Ускоритель плазмы.

Область техники.

Ускоритель плазмы относится к области космической техники и плазменной технологии. В космосе может использоваться как двигатель для перемещения космических объектов. В технологии для получения композитных материалов с точным стехиометрическим соотношением, напыления и обработки деталей плазмой. Предшествующий уровень техники.

Известен ускоритель плазмы "Ионные и плазменные установки", Гос. Комитет по использованию атомной энергии СССР, Сборники Ν° 20, 21 "Электродуговой двигатель с высоким удельным импульсом" (по обзору иностранной печати с1958 по 1964 годы); Ducati А.С. "Study of the Factors Affecting the Efficiency in Termal Acceleration of Propellants", Sixth Quarterly Technical Report No. 6GS-1 13-1 161 to AFOSR under contract 49(698)- 1 161.oct 1963.; "High Speciefic Impulse Termo-Jonic Acceleration" PRe-1 14-a, Giannini G. Scientific Corporation, Dec. 1963 (a recent abstract has, ban published asa technical note in the AIAA Journal August 1964) (аналог); содержащий коаксиально расположенные катод, радиально секционированный анод с регулируемым подводом тока к каждой секции, подвод рабочего тела через катод и изоляторы.

Недостатком этого ускорителя являются невозможность преодоления "кризисного режима", который характеризуется резким повышением напряжения разряда, низкие эффективность, удельный импульс и малый ресурс. Значительные размеры секций не позволяют достичь равномерности распределения тока по всей рабочей

поверхности анода. Дефицит рабочего тела в зоне анода при увеличении тока приводит к локализации разряда в пределах одной секции. Доли тока, вытекающего на секцию, достаточно для её разрушения, что сокращает ресурс ускорителя.

Принудительное регулирование тока с помощью балластного сопротивления

на каждую секцию анода усложняет конструкцию ускорителя, снижает его надежность.

Известен ускоритель плазмы "Разработка и исследование перспективных электродных узлов магнитоплазменных двигателей", 2009 г., МАИ, Москва,

Диссертация к.т.н. Сысоева Д.В., Специальность 05. 07. 05 (прототип), содержащий коаксиально расположенные катод с подводом рабочего те^аж вольфрамовый анод, состоящий из внешней монолитной части и внутренней из секций в виде проволок;

1

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) систему подачи рабочего тела, через зазоры между проволоками анода и изоляторы. Проволоки направлены свободными концами в сторону катода. Ток к проволокам подводится от внешней монолитной части анода.

Недостатком этого ускорителя являются низкие эффективность, удельный

импульс и малый ресурс из-за невозможности преодаления "кризисного режима".

С увеличением тока рабочее тело в виде плазмы, подаваемое через промежутки между секциями из проволок анода к основанию катода, реализуется в начале катодного плазменного столба, который стремится сжаться. Распределенный разряд не

удерживается на секциях из проволок и выносится на срез анода. Концентрация частиц в зоне анода уменьшается. На монолитной части анода разряд локализуется и разрушает подвод тока к секциям из проволок. В связи с этим, из-за отсутствия возможности работать и регулировать напряжение тока разряда во всем диапазоне вольтамперной характеристики, невозможно достигнуть высокого удельного импульса

и эффективности ускорителя.

Раскрытие изобретения.

Целью изобретения является повышение эффективности, удельного импульса и ресурса ускорителя плазмы путем регулирования напряжения разряда, в том числе при резком его повышении (выше "кризисного режима"). Это достигается тем, что секции анода выполнены из направленных вдоль оси ускорителя плоских трубок с отводами. Трубки расположены широкой частью в радиальной плоскости с гарантированным зазором между собой. Отводы повернуты под углом меньше 90° к оси ускорителя.

Свободными концами отводов с отверстиями образована дискретная, например, цилиндрическая рабочая поверхность анода. Первый отвод длиной равной

его ширине установлен на расстоянии больше половины диаметра анода от среза катода. Длина остальных отводов увеличена пропорционально их количеству. Проходное сечение отверстия трубки равно или больше суммы проходных сечений отводов.

Основания трубок герметично соединены с коллектором, корпус которого и подвод рабочего тела к нему выполнены на подводе тока к аноду. Снаружи анода установлен нейтральный экран. С целью размещения максимального количества секций на аноде и обеспечения необходимой прочности отношение толщины трубок и отводов к ширине выполнено в интервале от 1/1 до 1/30, сечение стенок трубок и отводов от 0,1 мм до 30 мм ² , причем толщина стенок преимущественно переменная. С целью равномерного распределения тока по трубкам анода, путем увеличения их сопротивления, отношение длины трубок к толщине больше 100/1. С целью исключения контакта зазор между трубками устанавливают не менее 0,1 мм. С целью увеличения объемного ускорения

2

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) плазмы под действием электродинамической силы, путем распределения разряда по отводам вдоль анода, количество отводов на каждой трубке от 1 до 5 и более.

С наружи анода установлен нейтральный экран. Чтобы обеспечить беспрепятственное прохождение расхода рабочего тела через отводы, размер сечеНия отверстий в интервале от 0,03 мм до 1,0 мм определяют по формуле:

^отв " ^{сечение} отверстий отводов [м ² ];

к - постоянная Больцмана [Дж/К];

I - предельный ток [А], соответствующий началу резкого роста напряжения разряда; Т - температура отводов трубки [К]; ξ = M-I 2Е- - параметр обмена [безразмерная величина], где

М - масса иона;

е- заряд электрона [кулон];

- суммарный расход рабочего тела [кг/с];

U - скорость потока рабочего тела по отводу [м/с];

р - давление в трубке [Н/м ];

t - количество трубок [шт.];

/ отв - количество отводов [ ^L шт.] ^J .

Формула выведена при условии , что через анод подают половину суммарного расхода рабочего тела. При других соотношениях вместо коэффициента 2 в знаменателе ставят соответствующее значение. Количество трубок, их форма, размеры и зазоры между ними в указанных пределах подбираются по мощности и току разряда, которые могут варьироваться в широком диапазоне в зависимости от назначения ускорителя плазмы.

(

При этом максимально допустимая плотность тока на дискретной рабочей поверхности анода не должна превышать 20 А/мм .

Краткое описание чертежей.

На Fig.1 представлена конструкция ускорителя плазмы, который содержит катод 1 , подвод 2 тока к катоду, анод 3, подвод 4 тока к аноду, подвод 5 рабочего тела

3

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) в катод 1, отводы 6 анода 3, нейтральный экран 7, трубки 8 анода 3, коллектор 9 анода, подвод 10 рабочего тела в коллектор 9 анода, отверстия 1 1 трубок 8, отверстия 12 отводов 6, наружный экран 13;

на Fig. 2 - изображения торца, работающих ускорителей;

на Fig. 3 - рисунок формы разряда дуги одновременно с двумя плазменными потоками; на Fig. 4 - графики вольтамперной характеристики и зависимости тяги от квадрата тока; на Fig. 5 - графики распределения массового расхода по радиусу;

на Fig. 6 -= осциллограммы работающих ускорителей.

Лучший вариант осуществления изобретения.

В качестве лучшего варианта осуществления изобретения представлен ускоритель плазмы средней мощности и его характеристики, предназначенный для перемещения космических объектов. Размеры анода ускорителя плазмы: диаметр анода 120 мм;

толщина трубки 1 мм; ширина трубки и отводов 5 мм; количество отводов 5 шт.;

количество трубок 250 шт.; габариты ускорителя: диаметр 240 мм, длина 300 мм.

На осциллограмме (Fig. 6, б) показана работа ускорителя, два режима которого представлены отдельно:

- ток 3340 А, напряжении 33,2 В, расход лития (Li) 0.4- 10 ^"4 кг/с; реактивная тяга

(прямое измерение) 2,3 Н, эффективность 59%, удельный импульс 57000 км/с;

- ток 4380 А; напряжение 31 ,2 В; расход рабочего тела (Li) 0,63.1 О ^*4 кг/сек; тяга 3,6 Н; эффективность 0,75%; удельный импульс 75000 км/сек. Разрушений и сублимации анода не обнаружено. Ресурс ускорителя плазмы в этом случае определяется ресурсом катода. Из уровня современной техники он может достигать от 10000 до 50000 часов. Промышленная применимость.

Представленные новые конструктивные решения эффективно применяются при использовании ускорителя в качестве плазменного двигателя. Реализация нововведений осуществляется следующим образом. Подают напряжение (Fig.1) на катод 1 через подвод тока 2 и анод 3 через подвод тока 4. По подводу 5 подают рабочее тело в катод 1 и зажигают разряд между катодом 1 и дискретной поверхностью анода 3, образованной торцами отводов 6. Нейтральным экраном 7 защищают основания трубок 8 анода 3 от привязок разряда. Регулируя расход и напряжение, устанавливают допустимый ток разряда и формируют катодный плазменный столб. Трубки 8 и отводы 6 анода 3 разогревают током и разрядом, а коллектор 9 излучением с катода 1 и

теплопроводностью по трубкам 8. Используя свойство материала анода изменять сопротивление при изменении температуры, ток разряда распределяют равномерно по трубкам 8 анода 3 и обратно пропорционально длине по отводам 6. Через подвод 10 рабочее тело подают в коллектор 9. Коллектором 9 равномерно распределяют рабочее тело по отверстиям 1 1 трубок 8, разогретых разрядом и током. Из отверстий 11 трубок 8 рабочее тело распределяют по отверстиям 12 отводов 6. Плоская форма трубок 8

4

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) с отводами 6 с отношением толщины к ширине от 1/1 до 1/30 и расположение их широкой стороной в радиальной плоскости с минимальным зазором от 0,1мм на подводе тока к аноду сделаны для того, чтобы равномерно распределить разряд по дискретной поверхности анода путем размещения максимального их количества на подводе тока к аноду. Фотографии торца работающего ускорителя показывают влияние частого секционирования на азимутальную равномерность распределения разряда по аноду ( Fig.2, сравнить: а - крупное секционирование, б - без секционирования, с - частое секционирование). Распределение разряда по аноду влияет на распределение по катоду

2 2

(Fig. 2,а). Форма трубок, сечение стенок трубок и отводов от 0,1 мм до 30 мм и переменная толщина стенок обеспечивают устойчивость трубок против силового воздействия реакции истекающих струй и электродинамических сил между катодным столбом и трубками 8 с протекающим по ним током. Способствуют отводу избытка тепла от рабочей поверхности анода к периферии и сбросу его излучением. Зазор не менее 0,1 мм между трубками исключает контакт при термическом расширении трубок до температуры 3000°С и деформации при действии инерционных сил. Калиброванными отверстиям 12 отводов 6 обратно пропорционально их длине создают струи с заданным распределением расхода вдоль ускорителя. Отводы устанавливают под углом меньше 90° к оси ускорителя, чтобы получить одновременно два плазменных потока в виде катодного столба и струй с анода. Для беспрепятственной подачи рабочего тела скорость потока через отводы 6 должна быть существенно ниже критической. При расчете отверстий в отводах она принимается от 2 м/с, до 10 м/с. Скорость струи, истекающей в вакуум, зависит от температуры рабочего тела и может достигать величины, порядка 1000 м/с, которой достаточно для получения эффекта одновременно двух встречных струй (Fig.3). Предельный ток и параметр обмена для конкретного рабочего тела определяют по моменту начала резкого роста напряжения разряда (начало "кризисного режима") из графика зависимости напряжения от квадрата тока (Fig.4). Температура рабочего тела принимается равной температуре отводов. Благодаря высокой эффективности

излучения наружной ребристой поверхности анода она не превышает диапазона от 1500° С до 2300°С. Процесс расширения газа в трубках и отводах предполагается изобарический, поэтому давление принимается нормальное, 10 ⁵ Па. Для

конденсирующегося рабочего тела, например лития, давление насыщенных

паров будет 1 ,577-10 ⁵ Па. Через самый короткий первый отвод 6 анода 3 подается больший расход. Он расположен, на уровне половины диаметра анода 3 от среза катода 1. Это расстояние должно быть больше длины свободного пробега частиц. На этом расстоянии формируется катодный плазменный столб с необходимым значением

5

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) магнитного поля на его границе, это больше 100 эрстед. По мере нейтрализации катодного плазменного столба ускоренными ионами с анода 3 напряженность магнитного поля падает. Уменьшается интенсивность отбора и ускорения ионов с анода 3. Чтобы избежать перерасхода рабочего тела через следующие отводы 6, расход уменьшают обратно пропорционально их длине. После подачи расхода через анод 3 корректируют ток разряда путем создания дефицита расхода через катод 1 и повышают напряжение разряда. При дефиците расхода через катод 1 давление в плазменном столбе уменьшается. Сила взаимодействия тока с его собственным магнитным полем, направленная к оси плазменного столба, стремится сжать столб [Л.А.Арцимович, "Элементарная физика плазмы", изд. 2-е, Атомиздат, Москва, 1966 г.]. Если давление плазмы мало, то сила сжатия не уравновешивается полностью. Под действием избыточной электродинамической силы плазма, образуемая в анодных струях, будет с возрастающей скоростью увлекаться к оси и ускоряться. На графиках Fig. 5 видно, как при увеличении тока разряда или уменьшении расхода происходит

перераспределение массового расхода с периферии к оси ускорителя и наоборот.

В дугах сильноточных плазменных устройств с электродов образуются потоки плазмы, направленные нормально рабочей поверхности. Характер потоков определяется процессами в областях, близких к поверхности электродов. Свойства потоков плазмы с электродов зависят от подвода энергии от дуги за счет поступления частиц плазмы на активные пятна электродов, электронов на анод и ионов на катод. В электрической дуге всегда имеются условия возникновения плазменных потоков с обоих электродов.

Физические процессы в катодной области дуги обеспечивают большую вероятность образования при равных условиях плазменных потоков большего скоростного напора. Условия существования потока с анода могут быть обеспечены при довольно низких плотностях тока за счет большей подвижности электронов, с низкой интенсивностью процесса абляции анода. Форма разряда при этом зависит от направленности потоков с поверхности электродов и соотношения их скоростей. При известных условиях могут быть получены такие формы разряда, когда будут существовать одновременно два плазменных потока независимо от скоростных напоров. Это достигается изменением угла встречи между направлениями потоков с электродов, например, по аналогии со сварочными электродами (Fig. 3), [Г.Б. Сердюк, "Сварочное производство", 1965 г., 10,1.]. Электроды, расположенные под углом 125°, определяют форму дуги в виде двух встречных потоков, образованную анодным потоком со скоростью от15 м/с до 40 м/с и катодным со скоростью от 50 м/с до 200м/сек.

В вакууме, применительно к ускорителю плазмы, роль процесса абляции

б

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) с электродов существенно усиливается. Основным фактором возникновения ускорения осевого течения плазмы с катода в коаксиальном ускорителе плазмы является давление, создаваемое в столбе плазмы магнитным "пинч-эффектом". Чтобы восполнить недостаток плазмы в анодной зоне, не разрушая анод процессом абляции, через отверстия отводов 6 подают рабочее тело в виде дозированных и правильно

направленных струй. Для этого отводы устанавливаются под углом меньше 90° к оси ускорителя. В этом случае роль активных пятен вместо абляции в отводах 6 выполняют

2 2

отверстия определенного сечения от 0,03 мм , до 1,0 мм , которое рассчитывается по формуле. Высокие параметры такого ускорителя достигаются при меньшем токе разряда, что существенно снижает тепловые нагрузки на электроды. Разряд переводят в режим с резко растущим напряжением путем регулирования соотношения расхода через электроды и напряжения для поддержания необходимого тока и мощности. Величина тока определяет скорость плазмы в катодном столбе благодаря магнитному "пинч- эффекту" и создает магнитное поле за границей катодного плазменного столба. В скрещенном электромагнитном поле между катодным плазменным столбом и анодом ускоряют струйные потоки плазмы с анода. Величина магнитного поля на границе катодного столба должна быть не меньше 100 эрстед, которую можно обеспечить уже при токе 1000 А и мощности 30 кВт. Для предотвращения ухода рабочего тела через зазоры между трубками, снаружи анода установлен экран 13.

В итоге, получена устойчивая симметричная форма разряда с заданным

распределением тока по рабочей поверхности анода и катода. Работа ускорителя на повышенном напряжении не приводит к неустойчивому режиму с колебаниями (Fig.6, сравнить характер линии напряжения и тяги: а - анод монолитный, б - анод с подачей рабочего тела).. Реализован процесс с ускорением двух встречных потоков в виде катодного плазменного столба и струй с анода в электромагнитном поле.

Что касается технологии, то использование сильноточного ускорителя плазмы, обладающего равномерным мелкодисперсным испарением с поверхности электродов, позволяет получать качественное покрытие напылением и порошки с точным

стехиометрическим соотношением при высокой производительности.

7

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)