Стаціонарний плазмовий двигун

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 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 сторону міжполюсного зазору, який відрізняється тим, що він оснащений, принаймні, одним анодом, розташованим у прискорювальному каналі на його внутрішній й (або) ЗОВНІШНІЙ поверхнях з мінімальним значенням радіальної складової магнітного поля й Винахід відноситься до плазмової техніки й може знайти застосування у прискорювачах, що використовуються, зокрема, як електроракетні двигуні космічних рушійних установок Є відомим стаціонарний плазмовий двигун (Гришин С Д , Лесков Л В Электрические ракетные двигатели космических аппаратов М Машиностроение 1989, с 143 - 144), що містить у своему складі вузол підводу електроживлення, діелектричну розрядну камеру, вузол підводу ро підключеним у живильне коло під потенціалом анода-розподільника, і що має рельєф у вигляді канавок уздовж азимуту на поверхні, повернутій до області 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 2 Двигун за п 1, який відрізняється тим, що анод виконано у вигляді циліндричного кільця 3 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 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 двигуна 6 Двигун за п 1, який відрізняється тим, що рельєф на поверхні виконано у вигляді СПІВВІСНИХ кільцевих канавок, стінки яких утворено нахиленими й (або) вертикальними поверхнями до осі двигуна бочого тіла в розрядну камеру, магнітну систему що містить ЗОВНІШНІЙ й внутрішні магнітні котушки, магнітопровід з ЗОВНІШНІМ та внутрішнім полюсним 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 00 ю 52278 Найбільш близьким технічним рішенням до пропонованого винаходу, обраному у якості прототипу, є стаціонарний плазмовий двигун (Патент РФ №2030134, кл Н05Н1/54, F03H1/00, 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 нейтралізованих ІОНІВ повертається у прискорювальний канал, де можлива їх повторна іонізація й прискорення, а 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 часток робочого тіла у напрямку від аноду до виходу з прискорювального каналу, що обумовлено відбиваючою дією поверхні анодурозподілителя й поверхні прискорювального каналу, з приданиям часткам робочого тіла осьового складника швидкості, у напрямку виходу з прискорювального каналу Наявність осьового складника 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 прискорення, як слідство, знижуючи середню швидкість іонного потоку на виході з розрядної камери Зниження середньої швидкості витікання робочого тіла знижує тягову й енергетичну ефективність роботи стаціонарного плазмового двигуна В основу винаходу поставлено задачу підвищення тягової й енергетичної ефективності роботи стаціонарного плазмового двигуна за рахунок збі льшення середньої швидкості потоку ІОНІВ робочого тіла, прискорених при проходженні прискорюючої різності потенціалів зосередженого у розрядній камері електричного поля, що досягається збільшенням долі ІОНІВ, що утворюються на початку шару іонізації й прискорення, ближче до аноду на основі зниження осьового складника, у напрямку виходу з прискорювального каналу, швидкості руху нейтральних часток робочого тіла при використанні винаходу Поставлена задача вирішується тим, що стаціонарний плазмовий двигун, що містить розрядну камеру з 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 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 наконечників, при цьому перший з магнітних екранів охвачує 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 потенціалом анодурозподілителя, 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 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 и 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 анодурозподілителю й маючого рельєф у вигляді соосних кільцевих канавок, стінки яких утворено нахиленими й (або) вертикальними поверхнями до осі двигуна На стаціонарному режимі роботи стаціонарного плазмового двигуна екран з рельєфом на пове 52278 рхні 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 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 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 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 3 та ЗОВНІШНІЙ 4 полюсні наконечники, задній фланець 5, центральний 6 та декілька периферійних 7 сердечників, що поєднують полюсні наконечники 3 і 4 з заднім фланцем 5, а також ЗОВНІШНІЙ 8 та внутрішній 9 магнітні екрани, встановлені з зазором відносно полюсів 3 і 4 Магнітна система включає також джерело магніторушійної сили, що утримує у своєму складі центральну 10 та декілька периферійних 11 магнітних котушок, встановлених, ВІДПОВІДНО, на центральному 6 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 анодурозподілителя 2 й маючи рельєф на поверхні, звернутої до області розряду у розрядній камері 1 Стаціонарний плазмовий двигун утримує два ано да 14, розташованих у прискорювальному каналі на його внутрішній та ЗОВНІШНІЙ поверхнях з мінімальним значенням радіального складника магнітного поля й підключеним у живлючє 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 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 магнітного поля у між полюсному зазорі й лінії розсіяння магнітного поля поблизу катоду-компенсатора 15 Двигун працює наступним чином По команді на вмикання починається підготовка (нагрів) катодкомпенсатор 15 й подача у нього та у анодрозподілитель 2 робочого тіла По закінченню часу підготовки подається напруга запалення на катодкомпенсатор 15 та напруга основного ланцюга розряду між анодом-розподілителєм 2 і катодкомпенсатор 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 полі, яке утворюється поміж полюсних наконечників 3 і 4 та магнітних екранів 8 і 9 магнітопроводу за допомогою джерел магніторушійної сили - котушок 10 і 11, встановлених у колі магнитопроводу, а також за допомогою заднього фланцю 5, центрального 6 і декількох периферійних 7 сердечників магнітопроводу, що поєднують полюсні наконечники 3 і 4 з заднім фланцем 5 Основна частина прикладеного поміж катодом-компенсатором 15 та анодомрозподілтелем 2 розрядної напруги зосереджена у шарі іонізації й 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 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, раді 52278 ального 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 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 іоніза 8 ції и прискорення до виходу з каналу, и 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 анодрозподілитель 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 тягоенергетичні характеристики ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71