Плазменный микродвигатель

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам для создания реактивной тяги с помощью интенсивных потоков плазмы и широко используются для орбитальных маневров космических аппаратов (КА), в т.ч. для коррекции орбит, решения задач приведения КА в «рабочую точку», стабилизации его положения в этой точке, изменения «рабочей точки» в случае необходимости и увода с «рабочей точки» по окончании эксплуатации. Технический эффект - увеличения тяговых характеристик двигателя и ресурса работы. Плазменный микродвигатель на основе импульсного вакуумного разряда, содержащий катод, выполненный в виде капилляра, заполненного жидкометаллическим рабочим телом, кольцевой анод, инициирующий электрод, отделенный от катода изолирующей вставкой, кольцевой магнит, соосный с разрядом, помещенный в промежутке между катодом и анодом, силовые линии которого в промежутке между катодом и анодом параллельны оси разряда, а в области за анодом образуют фонтанообразную структуру, и источник питания в виде емкостного накопителя, в двигатель дополнительно введен резервуар с жидким рабочим телом, при этом капилляр выполнен с возможностью поступления по нему рабочего тела за счет капиллярных сил из резервуара в зону разряда, а разрядный контур выполнен в виде коаксиальной конструкции с минимальными габаритами, и накопитель выбирается с минимальной собственной индуктивностью при максимальной емкости.

Предполагаемая полезная модель относится к устройствам для создания реактивной тяги с помощью интенсивных потоков плазмы. Такие устройства обеспечивают скорости истечения плазменной струи более чем на порядок превышающие получаемые в химических двигателях, тем самым обеспечивая существенную экономию рабочего тела. Поэтому они широко используются для орбитальных маневров космических аппаратов (КА), в т.ч. для коррекции орбит, решения задач приведения КА в «рабочую точку», стабилизации его положения в этой точке, изменения «рабочей точки» в случае необходимости и увода с «рабочей точки» по окончании эксплуатации.

Важными эксплуатационными характеристиками плазменных двигателей являются: удельный импульс I_g (c), равный скорости истечения плазменной струи V_i, деленной на ускорение свободного падения g; тяговый к.п.д. , равный отношению мощности, развиваемой плазменной струей, к мощности источника питания; эффективность тяги, определяемая как отношение тягового усилия к мощности источника питания (Н/Вт или H·c/Дж).

Генерацию плазменной струи можно осуществить, например, в результате абляции поверхности рабочего тела при облучении лазерным пучком. В качестве рабочего тела в таких двигателях используются различные материалы: так в /Патент US 6530212 B64G 1/40, F02K 9/94, F02K 99/00,2000 г./ авторы использовали твердотельное рабочее тело в виде ленты, а в /Патент RU 2338918 F02K 11/00, 2008 г./ - в виде стержня. Недостатком такой конструкции является необходимость использования механической системы подачи рабочего тела в зону лазерной абляции, что усложняет конструкцию двигателя и снижает его надежность при длительном использовании в космосе. Проблема самовосстанавливающейся поверхности решена путем использования жидкого металла, удерживаемого внутри твердотельного капилляра силами поверхностного натяжения /S.A. Popov et al, IEEE Trans. Plasma Sci. - 2011. - V.39. - i.6. p. 1412; Заявка на патент РФ 2012112810 F02K 9/00, 2013 г./. При этом торец капилляра является зоной абляции и находится в фокусе оптической системы. По мере уноса рабочего тела жидкость самостоятельно подтекает за счет капиллярных сил, что не требует использования дополнительных механических устройств. Этот вид лазерно-плазменного двигателя с жидкометаллическим рабочим телом выберем в качестве аналога. Недостатком его является то обстоятельство, что использование лазерного излучения для генерации плазменной струи существенно усложняет конструкцию двигателя, увеличивает его габариты и массу, уменьшает к.п.д.

Известен плазменный двигатель на основе импульсного вакуумного разряда с твердотельным катодом /Т. Zhuang et al, Proc. XXXIth IEPC, University of Michigan, USA September 20-24, 2009, 192/. Электродная система разряда состоит из коаксиальных элементов: трубчатого катода и трубчатого анода, разделенных трубчатой изолирующей вставкой. В области вне анода помещен кольцевой магнит (Фиг. 1). Двигатель работает следующим образом: между катодом и анодом прикладывается импульс напряжения от индуктивного накопителя, вследствие чего на границе катода и изолирующей вставки возникает пробой, который приводит к возникновению на поверхности катода катодных пятен, генерирующих катодные микроструи. Двигаясь вдоль магнитных силовых линий из области генерации, микроструи в области выходного отверстия анода сливаются в плазменный поток, который вытекая из отверстия, создает реактивную тягу. Благодаря действию пружины катод прижимается к изолирующей вставке, так что по мере вырабатывания материала катода в область разряда поступают новые порции материала. Недостатком такой конструкции электродной системы является невысокая эффективность использования материала катода, около 60% которого теряется при транспортировке из области генерации к выходному отверстию, согласно данным авторов.

Этого недостатка лишен плазменный двигатель, на основе импульсного вакуумного разряда, описанный в работе /Neumann P.R.C. et al // Plasma Sources Sci. Technol. 2009. V. 18. P. 045005 (8рр/. Электродная система разряда состоит из цилиндрического катода, присоединенного к отрицательному выводу емкостного накопителя; кольцевого анода, присоединенного к положительному выводу накопителя, и поджигающего электрода, отделенного изолирующей вставкой от катода. Включение разряда производится подачей высоковольтного импульсного напряжения между поджигающим электродом и катодом, что приводит к пробою по поверхности изолирующей вставки между ними, создающему предплазму, которая инициирует основной разряд между катодом и кольцевым анодом. Плазменная струя, генерируемая разрядом, вытекает в отверстие анода и создает реактивную тягу. Данный тип двигателя обладает сравнительно высокой эффективностью тяги, достигающей 10^-5 Н/Вт. Это значение является максимальным для плазменных двигателей на основе вакуумного разряда с твердофазным катодом. Известное устройство обладает тем же недостатком, что и двигатели на основе лазерно-плазменных разрядов с твердофазным рабочим телом, а именно, требуется использование специальной механической системы подачи рабочего тела в зону разряда.

Известно устройство на основе импульсного вакуумного разряда с жидкометаллическим катодом, в котором так же как в случае лазерно-плазменного двигателя, проблема подачи рабочего тела в зону разряда решена путем использования жидкого металла, удерживаемого внутри капилляра силами поверхностного натяжения /S.A. Popov et al Proc. XIXth ISDEIV, Xian, China, Sept. 18-22, 2000, Р. 83/. Торец капилляра находится в области разряда, где вследствие эрозии расходуется рабочее тело, которое самостоятельно подтекает к торцу капилляра благодаря действию капиллярных сил. Недостатком вакуумных разрядов с катодами из металлов с низкой температурой плавления является малая скорость истечения катодной плазменной струи, так в квазистационарном вакуумном разряде с In катодом она составляет 6×10³ м/с, что соответствует удельному импульсу около 600 с /Anders A. and Yushkov G. Yu. // Journ. Appl. Phys. 2002. V. 91. P. 4824/. Вследствие этого существенно ухудшаются тяговые параметры двигателя на их основе.

Ближайшим аналогом является плазменный двигатель на основе низковольтного импульсного вакуумного разряда с катодным узлом в виде капилляра, заполненного жидкометаллическим рабочим телом /В.Л. Паперный, и др. Письма в ЖТФ, 2013, том 39, вып. 5, стр. 17/,. Исследование характеристик предлагаемого устройства производилось на макете, схематически изображенном на Фиг. 2а. Электродная система состоит из катода 1, представляющего собой никелевый капилляр диаметром 0.8 мм, заполненный рабочим телом - эвтектикой (70% Ga+30% In), находящейся в жидком состоянии при комнатной температуре. Капилляр помещен в керамическую трубку 2, с надетым вблизи рабочего торца металлическим кольцом - поджигающим электродом 3. На расстоянии 3 мм от торца трубки расположен сетчатый анод 4, находящийся под потенциалом заземленной вакуумной камеры, где поддерживалось остаточное давление (4-6)×10^-4 Па. Соединенный с катодом накопитель 5, состоит из шести параллельно соединенных малогабаритных низкоиндуктивных конденсаторов 5 суммарной емкостью C=2 мкФ. Конденсаторы 5 расположены между обкладками 6. Обратный токопровод 7 соединен с обкладками 6 и сетчатым анодом 4. Ток измерялся поясом Роговского 8 непосредственно в цепи катода. Для увеличения тяговых характеристик двигателя в конструкцию вводится дополнительный постоянный кольцевой магнит из неодимового сплава, который располагается между катодом и анодом 7.

Предложенное устройство обладает двумя недостатками.

а) Ограниченный ресурс работы, определяемый малым объемом рабочего тела, находящегося в капилляре катодного узла.

б) Недостаточно высокие тяговые характеристики двигателя.

Задачей предполагаемого изобретения является создание плазменного двигателя на основе импульсного вакуумного разряда с жидкометаллическим катодом, обладающего длительным ресурсом работы и высокими тяговыми характеристиками.

Поставленная задача достигается тем, что в плазменном двигателе на основе импульсного вакуумного разряда, содержащем катод, выполненный в виде капилляра, заполненного жидкометаллическим рабочим телом, кольцевой анод, инициирующий электрод, отделенный от катода изолирующей вставкой, кольцевой магнит, соосный с разрядом, помещенный в промежутке между катодом и анодом, силовые линии которого в промежутке между катодом и анодом параллельны оси разряда, а в области за анодом образуют фонтанообразную структуру, и источник питания в виде емкостного накопителя, в двигатель дополнительно введен резервуар с жидким рабочим телом, при этом капилляр выполнен с возможностью поступления по нему рабочего тела за счет капиллярных сил из резервуара в зону разряда, а разрядный контур выполнен в виде коаксиальной конструкции с минимальными габаритами, и накопитель выбирается с минимальной собственной индуктивностью при максимальной емкости.

Общая схема устройства показана на Фиг. 2б.

Электродная система состоит из катода 1, представляющего собой никелевый капилляр диаметром 0.8 мм, заполненный рабочим телом - эвтектикой (70% Ga+30% In), находящейся в жидком состоянии при комнатной температуре. Капилляр помещен в керамическую трубку 2, с надетым вблизи рабочего торца металлическим кольцом - поджигающим электродом 3. На расстоянии 3 мм от торца трубки расположен сетчатый анод 4, находящийся под потенциалом заземленной вакуумной камеры, где поддерживалось остаточное давление (4-6)×10^-4 Па. Соединенный с катодом накопитель, состоит из шести параллельно соединенных конденсаторов 5 суммарной емкостью C=2 мкФ, Конденсаторы 5 расположены между обкладками 6. Обратный токопровод 7 соединен с обкладками 6 и сетчатым анодом 4. Ток измерялся поясом Роговского 8 непосредственно в цепи катода. Между катодом и анодом расположен постоянный кольцевой магнит 9 из неодимового сплава соосный с разрядом, силовые линии которого в промежутке между катодом и анодом параллельны оси разряда, а в области за анодом образуют фонтанообразную структуру. В устройство введен дополнительный резервуар с жидким рабочим телом 10, на котором размещается соединенный с резервуаром капилляр катодного узла. Длительная работа двигателя обеспечивается поступлением рабочего тела по капилляру в зону разряда за счет капиллярных сил из дополнительного резервуара. Индуктивность L показанная на Фиг. 3 складывается из индуктивности электродной системы L ₁ и собственной индуктивности накопителя L₂. Для уменьшения L₁ разрядный контур выполняется в виде коаксиальной конструкции с минимальными габаритами. Уменьшение L₂ достигается выбором накопителя с минимальной собственной индуктивностью, при этом необходимо обеспечить максимальную величину емкости C.

Устройство работает следующим образом:

Накопитель заряжался до отрицательного напряжения U, после чего на торце катода инициировался разряд с помощью высоковольтного пробоя по поверхности керамической трубки. Струя катодной плазмы ускорялась в промежутке между катодом и анодом и проходя через кольцевой сеточный анод создавала реактивную тягу.

Между катодом и анодом прикладывается импульс напряжения от индуктивного накопителя, вследствие чего на границе катода и изолирующей вставки возникает пробой, который приводит к возникновению на поверхности катода катодных пятен, генерирующих катодные микроструи. Двигаясь вдоль магнитных силовых линий из области генерации, микроструи в области выходного отверстия анода сливаются в плазменный поток, который вытекая из отверстия, создает реактивную тягу.

Эксперимент проводился в двух вариантах. Для измерения скорости ионного потока времяпролетным способом использовалась конструкция с сетчатым анодом, через который, плазма, генерируемая катодом, расширялась в дрейфовую трубку длиной 36 см. После прохождения трубки ионы регистрировались коллектором.

Во втором варианте, для измерения механического импульса катодной струи использовался кольцевой анод с центральным отверстием диаметром 10 мм, в которое из межэлектродного промежутка вытекала плазменная струя. За анодом, на расстоянии 2 мм располагался баллистический маятник в виде металлического диска массой 0.072 г, подвешенного на кварцевых нитях. Под действием плазмы катодной струи диск отклонялся, и по углу отклонения оценивался механический импульс, сообщенный диску струей. При этом предполагалось, что плазменная струя полностью передает свой импульс маятнику, и пренебрегалось возможным отражением ионов от поверхности маятника. Для получения статистически значимого результата все данные измерений усреднялись по 10 разрядным импульсам.

На Фиг. 4 приведена вольтамперная характеристика разряда, которая показывает, что низкая индуктивность разрядного контура позволила при напряжении накопителя U=350 B получить значения разрядного тока и скорости его нарастания, превышающие 2.5 кА и 10¹⁰ A/c, соответственно.

Увеличение ресурса работы двигателя достигают введением в конструкцию дополнительного резервуара с жидким рабочим телом 10, на котором размещается соединенный с резервуаром капилляр катодного узла. Длительная работа двигателя обеспечивается поступлением рабочего тела по капилляру в зону разряда за счет капиллярных сил из дополнительного резервуара.

Тяговый импульс импульсного вакуумного разряда повышают путем использования разрядного контура, обеспечивающего высокую скорость нарастания разрядного тока, как показано ранее авторами /С.П. Горбунов, и др. // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31. Вып. 22. С. 87-94./. Повысить скорость нарастания тока в данном типе разряда при заданном напряжении питания можно уменьшением волнового сопротивления разрядного контура =(L/C)^1/2, согласно работе авторов /Astrakhantsev N.V., et al // J. Physics D: Appl. Phys., v. 28, P. 2514/. Этой цели достигают путем уменьшения индуктивности разрядного контура L и увеличения емкости накопителя C. Индуктивность контура L складывается из индуктивности электродной системы L₁ и собственной индуктивности накопителя L₂ - Фиг. 5. Уменьшение индуктивности контура L достигают уменьшением индуктивности L₁, для чего разрядный контур выполняют в виде коаксиальной конструкции с минимальными габаритами, например, путем уменьшения длины обратного токопровода (7). Уменьшение L₂ достигают выбором накопителя с минимальной собственной индуктивностью, при максимальной емкости C.

Времяпролетные измерения показали, что полученные высокие характеристики разрядного тока привели повышению скорости плазменной струи в 3-4 раза по сравнению с «медленными» разрядами с низкой скоростью нарастания тока, так что скорость оказалась в диапазоне (1.7-2.3)×10 ⁴ м/с.

Технический эффект - увеличения тяговых характеристик двигателя и ресурса работы.

Плазменный микродвигатель на основе импульсного вакуумного разряда, содержащий катод, выполненный в виде капилляра, заполненного жидкометаллическим рабочим телом, кольцевой анод, инициирующий электрод, отделенный от катода изолирующей вставкой, кольцевой магнит, соосный с разрядом, помещенный в промежутке между катодом и анодом, силовые линии которого в промежутке между катодом и анодом параллельны оси разряда, а в области за анодом образуют фонтанообразную структуру, и источник питания в виде емкостного накопителя, отличающийся тем, что в двигатель дополнительно введен резервуар с жидким рабочим телом, при этом капилляр выполнен с возможностью поступления по нему рабочего тела за счет капиллярных сил из резервуара в зону разряда, а разрядный контур выполнен в виде коаксиальной конструкции с минимальными габаритами, и накопитель выбирается с минимальной собственной индуктивностью при максимальной емкости.

РИСУНКИ