Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано в электроракетных двигателях, а также в технологических вакуумно-плазменных установках.

Ускорители заряженных частиц и плазменных потоков, на основе которых разрабатываются холловские стационарные ионно-плазменные двигатели космического назначения (СПД), известны и применяются для решения различных практических задач.

Однородность потока топлива в выпускном канале стационарных плазменных двигателей является ключевым фактором в работе двигателя на всех уровнях мощности. Однородный поток топлива по азимуту вокруг канала разряда обеспечивает равномерно распределенный поток нейтральных частиц в области ионизации двигателя. Равномерное распределение позволяет создать уравновешенную тягу вокруг всего кольцевого пространства канала разрядной камеры, что способствует отсутствию локальных областей с высокой нейтральной плотностью, которые могли бы генерировать асимметричный вектор тяги. Эта однородность также увеличивает вероятность высоких уровней ионизации топлива (> 90% возможно в двигателях Холла), что коррелирует с эффективностью использования массы ракетного топлива и эффективностью использования тока, а значит, и с общим КПД.

Поле потока ионизированного газа внутри канала разряда двигателя Холла создается разницей давлений рабочего тела (например, газа ксенон) в анодном коллекторе и на выходе из коллектора. Рабочее тело подается на анод с небольшим противодавлением на входе (<50 Торр) и течет в разрядную камеру (около вакуума). Внутренняя геометрия анодного коллектора определяет распределение рабочего тела в азимутальном направлении, в то время как конфигурация выходных отверстий анода определяет диффузионную способность ионизированного газа (т.е. насколько широк или узок поток ионизированного газа в радиальном направлении). Диффузионность напрямую связана с траекториями частиц топлива, обусловленными геометрией выхода анода.

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, полый газораспределитель с каналами подвода и отверстиями подачи рабочего газа, анод с по большей мере наружным и внутренним козырьками, расположенный в ускорительном канале, магнитопровод, внутренний и наружный магнитные полюса, образующие рабочий межполюсный промежуток, по меньшей мере один источник намагничивающей силы и, по меньшей мере, один катод- компенсатор, отличающийся тем, что козырек выполнен таким, что между его нависающим краем и внешней поверхностью полого газораспределителя образована кольцеобразная щель, а в зоне выхода газа из полого газораспределителя образована дополнительная буферная и распределительная полость (Патент РФ № 2 668 588).

В такой конструкции полого анода-газораспределителя рабочее тело подается через отверстия подачи рабочего газа в локальные области подкозырькового пространства анода дискретными струями в направлении перпендикулярном плоскости козырьков, что может привести к различной плотности газа в различных локальных областях подкозырькового пространства анода ввиду различного гидравлического сопротивления отверстий, обусловленного отклонениями их диаметров (в пределах допусков) от номинальных в процессе их механической обработки при изготовлении, а также за счет отклонения (в пределах допусков) формы поверхности самих козырьков. В итоге эти недостатки конструкции создадут неоднородный по окружности поток рабочего тела на входе в область ионизации разрядной камеры двигателя.

Известен также холловский двигатель малой тяги (Прототип), дополнительно содержащий: азимутально-симметричный анод внутри азимутально-симметричной разрядной камеры, при этом: азимутальносимметричный анод содержит множество перегородок, выполненных с возможностью увеличения азимутальной однородности потока газового топлива, множество перегородок содержит по меньшей мере: первую перегородку, содержащую первое множество отверстий, соединяющих первую перегородку с линией подачи; вторую перегородку, примыкающую к первой перегородке, соединенную с первой перегородкой через второе множество отверстий; и третью перегородку, примыкающую ко второй перегородке и соединенную со второй перегородкой через третье множество круглых отверстий, первая перегородка перед второй перегородкой, вторая перегородка выше по потоку от третьей перегородки, первой перегородки, второй перегородки и третья перегородка является азимутальносимметричной, третья перегородка содержит радиально-внутреннюю поверхность и радиально-наружную поверхность, а третья перегородка содержит четвертое множество отверстий на радиально-внутренней поверхности и радиально-наружной поверхности (Патент США 10 723 489).

Как и описано в патенте США 10 723 489 на неоднородность потока плазмы в ионно-плазменных двигателях могут влиять многие факторы, способствующие плохой азимутальной однородности потока рабочего тела в анодах холловских двигателей, включая внутреннюю геометрию анодного коллектора, точность производственного процесса, повторяемость производства и т. д. Локальные струи рабочего тела, проходящего через отдельные, перпендикулярные оси двигателя, отверстия на радиальной поверхности анода также создают локальные области давления ионизируемого газа ввиду отклонений размеров отверстий (в пределах допусков) при их механической обработке при изготовлении, т.е. каждое из отверстий имеет собственную гидравлическую характеристику, что не способствует однородности потока ионизированной плазмы по всей окружности анода.

Ввиду сложности конструкции анода, описанного в вышеупомянутом патенте США, а именно, - множества сопрягаемых деталей, множества сварных швов, потребности в большом количество отверстий с одинаковым гидравлическим сопротивлением для входа рабочего тела в полости анода, производство его сложно, а отклонения внутренней геометрии такого анода неизбежны, что не способствует созданию однородного потока плазмы в разрядной камере ионно-плазменного двигателя.

В основу изобретения поставлена задача создания конструкции простого в производстве анода-газораспределителя, создающего однородный поток плазмы в разрядной камере СПД при одновременном снижении плотности ионизированного газа вблизи стенок кольцевой разрядной камеры с целью уменьшения потерь ускоренных ионов на ее стенках.

Поставленная задача решается тем, что в стационарном ионноплазменном двигателе, содержащем разрядную камеру с кольцеобразным каналом ионизации и ускорения, имеющую дно с внутренней посадочной поверхностью для анода, выполненную из электроизоляционного материала и имеющую открытый выход, полый кольцевой анод-газораспределитель, установленный на посадочную поверхность в кольцеобразном канале разрядной камеры и имеющий кольцевые полости, разделенные горизонтальной перегородкой, первая по ходу рабочего тела из которых сообщена с резервуаром газообразного рабочего тела, катод, расположенный по цетральной оси, магнитную систему, состоящую из катушек с магнитопроводящими сердечниками и корпуса-магнитопровода, согласно изобретению полый кольцевой анод-газораспределитель состоит из двух смежных кольцевых полостей, в разделяющей полости горизонтальной перегородке выполнены наклонные по отношению к плоскости перегородки однонаправленные отверстия, оси которых тангенциальны к кольцевому корпусу анода, а внешняя горизонтальная стенка этой полости имеет множество отверстий малого диаметра, при этом внешняя стенка анода с отверстиями малого диаметра имеет форму вогнутой линзы.

Размер отверстий малого диаметра выбран в пределах 10 - 50 мкм.

Технический результат состоит в том, что реализация предложенной конструкции анода-газораспределителя с закруткой потока газа во второй полости анода, позволяет получить в этой полости однородное поле давлений газа ввиду интенсивного перемешивания порций газа, поступающего в эту полость из различных входных отверстий. Влияние отклонений диаметров различных входных отверстий подачи рабочего тела от их номинального значения (в пределах допусков при изготовлении) на однородность рабочего тела во второй полости анода сводится к нулю из-за усреднения плотности газа во всем объеме второй полости анода.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых показаны: на Фиг. 1 представлен осевой разрез предлагаемого ионно-плазменного двигателя, на Фиг. 2 представлен разрез катушек с сердечниками, на Фиг. 3 представлен общий вид анода, на Фиг. 4 представлен вид наклонных калиброванных отверстий анода, на Фиг. 5 представлен разрез анода с внешней стенкой, выполненной в виде вогнутой линзы, с выходными отверстиями для рабочего тела, на Фиг. 6 представлен вид на группы наклонных отверстий, обеспечивающих закрутку потока рабочего тела в выходной полости.

Стационарный ионно-плазменный двигатель содержит разрядную камеру 1 с кольцеобразным каналом 2, выполненную из электроизоляционного материала, имеющую открытый выход 3 и дно 4 с внутренней посадочной поверхностью для полого кольцевого анода- газораспределителя 5. Кольцеобразный канал 2 над полым кольцевым анодом-газораспределителем является областью ионизации и ускорения. Кольцевой анод-газораспределитель 5 имеет кольцевые полости 6 и 7, разделенные горизонтальной перегородкой 8, первая по ходу рабочего тела полость 6 сообщена с резервуаром (условно не показан) газообразного рабочего тела через калиброванный канал 9 подвода газообразного рабочего тела. Стационарный ионно-плазменный двигатель содержит катод 10, расположенный по цетральной оси, магнитную систему, состоящую из катушек И (закрыты экранами) и катушки 12 с магнитопроводящими сердечниками 13 и 14, корпуса 15 -магнито провода. В разделяющей полости 6 и 7 анода-газораспределителя 5 горизонтальной перегородке 8 выполнены наклонные по отношению к плоскости перегородки однонаправленные отверстия 16, оси которых тангенциальны к кольцевому корпусу анода, а внешняя горизонтальная стенка 17 полости 7 имеет множество отверстий 18 малого диаметра (10 - 50 мкм), при этом внешняя стенка 17 анода- газораспределителя 5 с отверстиями 18 малого диаметра имеет форму вогнутой линзы.

Стационарный ионно-плазменный двигатель с анодом- газораспределителем, обеспечивающим создание однородного поля давлений рабочего тела при его подаче в разрядную камеру двигателя, работает следующим образом:

Рабочее тело, например газ ксенон, подводится к аноду- газораспределителю 5 через калиброванный канал 9 подвода газа. Газ, поступающий в полость 6 анода-газораспределителя 5, служащую рессивером, создает в этой полости некоторое избыточное давление, т.к. выходные отверстия 16 имеют участок с малым диаметром и повышенным гидравлическим сопротивлением (см. Фиг. 3). Затем рабочий газ, находящийся под некоторым избыточным давлением в полости 6, поступает из этой полости в вакумированную полость 7 анода 5 через калиброванные и наклонные под некоторым углом по отношению к плоскости разделительной стенки 8 отверстия 16. Ввиду наклона осей отверстий 16 по отношению к плоскости разделительной стенки 8 происходит закрутка потока рабочего газа относительно оси двигателя во всем объеме полости 7 с интенсивным перемешиванием порций газа, поступающего через различные группы отверстий 17 и, как следствие, выравниванием давления газа во всем объеме кольцевой полости 7. Из полости 7, рабочий газ, имеющий высокую степень однородности, поступает в область ионизации 2 разрядной камеры 1 через поле микроотверстий в выходной стенке 17 анода 5. Оси микроотверстий в выходной стенке 17 строго перпендикулярны поверхности выходной стенки. Выходная стенка 17 анода-газораспределителя 5 имеет форму вогнутой линзы, что обеспечивает несколько меньшую концентрацию ускоренных ионов вблизи стенок разрядной камеры 1 , уменьшая тем самым потери ионов на стенках и эрозию материала разрядной камеры 1.

Высокая степень однородности рабочего газа, обеспечиваемая применением анода по настоящему изобретению, позволяет получать однородный поток плазмы исходящей из ионно-плазменного двигателя, что способствует минимальному отклонению вектора тяги двигателя при минимальной и равномерной по окружности эрозии материала разрядной камеры и увеличивает ресурс ионно-плазменного двигателя.

Использование предложенного изобретения в космической технике позволит создавать надежные электроракетные двигатели (ЭРД) для выполнения различных задач в составе космических аппаратов (КА).