электроракетный двигатель (варианты) и способ его эксплуатации

Формула изобретения

1. Электроракетный двигатель, содержащий разрядную камеру с анодом, соединенным трубопроводом с системой подачи рабочего тела, магнитную систему и установленный за выходным срезом разрядной камеры катод, включающий термоэмиссионный элемент, нагреватель и экраны, отличающийся тем, что в катоде установлена кольцевая камера, содержащая барий и окись бария и образованная профилированным металлическим кольцом и герметично соединенным с ним термоэмиссионным элементом, выполненным в виде кольца из пористого вольфрама, причем снаружи кольцевой камеры установлен спиральный нагреватель, окруженный экранами, при этом катод установлен коаксиально с разрядной камерой, причем внутренний диаметр термоэмиссионного элемента больше внутреннего диаметра наружного кольца разрядной камеры.

2. Электроракетный двигатель, содержащий разрядную камеру с анодом, соединенным трубопроводом с системой подачи рабочего тела, магнитную систему со сквозным отверстием по продольной оси двигателя и установленный за выходным срезом разрядной камеры и коаксиально с ней катод, включающий термоэмиссионный элемент и нагреватель, отличающийся тем, что в катоде установлена кольцевая камера, содержащая барий и окись бария и образованная профилированным металлическим кольцом и герметично соединенным с ним кольцевым термоэмиссионным элементом, выполненным в виде кольца из пористого вольфрама, причем во внутренней полости катода снаружи кольцевой камеры расположен спиральный нагреватель, при этом наружный диаметр термоэмиссионного элемента меньше наружного диаметра внутреннего кольца разрядной камеры.

3. Способ эксплуатации электроракетного двигателя, состоящий в том, что включают разогрев катода, подают рабочее тело в анод двигателя, включают напряжение разряда, отличающийся тем, что термоэмиссионный элемент катода нагревают до температуры 850-920°С.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей (ЭРД).

Электроракетные двигатели, такие как стационарные плазменные двигатели (СПД), двигатели с анодным слоем (ДАС), ионные двигатели (ИД), традиционно используют полые катоды для нейтрализации истекающего из двигателя ионного пучка. Полый катод представляет собой конструктивно и технологически сложный агрегат [1], через который подается 8-10% высокочистого рабочего тела (ксенона), помимо того содержащий собственный узел для дополнительной очистки ксенона (геттер), а также эмиттер, выполненный из гексаборида лантана, нагреватель, поджигной электрод и систему тепловых экранов.

Поскольку, как правило, полый катод установлен несимметрично относительно продольной оси ЭРД, то существенное влияние на характеристики двигателя, его ресурс и запуск оказывает месторасположение катода. Известен ЭРД по патенту РФ №2024785, содержащий разрядную камеру с анодом, магнитную систему, полый катод, установленный снаружи двигателя под углом 45° к его продольной оси и на оптимальном расстоянии от среза ЭРД, что позволило уменьшить отклонение вектора тяги от геометрической оси двигателя.

За прототип (для варианта 1 ЭРД) принят электроракетный двигатель (например, СПД) [2], состоящий из четырех основных элементов: полого катода, анода, одновременно выполняющего функцию газораспределителя, разрядной камеры и магнитной системы. Разрядная камера выполнена в виде наружного и внутреннего колец из диэлектрика, образующих кольцевую полость, внутри которой установлен кольцевой анод, соединенный трубопроводом с системой подачи рабочего тела. В анод подается 90-92% рабочего тела (ксенона высокой чистоты). Остальная часть рабочего тела подается по трубопроводу в полый катод, включающий геттер, термоэмиссионный элемент (из гексаборида лантана), нагреватель, поджигной электрод и систему тепловых экранов.

Полый катод кроме нейтрализации ионного пучка выполняет функции катода, замыкая электрическую цепь.

ЭРД - прототип (для варианта 2 ЭРД) является двигателем с размещением катода внутри центрального магнитопровода (патент России №2030134). Если такое симметричное размещение полого катода конструктивно возможно, то это дает повышение тяговых характеристик на 5-7%.

Недостатком ЭРД-прототипов (для вариантов 1 и 2 ЭРД) является необходимость подачи до 10% рабочего тела (ксенона) в полый катод. Эта часть рабочего тела не ускоряется в двигателе, что существенно снижает характеристики (тягу, удельный импульс и кпд) ЭРД. Кроме того, в полый катод нужно подавать исключительно рабочее тело высокой степени очистки, а следовательно, учитывая, что рабочее тело анодной и катодной магистралей хранится в одном баллоне, до 90% рабочего тела анодной магистрали (без достаточной необходимости) также высокой чистоты, что значительно удорожает стоимость рабочего тела.

Конструкция полого катода является сложной. Она содержит геттер, тракты подачи рабочего тела, сложную систему тепловых экранов, так как эмиссионный элемент (выполненный из гексаборида лантана) полого катода работает при высокой температуре (порядка 1700°С).

Способ эксплуатации ЭРД [3], принятый за прототип, состоит в том, что предварительно нагревают эмиссионный элемент катода до температуры порядка 1700°С, подают в него и в анод ксенон высокой чистоты, включают разрядное напряжение и затем подают напряжение поджига на полый катод.

Недостатком способа эксплуатации ЭРД-прототипа является необходимость работы полого катода при высоких температурах, что значительно увеличивает тепловые потери, и необходимость подачи части рабочего тела в катод.

Задачей предполагаемого изобретения является увеличение удельных характеристик ЭРД, упрощение конструкции катода, снижение требований к чистоте рабочего тела и уменьшение тепловых потерь в катод.

Задача решается следующим образом:

в электроракетном двигателе (варианте 1), содержащем разрядную камеру с анодом, соединенным трубопроводом с системой подачи рабочего тела, магнитную систему и установленный за выходным срезом разрядной камеры катод, включающий термоэмиссионный элемент, нагреватель и экраны, в катоде установлена кольцевая камера, содержащая барий и окись бария и образованная профилированным металлическим кольцом и герметично соединенным с ним кольцевым термоэмиссионным элементом, выполненным в виде кольца из пористого вольфрама, причем снаружи кольцевой камеры установлен спиральный нагреватель, окруженный экранами, при этом катод установлен коаксиально с разрядной камерой, причем внутренний диаметр термоэмиссионного элемента больше внутреннего диаметра наружного кольца разрядной камеры;

в электроракетном двигателе (варианте 2), содержащем разрядную камеру с анодом, соединенным трубопроводом с системой подачи рабочего тела, магнитную систему со сквозным отверстием по продольной оси двигателя и установленный за выходным срезом разрядной камеры и коаксиально с ней катод, включающий термоэмиссионный элемент, нагреватель и экраны, в катоде установлена кольцевая камера, содержащая барий и окись бария и образованная профилированным металлическим кольцом и герметично соединенным с ним термоэмиссионным элементом, выполненным в виде кольца из пористого вольфрама, причем во внутренней полости катода снаружи кольцевой камеры расположен спиральный нагреватель, при этом наружный диаметр термоэмиссионного элемента меньше наружного диаметра внутреннего кольца разрядной камеры;

в способе эксплуатации электроракетного двигателя, состоящем в том, что включают разогрев катода, подают рабочее тело в анод двигателя, включают напряжение разряда, термоэмиссионный элемент катода нагревают до температуры 850-920°С.

На фиг.1 и 2 представлены первый и второй варианты предлагаемых электроракетных двигателей (например, СПД), где 1 - разрядная камера; 2 - кольцевой анод; 3 - трубопровод анодный; 4 - токоподводы; 5 - магнитная система; 6 - клапан; 7 - катод; 8 - кронштейн; 9 - изолятор; 10 - термоэмиссионный элемент катода; 11 - корпус двигателя; 12 - барий и окись бария; 13 - профилированное металлическое кольцо; 14 - спиральный нагреватель; 15 - электроразделитель; 16 - внутреннее кольцо разрядной камеры; 17 - наружное кольцо разрядной камеры; 18 - экраны.

На фиг.1 изображен первый вариант ЭРД, в котором катод охватывает истекающую из двигателя струю. Двигатель содержит выполненную из диэлектрика разрядную камеру 1 в виде открытого с одной стороны тора, образованную наружным 17 и внутренним 18 кольцами, внутри которой установлен кольцевой анод 2, одновременно выполняющий функцию газораспределителя и трубопроводом 3 связанный с системой хранения и подачи рабочего тела; магнитную систему 5; катодный и анодный токоподводы 4; катод 7 и клапан 6. Катод 7 с помощью кронштейна 8 через изолятор 9 крепится к корпусу двигателя 11. Катод 7 выполнен в виде кольца, внутренний диаметр которого больше внутреннего диаметра наружного кольца 17 разрядной камеры 1. При этом термоэмиссионный элемент 10 катода 7 выполнен в виде внутреннего кольца из пористого вольфрама (пористость от 15 до 30%), с наружной стороны герметично соединенного с профилированным металлическим (например, молибденовым) кольцом 13, образуя кольцевую камеру, содержащую барий и окись бария 12. Снаружи кольцевой камеры установлен спиральный нагреватель 14, окруженный экранами 18. Трубопровод 3 электроизолирован от системы хранения и подачи рабочего тела электроразделителем 15. При этом термоэмиссионный элемент катода 10 установлен коаксиально с разрядной камерой 1.

На фиг.2 изображен второй вариант электроракетного двигателя, магнитная система 5 которого имеет сквозное продольное отверстие, в котором расположен кронштейн 8 катода 7, через изолятор 9 прикрепленный к корпусу двигателя 11. Катод 7 выполнен в виде кольца, наружный диаметр которого меньше наружного диаметра внутреннего кольца 16 разрядной камеры 1. При этом термоэмиссионный элемент 10 катода 7 выполнен в виде кольца из пористого вольфрама, с внутренней стороны герметично соединенного с профилированным металлическим (например, молибденовым) кольцом 13, образуя кольцевую камеру, содержащую барий и окись бария 12. Причем во внутренней полости катода снаружи камеры расположен спиральный нагреватель 14.

Предлагаемые варианты электроракетного двигателя работают следующим образом. ЭРД монтируют в вакуумной камере, которую откачивают до давления порядка 10 ^-5 мм рт.ст. Нагревают термоэмиссионный элемент 10 катода 7 до температуры 850-920°С, открывают клапан 6 и подают рабочее тело (ксенон) по трубопроводу 3 в кольцевой анод 2 двигателя, подают разрядное напряжение между кольцевым анодом 2 и катодом 7 (на токоподводы 4), включают напряжение поджига. При работе катода при указанных температурах в кольцевой камере катода образуются пары бария с незначительным давлением. Поступление бария через поры вольфрамовой губки на ее наружную поверхность происходит как миграцией адсорбированных атомов, так и кнудсеновским течением паров. Достигнув эмитирующей поверхности, барий мигрирует от каждой поры на расстояние, определяемое коэффициентом миграции и временем жизни атомов на поверхности. Время жизни определяется энергией адсорбции бария на поверхности вольфрама и температурой поверхности. На поверхности вольфрама барий (и его окисел) заметно снижает работу выхода вольфрама. В течение срока службы катода барий медленно расходуется испарением с эмитирующей поверхности и течением из пор, пополняясь за счет запасенного в кольцевой камере катода 7 бария и окиси бария 12.

При рабочей температуре термоэмиссионного элемента такого катода 850-920°С плотность тока составляет порядка 0,1-0,3 А/см². При этом образовавшийся пространственный заряд электронов, значительно уменьшающий эмиссию катода, может быть ликвидирован напряжением порядка 15-40 В. При традиционном использовании полых катодов с большой плотностью тока (порядка сотен A/см ²) устранение образования пространственного заряда происходит за счет примерно такого же по величине падения напряжения между катодом и истекающей из разрядной камеры струей ионов на плазменном «мостике», образующемся благодаря подаче рабочего тела в катод.

Таким образом, для преодоления ограничения пространственного заряда, определяемого уравнением Ленгмюра, в предложенном электроракетном двигателе плотность электронного тока на катоде, в который не подают рабочее тело, не должна превышать 0,1-0,3 А/см ². Проведенные расчеты и экспериментальные данные показывают, что для такого пленочного бариевого катода температура термоэмиссионного элемента должна составлять, соответственно, 850-920°С. При этом общая скорость испарения бария (в виде бария и окиси бария) с эмитирующей поверхности катода с пористостью порядка 27% при температуре 900°С составляет примерно 0,01 мкг/см ² ч, т.е. при токе разряда 2 А и плотности тока 0,2 A/см ² за 10000 часов израсходуется порядка 1 мг бария.

Положительный эффект в предложенном электроракетном двигателе (его вариантах) и способе его эксплуатации заключается в следующем:

повышается удельный импульс и кпд (примерно на 10-15%) за счет исключения подачи рабочего тела в катод;

катод работает при низкой плотности разрядного тока, т.е. при низкой рабочей температуре, что практически исключает унос бария и значительно повышает ресурс и надежность катода и ЭРД;

симметричное относительно продольной оси двигателя расположение катода (как внутри, так и снаружи струи, истекающей из двигателя) позволяет устранить отклонение вектора тяги ЭРД от его геометрической оси, что дает повышение тяговых характеристик двигателя на 5-7%;

отсутствует необходимость работы ЭРД на рабочем теле высокой чистоты, т.к. оно не подается в катод, что может значительно снизить стоимость рабочего тела;

упрощается конструкция катода, благодаря отсутствию тракта подачи рабочего тела, устранению геттера и т. д.;

уменьшаются тепловые потери на разогрев катода, т.к. рабочая температура почти в два раза ниже температуры полого катода, т.е. сбрасываемый излучением тепловой поток с единицы поверхности катода в 2⁴ или в 16 раз меньше, причем основной теплосброс (примерно 70%) с полого катода осуществляется излучением.

Использованная литература

1. Б.А.Архипов. Исследование и разработка катодов нового поколения для СПД. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. Город Калининград, 1998 г.

2. М.Day, N.Maslennikov, Т.Randolph, W.Rogers. SPT-100 subsystem qualification status. AIAA 96-2713. 32 nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. July 1-3, 1996 / Lake Buena Vista, FL.

3. Технические условия. Часть четвертая. Алгоритм функционирования. 262У.173.000.00ТУ3. ОКБ «Факел». 1994 г.