Плазмовий прискорювач малої потужності

1. Плазмовий прискорювач малої потужності, що містить порожнистий анод-газорозподільник, виконаний з електро- і магнітопропускаючого матеріалу, магнітну систему з джерелом магніторушійної сили і магнітопроводом із зовнішнім і внутрішнім магнітними полюсами, що утворюють замкнутий зазор, розрядну камеру з кільцевим C2 2 (19) 1 3 день техніко-економічними параметрами тяги, потужності, технологічності, вартості, а також масогабаритними показниками при роботі в діапазоні середніх і великих потужностей. Однак при роботі в діапазоні малих потужностей (менш ніж 0,5кВт) його техніко-економічні характеристики різко знижуються. У плазменому прискорювачі з замкнутим дрейфом електронів по [патенту Росії №2139646 (автори - С.А. Хартов, А.Б. Жакупов, О.А. Горшков і Ризаханов Р.Н.), заяв. 07.04.98], призначеного для роботи переважно в діапазоні середніх потужностей, ці характеристики вдається трохи поліпшити за рахунок застосування в конструкції кільцевого порожнього анода-газорозподілювача, одночасно виконуючого функції і газового розподільника, і магнітного екрана, але несуттєво. Найбільш близьким до пристрою, що пропонується, по технічній сутності є плазмовий холовський двигун малої потужності по [патенту України №69865 від 15.09.2004, МПК F03Н1/00], обраний прототипом. Даний плазмовий двигун містить порожній анод-газорозподілювач, виконаний з електро- і магнітопропускаючого матеріалу, магнітну систему з джерелом магніторушійної сили і магнітопроводом із зовнішнім і внутрішнім магнітними полюсами, що утворюють замкнутий зазор, розрядну камеру з кільцевим вісесиметричним прискорювальним каналом, стінки якої утворені анодомгазорозподілювачем і полюсними наконечниками з діелектричного матеріалу і катод-компенсатор, який установлюють поблизу вихідного зрізу розрядної камери. Такий пристрій забезпечує досить стабільне прискорення плазменого струменя, при цьому знижується енергетична ціна тяги, але разом з тим К.К.Д. його роботи є недостатньо високим (на ксеноні не перевищує 35%). Основними причинами відзначеного основного недоліку - невисокого К.К.Д. пристрою-прототипу є наступні обставини. Дійсно, за рахунок виконання анода, який складається з магнітної і немагнітної частин і застосування радіальних перемичок з магнітного матеріалу вдається трохи зменшити енергетичну ціну тяги. При цьому для максимального її зменшення необхідно, щоб поперечний переріз перемичок дорівнював площі поперечного перетину магнітної частини двигуна. Наявність же в кільцевій розрядній камері радіальних перемичок з досить розвитою поверхнею приводить до зниження ефективності процесів іонізації за рахунок втрат заряджених часток на поверхні зазначених перемичок. Крім того, як показали виконані нами дослідження, у кільцевому магнітному зазорі в районі полюсних наконечників відомих пристроїв радіальна щодо осі розрядної камери складова індукції магнітного поля має несиметричний характер з різницею у величині радіальних складових магнітного поля зовнішнього і внутрішнього полюсів 15¸20% і більше. Ця обставина приводить до погіршення фокусування потоку іонів, а значить і до зменшення ефективності роботи двигуна. Як наслідок, вищевідзначені причини не дозволяють у пристрої-прототипі одержати К.К.Д. 86422 4 вище 35%, що на даний момент являється недостатнім. Крім того, застосування радіальних перемичок у розглянутому плазменому двигуні збільшує його масу, а розміщення катода-компенсатора за вихідним зрізом розрядної камери - габарити. Технічною задачею пропонованого плазменого прискорювача малої потужності є підвищення К.К.Д., а також зниження його масогабаритних характеристик. Поставлений технічний результат досягається тим, що в плазменому двигуні малої потужності, що містить порожній анод-газорозподілювач, виконаний з електро- і магнітопропускаючого матеріалу, магнітну систему з джерелом магніторушійної сили і магнітопроводом із зовнішнім і внутрішнім магнітними полюсами, що утворюють замкнутий зазор, розрядну камеру з кільцевим вісесиметричним прискорювальним каналом, стінки якої утворені анодом-газорозподілювачем, і полюсними наконечниками з діелектричного матеріалу, і катод-компенсатор, згідно винаходу, діаметр внутрішнього магнітного полюса установлений з умови рівності величин радіальної щодо осі розрядної камери індукції магнітного поля в точках магнітного зазору, що знаходяться на однаковій відстані від зовнішнього і внутрішнього магнітних полюсів. Поставлена технічна задача вирішується також тим, що в плазменому прискорювачі малої потужності в центральній частині внутрішнього магнітопроводу по його осі виконаний наскрізний отвір змінного перетину, що розширюється в області полюсного наконечника, і у якому розміщений катод-компенсатор, при цьому мінімальна площа поперечного перерізу внутрішнього магнітопроводу в будь-якій його частині не менше мінімальної площі поперечного перерізу зовнішнього магнітопроводу. Найбільш оптимальним є створення рівності величин радіальної щодо осі розрядної камери індукції магнітного поля в точках магнітного зазору, що знаходяться на однаковій відстані від зовнішнього і внутрішнього магнітних полюсів з похибкою, що не перевищує 5%. Розглянемо причинно-наслідковий зв'язок між істотними відмінними ознаками пристрою, що пропонується, і технічним результатом, що досягається, а саме - підвищенням К.К.Д. і зниженням масогабаритних характеристик. Виконання умови, коли діаметр внутрішнього магнітного полюса обраний виходячи з рівності величин радіальної щодо осі розрядної камери індукції магнітного поля в точках магнітного зазору, що знаходяться на однаковій відстані від зовнішнього і внутрішнього магнітних полюсів, забезпечує створення між магнітними полюсами в районі вихідного зрізу запропонованого плазменого прискорювача максимально симетричне щодо осі розрядної камери магнітне поле. Тим самим в запропонованому пристрої забезпечуються найбільш оптимальні умови фокусування плазменого потоку і, відповідно, підвищується ефективність його роботи (знижується енергетична ціна тяги і підвищується К.К.Д.). 5 Забезпечення вище розглянутої умови приводить до збільшення діаметра внутрішнього магнітного полюса. При цьому відбувається природне зменшення площі поперечного перерізу розрядної камери запропонованого прискорювача з одночасним створенням найбільш раціональної конфігурації магнітного поля елементами магнітної системи. "Масштабні чинники", про які говориться в описі пристрої-прототипу, при цьому не виникають. Відсутність же радіальних перемичок, наявність яких необхідно в пристрої-прототипі, також позитивно впливає на роботу запропонованого плазменого прискорювача, підвищуючи його К.К.Д. і, що істотно, знижується маса плазменого прискорювача. Істотні відмінності, що полягають у тому, що в плазменому прискорювачі малої потужності в центральній частині внутрішнього магнітопроводу по його осі виконаний наскрізний отвір змінного перетину, який розширюється в області полюсного наконечника, а також розміщення в ньому катодакомпенсатора, забезпечують значне зменшення габаритів запропонованого пристрою в порівнянні з пристроєм-прототипом і іншими відомими рішеннями. Усунення при такому компонуванні катодакомпенсатора елементів його кріплення, необхідних в пристрої-прототипі, забезпечує додаткове зниження маси запропонованого прискорювача плазми. Виконання умови, коли мінімальна площа поперечного перерізу внутрішнього магнітопроводу в будь-якій його частині не менше мінімальної площі поперечного переріза зовнішнього магнітопроводу забезпечує пристрою, що заявляється, мінімальні витрати на створення магніторушійної сили, тим самим підвищуючи його К.К.Д. Звичайно, можливе забезпечення практично абсолютної рівності зазначених радіальних складових магнітного поля, однак це вимагає як мінімум додаткових джерел магніторушійної сили, що неприйнятно, тому що приводить до збільшення маси й енергетичної ціни тяги. Як показали дослідження, неузгодженість у радіальних складових магнітного поля до 5% забезпечує найбільш оптимальне сполучення між К.К.Д., енергетичною ціною тяги і масових характеристик прискорювача. Таким чином, розглянута сукупність істотних відмітних ознак запропонованого плазменого прискорювача малої потужності забезпечує досягнення технічного результату, що полягає в підвищенні К.К.Д., а також зниження масогабаритних характеристик. На Фіг.1 зображений плазмений прискорювач малої потужності, що пропонується. На Фіг.2 показаний характер зміни величини радіальної щодо осі розрядної камери індукції магнітного поля в районі магнітних полюсів у запропонованому пристрої й у пристрої-прототипі. Плазмений прискорювач малої потужності містить кільцевий пустотілий анод - газорозподілювач 1, виконаний з електро- і магнітопропускаючого матеріалу, магнітну систему з джерелом магніто 86422 6 рушійної сили 2 і магнітопроводом 3, що утворює своїми магнітними полюсами - зовнішнім 4 і внутрішнім 5 - замкнутий магнітний зазор 6. Між анодом-газорозподілювачем 1 і магнітними полюсами 4 і 5 розташована розрядна камера 7 з кільцевим вісесиметричним прискорювальним каналом. Магнітні полюси 4 і 5 прикриті діелектричними наконечниками 8. У центральній частині магнітопроводу 3 по його осі виконаний наскрізний отвір 9 змінного перетину великим діаметром 10, розташованого в області полюсного наконечника 8. В отворі 10 розміщений катод-компенсатор 11. Пристрій працює таким способом. При подачі напруги на джерело магніторушійної сили 2 в області замкнутого магнітного зазору 6 магнітними полюсами 4 і 5 магнітопроводу З створюється магнітне поле з магнітною індукцією В. При цьому значення величин радіальної щодо осі розрядної камери індукції магнітного поля в точках магнітного зазору, що знаходяться на однаковій відстані від зовнішнього Вrз і внутрішнього Вrвн магнітних полюсів дорівнює один одному з похибкою не більше 5% (Фіг.2, крива 12; крива 13 ілюструє аналогічну залежність для пристроюпрототипу). Від системи збереження і подачі робочої речовини (не показана) через анодгазорозподілювач 1 подається плазмоутворюючий газ (ксенон). Одночасно від тієї ж системи збереження і подачі робочої речовини газ, необхідний для роботи катода-компенсатора 11, через отвір 11 надходить до нього. Через цей же отвір 11 до катода-компенсатора 11 підводять живлення. Катод-компенсатор 11 за зрізом розрядної камери 7 створює хмару електронів. Між анодомгазорозподілювачем 1 і катодом-компенсатором 11 прикладається різниця потенціалів U»300В. При цьому в плазменому прискорювачі загоряється стійкий розряд з азимутальним дрейфом електронів в прискорювальному каналі. В області замкнутого зазору 6, де максимальна індукція магнітного поля, створюються умови для прискорення іонного компонента плазми, що і забезпечує створення реактивної тяги. Пропонований плазмений прискорювач малої потужності з зовнішнім діаметром 20мм був випробуваний при наступних основних параметрах: витрати плазмоутворюючого газу - ксенону 0,33мг/з; напруга розряду - 290В; струм розряду 0,32А. Значення радіальних щодо осі розрядної камери індукції магнітного поля в точках магнітного зазору, що знаходяться на відстані 2мм від поверхонь зовнішнього Вrз і внутрішнього Вrвн магнітних полюсів (товщина стінки діелектричного полюсного наконечника 8 складала 1мм) дорівнювала Вrз=12,53мТл, Вrвн=12,95мТл, тобто забезпечена розбіжність не більш 5%. Результати іспитів показали, що плазмений прискорювач малої потужності, що пропонується, має стійкий К.К.Д. на рівні 41% (підвищений на 6% у порівнянні з пристроєм-прототипом) при одночасному поліпшенні масогабаритних характеристик. 7 86422 Одночасно було встановлено, що при розбіжності радіальних складових індукції магнітного поля в протилежних точках магнітного зазору більш 5% спостерігається зниження К.К.Д. пристрою, а Комп’ютерна верстка М. Ломалова 8 при створенні рівних зазначених радіальних складових індукції магнітного поля відбувається збільшення маси прискорювача при практично незмінному К.К.Д. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601