Электроды концентрируют и ускоряют ионы, которые выходят из ракетного двигателя Заряд ионов нейтрализуется посредством потока электронов от внешнего полого катода-компенсатора Удельные импульсы (i s р), обеспечиваемые таким типом ракетных двигателей, составляют порядка 3000 секунд и выше Необходимая мощность - порядка 30 Вт на мН реактивной тяги Другие типы двигателей с ионизацией включают двигатели с ионизацией посредством радиочастоты, двигатели с ионизацией через контакт, а также двигатели с эмиссией под действием поля Эти различные типы двигателей с ионизацией, включая двигатели с ионизацией за счет бомбардировки, имеют общее свойство - четко разделенные функции ионизации и ускорения Еще одной общей их характеристикой является то, что плотность тока в ионной оптике ограничена пространственным зарядом, так, для двигателей с ионизацией путей бомбардировки плотность тока ограничивается величиной 2-3 мА/см2, следовательно, они имеют достаточно низкую силу тяги Кроме того, такие двигатели, в частности двигатели с ионизацией за счет бомбардировки, требуют использования определенного числа источников электропитания (от 4 до 10), что приводит к усложнению электронных схем преобразования и контроля Кроме того, известные, в частности, из статьи Л X Арцимовича и др , опубликованной в 1974 г и касающиеся программы разработки двигателя со стационарной плазмой (S P D) и опытов со спутником "МЕТЕОР", двигатели с замкнутым дрейфом электронов или двигатели со стационарной плазмой, которые отличаются от других типов двигателей тем, что ионизация и ускорение не разделены и что в зоне ускорения находится одинаковое число ионов и электронов, что позволяет устранить влияние пространственного заряда Ниже будет описан двигатель с замкнутым дрейфом электронов, как он представлен в указанной статье Л X Арцимовича и др (прототип) Кольцевой канал из изолирующего материала размещен в электромагните, включающем внутренний и внешний кольцевые полюса и размещенные соответственно снаружи и внутри кольцевого канала из изолирующего материала, магнитное ярмо, расположенное наверху двигателя, и катушки электромагнита, которые проходят по всей длине кольцевого канала и окружают магнитные сердечники, соединяющие внешнюю полюсную деталь с ярмом Полый катод, соединенный с массой, подключен к устройству подачи ксенона для образования облака плазмы перед нижним выходом канала Кольцевой анод, соединенный с положительным полюсом источника электропитания, например 300 вольт, расположен в верхней закрытой части кольцевого канала Магистраль подачи ионизируемого газа, взаимосвязанная с термическим и электрическим изолятором, сообщена с кольцевым распределительным каналом, расположенным непосредственно рядом с кольцевым анодом Электроны ионизации и нейтрализации поступают из полого катода Электроны ионизации вовлекаются в кольцевой изолированный канал посредством электрического поля между анодом и облаком плазмы из катода Под действием электрического поля Е и магнитного поля В, созданного катушками (средства подачи ионизируемого газа), ионизирующие электроны перемещаются по траектории дрейфа по азимуту, обеспечивающую поддержание электрического поля в канале Ионизирующие электроны перемещаются при этом по траекториям замкнутым внутри изолированного канала, отсюда и название двигателя Движение дрейфа электронов значительно увеличивают вероятность столкновений электронов с нейтральными атомами, приводящее к образованию ионов ионизируемого газа (в данном случае ксенона) Удельный импульс, получаемый в классических ионных двигателях с замкнутых дрейфом электронов, работающих на ксеноне, - порядка 1000-2500 секунд В классических ионных двигателях с замкнутым дрейфом электронов, зона ионизации не сформована, в результате чего они хорошо работают только с ксеноном, поток является расходящимся, рассеивающимся (20° апертуры луча), а к п д ограничен примерно 50% Кроме того, дивергенция потока вызывает износ стенки изолированного канала, материал которого обычно является смесью нитрида бора и окиси алюминия Срок службы такого двигателя составляет около 3000 часов Кроме того, из статьи "Холловский ускоритель с открытой одиночной линзой" В Н Демьяненко, Л П Зудкова и А И Морозова, опубликованной в августе 1976 в журнале "Советская физика Техническая физика", том 21,8, стр 987-988 известно разделение обеих функций анода с использованием, с одной стороны, кольцевого анода, а с другой стороны - кольцевого распределения газа, которое реализовано в выбранном в качестве прототипа плазменном двигателе уменьшенной длины с замкнутым дрейфом электронов, содержащим основной кольцевой канал ионизации и ускорения, ограниченный элементами из изолирующего материала и открытый на своем нижнем конце, по меньшей мере один полый катод, расположенный снаружи основного кольцевого канала ионизации и ускорения вблизи нижней части канала, кольцевой анод концентрический с основным кольцевым каналом ионизации и ускорения и расположенный на расстоянии от открытого нижнего конца, первые и вторые средства подачи ионизи 27921 руемого газа, сообщающиеся соответственно с полым катодом и кольцевым анодом, магнитную цепь, которая создает магнитное поле в основном кольцевом канале ионизации и ускорения, и кольцевую камеру-заглушку, которая имеет в радиальном направлении размер, по меньшей мере, равный размеру основного кольцевого канала ионизации и ускорения и расположена выше этого канала над зоной, в которой помещен кольцевой анод, вторые средства подачи ионизируемого газа, сообщающиеся с кольцевой камерой-заглушкой выше кольцевого анода в зоне, отличной от зоны, содержащей кольцевой анод Такая геометрическая форма позволяет упорядочить, выровнять расход ионизируемого газа вблизи анода. Для обеспечения усреднения, гомогенизации, анод и кольцевой распределитель газа разделены камерой-заглушкой Плазменный двигатель, описанный в указанной статье, работает, однако, в импульсном режиме с высоким разрядным напряжением и поэтому малопригоден для применения в космосе. Задачей, которая стоит перед настоящим изобретением, является устранение недостатков известных плазменных двигателей и, в частности, создание плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов, имеющего улучшенные технические характеристики и, в частности, обеспечивающего наилучшую организацию зоны ионизации без образования пространственного заряда, как, например, в ионных двигателях с ионизацией бомбардировкой. Вторая задача, которая поставлена перед настоящим изобретением, состоит в уменьшении дивергенции луча и увеличении плотности ионного пучка, электрического кпд, удельного импульса и срока службы. Кроме того, задача изобретения состоит в уменьшении массы и размеров двигателя. Эти задачи решаются за счет того, что плазменный двигатель уменьшенной длины с замкнутым дрейфом электронов, содержащий основной кольцевой канал ионизации и ускорения, ограниченный элементами из изолирующего материала и открытый на своем нижнем конце, по меньшей мере один полый катод, расположенный снаружи основного кольцевого канала ионизации и ускорения вблизи нижней части канала, кольцевой анод концентрический с основным кольцевым каналом и расположенный на расстоянии от открытого нижнего конца, первые и вторые средства подачи ионизируемого газа, сообщающиеся соответственно с полым катодом и кольцевым анодом, магнитную цепь, которая создает магнитное поле в основном кольцевом канале ионизации и ускорения, и кольцевую камеру-заглушку, которая имеет в радиальном направлении размер, по меньшей мере, равный размеру основного кольцевого канала ионизации и ускорения и расположена выше этого канала над зоной, в которой помещен кольцевой анод, вторые средства подачи ионизируемого газа, сообщающиеся с кольцевой камеройзаглушкой выше кольцевого анода в зоне, отличной от зоны, содержащей кольцевой анод и в соответствии с изобретением средства создания магнитного поля в основном кольцевом канале ионизации и ускорения создают в этом основном кольцевом канале ионизации и ускорения магнитное поле, в основном, радиальное в нижнем конце основного кольцевого канала ионизации и ускорения, причем это магнитное поле имеет максимальную индукцию на этом уровне и минимальную индукцию в переходной зоне, расположенной вблизи кольцевого анода, абсолютная величина индукции этого поля снова возрастает выше кольцевого анода на уровне кольцевой камерызаглушки и создает эффект магнитного зеркала, при этом линии магнитного поля имеют между кольцевым анодом и нижним концом основного кольцевого канала ионизации и ускорения вогнутость, направленную вниз, которая вызывает фокусирование ионов, с максимальной плотностью ионизации ниже кольцевого анода, при этом средства создания магнитного поля включают несколько средств создания магнитного поля, а также внешние и внутренние радиальные полюсные плоские элементы, расположенные на уровне выходной поверхности по обе стороны от основного кольцевого канала ионизации и ускорения и соединенные между собой посредством центрального сердечника, ярма и периферийной магнитной цепи, расположенной аксиально снаружи основного кольцевого канала ионизации и ускорения, причем ярмо состоит из радиальных элементов, расположенных в непосредственной близости от кольцевого анода и пересекают кольцевую камеру-заглушку с образованием канала связи между кольцевой камерой-заглушкой и основным кольцевым каналом ионизации и ускорения. Преимуществом является то, что размер кольцевой камеры-заглушки в радиальном направлении выбран в пределах от однократного до двукратного значения радиального размера основного кольцевого канала ионизации и ускорения В частности, отдельные средства создания магнитного поля включают первое средство, расположенное вокруг и снаружи основного кольцевого канала ионизации и ускорения вблизи нижнего конца этого канала, второе средство, расположено вокруг центрального сердечника в зоне, находящейся напротив кольцевого анода и частично размещено напротив кольцевой камеры-заглушки и создают эффект магнитного зеркала, и третье средство, расположено вокруг центрального сердечника между вторым средством и выходным концом основного кольцевого канала ионизации и ускорения Согласно возможному примеру реализации первое, второе и третье средства создания магнитного поля могут состоять из индукционных катушек. Благодаря, в особенности, физическому разделению кольцевого анода и распределителя ионизируемого газа, наличию кольцевой камерызаглушки и формированию магнитного поля особого профиля плазменный двигатель согласно изобретению имеет ряд следующих преимуществ: а) более эффективная ионизация, следова тельно, более высокий кпд, б) возможность легко ионизировать различные рабочие газы, такие как ксенон, аргон и т.д., бла годаря улучшению процесса ионизации, 1 в) получение эквипотенциальных электростатических поверхностей, уменьшающих диверген 27921 цию пучка, обеспечивающих более легкое конструктивное объединение со спутником и меньший износ основного кольцевого канала ионизации и ускорения в частности, формирование особого профиля магнитного поля катушки в основном кольцевом канале ионизации и ускорения и выше анода в самой глубине кольцевой камеры- заглушки позволяет - улучшить однородность плазмы, а также уменьшить искажение эквипотенциальных элек тростатических полей в зоне ускорения, что спо собствует ограничению потерь ионов на стенках и увеличению фокусирования пучка, - лучше локализировать зону образования ио нов, что способствует уменьшению разброса энергии ионов, - осуществлять удерживание плазмы выше анода за счет эффекта магнитного зеркала Переход от минимальной величины магнитного поля вблизи кольцевого анода к максимальной величине на выходе основного кольцевого канала ионизации и ускорения позволяет во всех случаях получить зону, где возможность ионизации является максимальной Геометрия кольцевой камеры-заглушки обеспечивает распространение плазмы выше анода и ее удержание посредством магнитного зеркала То, что, согласно изобретению, ярмо связи между центральным сердечником и периферийной магнитной цепью располагается в непосредственной близости от кольцевого анода и проникает в кольцевую камеру-заглушку, позволяет уменьшить длину, а, следовательно, массу узла магнитной цепи, что обеспечивает значительное уменьшение массы и размеров по отношению к конструкциям, в которых ярмо связи между центральным сердечником и периферийной магнитной цепью расположено выше кольцевой камерызаглушки Ярмо связи, которое пересекает кольцевую камеру-заглушку, образует каналы связи с основным кольцевым каналом ионизации и ускорения, может быть выполнено различными способами Ярмо может также включать радиальные элементы, состоящие из магнитных стержней, пересекающих кольцевую камеру-заглушку В этом случае магнитные стержни ярма могут состоять из металлических стержней, которые электроизолированы оболочками, состоящими из двух частей, соответственно жестко соединенных со стенками основного кольцевого канала и стенками кольцевой камеры-заглушки Согласно возможному примеру осуществления магнитные стержни ярма соединены с их внешней периферийной частью посредством кольцевого магнитного элемента, служащего конструктивной деталью для закрепления двигателя на конструкции спутника Магнитные стержни ярма могут, кроме того, состоять из металлических стержней электроизолированных посредством деталей из феррита, составляющим и соответственно указанную периферийную магнитную цепь, расположенную аксиально снаружи основного кольцевого канала ионизации и ускорения и указанного центрального сердечника, причем магнитные стержни ярма могут быть под потенциалом кольцевого анода Кроме того, согласно другой форме возможной реализации магнитные стержни ярма состоят из изолирующего ферритного материала, обеспечивающего непосредственно ввод в кольцевую камеру-заглушку Периферийная магнитная цепь может содержать набор соединительных стержней между внешним полюсным радиальным элементом и ярмом или еще может состоять из обечайки Ярмо связи может включать стержни, направленные радиально в плоскости практически перпендикулярной оси кольцевой камеры-заглушки и основного кольцевого канала ионизации и ускорения Однако, согласно другому возможному примеру осуществления ярмо включает стержни, направленные радиально по образующим усеченного конуса, конец меньшего сечения которого соединен с центральным сердечником, конец большего сечения соединен с периферийной магнитной цепью, а ось соответствует оси кольцевой камеры-заглушки и основного кольцевого канала ионизации и ускорения Согласно еще одному возможному примеру осуществления ярмо включает элемент из феррита в форме усеченного конуса, конец меньшего сечения которого соединен с центральным сердечником, а конец большего сечения соединен с обечайкой, которая составляет периферийную магнитную цепь, каналами, выполненными аксиально в указанном элементе в форме усеченного конуса, и образуют каналы связи между кольцевой камерой-заглушкой и основным кольцевым каналом ионизации и ускорения Изобретение относится также к плазменному двигателю, в котором кольцевая камера-заглушка включает несколько ячеек, которые выходят в основной кольцевой канал ионизации и ускорения вблизи кольцевого анода, распределены вокруг оси двигателя и ограничены перегородками, параллельными оси двигателя, которые определяют между соседними ячейками проходы для магнитных стержней, составляющих ярмо, не попадая в кольцевую камеру-заглушку, имеющую ячейки Такая кольцевая камера-заглушка может быть выполнена как моноблок Согласно возможному примеру осуществления вторые средства подачи ионизируемого газа выходят в кольцевую камеру-заглушку выше анода через кольцевой распределитель В случае кольцевой камеры-заглушки с ячейками кольцевой распределитель соединен с горловинами звуковых сопел, выходящими в различные ячейки такой кольцевой камеры-заглушки В соответствии с другим возможным примером осуществления вторые средства подачи ионизируемого газа выходят в кольцевую камерузаглушку выше анода через единственную горловину звукового сопла, установленную касательно к наибольшему диаметру кольцевой камерызаглушки так, чтобы создать вихревой поток В случае, когда средний диаметр двигателя является значительным по отношению к ширине основного кольцевого канала ионизации и ускорения, согласно возможному примеру осуществления полый катод помещен на оси двигателя внутри центрального сердечника и термически изоли 27921 рован от этого центрального сердечника суперизолирующим экраном. Другие характеристики и преимущества изобретения будут выявлены из следующего описания примеров его осуществления, приведенных без каких-либо ограничений области применения изобретения, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлено следующее. - фиг. 1 - общий вид и осевой полуразрез плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов, выполненного в соответствии с на стоящим изобретением, - фиг. 2 - вид в перспективе части элементов, составляющих плазменный двигатель согласно изобретению, показывающий ярмо с металличе скими стержнями, электроизолированных оболоч ками, состоящими из двух частей, - фиг. 3 - фрагмент выполнения электоизолированного стержня по фиг, 2. - фиг. 4 - осевой полуразрез плазменного дви гателя согласно изобретению, подобного фиг. 1, но с отличающимися средствами соединения с опорной плитой, - фиг. 5 - осевой разрез плазменного двигате ля, выполненного согласно изобретению, с ярмом со стержнями связи из феррита, - фиг. 6 - вид в осевом разрезе плазменного двигателя, выполненного согласно изобретению, с металлическими стержнями связи и частиц маг нитной цепи из феррита, - фиг. 7 - осевой разрез плазменного двигате ля, выполненного согласно изобретению, в кото ром ярмо связи состоит из стержней, расположен ных по конусу, - фиг 8 - осевой разрез плазменного двигате ля, выполненного согласно изобретению, в кото ром ярмо связи состоит из конической обечайки с осевыми соединительными каналами, - фиг 9 — осевой разрез плазменного двига теля, выполненного согласно изобретению, вклю чающего кольцевую камеру-заглушку, которая образует цилиндрическое удлинение канала уско рения без увеличения внешнего диаметра, - фиг. 10 - осевой разрез плазменного двига теля, выполненного согласно изобретению, вклю чающего кольцевую камеру-заглушку, которая имеет уменьшенную длину и объединена с тан генциальным инжектором газа, - фиг. 11 - полуразрез по плоскости А-А на фиг. 10, - фиг. 12 - осевой разрез плазменного двига теля, выполненного согласно изобретению, вклю чавшего кольцевую камеру-заглушку, разделен ную на несколько ячеек, между которыми распо ложены магнитные стержни ярма, - фиг. 13 - расчлененный вид в перспективе, показывающий кольцевую камеру-заглушку в виде моноблока и узел магнитных стержней ярма, кото рые могут быть вмонтированы в плазменный дви гатель по фиг. 12, - фиг. 14 - вид в осевом разрезе плазменного двигателя, выполненного согласно изобретению, средний диаметр которого имеет значительную величину по отношению к ширине основного коль цевого канала ионизации и ускорения, и содержа щего полый катод, который расположен внутри центрального полюсного элемента в форме полой трубы. На фиг. 1 показан пример плазменного двигателя 1 с замкнутым дрейфом электронов, выполненного в соответствии с изобретением. Плазменный двигатель 1 включает комплект деталей 2, выполненных из изолирующего материала, ограничивающих кольцевой канал 3, образованный сверху из первой части, состоящей из кольцевой камеры-заглушки 4 и снизу из второй части, состоящей из основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения. Кольцевая камера-заглушка 4 имеет, предпочтительно, размер в радиальном направлении, который примерно равен размеру в радиальном направлении основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения или превышает его в два раза. В осевом направлении кольцевая камера-заглушка 4 может быть немного короче, чем основной кольцевой канал 5 ионизации и ускорения и имеет, преимущественно, длину, равную или в 1,5 раза превышающую размер d в радиальном направлении основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения. Кольцевой анод б, соединенный электрической линией с источником постоянного напряжения 7, которое может быть порядка 200-300В, размещается на изолирующих деталях 2, ограничивающих кольцевой канал 3 в зоне, расположенной непосредственно ниже кольцевой камерызаглушки 4 на входе основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения. Линия питания 8 кольцевого анода 6 размещена в изолирующей трубе 9, которая пересекает элементы 10, 11 из изолирующего материала, ограничивающие кольцевую камеру-заглушку 4. Труба 12 подачи ионизируемого газа, например ксенона, также пересекает дно 10 кольцевой камеры-заглушки 4, сообщаясь с кольцевым распределителем газа 13, размещенным в дне кольцевой камеры-заглушки 4 Кольцевой канал 3, ограниченный деталями 2, размещен в магнитной цепи, состоящей в основном из трех катушек 14, 15, 16 и внешнего и внутреннего радиальных полюсных плоских элементов, 17, 18. Радиальные полюсные плоские элементы: внешний 17 и внутренний 18 размещены в плоскости выхода двигателя снаружи относительно основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения и образуют линии магнитного поля, которые в открытой нижней части основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения почти параллельны выходной плоскости 19 двигателя 1. Магнитная цепь, состоящая из внешнего и внутреннего радиальных полюсных плоских элементов, 17 и 18, замкнута центральным сердечником 20 и соединительными стержнями 21, расположенными по окружности двигателя в основном цилиндрической формы, причем центральный сердечник 20 из ферромагнитного материала и соединительные стержни 21 из ферромагнитного материала контактируют с задним соединительным ярмом 22 из ферромагнитного материала. Ярмо 22 состоит из радиальных элементов, которые расположены в непосредственной близости от кольцевого анода 6, проникает в кольцевую 27921 камеру-заглушку 4, и образует канал связи 23 между кольцевой камерой-заглушкой и основным кольцевым каналом 5 ионизации и ускорения Экран 24, защищающий от загрязнений или излучений, также может размещаться между деталями 2 и соединительными стержнями 21 Соединительные стержни 21 и экран 24 могут однако, быть заменены обечайкой цилиндрической или конусно-цилиндрической формы, которая одновременно служит средством замыкания магнитной цепи и экраном, защищающим от загрязнений Электроны необходимые для работы двигателя, обеспечиваются полым катодом 25, который может иметь известную классическую конструкцию Полый катод 25, соединенный электрически посредством линии 26 с отрицательным полюсом напряжения 27, включает цепь питания 28 ионизируемым газом, например ксеноном, и размещается ниже зоны выхода основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения Полый катод 25 поставляет плазму 28 практически с эталонным потенциалом, электроны из которой направляются к кольцевому аноду 6 под действием электростатического поля Е благодаря разности потенциалов между кольцевым анодом 6 и полым катодом 25 Эти электроны движутся по траектории дрейфа по азимуту в основном кольцевом канале 5 ионизации и ускорения под действием электрического поля Е и магнитного поля В Типичное значение поля на выходе основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения 150200 эрстед Первичные электроны ускоряются с помощью электростатического поля Е, затем она наталкиваются на стенку изолятора детали 2 в результате чего формируется вторичные электроны более низкой энергии Электроны входят в столкновение с нейтральными атомами ксенона, выходящими из кольцевой камеры-заглушки 4 Ионы ксенона, образованные таким способом, ускоряются электростатическим полем Е в основном кольцевом канале 5 ионизации и ускорения Из-за присутствия электронов в основном кольцевом канале 5 ионизации и ускорения отсутствует пространственный (объемный) заряд Нейтрализация пучка ионов обеспечивается частью электронов, выходящих из полого катода 25 Преобладание градиента радиального магнитного поля полученного благодаря расположению катушек 14-16 и внешнего и внутреннего радиальных полюсных плоских элементов 17 и 18, позволяет разделить функции ускорения ионов от функции ионизации в зоне, близкой к кольцевому аноду 6 Эта зона ионизации может частично располагаться в кольцевой камере-заглушке- 4 Важный отличительный признак двигателя согласно изобретению состоит в наличии кольцевой камеры-заглушки 4, которая позволяет оптимизировать зону ионизации В классических двигателях с замкнутым дрейфом электронов значительная часть ионизации приходится на среднюю часть Часть ионов ударяется о стенки, что является причиной быстрого износа стенок и, таким образом, уменьшает срок службы двигателя Кольцевая камеразаглушка 4 благоприятствует уменьшению градиента концентрации плазмы по радиусу а также охлаждению электронов на входе основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения что уменьшает дивергенцию ионного пучка на стенки и таким образом помогает избежать потерь ионов посредством столкновения с ними что дает увеличение кпд и уменьшение дивергенции пучка на выходе двигателя Другим важным отличительным признаком двигателя согласно изобретению является наличие трех катушек 14-16 которые могут иметь различные размеры и позволяют оптимизировать магнитное поле благодаря их осевому размещению Первая катушка 14 размещена вокруг основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения вблизи нижнего конца 29 этого канала Вторая катушка 15 размещена вокруг центрального сердечника 20, в зоне, находящейся напротив кольцевого анода 6, которая может частично располагаться напротив кольцевой камеры-заглушки 4 так, чтобы обеспечить создание эффекта магнитного зеркала (фиг 7 и 8) Третья катушка 16 размещена вокруг центрального сердечника 20 между второй катушкой 15 и нижним концом 29 основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения Катушки 14 15, 16 могут иметь различные размеры Присутствие трех различных катушек 14, 15 16 приводит к созданию лучше направленных линий поля, что позволяет получить более направленный и более параллельный поток, чем в классических двигателях Созданное магнитное поле является в основном радиальным в нижнем конце 29 основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения и имеет максимальную индуктивность на этом уровне Магнитное поле имеет минимальную величину, например нулевую, вблизи кольцевого анода Абсолютная величина магнитного поля увеличивается перед кольцевым анодом 6 в частности в кольцевой камере-заглушке 4 Именно эта конфигурация магнитного поля создает эффект магнитного зеркала, препятствующий распространению плазмы в кольцевой камере-заглушке 4 Согласно одному из примеров выполнения катушки 14-16 для создания магнитного поля могут быть заменены, по меньшей мере частично, постоянными магнитами, у которых точка Кюри выше температуры, при которой работает двигатель Катушка 14 может также быть заменена набором отдельных катушек, расположенных вокруг различных соединительных стержней 21, составляющих периферическую магнитную цепь В качестве магнитного материала цепи, состоящей из внешних и внутренних радиальных полюсных плоских элементов 17 18, центрального сердечника 20 соединительных стержней 21 и ярма 22, могут быть выбраны мягкая сталь, сверхчистое железо или сплав железо-хром с высокой магнитной проницаемостью Радиальные полюсные плоские элементы внешний и внутренний 17 и 18 могут иметь размер, например порядка одной двадцатой миллиметров в осевом направлении 27921 Количество ампер-витков каждой катушки 14, 15, 16 и соотношение между длиной и диаметром из этих катушек определяются таким образом, чтобы создать в основном кольцевом канале радиальное магнитное поле, максимум которого находится в выходной плоскости 19 двигателя, силовые линии поля выхода в основном параллельны выходной плоскости 19, а силовые линии у кольцевого анода 6 в основном проходят так, что способствуют ионизации рабочего газа в этой зоне Ионный двигатель, выполненный согласно изобретению, характеризующийся наличием кольцевой камеры-заглушки 4 и набора катушек 14, 15, 16 отличающихся одна от другой, позволяет по лучить электрический кпд порядка 50-70% улуч шение в среднем порядка 10-25% по отношению к системам известного уровня техники С другой стороны, при выполнении двигателя согласно изобретению на его выходе получают поток почти цилиндрической формы с очень низкой дивергенцией пучка ионов, порядка 9° Следовательно, при наличии основного кольцевого канала ионизации и ускорения с внешним диаметром 80мм, во внешнем пространстве выходной плоскости 19, можно получить 90% энергии, которая остается сконцентрированной в пределах диаметра основного кольцевого канала ионизации и ускорения Как правило, двигатель, выполненный согласно изобретению, обеспечивает более высокую плотность тяги (например плотность тяги в секторе порядка от 1 до 2 мН/см2) Следовательно, такой двигатель имеет лучшие массогабаритные характеристики и высокий кпд Что касается срока службы, то известные двигатели имеют срок службы около 3000 часов Плазменный двигатель, выполненный согласно настоящему изобретению, позволяет добиться срока службы, по меньшей мере, 5000-6000 часов из-за более низкой эрозии основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения, связанной с лучшей фокусировкой ионизированной струи Плазменный двигатель согласно изобретению может быть реализован в самых различных вариантах В случае фиг 1 магнитная цепь включает внешний радиальный полюсный плоский элемент 17 и внутренний радиальный полюсный плоский элемент 18, центральный сердечник 20, ярмо 22 связи и осевые сферомагнитные соединительные стержни 21, которые проходят до внешнего коль цеобразного элемента 30, который является ча стью ярма 22 связи и служит конструктивной де талью, которая может быть закреплена прямо на монтажной плите двигателя на спутнике таким образом, чтобы обеспечить зону крепления близко к центру гравитации двигателя, что улучшает виб ропрочность или, как представлено на фиг 1, со единяется с монтажной плитой посредством не магнитной цилиндрической обечайки 31, которая, таким образом, образует монтажный переходник Ярмо 22 связи между магнитным центральным сердечником 20 и осевыми ферромагнитными соединительными стержнями 21 состоит из радиальных магнитных стержней ярма 22 из ферромагнитного материала, которые пересекают коль цевую камеру-заглушку 4 выше основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения и кольцевого анода 6, образуя между ними значительные каналы связи 23 между кольцевой камерой-заглушкой 4 и основным кольцевым каналом 5 ионизации и ускорения, как это более ясно показано на фиг 2 Число стержней ярма 22 может быть выбрано в пределах от трех до девяти Внешний кольцеобразный элемент 30 в форме шайбы может быть выполнен заодно со стержнями ярма 22 В примере осуществления, показанном на фиг 1, 2, 3 представлены стержни, электроизолированные изолирующими оболочками 32, 33 Оболочки 32, 33 выполнены преимущественно из двух частей 32, 33, жестко соединенных соответственно изолирующими деталями 2 стенок основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения и стенками 11 кольцевой камеры заглушки 4 В примере осуществления в соответствии с фиг 2 и 3 магнитные стержни ярма 22 имеют сечение полуцилиндрической формы, каждая половина оболочки 32 имеет сечение, облегающее полуцилиндрическую форму магнитных стержней ярма 22, а каждая половина оболочки 33 имеет плоскую форму и примыкает к плоской поверхности магнитных стержней ярма 22 На фиг 4 показан в полуразрезе и перспективе вариант реализации, при котором магнитные стержни ярма 22 составляют радиальные поперечины, которые не соединены между собой кольцом 30 с их внешним концом Различные осевые соединительные стержни 21 соединяются в этом случае непосредственно с внешними концами радиальных стержней ярма 22 С другой стороны, каждый магнитный стержень ярма 22 соединен посредством распорки 34 с опорной плитой 35 Для большей ясности на фиг 2, фиг 4 или фиг 5-8 не представлены некоторые элементы, показанные на фиг 1, такие как средства электропитания кольцевого анода 6 В примере выполнения, показанном на фиг 5, осевые соединительные стержни 21 заменены внешней обечайкой 36 из ферромагнитного материала Сами радиальные магнитные стержни ярма 22 выполнены из мягкого феррита, электроизолируемого Следовательно, стержни ярма 22 не нужно окружать изолирующими оболочками 32, 33, как в случае выполнения согласно фиг 1, 2 и 4 В случае магнитных стержней ярма 22, выполненных из мягкого феррита, не возникает возмущения электростатического поля вблизи стержней Герметичность между магнитными стержнями ярма 22 и изолирующими деталями 2 стенок из изолирующей керамики основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения может быть осуществлена путем использования цемента и уплотнения стеклом при условии, что керамика и феррит выбраны из условия близости их коэффициентов расширения На фиг 5 показан частный случай герметичной формы, предусматривающей семь радиальных магнитных стержней ярма 22 из феррита, которые замыкают магнитную цепь между внешней обечайкой 36 и центральным сердечником 20 В способе выполнения по фиг 6 магнитные стержни связи ярма 22 изготовлены из металли 27921 ческого ферромагнитного материала, но не окружены изолирующими оболочками Зато центральный сердечник 37 и детали 38, которые составляют часть осевой внешней магнитной цепи и могут быть выполнены в виде стержней или обечайки, изготовлены из феррита, электроизолирующего В этом случае магнитные стержни ярма 22 могут быть под потенциалом анода и могут служить кольцевым анодом б или дополнительным анодом На фиг 7 показан пример выполнения, в котором радиальные магнитные стержни связи ярма 22 не расположены в плоскости, перпендикулярной оси двигателя, а размещаются по образующим конуса, основание которого повернуто к низу двигателя Основание конуса соединено, таким образом, с обечайкой 36, составляющей часть внешней осевой магнитной цепи, тогда как вершина конуса или наименьшее сечение усеченного конуса соединены с центральным сердечником 20 через кольцевую камеру-заглушку 4 Этот пример выполнения позволяет изготовить катушку 15 большой длины вблизи стыка между кольцевой камерой-заглушкой 4 и основным кольцевым каналом 5 ионизации и ускорения На фиг 8 показан пример выполнения, при котором соединительное ярмо 22 состоит не из отдельных магнитных стержней, а из конической детали из феррита, большее основание которого повернуто книзу и соединено с цилиндрической обечайкой 36, составляющей часть осевой внешней магнитной цепи, а вершина соединена с центральным сердечником 20, причем коническая часть ярма 22 пересекает кольцевую камерузаглушку 4 перед кольцевым анодом 6 Кольцевая камера-заглушка 4 разделена, таким образом, на две полости, которые сообщаются посредством каналов 23, аксиально просверленных через коническую деталь ярма 22 Каналы выполнены в достаточном количестве или достаточно большого сечения, чтобы сопротивление проходу газа было незначительным Как в случае примера выполнения по фиг 7, применение ярма 22 связи конической формы, пересекающего кольцевую камеру-заглушку 4 выше кольцевого анода 6 позволяет расположить катушку 15 относительно большой длины вблизи стыка между кольцевой камерой-заглушкой 4 и основным кольцевым каналом 5 ионизации и ускорения На фиг 9 показан плазменный двигатель, выполненный согласно изобретению, в котором кольцевая камера-заглушка 4 образует цилиндрическое удлинение основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения В этом случае поперечный размер кольцевой камеры-заглушки 4 и внешний диаметр камеры являются теми же самыми, что и для основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения Комплект деталей 10, 11, 39, определяющих кольцевой канал 3, включающий последовательно кольцевую камеру-заглушку 4 и основной кольцевой канал 5 ионизации и ускорения, имеет на внешней стороне своей стенки 11 перпендикулярно оси двигателя монтажный выступ 40 на фланце 35 монтажного переходника, на котором поддерживается обечайка 36, составляющая часть внеш ней осевой магнитной цепи Плоскость контакта, на уровне которой может производиться крепление двигателя на опорную конструкцию спутника, указана позицией 41 Конструкция двигателя по фиг 9, может, с другой стороны, соответствовать, например, выполнению по фиг 5 Кольцевой распределитель 13 для подачи ионизируемого газа может, однако, размещаться у дна 10 кольцевой камеры-заглушки 4 вблизи внутреннего элемента 39 который ограничивает одновременно кольцевую камерузаглушку 4 и основной кольцевой канал 5 ионизации и ускорения На фиг 10 и 11 показан плазменный двигатель, выполненный согласно изобретению, в котором кольцевая камера-заглушка 4 имеет уменьшенную длину в продольном направлении, которая может быть и немного меньше поперечного размера основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения В этом случае кольцевой распределитель 13 заменяется тангенциальным инжектором газа 42, который включает горловину звукового сопла, обеспечивающим тангенциальный ввод газа в кольцевую камеру-заглушку 4, создавая эффект вихря, что обеспечивает однородность газового потока, несмотря на небольшой продольный размер кольцевой камеры-заглушки 4, например согласно примеру выполнения, показанному на фиг 6, и поэтому дополнительно не описывается На фиг 12 показан возможный пример выполнения плазменного двигателя согласно изобретению, в котором кольцевая камера-заглушка 4, показанная в перспективе на фиг 13, включает несколько ячеек, которые выходят в основной кольцевой канал 5 ионизации и ускорения вблизи кольцевого анода 6 распределены вокруг оси двигателя и ограничены перегородками, параллельными оси двигателя Перегородки, параллельные оси двигателя, определяют между соседними ячейками проходы 43 для магнитных стержней, составляющих ярмо 22 В этом случае магнитные стержни ярма 22 не проникают физически в кольцевую камеру-заглушку 4, которая может представлять собой моноблок, изготовленный, например, по технологии выдувания стекла или кварца Кольцевая камера-заглушка 4, которая образована вокруг стержней, может быть изготовлена формованием, а не выдуванием Стенки 10 кольцевой камеры-заглушки 4 с ячейками изготовлены из материала, отличного от материала цилиндрической части детали 2 основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения Стык между нижним концом стенок 10 кольцевой камеры-заглушки 4 с ячейками и верхним концом стенок детали 2 кольцевого канала 3, содержащих кольцевой анод 6, обозначен позицией 44 Кольцевой распределитель 13 может устанавливаться впереди на стенке кольцевой камеры-заглушки 4 Кольцевой распределитель 13 объединен с горловинами 45 звуковых сопел, которые выходят в различные ячейки кольцевой камеры-заглушки 4 Как следует из фиг 12, подача рабочего вещества может преимущественно производиться в направлении наверх, причем кольцевой распределитель 13 сам помещен ниже кольцевой камеры-заглушки 4 Сама инжекция 27921 ионизированного газа осуществляется во всех случаях на некотором расстоянии перед кольцевым анодом 6. Кольцевая камера-заглушка 4 может включать, например, от трех до девяти ячеек, причем магнитные стержни ярма 22 в количестве, равном количеству ячеек, расположены в проходах 43. Узел магнитной цепи, состоящей из деталей 18, 20, 22, а также катушки 15 и 16, может быть введен через заднюю часть кольцевой камерызаглушки 4 На фиг 14 показан возможный пример выполнения изобретения, применимого к плазменному двигателю, у которого средний диаметр основного кольцевого канала 5 ионизации и ускорения имеет значительную величину по отношению к длине этого канала. В этом случае центральный сердечник 20 может быть выполнен трубчатым, образуя свободное центральное пространство, в который можно ввести полый катод 25, который размеща ется по оси двигателя. Чтобы избежать перегрева катушек 15, 16 катодом 25, суперизолирующий экран 46, например конической формы, раскрывающийся книзу, расположен вокруг полый катода 25 таким образом, чтобы обеспечить излучение катода 25 к пространству Полый катод 25 поддерживается в положении относительно центрального сердечника 20 посредством механической опоры 47 На фиг 12 и 14 показан фланец опорной плиты 35, расположенный по соседству с соединением стержней ярма 22 с внешней обечайкой 36, обозначающий монтаж на спутники. Во всех описанных случаях примеров осуществления изобретения магнитная цепь не продлевается до дна двигателя выше кольцевой камерызаглушки 4, что позволяет уменьшить общую массу и длину двигателя, не создавая помех его работы. 10 МИф (ЭХ) ~/W / / // I>S І.Збі.3 3D Фиг. 2 12 27921 Фиг. 5 14 S^ 8 r? r/ І' vzuz 27921 11 Фиг. 9 IZ6LZ Фиг. 18 27921 \\\ \ ч \ \ \ \ \ \ \ Фиг. 14 ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Бульв. Лесі Українки, 26, Київ, 01133, Україна (044) 254-42-30, 295-61-97 Підписано до Формат 60x84 1/8 Тираж 50 прим. Яоз друку є/1- UJ 2001 р. Обсяг ^Р О обл -вид.арк. Зам. Q^/ УкрІНТЕІ Вул. Горького, 180, Київ, 03680 МСП, Україна (044) 268-25-22 19