ионный двигатель для космических аппаратов

Формула изобретения

Ионный двигатель, содержащий аксиально-симметричную газоразрядную камеру, которая содержит три соединенные по вакууму электрически изолированные друг от друга и последовательно расположенные вдоль оси металлические секции, первую, вторую и третью, третья из которых (считая слева направо), имеющая вид полого цилиндра и помещенная внутри соленоида, является основным анодом разряда, отличающийся тем, что первая секция газоразрядной камеры содержит кольцевой полый катод, средняя плоскость которого отстоит от торцевой стенки камеры, а боковые стенки катода помещены между полюсами магнита, центральный, электрически изолированный от камеры поджигающий остроконечный анодный стержень с отверстиями для напуска рабочего газа, помещенный в торцевой стенке, вторая секция представляет собой протяженную трубку с раструбом со стороны первой секции и является промежуточным анодом, третья секция сопрягается с торцевым электродом, который изолирован электрически от камеры, имеет приосевое отверстие для извлечения ионов из разрядной камеры, помещен в отдельный короткий соленоид и является частью трехэлектродной ускоряющей системы, по конфигурации соответствующей ускорению приосевого ионного пучка за счет прохождения ионами на выходе из двигателя постоянной разности потенциалов 10 ⁴-10⁵ В.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области космического аппаратостроения и может быть использовано для ускорения движения устройств, движущихся в космосе в условиях высокого вакуума.

Известен ионный двигатель Европейского управления космических исследований Dual-Stage 4-greed (DS4G), в котором ускорение ионов ксенона производится с помощью последовательно расположенных четырех решеток-электродов с тысячью миллиметровых согласованных отверстий в каждой при потенциале ускорения 30 кВ. Недостатком данного двигателя является использование неоправданно громоздкой ускоряющей системы, предложенной в свое время для получения больших токов ионов аргона при ускоряющих напряжениях порядка одного киловольта и мало пригодной при использовании высоких ускоряющих потенциалов порядка 10÷100 кВ (соответствующих современным требованиям к скорости истечения реактивной массы) из-за высокой опасности электрических пробоев между электродами. Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является источник ионов постоянного действия амперного диапазона с одним приосевым отверстием на выходе газоразрядной камеры и соответственно достаточно простой и надежной приосевой трехэлектродной ускоряющей системой [1].

Недостатком упомянутого источника для применения в обсуждаемых условиях является использование накаливаемого массивного катода и ряда узлов, ориентированных на наземные условия эксплуатации. Целью настоящего изобретения является создание простого и надежного ионного двигателя при использовании ускоряющих потенциалов порядка 10÷100 кВ, а также возможного сочленения в будущем данного двигателя с известным (соответственно модернизированным) линейным ускорителем ионов [2] с целью доведения энергии ионов до уровня 500÷1000 кэВ. Поставленная цель достигается тем, что ионный двигатель выполняется в виде трех последовательно расположенных аксиально-симметричных и электрически изолированных друг от друга полых металлических секций, из которых (при рассмотрении системы слева направо) первая представляет собой газоразрядную камеру с внутренним диаметром несколько сантиметров, имеющую слева закрытый металлический торец с приосевым отверстием, в которое вставлен через изолятор частично полый остроконечный электрод, имеющий внутри разрядной камеры радиальные отверстия для подачи газа в камеру и служащий поджигающим анодом разряда. На цилиндрической стенке камеры помещена кольцевая полость со стенками из тугоплавкого металла, открытая в камеру, имеющая глубину сравнимую с радиусом камеры и служащая полым катодом разряда. Стенки полого катода помещены между полюсами магнита, что позволяет зажигать в камере т.н. обратный магнетронный разряд с полым катодом.

Вторая секция примыкает к первой и частично изолирована от нее по вакууму за исключением приосевой металлической трубки (с раструбом у левого конца), предназначенной для пропускания разряда в первую секцию и служит промежуточным анодом.

Третья секция примыкает ко второй и представляет собой полый металлический цилиндр, помещенный внутрь соленоида и являющийся основным анодом. Правый конец цилиндра закрыт электрически изолированным от него выходным электродом, имеющим специальную конфигурацию, и центральное отверстие для истечения электрической плазмы в систему ускорения с целью формирования ионного пучка; причем выходной электрод является частью трехэлектродной системы ускоряющих электродов (например, аналогичной [1]).

Изобретение поясняется схематическим чертежом ионного двигателя.

Ионный двигатель работает следующим образом. При подаче достаточного количества газа и приложении положительного (по отношению к корпусу первой секции) потенциала на центральный электрод зажигается разряд между этим электродом и полым катодом. При подключении этого потенциала ко второй секции разряд (что подтверждено опытом) автоматически перебрасывается на вторую секцию. А при подаче того же потенциала на третью секцию ток разряда замыкается в основном на корпус третьей секции (в проведенных ранее экспериментах на промежуточный анод в стационарном режиме поступало примерно 15% тока разряда). Поскольку на выходной электрод подается потенциал, равный катодному, то в конечном итоге организуется т.н. «разряд с колеблющимися электронами в продольном магнитном поле».

После чего (при переключении потенциала центрального электрода первой секции с анодного на катодный) вся внутренняя поверхность первой секции становится полым катодом.

Образующаяся в разряде плазма вытекает в систему ускорения ионов через центральное отверстие в торцевом электроде третьей секции. В случае сопряжения источника ионов с линейным ускорителем ионов трубка во второй секции должна быть заменена на коаксиальную систему, в которой внутренний сплошной цилиндр удерживается на оси и соединяется с наружным цилиндром с помощью двух тонких пластин. Тем самым плазменному столбу придается трубчатая форма, что в свою очередь приводит к оптимизации распределения плотности плазмы по радиусу при отборе ионного тока и формированию ионного пучка с наименьшим фазовым объемом [1]. Также с целью увеличения тока тлеющего разряда (и возможного перевода разряда в дуговую форму) в торцевой части первой камеры могут быть помещены дисковые самокалящиеся катоды (например, типа прессованных катодов из вольфрамовой губки, пропитанной алюминатом бария). При различных значениях мощности высоковольтного питания для конструкционных размеров двигателя возможны вариации размеров в нижеуказанных пределах. Для продольных и поперечных размеров камер 100 плюс-минус 50 (мм), для приосевых отверстий значение радиусов 10 плюс-минус 5 (мм). Для режимов работы: потенциал разряда 200-400 (В), ток разряда 0,5-5 (А). Аксиальное магнитное поле 0.005-0.03(Тл).

ПОДПИСИ К ЧЕРТЕЖУ

1. Секция поджигания разряда.

2. Секция промежуточного анода.

3. Секция основного анода.

4. Антикатод.

5. Поджигающий анод.

6. Кольцевой полый катод.

7. Короткий соленоид (или пост. магнит).

8. Магнитные экраны.

9. Промежуточный анод.

10. Кольцевые изоляторы.

11.Основной анод.

12. Корректирующий соленоид.

13. Основной соленоид.

14. Промежуточный ускоряющий электрод (запирающий обратные электроны).

15. Основной ускоряющий электрод.

Литература

1. «Стационарный инжектор пучка протонов с током 1 А и энергией 100 кэВ». Атомная энергия, т.49, вып.5, с.296, 1980 г. Ковальский Г.А. и др.

2. «Сильноточный линейный ускоритель протонов с непрерывным режимом работы». Атомная энергия, т.31, вып.1, 1971 г. Шембель Б.К. и др. (в т.ч. Ковальский Г.А.).