Vikupautomsk.ru

Выкуп Авто МСК
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое двигатель с анодным слоем

Что такое двигатель с анодным слоем

Ионный двигатель Холла

Ионныe двигатели Холла — это лишенные решетки ионные двигатели, которые производят тягу с помощью электростатического ускорения ионов из кольцевой камеры выпуска.

Важным преимуществом двигателей на эффекте Холла является отсутствие решетки, подвергающейся постоянной бомбардировке высокоэнергетичными ионами, вследствие чего происходит ее быстрая деградация. Что касается других характеристик ионных двигателей различной конструкции, то ситуация выглядит не столь очевидной. В общем, двигатели с решеткой позволяют получать больший удельный импульс и расходуют примерно в два раза меньше топлива (рабочего тела), чем двигатели Холла. Однако при этом двигатели Холла позволяют развить большую удельную тягу при одинаковом потреблении электроэнергии. Обе конструкции имеют свои достоинства и недостатки, и выбор предпочтительного варианта зависит в каждом случае от характера задач, стоящих перед аппаратом, и от его энергетических возможностей.

Существуют два типа двигателей на эффекте Холла — это статичный двигатель (Stationary Plasma Thruster (SPT)), разработанный Design Bureau Fakel (Калининград, Россия); и двигатель с анодным слоем (Thruster with Anode Layer (TAL)), разработанный Центральным Научно-Исследовательским Институтом Машиностроения (ЦНИИМАШ, Калининград).

Статичный двигатель (Stationary Plasma Thruster (SPT)).

Принципиальная схема статичного двигателя показана ниже. Радиальное магнитное поле с помощью электромагнитов установлено поперек главного кольцевого испускающего канала (сопла). Электромагнитное возбуждение создается отдельным блоком питания, либо с помощью тока разряда. Типичная разность потенциалов при разряде между катодом и анодом, проходящим через ксенон, впрыснутый и в полый катод, и в камеру разряда, составляет около 300 В. Радиальное магнитное поле предотвращает течение выпущенных с помощью термоэмиссии электронов непосредственно из полого катода к аноду. Это магнитное поле действует как сопротивление перетоку электронов к аноду, приводя к электрическому полю в плазме, которое перпендикулярно магнитному полю и выходит вовне из сопла двигателя. Изоляционные стенки предотвращают закорачивание электрического поля.

Ионы, созданные в камере выпуска электронной бомбардировкой, относительно незатронуты магнитным полем и ускорены электрическим полем . Дополнительные электроны, излучаемые катодом следуют за ускоренными ионами, предотвращая заряд корабля до большого отрицательного потенциала.

Электроны, движущиеся от катода к аноду в камере выпуска, делают это в области пересечения электрических и магнитных полей, что приводит к дрейфу (смещению) их в направлении. перпендикулярном обеим полям — электрическому и магнитному. Для цилиндрической геометрии двигателя это происходит в направлении центральной оси двигателя. Этот электронный дрейф называется также эффектом Холла, откуда и берет название двигатель. В западной литиратуре такие двигатели также иногда называют «closed-drift thrusters».

Двигатель с анодным слоем (Thruster with Anode Layer (TAL))

TAL отличается от статичного двигателя, в котором электрическое поле, произведенное сопротивлением магнитного поля устанавливается практически непосредственно перед анодом. Из-за этого в двигателе требуются изоляционные стенки. В TAL, чтобы преодолеть проблемы эрозии, анод установлен в конец сопел так, чтобы плазма, где создаются и ускоряются ионы, существовала по существу вне двигателя .Поэтому такой двигатель имеет превосходные характеристики эрозии, полученные при испытаниях в JPL. NASA.

Ионный двигатель SMART-1 в работе

Три ионных двигателя Холла разработаны и используются в России: SPT-100, D-55 TAL и T-100 NIITP’S. Номинальная мощность этих двигателей 1400 Вт, КПД — 50%, удельный импульс 1600 с и тяга около 83 мН. Обширное испытание на износ проведенное Fakel показало успешную работу в течении 7000 часов, исследования JPL показали 6 000 часов работы и 7 000 циклов вкл/выкл.

В основном эти двигатели используются в качестве навигационных (двигатели SPT-60 использовались в 70-х годах на «Метеорах», SPT-70 на спутниках «Космос» и «Луч» в 80-х, SPT-100 в ряде спутников в 90-х). В начале 2004 года впервые двигатель Холла был использован в качестве основного на станции SMART-1 по исследованию Луны.

Ракета-носитель «Ариан 5» вывела SMART 1 на переходную геосинхронную орбиту с апогеем 35935 км (при расчетном значении 35873 км) и перигеем 649,5 км (при расчетном значении 648,7 км). Время работы ракеты-носителя составило 27 минут. Затем был включен ионный двигатель. На первом этапе полета он должен работать практически непрерывно в течение 80 дней, за исключением периодов, когда станция будет находиться в тени Земли. При этом перигей орбиты SMART 1 будет поднят до 20 тыс. км., а затем и апогей. Когда он достигнет 200 тыс. км., станция начнет испытывать ощутимое гравитационное воздействие Луны. Гравитационные маневры будут осуществляться в конце декабря 2004 года, а затем в январе и феврале 2005 г. В конечном итоге в марте 2005 SMART 1 выйдет на орбиту вокруг Луны, а с апреля 2005 аппарат приступит к выполнению своей научной программы.

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана». Эл № ФС 77 — 48211. ISSN 1994-0408

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

Одной из проблем, возникающих при эксплуатации электрических ракетных двигателей (ЭРД) в космических условиях является влияние струи двигателя на телеметрическую аппаратуру, солнечные батареи и другие элементы конструкции космических аппаратов (КА). Для снижения отрицательного влияния ионного пучка на точную аппаратуру спутника, при его проектировании учитывается «область влияния», экспериментально определяемая для каждого изготовленного образца ЭРД [1]. Для уменьшения этой области разработчики двигателей решают задачи фокусировки пучка ионов и компенсации физических процессов, приводящих к их отклонению от номинальной траектории.

Одним из наиболее перспективных двигателей является двигатель с анодным слоем (ДАС) [2]. Принцип работы двигателя основан на ионизации и бездиссипативном ускорении ионов рабочего вещества в поперечном магнитном поле в кольцевом канале, заполненном частично замагниченной квазинейтральной плазмой. Ранее [2, 3, 4] было показано, что одной из причин расхождения струи ДАС является азимутальная закрутка ионов под действием магнитного поля.

При азимутальном повороте в поперечном магнитном поле траектория иона отклоняется на угол a и перестает быть параллельной оси канала ускорителя, пучок «расходится», его цилиндрическая форма искажается. Угол азимутального поворота ионов α может быть оценен по формуле, полученной в [4]:

(1)

Где, – индукция магнитного поля, – энергия иона, – заряд иона, – атомная масса, – координата рождения иона.

Рассмотрим двигатель со средним диаметром канала D , из которого выходит пучок ионов, с углом азимутальной закрутки α (рис. 1). Расположим систему координат так, чтобы ось OZ совпадала с осью двигателя, а плоскость XOY лежала на срезе ускорительного канала. Рассмотрим произвольную точку А, лежащую на срезе канала двигателя (считаем ширину каналу малой по отношению к диаметру). Ионный пучок, проходящий через эту точку, движется под углом a по отношению к нормали и распространяется вдоль прямой a . Через каждую точку на срезе ускорительного канала двигателя проходит такой же ионный пучок и вместе они образуют фигуру вращения, образующей которой будет являться прямая a . При пересечении этой фигуры вращения с плоскостью ZOX или ZOY мы получим продольный профиль ионного пучка за срезом ускорительного канала. Если угол a =0 то пучок будет цилиндрическим. Покажем, что если a пучок имеет форму однополостного гиперболоида, осью которого является ось двигателя, а продольный профиль ионного пучка является гиперболой с асимптотами, выходящими из начала координат под углом α к оси Z .

Рис. 1. Траектория иона с углом азимутального отклонения

Читать еще:  Что щелкает под капотом после остановки двигателя

Определим координаты какой либо точки на поверхности кольцевого ионного пучка за срезом ускорителя. Произвольно выбранную точку A соединим с началом координат O отрезком OA , имеющим длину R = D /2 . На оси OZ выберем точку O 1 на расстоянии z от центра координат. Через точку O 1 проведем плоскость параллельную срезу ускорителя. Прямая a будет пересекать эту плоскость в точке A 1 с координатами ( x , y , z ). Из точки A проведем перпендикуляр к этой плоскости, который будет пересекаться с ней в точке B . Для прямоугольного треугольника A 1 O 1 B можно записать:

( 2 )

Из треугольника ABA 1 для S получаем:

( 3 )

(4)

Подставим (3) и (4) в (2), перенесем члены, содержащие x , y , z в левую часть уравнения (2) и разделим полученный результат на R :

(5)

Поскольку точку A мы выбирали произвольно, то полученному уравнению будут удовлетворять все точки на поверхности ионного пучка. Выражение (5) является каноническим уравнением однополостного гиперболоида в декартовых координатах [ 5 ] .

Продольный профиль ионного пучка определим как пересечение гиперболоида с плоскостью ZOX из уравнения (5) при y =0:

(6)

Уравнение (6) является каноническим уравнением гиперболы в декартовых координатах [5]. Ветви этой гиперболы пересекают ось OX в точках x = ± R и ограничены асимптотами, пересекающими начало координат и повернутыми под углом ±α к оси OZ (рис. 2).

Рис. 2. Гиперболы, отвечающие уравнению (6).

На рис. 3 показаны расчетные продольные профили ионного пучка при различных углах азимутальной закрутки двигателя с диаметром ускорительного канала D =80 мм. Анализ графиков показывает, что даже при небольших углах α =3–4º уширение пучка относительно диаметра ускорительного канала двигателя может достигать 20–25 % на расстояниях порядка 0,5 м. При углах азимутальной закрутки α =12º уширение пучка становится равным 100 %.

Рис. 3. Расхождение пучка при различных углах азимутальной закрутки для двигателя с диаметром ускорительного канала D =80 мм.

Рис. 4. Расхождение пучка при угле азимутальной закрутки ионов α =12º и различных диаметрах ускорительного канала D двигателя.

На рис. 4 показаны расчетные продольные профили ионного пучка при угле азимутальной закрутки ионов α =12º и различных диаметрах ускорительного канала D двигателя. Из рис. 4 видно, что фиксированном расстоянии от среза двигателя уширение пучка относительно диаметра ускорительного канала двигателя растет при снижении диаметра канала.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что азимутальная закрутка ионов в ускорительном канале оказывает существенное влияние на расхождение ионного пучка в холловских двигателях. При азимутальной закрутке пучок ионов приобретает форму однополостного гиперболоида, расширяющегося за срезом ускорительного канала и ограниченного конусом с углом при вершине равным углу азимутальной закрутки a . Уширение ионного пучка на фиксированном расстоянии от среза двигателя будет зависеть от угла азимутальной закрутки и диаметра ускорительного канала двигателя.

1. Gulczinski F.S., Gallimore A.D., Carlson D.O., Gilchrist B.E. Impact of anode layer thruster plumes on satellite communications. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2007. 8 p.

2. Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1989. 216 с.

3. Воробьев Е.В., Духопельников Д.В., Ивахненко С.Г., Марахтанов М.К. Потеря тяги в двигателях с анодным слоем за счет азимутальной закрутки ионов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. Спец. выпуск «Ионно-плазменные технологии». С. 58-63.

4. Воробьев Е.В., Духопельников Д.В., Ивахненко С.Г., Жуков А.В., Кириллов Д.В., Марахтанов М.К. Холловский ускоритель с фокусированным пучком для наноразмерной обработки крупногабаритных зеркал оптических телескопов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. Спец. выпуск «Ионно-плазменные технологии». С. 35-41.

5. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М.: Наука, 1980. 9 76 с .

Что такое двигатель с анодным слоем

Электрические ракетные двигатели

ОКБ «Факел»
Федеральное государственное унитарное предприятие
«Опытное конструкторское бюро «Факел»
Россия, 236001, г. Калининград (областной), Московский проспект, 181

Стационарные плазменные двигатели

Летные модели

ДвигательТяга, мНУдельный импульс, сПотребляемая мощность, кВткпд, %Ресурс, чМасса, кг
СПД-502012500,3503522500,8
СПД-60300,51725001,2
СПД-70400,59331001,5
СПД-1008316001,2215375003,5

Перспективные модели

ДвигательТяга, мНУдельный импульс, сПотребляемая мощность, кВткпд, %Ресурс, чМасса, кг
СПД-351012000,1963025000,4
СПД-14080÷2801500÷26001,2÷6,010 0007
СПД-16090÷3501500÷26001,35÷7,5
СПД-180120÷5651500÷26001,8÷12,0
СПД-200до 5003÷1518 00015
СПД-290до 15005÷3027 00023

Применение на космических аппаратах

Название КАТип КАОрбитаДвигатель (кол-во)Дата запускаПериод работы (ч)
МетеорНОСПД-60 (2)29.12.1971180
МетеорНОСПД-60 (2)28.10.1974600
МетеорМетеор-ПриродаНОСПД-60 (2)15.05.1976
МетеорНОСПД-50 (2)05.04.1977
Космос-1066АстрофизикаНОСПД-50 (2)23.12.1978
Космос-1366Гейзер №1ГСОСПД-70 (4)18.05.1982261
Космос-1540Гейзер №2ГСОСПД-70 (4)02.03.1984223
Космос-1700Альтаир №1ГСОСПД-70 (4)25.10.198552
Космос-1738Гейзер №3ГСОСПД-70 (4)04.04.1986301
Космос-1818Плазма-AНОСПД-70 (6)02.02.1987152
Космос-1867Плазма-AНОСПД-70 (6)10.07.198716
Космос-1888Гейзер №5ГСОСПД-70 (4)01.10.1987270
Космос-1897Альтаир №2ГСОСПД-70 (4)26.11.1987787
Космос-1961Гейзер №6ГСОСПД-70 (4)02.08.1988560
Космос-2054Альтаир №4ГСОСПД-70 (4)27.12.1989475
Космос-2085Гейзер №7ГСОСПД-70 (4)19.07.1990
Космос-2172Гейзер №8ГСОСПД-70 (4)22.11.1991
ГалсГСОСПД-100 (8)20.01.19941600
Космос-2291Гейзер №9ГСОСПД-70 (4)21.09.1994
ЭкспрессГСОСПД-100 (4)13.10.1994
ЛучАльтаир №3ГСОСПД-70 (4)16.12.1994
ГалсГСОСПД-100 (8)11.07.1995
Космос-2319Гейзер №10ГСОСПД-70 (4)30.08.1995
Луч-1Гелиос №2ГСОСПД-70 (4)11.10.1995
ЭкспрессГСОСПД-100 (8)26.09.1996
КупонГСОСПД-70 (4)12.11.1997

Примечания. 1. ГСО — геостационарная орбита, НО — низкая или средняя орбита.
2. Данные после 1997 г. отсутствуют.
Источник: [1]

ЦНИИМАШ
Федеральное государственное унитарное предприятие
«Центральный научно-исследовательский институт машиностроения»
Россия, 141070, г. Королев, Московская обл., Пионерская ул., 4

Двигатели с анодным слоем

Перспективные модели

ДвигательТяга, мНУдельный импульс, сПотребляемая мощность, кВт
Д-100-180÷3401450÷28001,3÷7,5
Д-100-280÷6501800÷42503,5÷15

Применение на космических аппаратах

Название КАСтранаДвигательДата запуска
STEXСШАД-5503.10.1998

Примечание. На технологическом КА STEX проходил испытания двигатель TAL-WSF, сконструированный на основе Д-55.
Источники: [1], [2]

Центр Келдыша
Федеральное государственное унитарное предприятие
«Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша»
Россия, 125438, г. Москва, Онежская ул., 8/10

Стационарные плазменные двигатели (X-, T-)
Двигатели с анодным слоем (KM-)

Перспективные модели

ДвигательТяга, мНУдельный импульс, сПотребляемая мощность, кВткпд, %
Х-85М8531001,9364
Т-1008316301,3549
Т-16028818174,6755
КМ-326÷17800÷16000,12÷0,335÷45
КМ-4510÷281000÷18000,2÷0,4530÷45

Источник: [3]

EDD
Boeing Electron Dynamic Devices, Inc.
3100 W. Lomita Blvd, Torrance, CA 90505, USA

Двухступенчатый двигатель с анодным слоем (варианты)

Владельцы патента RU 2406873:

Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД). Двухступенчатый двигатель с анодным слоем содержит катод — нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, который выполнен из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненных в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся в систему радиально расположенных на полюсах магнитопровода штифтов, которые смещены по оси устройства в направлении к выходу, при этом на поверхности колец вне рабочей полости имеются кольцевые ограничительные выступы, а штифты выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец. Кроме того, внутреннее и наружное кольца составного катода ускорительной ступени могут упираться во фланцы, которые выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец, а кольца на выходе из двигателя могут иметь ступенчатую форму. Изобретение позволяет увеличить ресурс двухступенчатого двигателя с анодным слоем при сохранении его характеристик в течение всего времени работы, а также позволяет снизить массу и повысить экономичность. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).

Известен двухступенчатый двигатель с анодным слоем (ДАС) [1], содержащий кольцевые катоды и анод-газораспределитель, образующие разрядную ступень, причем кольцевые катоды одновременно являются анодами ускорительной ступени, и кольцевые катоды ускорительной ступени. Обе ступени размещаются в кольцевом зазоре магнитной системы, состоящей из электромагнита и магнитопровода с полюсами. Катоды и аноды изготовлены из молибдена.

Недостатком такого ДАС является сравнительно небольшой ресурс работы вследствие большого катодного распыления молибденовых электродов. Так четырехсотчасовые испытания ДАС на висмуте показали, что скорость уноса молибденовых катодов составляла

(1/7-1,9)10 5 г/К [2]. Это означает, что даже при токе 5 А длина кольцевых катодов за каждые 1000 часов уменьшается на 10-15 мм.

Из предлагаемых путей увеличения ресурса ДАС наиболее существенным является замена материала катодов на графит [2]. В работе [3], посвященной исследованию эрозии разрядного канала ДАС, показано, что при испытаниях двухступенчатого ДАС общей продолжительностью до 1200 часов эрозии катодов первой ступени не наблюдалось. Приведены пути обеспечения ресурса двигателя.

1. Изготовление распыляющихся деталей из стойких к распылению материалов.

2. Увеличение толщины распыляемых электродов.

3. Сокращение глубины канала.

Второй и третий пути практически исчерпали свои возможности в современных конструкциях ДАС.

Наиболее близкий аналог ДАС [3] содержит катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени. При выполнении электродов из графита, коэффициент катодного распыления даже при больших энергиях ионов (при напряжении в ускорительной ступени 2,5 кВ) снижается в

2-3 раза. Именно высоковольтный режим ДАС, обеспечивающий высокую удельную тягу двигателя, определяет его преимущество по сравнению со стационарным плазменным двигателем (СПД). Однако серия 30-часовых эрозионных испытаний двухступенчатого ДАС в высоковольтном режиме, проведенных в ЦНИИМаш, и серия 300-часовых испытаний, проведенных в ИЦ Гленна (США), показали, что скорость эрозии графитовых катодов в плоскости полюсов магнитной системы составляет величину примерно 3,2-3,3 мкм/ч, т.е. более 3 мм за 1000 часов работы ДАС. При обеспечении ресурса ДАС в 10000 часов эрозия катода ускорительной ступени должна составить более 30 мм, что недопустимо, т.к. это привело бы к значительной эрозии магнитных полюсов, сопровождаемой деградацией характеристик двигателя.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение ресурса двухступенчатого двигателя с анодным слоем при сохранении его характеристик в течение всего времени работы.

Для решения поставленной задачи в двухступенчатом двигателе с анодным слоем, содержащем катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненных в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся в систему радиально расположенных на полюсах магнитопровода штифтов, смещенных по оси устройства в направлении к выходу, при этом на поверхностях колец вне рабочей полости выполнены кольцевые ограничительные выступы, а штифты выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец.

Кроме того, поставленная задача может быть решена тем, что в двухступенчатом двигателе с анодным слоем, содержащем катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненых в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся во фланцы, расположенные на полюсах магнитопровода, при этом со стороны рабочей полости диаметры соответствующих колец и фланцев выполнены равными, поверхности колец вне рабочей полости содержат кольцевые ограничительные выступы и на выходе из двигателя имеют ступенчатую форму, а фланцы выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец.

Техническим результатом использования предлагаемого устройства является снижение массы, повышение экономичности, т.к. отпадает необходимость использования резервного двигателя.

На фиг.1 представлен вариант выполнения ДАС; на фиг.2 схематично показано последовательное состояние катода ускорительной ступени в выходной части во время работы двигателя по первому варианту; фиг.3 — второй вариант выполнения ДАС; фиг.3 — последовательное состояние выходной части катода ускорительной системы по второму варианту (схематично).

ДАС содержит кольцевые анод-газораспределитель 1, катод разрядной ступени 2, которые через изоляторы 3 неподвижно установлены на магнитопроводе 4. Катод ускорительной ступени выполнен составным и состоит из кольцеобразного корпуса 5 и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода 4 и неподвижно смонтированных в двигателе анода-газораспределителя 1, катода разрядной ступени 2 и корпуса 5 внутреннего 6 и наружного 7 колец катода ускорительной ступени. При этом кольца 6 и 7 катода ускорительной ступени подпружинены относительно корпуса 5 пружинами 8 в направлении выхода из двигателя и упираются в систему радиально установленных на внутреннем 9 и наружном 10 полюсах магнитопровода 4 штифтов (вариант 1), выполненных, например, из графита или из керамического материала, имеющего коэффициент катодного распыления, близкий к графиту. Система штифтов состоит, например, из двух рядов — внешнего 11 и внутреннего 12, смещенных в осевом направлении к выходу из двигателя. Во внешний ряд 11 упираются кольца 6 и 7, внутренний ряд 12 расположен в пазах 13, выполненных на внешних, вне рабочей полости, поверхностях выходных участков колец 6 и 7. Кроме того, наружные цилиндрические поверхности колец 6 и 7, вне рабочей полости двигателя, содержат кольцевые ограничительные выступы 14. В исходном состоянии пружины 8 сжаты. На оси двигателя установлен катод-нейтрализатор 15, внутри магнитопровода 4 установлены электромагниты 16.

В варианте 2 внутреннее 6 и наружное 7 кольца подпружинены в направлении выхода из двигателя вдоль его оси как и в первом варианте и упираются во фланцы — внутренний 17 и наружный 18, расположенные на полюсах 9 и 10 магнитопровода 4. Обращенные внутрь двигателя диаметры соответствующих друг другу колец и фланцев выполнены равными. Наружные, вне рабочей полости, цилиндрические поверхности колец 6 и 7 содержат кольцевые ограничительные выступы 14 и на выходе из двигателя имеют ступенчатую форму со ступенями 19. Фланцы 17 и 18 выполнены из немагнитного материала, коэффициент катодного распыления которого близок к коэффициенту катодного распыления материала колец.

Предлагаемые варианты двухступенчатых двигателей с анодным слоем работают следующим образом.

Рабочее тело, например ксенон, подают в анод-газораспределитель 1 и катод-нейтрализатор 15. Подают напряжение на электромагниты 16, напряжение между анодом-газораспределителем 1 и катодом разрядной ступени 2, а также между катодом разрядной ступени 2 (он же анод ускорительной ступени), катодом ускорительной ступени и катодом-нейтрализатором 15. Выводят двигатель на номинальный режим. При работе двигателя за счет катодного распыления графита колец 6 и 7 катода ускорительной ступени происходит уменьшение их длины и образование фаски на выходе колец 6 и 7 и штифтах 11 (см. фиг.2). Через несколько тысяч часов работы эрозия внешнего штифта 11 достигает такой величины (фиг.2а), при которой внешний ряд штифтов не является упором для подпружиненных колец 6 и 7 (или одного из них). Под действием пружин 8 кольца внутреннее 6 и наружное 7 (или одно из них) перемещаются до упора внутреннего штифта 12 в торец паза 13, в котором этот штифт расположен. Передвинувшиеся в направлении выхода из двигателя кольца 6 и 7 катода ускорительной ступени восстанавливают первоначальное положение катода, защищающего магнитные полюса 9 или 10. При дальнейшей работе в течение нескольких тысяч часов продолжается эрозия выходной части колец 6 и 7 катода ускорительной ступени и штифтов внешних 11 и внутренних 12 до того момента, когда внутренний штифт 12, в который упирается подпружиненное кольцо, перестанет быть упором (фиг.2б). При отсутствии необходимости установки еще одного штифта, кольцо передвинется под действием пружины 8 до упора его кольцевого выступа 14 во внутреннюю плоскость полюса 9 или 10, вернув первоначальную геометрию выходной части катода ускорительной ступени относительно полюсов 9 и 10 (фиг.2в). Это обеспечивает защиту полюсов от эрозии, предотвращая деградацию характеристик двигателя.

Аналогичная эффективность при большей прочности может быть получена и в двухступенчатом двигателе с анодным слоем по второму варианту. Работа этого двигателя проиллюстрирована фиг.4. За первые несколько тысяч часов работы двигателя образующаяся в результате эрозии выходных торцов колец 6 и 7 и фланцев 17 и 18 фаска (фиг.4а) приводит к тому, что фланцы перестают быть упорами для подпружиненных колец 6 и 7. В результате чего указанные кольца передвинутся до упора фланцев 17 и 18 в следующие ступени 19. На фиг.4б, в, г показана схема последующих трех аналогичных переходов до упора последнего кольцевого выступа 14 колец 6 и 7 в полюса 9 и 10. При этом каждое перемещение колец может составлять величину в 6-7 мм, что компенсирует линейную эрозию колец 6 и 7, защищающих полюса 9 и 10 магнитной системы, равную 24-28 мм. При определенной экспериментально скорости эрозии

3 мк/ч в предложенном двигателе должна быть обеспечена защита полюсов, а следовательно, сохранение характеристик двигателя, в течение 8000-10000 часов его работы.

1. Гришин С.Д., Ерофеев B.C. и др. Характеристики двухступенчатого ионного ускорителя с анодным слоем. ПМТФ, 1978, №2, с.28.

2. Гришин Г.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975, с.164.

3. Семенкин А.В., Солодухин А.Е. Исследование эрозии в разрядном канале многорежимного двигателя с анодным слоем. Теоретические и экспериментальные исследования вопросов общей физики. ЦНИИмаш, 2006, с.111-117.

1. Двухступенчатый двигатель с анодным слоем, содержащий катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, отличающийся тем, что катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненных в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся в систему радиально расположенных на полюсах магнитопровода штифтов, смещенных по оси устройства в направлении к выходу, при этом на поверхностях колец вне рабочей полости выполнены кольцевые ограничительные выступы, а штифты выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец.

2. Двухступенчатый двигатель с анодным слоем, содержащий катод-нейтрализатор, электромагнит, магнитопровод с полюсами, катод ускорительной ступени, выполненный из графита, жестко связанные с магнитопроводом и расположенные внутри него кольцевой анод-газораспределитель и кольцевой катод разрядной ступени, отличающийся тем, что катод ускорительной ступени выполнен составным в виде неподвижно установленного относительно магнитопровода кольцеобразного корпуса и установленных с возможностью осевого перемещения относительно магнитопровода внутреннего и наружного колец, подпружиненных в направлении выхода из двигателя вдоль его оси и упирающихся во фланцы, расположенные на полюсах магнитопровода, при этом со стороны рабочей полости диаметры соответствующих колец и фланцев выполнены равными, поверхности колец вне рабочей полости содержат кольцевые ограничительные выступы и на выходе из двигателя имеют ступенчатую форму, а фланцы выполнены из немагнитного материала, близкого по коэффициенту катодного распыления к материалу колец.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector