RU2688049C1 - Ablation pulse plasma engine - Google Patents
Ablation pulse plasma engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2688049C1 RU2688049C1 RU2018122125A RU2018122125A RU2688049C1 RU 2688049 C1 RU2688049 C1 RU 2688049C1 RU 2018122125 A RU2018122125 A RU 2018122125A RU 2018122125 A RU2018122125 A RU 2018122125A RU 2688049 C1 RU2688049 C1 RU 2688049C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- discharge
- electrodes
- discharge channel
- dielectric
- section
- Prior art date
Links
- 238000002679 ablation Methods 0.000 title abstract description 11
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 46
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 38
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 208000011117 substance-related disease Diseases 0.000 abstract 1
- 208000028659 discharge Diseases 0.000 description 265
- OMOYYCNTSLVTOE-SYXWNFKLSA-N 2-[[(e)-3-(carboxymethylimino)prop-1-enyl]amino]acetic acid Chemical compound OC(=O)CN\C=C\C=NCC(O)=O OMOYYCNTSLVTOE-SYXWNFKLSA-N 0.000 description 67
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 38
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 description 15
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 7
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 6
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 5
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 4
- 241000826860 Trapezium Species 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/54—Plasma accelerators
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к двигателям космических аппаратов (КА), в частности к электрическим ракетным двигателям, применяемым в составе двигательных установок (ДУ) КА. Абляционные импульсные плазменные двигатели (АИПД) используются для создания реактивной тяги и управления движением КА, а также для проведения экспериментальных исследований и модельных испытаний в наземных условиях.The invention relates to engines of spacecraft (SC), in particular to electric rocket engines used in the composition of the propulsion system (RC) KA. Ablative pulsed plasma thrusters (AIPDs) are used to create jet thrust and spacecraft motion control, as well as to conduct experimental studies and model tests in ground conditions.
В АИПД рельсотронного типа применяется твердое рабочее вещество в виде твердых диэлектрических шашек, выполненных из аблирующего материала, как правило из фторопласта. Ускорение плазмы осуществляется в разрядном (ускорительном) канале АИПД. Разрядный канал плазменного двигателя ограничен поверхностями плоских разрядных электродов, расположенных напротив друг друга, рабочими (торцевыми) поверхностями диэлектрических шашек, установленных между разрядными электродами, и поверхностью торцевого изолятора, обращенной к открытой части разрядного канала (Новый этап развития абляционных импульсных плазменных двигателей в НИИ ПМЭ / Н.Н. Антропов [и др.] // Вестник ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина». 2011, №5. С. 30-40).In the railgun type AIPD, a solid working substance is used in the form of solid dielectric checkers made of ablating material, usually fluoroplastic. Plasma is accelerated in the discharge (accelerator) channel of the AIPD. The discharge channel of a plasma engine is limited by the surfaces of flat discharge electrodes located opposite each other, by the working (end) surfaces of the dielectric checkers installed between the discharge electrodes and the surface of the end insulator facing the open part of the discharge channel (New stage of development of ablation pulse plasma engines in SRI PME / NN Antropov [et al.] // Bulletin of the FSUE “NPO named after SA Lavochkin”. 2011, No. 5. P. 30-40).
Импульсное ускорение плазмы в АИПД осуществляется следующим образом. Перед электрическим разрядом в канале АИПД производится зарядка емкостного накопителя энергии (конденсаторной батареи), который электрически связан с разрядными электродами, от источника электроэнергии, в частности от системы электропитания КА. Основной разряд в разрядном канале инициируется искровым разрядом с помощью устройства инициирования электрического разряда (свечи). В межэлектродном объеме образуются заряженные частицы, после чего происходит электрический пробой разрядного промежутка. Импульсный разряд емкостного накопителя энергии обычно продолжается от 3 до 15 мкс. Разрядный ток первоначально протекает вдоль поверхности торцевого изолятора, а затем канал электрического разряда перемещается в объем разрядного канала. В процессе электрического разряда происходит интенсивный нагрев и излучение плазменного образования. Тепловой поток, излучаемый плазменной перемычкой, воздействуя на рабочие поверхности диэлектрических шашек, вызывает абляцию твердого рабочего вещества, в качестве которого обычно используется фторопласт. Продукты абляции фторопласта диссоциируют, переходя в газообразное состояние, и ионизуются в разрядном объеме.Pulsed plasma acceleration in AIPD is as follows. Before an electrical discharge in the AIPD channel, the capacitive energy storage device (capacitor battery), which is electrically connected to the discharge electrodes, is charged from a source of electrical energy, in particular from the power supply system of the spacecraft. The main discharge in the discharge channel is initiated by a spark discharge using an electric discharge initiation device (candle). Charged particles are formed in the interelectrode volume, after which an electrical breakdown of the discharge gap occurs. The pulse discharge of a capacitive energy storage device usually lasts from 3 to 15 μs. The discharge current initially flows along the surface of the end of the insulator, and then the channel of the electric discharge moves into the volume of the discharge channel. In the process of electric discharge, intense heating and radiation of plasma formation occurs. The heat flux emitted by the plasma bridge, acting on the working surfaces of the dielectric bars, causes the ablation of a solid working substance, which usually uses fluoroplastic. The fluoroplastic ablation products dissociate into a gaseous state and ionize in the discharge volume.
При протекании разрядного тока через разрядные электроды в межэлектродном промежутке создается магнитное поле, основная компонента которого BZ направлена вдоль поперечной оси Z разрядного канала. При взаимодействии компоненты магнитного поля BZ с разрядным током JY, протекающим между разрядными электродами, создается объемная электромагнитная сила FX=JY x BZ, направленная вдоль продольной оси X разрядного канала (в направлении ускорения плазменного потока). Образующаяся в разрядном объеме плазма ускоряется электромагнитной силой FX до скоростей от 20 до 30 км/с.В конце апериодического разряда, когда разрядный ток JY существенно уменьшается, более существенный вклад в ускорение плазмы вносят газодинамические силы, обеспечивающие характерную скорость истечения плазменного образования от 3 до 5 км/с.When a discharge current flows through the discharge electrodes, a magnetic field is created in the interelectrode gap, the main component of which B Z is directed along the transverse Z axis of the discharge channel. When a component of the magnetic field B Z interacts with a discharge current J Y flowing between the discharge electrodes, a volume electromagnetic force F X = J Y x B Z is created , directed along the longitudinal axis X of the discharge channel (in the direction of the plasma flow acceleration). The plasma formed in the discharge volume is accelerated by the electromagnetic force F X to speeds from 20 to 30 km / s. At the end of the aperiodic discharge, when the discharge current J Y decreases significantly, the gas-dynamic forces make a significant contribution to the plasma acceleration, which provides the
Основные особенности импульсного ускорения плазмы проявляются при рассмотрении модели разрядного контура в простейшем электродинамическом приближении (Колесников П.М. Электродинамическое ускорение плазмы. М.: Атомиздат, 1971. С. 207-216). В электродинамическом приближении плазменный двигатель, представляющий собой электромагнитный ускоритель плазмы, моделируется в виде эквивалентной разрядной цепи с подвижным проводником, моделирующим плазменную перемычку между разрядными электродами. Эквивалентная электрическая цепь имеет постоянные электрическую емкость С и сопротивление R. Индуктивность разрядной цепи L включает постоянную L0 (начальную индуктивность) и переменную ΔL=b⋅x составляющие (где b [Гн/м] - погонная индуктивность разрядных электродов, х - координата центра инерции плазменного сгустка в продольном направлении разрядного канала). Масса m подвижного участка цепи, моделирующего плазменный сгусток, в первом приближении принимается постоянной, а омическое сопротивление R существенно меньшим индуктивного сопротивления: R<<ωL (где ω - собственная круговая частота разрядного контура). При этом скорость плазменного сгустка зависит от величины погонной индуктивности b разрядных электродов и, соответственно, от переменной составляющей индуктивности ΔL. При ускорении плазменного сгустка в разрядном канале величина тока I разряда затухает за счет перехода электромагнитной энергии разрядного контура в кинетическую энергию ускоряемого плазменного сгустка.The main features of pulsed plasma acceleration are manifested when the discharge circuit model is considered in the simplest electrodynamic approximation (Kolesnikov PM Electrodynamic plasma acceleration. M .: Atomizdat, 1971. P. 207-216). In the electrodynamic approximation, a plasma engine, which is an electromagnetic plasma accelerator, is modeled as an equivalent discharge circuit with a movable conductor, simulating a plasma jumper between the discharge electrodes. The equivalent electric circuit has constant electric capacitance C and resistance R. The inductance of the discharge circuit L includes a constant L 0 (initial inductance) and variable ΔL = b⋅x components (where b [H / m] is the linear inductance of the discharge electrodes, x is the center coordinate inertia of the plasma clot in the longitudinal direction of the discharge channel). In the first approximation, the mass m of the moving section of the circuit simulating a plasma clot is assumed to be constant, and the ohmic resistance R is substantially less than inductive resistance: R << ωL (where ω is the proper circular frequency of the discharge circuit). The velocity of the plasma bunch depends on the magnitude of the linear inductance b of the discharge electrodes and, accordingly, on the variable component of the inductance ΔL. During the acceleration of the plasma bunch in the discharge channel, the magnitude of the current I of the discharge decays due to the transition of the electromagnetic energy of the discharge circuit into the kinetic energy of the accelerated plasma bunch.
Эффективность электродинамического ускорения плазмы в разрядном канале АИПД в значительной степени зависит от соотношения постоянной (начальной) L0 и переменной ΔL составляющих индуктивности разрядного контура. Эффективность ускорения плазмы повышается при росте погонной индуктивности b разрядных электродов и снижении начальной (паразитной) индуктивности. L0 разрядного контураThe efficiency of electrodynamic plasma acceleration in the discharge channel of the AIPD largely depends on the ratio of the constant (initial) L 0 and the variable ΔL of the inductance components of the discharge circuit. The efficiency of plasma acceleration increases with an increase in the linear inductance b of discharge electrodes and a decrease in the initial (parasitic) inductance. L 0 bit circuit
Для увеличения погонной индуктивности b разрядных электродов и соответствующего повышения эффективности электродинамического ускорения плазмы в АИПД используют профилированные электроды. В таких конструкциях ширина разрядных электродов уменьшается в направлении ускорения плазменного сгустка, а расстояние между электродами за пределами начального участка разрядного канала увеличивается в том же направлении (к выходной части разрядного канала). При данной конфигурации разрядных электродов разрядный канал включает начальный участок с параллельно расположенными электродами и расширяющуюся выходную часть (участок). Конструкция подобного типа АИПД описана, например, в патенте RU 2253953 C1 (опубликован 10.06.2005).To increase the linear inductance b of the discharge electrodes and the corresponding increase in the efficiency of the electrodynamic plasma acceleration in the AIPD, profiled electrodes are used. In such structures, the width of the discharge electrodes decreases in the direction of acceleration of the plasma bunch, and the distance between the electrodes outside the initial part of the discharge channel increases in the same direction (to the output part of the discharge channel). With this configuration of discharge electrodes, the discharge channel includes an initial section with parallel electrodes and an expanding output part (section). A design of this type of AIPD is described, for example, in patent RU 2253953 C1 (published June 10, 2005).
Известный АИПД включает в свой состав профилированные разрядные электроды, диэлектрические шашки, выполненные из аблирующего материала, торцевой изолятор, образующий закрытую торцевую часть разрядного канала, устройство инициирования разряда и токоподводы, соединяющие разрядные электроды с накопителем электрической энергии. Диэлектрические шашки устанавливаются у поверхности торцевого изолятора с противоположных сторон начального участка разрядного канала, образованного параллельно расположенными частями плоских разрядных электродов. Шашки размещаются симметрично относительно продольной срединной плоскости сечения разрядного канала. Восполнение расходуемого твердого рабочего вещества осуществляется с помощью устройства перемещения диэлектрических шашек, обеспечивающего движение шашек в направлении к продольной срединной плоскости сечения разрядного канала.The known AIPD includes profiled discharge electrodes, dielectric bars made of ablating material, an end insulator that forms a closed end part of the discharge channel, a discharge initiation device and current leads connecting the discharge electrodes to the electrical energy storage device. Dielectric checkers are installed on the surface of the end insulator on opposite sides of the initial section of the discharge channel formed in parallel with the located parts of the flat discharge electrodes. Checkers are placed symmetrically relative to the longitudinal median plane of the cross section of the discharge channel. Replenishment of the consumable solid working substance is carried out using a device for moving dielectric checkers, which ensures the movement of checkers in the direction to the longitudinal median plane of the cross section of the discharge channel.
Следует отметить, что диэлектрические шашки в АИПД - аналоге устанавливаются между участками разрядных электродов, имеющих плоскую форму и постоянную вдоль направления ускорения плазмы ширину. В отличие от расширяющейся выходной части разрядного канала, на начальном участке разрядного канала в области размещения диэлектрических шашек участки разрядных электродов расположены параллельно друг другу. Поперечное сечение диэлектрических шашек по форме и размерам соответствует продольному сечению начального участка разрядного канала и поэтому имеет форму прямоугольника.It should be noted that dielectric checkers in AIPD - analog are installed between the areas of the discharge electrodes having a flat shape and a constant width along the plasma acceleration direction. In contrast to the expanding output part of the discharge channel, in the initial part of the discharge channel in the area of the placement of dielectric checkers, the areas of the discharge electrodes are parallel to each other. The cross section of dielectric bars in shape and size corresponds to the longitudinal section of the initial section of the discharge channel and therefore has the shape of a rectangle.
Другой, имеющей существенное значение для процесса ускорения плазмы, особенностью АИПД является то, что электрический разряд в разрядном канале одновременно выполняет две функции: обеспечивает дозированную подачу плазмообразующего рабочего вещества в разрядный объем и ускорение плазменного сгустка за счет действия объемной электромагнитной силы. На первой стадии развития конструкции АИПД было экспериментально установлено, что интегральный расход рабочего тела за импульс пропорционален энергии электрического разряда. При этом для достижения высокой эффективности использования рабочего вещества и тяговой эффективности АИПД необходимо обеспечить синхронизацию процессов ввода электрической энергии в разрядный канал и дозированной подачи рабочего вещества в область горения разряда.Another feature of plasma acceleration that is essential for the process of plasma acceleration is that the electrical discharge in the discharge channel simultaneously performs two functions: it provides the metered supply of plasma-forming working substance to the discharge volume and the acceleration of the plasma bunch due to the effect of volumetric electromagnetic force. At the first stage of development of the AIPD design, it was experimentally established that the integral flow of the working medium per pulse is proportional to the energy of the electric discharge. At the same time, in order to achieve high efficiency of the use of the working substance and traction efficiency of the AIPD, it is necessary to ensure synchronization of the processes of input of electric energy into the discharge channel and the dosed supply of the working substance to the discharge burning region.
Известны технические решения, направленные на обеспечение синхронизации указанных выше процессов, происходящих в разрядном канале АИПД. Так, например, в патенте RU 2542354 C1 (опубликован 20.02.2015) описана конструкция АИПД с двухступенчатым разрядным каналом, образованным катодом, двумя электрически изолированными анодами, торцевым изолятором и диэлектрическими шашками, расположенными между первым анодом и катодом.Known technical solutions aimed at ensuring the synchronization of the above processes occurring in the discharge channel AIPD. For example, in patent RU 2542354 C1 (published 02/20/2015) the design of AIPD is described with a two-stage discharge channel formed by a cathode, two electrically isolated anodes, an end insulator and dielectric bars located between the first anode and the cathode.
Синхронизация процесса испарения твердого рабочего вещества и ускорения газообразного ионизованного вещества происходит за счет управляемого воздействия электрическим разрядом, генерируемым в первой ступени ускорительного канала (между первым анодом и катодом), на рабочие поверхности диэлектрических шашек, выполненных из аблирующего материала. Управление воздействием на рабочие поверхности диэлектрических шашек потоком энергии, излучаемым разрядом первой ступени, производится посредством создания управляющей электромагнитной силы. Для этого используется магнитное поле, возбуждаемое при протекании тока разряда через управляющий токоподвод, который ориентирован определенным образом между разрядными электродами. При взаимодействии тока разряда с внешним магнитным полем возникает сила Ампера, направленная к торцевому изолятору.Synchronization of the process of evaporation of a solid working substance and acceleration of a gaseous ionized substance occurs due to a controlled action of an electric discharge generated in the first stage of the acceleration channel (between the first anode and cathode) on the working surfaces of dielectric checkers made of ablating material. The control of the impact on the working surfaces of dielectric checkers by the flow of energy emitted by the discharge of the first stage is made by creating a control electromagnetic force. To do this, use a magnetic field excited by the discharge current flowing through the control current lead, which is oriented in a certain way between the discharge electrodes. When the discharge current interacts with an external magnetic field, an Ampere force arises, directed to the end insulator.
В результате действия электромагнитной силы движение канала разряда замедляется на начальном участке разрядного канала, и происходит интенсивная абляция (эрозия) и испарение рабочего вещества с рабочих поверхностей диэлектрических шашек в области локализации разряда. Вследствие этого на вход второй ступени поступает сформированный достаточно однородный поток рабочего вещества, что способствует эффективному ускорению плазмы во второй ступени разрядного канала. Участки разрядных электродов второй ступени смещены друг относительно друга, образуя расширяющуюся часть разрядного канала, а их ширина уменьшается в направлении ускорения плазмы.As a result of the electromagnetic force, the movement of the discharge channel slows down in the initial part of the discharge channel, and intense ablation (erosion) and evaporation of the working substance from the working surfaces of the dielectric checkers in the area of discharge localization occur. As a result, a fairly uniform flow of the working substance flows to the input of the second stage, which contributes to the effective acceleration of the plasma in the second stage of the discharge channel. The sections of the discharge electrodes of the second stage are shifted relative to each other, forming the expanding part of the discharge channel, and their width decreases in the direction of plasma acceleration.
Двухступенчатые схемы разрядных каналов с расширяющейся выходной частью используются также и в АИПД с продольной подачей твердого диэлектрического рабочего вещества. В таких конструктивных решениях диэлектрическая шашка, выполненная из аблирующего материала, подается, по мере ее расходования, вдоль разрядного канала со стороны его закрытой части (международная заявка WO 2008/035061 A1, опубликована 27.03.2008).Two-stage schemes of discharge channels with an expanding output part are also used in AIPD with a longitudinal feed of solid dielectric working substance. In such constructive solutions, a dielectric block made of ablating material is fed, as it is used, along the discharge channel from the side of its closed part (international application WO 2008/035061 A1, published March 27, 2008).
Наиболее близким аналогом изобретения является АИПД, описанный в патенте RU 2516011 C1 (опубликован 20.05.2014). Известный плазменный двигатель содержит установленные напротив друг друга два разрядных электрода, образующие разрядный канал. Торцевой изолятор установлен между разрядными электродами и образует закрытую торцевую часть разрядного канала. Две диэлектрические шашки, выполненные из аблирующего материала, расположены со стороны торцевого изолятора между разрядными электродами с противоположных сторон разрядного канала. Шашки размещены симметрично относительно продольной срединной плоскости сечения разрядного канала. В состав АИПД входит устройство перемещения диэлектрических шашек в направлении к продольной срединной плоскости сечения разрядного канала. Устройство инициирования электрического разряда содержит электроды, установленные в разрядном канале между торцевыми рабочими поверхностями диэлектрических шашек. Электроды устройства инициирования разряда расположены в отверстии, выполненном в катоде, и электрически изолированы от него.The closest analogue of the invention is the AIPD, described in patent RU 2516011 C1 (published 05.20.2014). The known plasma engine contains two discharge electrodes installed opposite each other, forming a discharge channel. An end insulator is installed between the discharge electrodes and forms a closed end part of the discharge channel. Two dielectric checkers made of ablating material are located on the end insulator side between the discharge electrodes on opposite sides of the discharge channel. Checkers are placed symmetrically with respect to the longitudinal median plane of the cross section of the discharge channel. The structure of the AIPD includes a device for moving dielectric bars towards the longitudinal median plane of the cross section of the discharge channel. The device for initiating an electric discharge contains electrodes installed in the discharge channel between the end working surfaces of the dielectric bars. The electrodes of the device for initiating a discharge are located in a hole made in the cathode and are electrically isolated from it.
Синхронизация процессов образования газообразного рабочего вещества, ионизации рабочего вещества и ускорения плазменного сгустка обеспечивается в известном техническом решении за счет профилирования рабочих поверхностей диэлектрических шашек в продольном сечении разрядного канала, проходящем через шашки, и расположения плоской поверхности торцевого изолятора под острым углом относительно срединной плоскости разрядного канала. При данном выполнении токовый канал разряда в начальный период времени ориентируется вдоль поверхности торцевого изолятора, ограничивающей поперечное сечение диэлектрических шашек на начальном участке разрядного канала. В этом случае рабочие поверхности диэлектрических шашек находятся в течение начальной стадии электрического разряда в области интенсивного воздействия высокотемпературного плазменного образования, формируемого в межэлектродном промежутке. В результате достигается относительно равномерный нагрев рабочих поверхностей диэлектрических шашек на начальной стадии разряда.The synchronization of the processes of formation of a gaseous working substance, ionization of the working substance and acceleration of a plasma bunch is provided in a known technical solution by profiling the working surfaces of dielectric checkers in a longitudinal section of the discharge channel passing through the checkers and placing the flat surface of the end insulator at an acute angle relative to the middle plane of the discharge channel . With this implementation, the current discharge channel in the initial period of time is oriented along the surface of the end insulator, limiting the cross section of the dielectric checkers on the initial part of the discharge channel. In this case, the working surfaces of the dielectric bars are located during the initial stage of the electric discharge in the region of intense high-temperature plasma formation, formed in the interelectrode gap. The result is a relatively uniform heating of the working surfaces of the dielectric bars at the initial stage of discharge.
Данное выполнение позволяет повысить эффективность использования рабочего вещества и тяговую эффективность АИПД за счет частичной синхронизации процессов образования газообразного рабочего вещества и ускорения плазменного образования. Эффект может быть усилен посредством предварительного профилирования рабочих поверхностей диэлектрических шашек, однако такое профилирование теряет свое значение после многочисленных включений АИПД в течение длительной эксплуатации ДУ КА из-за неравномерной эрозии торцевых частей шашек. Влияние угла наклона поверхности торцевого изолятора на равномерный нагрев рабочих поверхностей диэлектрических шашек также снижается при изменении режима работы АИПД и из-за нерегулируемой эрозии диэлектрических шашек и других элементов конструкции разрядного канала.This implementation allows to increase the efficiency of the use of the working substance and the traction efficiency of the AIPD due to partial synchronization of the processes of formation of the gaseous working substance and acceleration of the plasma formation. The effect can be enhanced by pre-shaping the working surfaces of the dielectric checkers, however, such profiling loses its value after numerous inclusions of AIPD during long-term operation of the spacecraft control system due to uneven erosion of the end parts of the checkers. The influence of the angle of inclination of the surface of the end face insulator on the uniform heating of the working surfaces of dielectric bars also decreases when the AIPD mode of operation changes and due to unregulated erosion of dielectric bars and other elements of the discharge channel design.
Необходимо отметить, что описанные выше усовершенствования АИПД касаются выполнения участка разрядного канала, ограниченного плоскими участками параллельно расположенных разрядных электродов. Форма и взаимное расположение разрядных электродов изменяются, образуя расширяющуюся часть разрядного канала, за пределами начального участка, ограниченного, с одной стороны, поверхностью торцевого изолятора и боковой поверхностью диэлектрических шашек, обращенной к открытой части разрядного канала, с противоположной стороны.It should be noted that the above-mentioned improvements of the AIPD relate to the execution of the section of the discharge channel, bounded by flat sections of parallel-arranged discharge electrodes. The shape and mutual arrangement of the discharge electrodes change to form an expanding part of the discharge channel, outside the initial portion, bounded on the one hand by the surface of the end insulator and the side surface of the dielectric checkers facing the open part of the discharge channel on the opposite side.
Изобретение направлено на решение технических проблем, связанных с неполной синхронизацией в разрядном канале АИПД процессов образования и дозирования газообразного рабочего вещества и процессов ионизации и ускорения плазменного образования. Синхронизация указанных процессов должна обеспечиваться при длительной эксплуатации ДУ КА в течение всего ресурса АИПД. Вместе с тем изобретение направлено на повышение эффективности электродинамического ускорения плазмы за счет увеличения переменной составляющей индуктивности ΔL, величина которой зависит от погонной индуктивности b разрядных электродов, по сравнению с постоянной начальной индуктивностью L0 разрядного контура.The invention is directed to solving technical problems associated with incomplete synchronization in the discharge channel AIPD of the processes of formation and dispensing of gaseous working substance and of the processes of ionization and acceleration of plasma formation. Synchronization of these processes should be ensured during long-term operation of the remote control of the spacecraft during the entire AIPD resource. However, the invention is aimed at improving the efficiency of electrodynamic acceleration of plasma by increasing the variable component of inductance ΔL, the value of which depends on the linear inductance b of the discharge electrodes, compared with the constant initial inductance L 0 of the discharge circuit.
Технические результаты, достигаемые за счет решения перечисленных выше технических проблем, заключаются в повышении эффективности использования рабочего вещества (диэлектрического аблирующего материала), увеличении удельного импульса тяги и повышении тяговой эффективности АИПД.Technical results achieved by solving the above technical problems consist in increasing the efficiency of the use of the working substance (dielectric ablating material), increasing the specific impulse of the thrust and increasing the tractive efficiency of the AIPD.
Достижение технических результатов обеспечивается при использовании АИПД, содержащего установленные напротив друг друга два разрядных электрода. Электроды образуют разрядный канал. АИПД включает в свой состав торцевой изолятор, установленный между разрядными электродами и образующий закрытую торцевую часть разрядного канала. Две диэлектрические шашки, выполненные из аблирующего материала, расположены со стороны торцевого изолятора между разрядными электродами с противоположных боковых сторон разрядного канала. Шашки размещены симметрично относительно продольной срединной плоскости сечения разрядного канала. АИПД содержит устройство перемещения диэлектрических шашек в направлении к продольной срединной плоскости сечения разрядного канала и устройство инициирования электрического разряда с электродами, установленными в разрядном канале между торцевыми поверхностями диэлектрических шашек.Achievement of technical results is achieved by using AIPD containing two discharge electrodes installed opposite each other. Electrodes form a discharge channel. AIPD includes an end insulator installed between the discharge electrodes and forming a closed end part of the discharge channel. Two dielectric checkers made of ablating material are located on the end insulator side between the discharge electrodes on opposite sides of the discharge channel. Checkers are placed symmetrically with respect to the longitudinal median plane of the cross section of the discharge channel. AIPD contains a device for moving dielectric bars in the direction to the longitudinal median plane of the cross section of the discharge channel and a device for initiating an electric discharge with electrodes installed in the discharge channel between the end surfaces of the dielectric bars.
Разрядный канал АИПД, согласно изобретению, выполняется расширяющимся от поверхности торцевого изолятора. При этом касательные к противоположно расположенным образующим поверхностей разрядных электродов в продольной плоскости сечения разрядного канала, по меньшей мере, в пределах его участка между торцевыми поверхностями диэлектрических шашек расположены под острым углом относительно друг друга. Поперечное сечение диэлектрических шашек по форме и размерам соответствует продольному сечению участка разрядного канала, ограниченного поверхностью торцевого изолятора и боковой поверхностью диэлектрических шашек, обращенной к открытой части разрядного канала.The discharge channel AIPD, according to the invention, is extending from the surface of the end of the insulator. In this case, the tangents to the opposing surface of the discharge electrodes in the longitudinal plane of the cross section of the discharge channel, at least within its section between the end surfaces of the dielectric bars, are located at an acute angle to each other. The cross section of dielectric bars in shape and size corresponds to the longitudinal section of the section of the discharge channel bounded by the surface of the end insulator and the lateral surface of the dielectric bars facing the open part of the discharge channel.
Выполнение начального участка разрядного канала расширяющейся формы за счет взаимного углового смещения или профилирования участков разрядных электродов, непосредственно примыкающих к торцевому изолятору, позволяет синхронизировать ввод массы рабочего вещества в разрядный объем и ввод электрической энергии разряда. При этом ввод энергии определяется апериодической зависимостью тока разряда от времени. В силу того, что поперечное сечение диэлектрических шашек соответствует форме и размерам начального расширяющегося участка разрядного канала, при перемещении плазменного образования вдоль рабочего канала по мере нарастания тока разряда увеличивается и площадь участков рабочих поверхностей диэлектрических шашек, расположенных напротив высокотемпературного плазменного сгустка в текущий момент времени. В этом случае минимальную площадь имеют участки рабочих поверхностей диэлектрических шашек, находящиеся в непосредственной близости от поверхности торцевого изолятора. В данной области происходит пробой межэлектродного промежутка, инициация разряда и формирование канала разряда. Данные процессы происходят в течение ~1 мкс. За счет сокращения площади рабочей поверхности диэлектрических шашек в области торцевого изолятора обеспечивается оптимальное дозирование рабочего вещества и соответствующее сокращение его непроизводительных потерь.Performing the initial section of the discharge channel of the expanding form due to the mutual angular displacement or profiling of the sections of the discharge electrodes directly adjacent to the end insulator, allows you to synchronize the input mass of the working substance in the discharge volume and the input electrical discharge energy. In this case, the energy input is determined by the aperiodic dependence of the discharge current on time. Due to the fact that the cross section of the dielectric bars corresponds to the shape and size of the initial expanding section of the discharge channel, as the plasma formation moves along the working channel, the discharge surface of the dielectric bars opposite the high-temperature plasma bunch increases at the current time, as the discharge current increases. In this case, the areas of the working surfaces of the dielectric bars that are in close proximity to the surface of the end insulator have a minimum area. In this area there is a breakdown of the interelectrode gap, the initiation of the discharge and the formation of the discharge channel. These processes occur within ~ 1 μs. By reducing the area of the working surface of the dielectric bars in the area of the end of the insulator provides optimal dosing of the working substance and a corresponding reduction in its unproductive losses.
В результате абляции диэлектрических шашек и испарения рабочего вещества осуществляется дозированная подача рабочего вещества в область разряда, при этом масса рабочего вещества, вводимого в разрядный объем будет зависеть не только от подводимой энергии, но и от текущего положения канала разряда в полости начального расширяющегося участка разрядного канала. Для конкретной конструкции АИПД можно подобрать форму и размеры электродов на начальном участке канала и соответствующие размеры поперечного сечения диэлектрических шашек таким образом, чтобы рост массы рабочего вещества, вводимого в разрядный объем при текущем положении плазменной перемычки, происходил в большей степени синхронно с ростом тока разряда.As a result of ablation of the dielectric bars and evaporation of the working substance, the working substance is metered into the discharge area, and the mass of the working substance introduced into the discharge volume will depend not only on the input energy, but also on the current position of the discharge channel in the cavity of the initial expanding section of the discharge channel . For a particular AIPD design, it is possible to choose the shape and dimensions of the electrodes in the initial section of the channel and the corresponding cross sectional dimensions of the dielectric bars so that the mass increase of the working substance introduced into the discharge volume at the current position of the plasma bridge is more synchronous with the growth of the discharge current.
Синхронизация процессов образования в разрядном объеме рабочего вещества, его ионизации и ускорения плазменного образования позволяет повысить эффективность использования рабочего вещества, тяговую эффективность АИПД и увеличить удельный импульс тяги на 20% по сравнению с известными аналогами. Данный технический результат обусловлен также увеличением погонной индуктивности b электродов, определяющей величину переменной составляющей индуктивности ΔL разрядного контура. Погонная индуктивность b увеличивается в результате замены параллельно расположенных электродов на начальном участке канала на электроды, расположенные с угловым смещением относительно друг друга, расстояние между которыми увеличивается в направлении ускорения плазмы.Synchronization of the processes of formation in the discharge volume of the working substance, its ionization and acceleration of the plasma formation allows to increase the efficiency of the use of the working substance, the thrust efficiency of the AIPD and to increase the specific impulse by 20% compared with the known analogues. This technical result is also due to the increase in linear inductance b of the electrodes, which determines the magnitude of the variable component inductance ΔL of the discharge circuit. The linear inductance b increases as a result of replacing parallel-arranged electrodes on the initial part of the channel with electrodes located with an angular displacement relative to each other, the distance between which increases in the direction of plasma acceleration.
В АИПД могут использоваться разрядные электроды с плоской поверхностью. В зависимости от решаемых задач плоские разрядные электроды могут быть расположены симметрично или несимметрично относительно друг друга.Flat-surface discharge electrodes can be used in AIPD. Depending on the tasks being solved, flat discharge electrodes can be located symmetrically or asymmetrically relative to each other.
В предпочтительных вариантах конструкции АИПД угол между плоскими разрядными электродами составляет от 20° до 40°.In preferred embodiments of the AIPD design, the angle between the flat discharge electrodes is from 20 ° to 40 °.
Возможны также варианты конструкции АИПД с разрядными электродами, имеющими криволинейную поверхность. Угол между касательными к противоположно расположенным образующим поверхностей разрядных электродов в продольной плоскости сечения разрядного канала предпочтительно выбирается в диапазоне оптимальных значений от 20° до 40°. Данные значения углового смещения электродов относятся к участку разрядного канала, расположенному между торцевыми поверхностями диэлектрических шашек.Also possible variants of the design AIPD with discharge electrodes having a curved surface. The angle between the tangents to the opposing surfaces of the discharge electrodes in the longitudinal sectional plane of the discharge channel is preferably selected in the range of optimal values from 20 ° to 40 °. These values of the angular displacement of the electrodes refer to the section of the discharge channel located between the end surfaces of the dielectric bars.
Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения АИПД. На прилагаемых чертежах изображено следующее:Further, the invention is explained in the description of specific examples of execution of the AIPD. The accompanying drawings depict the following:
на фиг. 1 - схематичный продольный разрез разрядного канала АИПД с симметрично расположенными плоскими разрядными электродами;in fig. 1 is a schematic longitudinal section of the discharge channel AIPD with symmetrically located flat discharge electrodes;
на фиг. 2 - схематичный продольный разрез разрядного канала АИПД с несимметричным расположением плоских разрядных электродов;in fig. 2 is a schematic longitudinal section of the discharge channel AIPD with an asymmetrical arrangement of flat discharge electrodes;
на фиг. 3 - схематичный продольный разрез разрядного канала АИПД с разрядными электродами, имеющими криволинейную форму.in fig. 3 is a schematic longitudinal section of the discharge channel AIPD with discharge electrodes having a curved shape.
АИПД, вариант конструкции которого изображен на фиг. 1 чертежей, содержит расположенные напротив друг друга два разрядных электрода: катод 1 и анод 2. В рассматриваемом варианте конструкции АИПД используются разрядные электроды с плоской поверхностью. Электроды 1 и 2 расположены симметрично относительно друг друга и образуют расширяющийся разрядный канал, включающий начальный участок канала. Угол между плоскими разрядными электродами 1 и 2 составляет 30°. Между разрядными электродами установлен разделяющий торцевой изолятор 3, образующий закрытую торцевую часть разрядного канала. Торцевой изолятор 3 выполняется из высокотемпературной керамики, в качестве которой может использоваться нитрид бора или оксид алюминия. Длина разрядных электродов от поверхности торцевого изолятора 3 до их торцевых частей составляет 52 мм.The AIPD, a variant of which is shown in FIG. 1 of the drawings contains two discharge electrodes located opposite each other: cathode 1 and
С противоположных боковых сторон разрядного канала у поверхности торцевого изолятора 3 расположены две диэлектрические шашки 4, выполненные из аблирующего диэлектрического материала, в качестве которого используется фторопласт. Диэлектрические шашки 4 установлены между разрядными электродами симметрично относительно продольной срединной плоскости сечения разрядного канала. Схема размещения диэлектрических шашек аналогична традиционно используемой в АИПД схеме (см., например, RU 2253953 C1, RU 2516011 C1). АИПД включает в свой состав устройство перемещения диэлектрических шашек в направлении к продольной срединной плоскости сечения разрядного канала. Данное устройство, обычно применяемое в составе АИПД, выполняется в виде пружинных толкателей с фиксаторами положения диэлектрических шашек (см., например, RU 2253953 C1).On opposite sides of the discharge channel, two dielectric bars 4, made of an ablating dielectric material, which uses fluoroplastic, are located near the surface of the
Разрядные электроды 1 и 2 подключены через токоподводы 5 и 6 к емкостному накопителю энергии, выполненному в виде батареи конденсаторов. Данное устройство входит в состав системы электропитания АИПД. В отверстии, выполненном в катоде 1, напротив поверхности анода 2 установлено устройство 7 инициирования электрического разряда, электроды которого подключены к отдельному блоку электропитания. Перечисленные выше элементы конструкции АИПД установлены в диэлектрическом корпусе 8.The
Разрядный канал расширяется непосредственно от поверхности торцевого изолятора 3. Поперечное сечение диэлектрических шашек 4, установленных между разрядными электродами, по форме и размерам соответствует продольному сечению начального участка разрядного канала. Данный участок ограничен в направлении ускорения плазмы с одной стороны поверхностью торцевого изолятора 3, а с противоположной стороны - боковой поверхностью диэлектрических шашек 4, обращенной к открытой части разрядного канала. В рассматриваемом примере выполнения АИПД поперечное сечение диэлектрических шашек 4 имеет форму равнобедренной трапеции со следующими размерами: высота трапеции - 14 мм, меньшее основание - 15 мм, большее основание - 23 мм. Диэлектрические шашки заполняют примерно 30% длины разрядного канала вдоль направления ускорения плазмы.The discharge channel expands directly from the surface of the
Вариант выполнения АИПД, изображенный на фиг. 2 чертежей, отличается несимметричным расположением разрядных электродов 9 и 10, образующих расширяющийся разрядный канал. Плоский анод 10 ориентирован перпендикулярно поверхности торцевого изолятора 11. Плоский катод 9 расположен под углом 30° относительно плоской поверхности анода 10 и, соответственно, под углом 120° к плоской поверхности торцевого изолятора 11.An embodiment of the AIPD shown in FIG. 2 drawings, different asymmetric arrangement of the
Поперечное сечение диэлектрических шашек 12, установленных между разрядными электродами, соответствует продольному сечению начального участка разрядного канала. В рассматриваемом примере поперечное сечение диэлектрических шашек 12 имеет форму прямоугольной трапеции, высота которой составляет 14 мм. Разрядные электроды 9 и 10 подключены через токоподводы 13 и 14 к емкостному накопителю энергии. В отверстии, выполненном в катоде 9, напротив поверхности анода 10 размещено устройство 15 инициирования электрического разряда. Элементы конструкции АИПД установлены в диэлектрическом корпусе 16.The cross section of the
Вариант выполнения АИПД, изображенный на фиг. 3 чертежей, отличается формой выполнения разрядных электродов 17 и 18, образующих расширяющийся разрядный канал. В данном примере используются разрядные электроды с криволинейной поверхностью, между которыми установлен торцевой изолятор 19 с плоской поверхностью. С противоположных боковых сторон разрядного канала между разрядными электродами 17 и 18 расположены две диэлектрические шашки 20. Форма и размеры поперечного сечения диэлектрических шашек 20 соответствуют продольному сечению начального участка разрядного канала, ограниченного поверхностью торцевого изолятора 19 и боковой поверхностью диэлектрических шашек 20, обращенной к открытой части разрядного канала. В рассматриваемом примере поперечное сечение диэлектрических шашек имеет форму геометрической фигуры, ограниченной двумя параллельными отрезками прямых линий и двумя симметрично расположенными криволинейными отрезками. Диэлектрические шашки заполняют примерно 30% длины разрядного канала вдоль направления ускорения плазмы.An embodiment of the AIPD shown in FIG. 3 of the drawings, differs in the form of
Угол между касательными к противоположно расположенным образующим поверхностей разрядных электродов 17 и 18 в продольной плоскости сечения разрядного канала, в пределах его участка между торцевыми поверхностями диэлектрических шашек, составляет 26°. Разрядные электроды подключены через токоподводы 21 и 22 к емкостному накопителю энергии. В отверстии, выполненном в катоде 17, напротив поверхности анода 18 расположено устройство 23 инициирования электрического разряда. Элементы конструкции АИПД установлены в диэлектрическом корпусе 24.The angle between the tangents to the opposing surfaces of the
Работа АИПД, конструкция которого изображена на фиг. 1 чертежей, осуществляется следующим образом.The operation of the AIPD, the construction of which is shown in FIG. 1 of the drawings is as follows.
При включении АИПД производится инициация электрического разряда, зажигаемого между разрядными электродами. Для этого в блоке электропитания устройства 7 инициирования электрического разряда формируется короткий, длительностью порядка 10-6 с, высоковольтный импульс напряжения, подаваемый на изолированные электроды устройства 7, установленные в отверстии катода 1. В результате высоковольтного электрического пробоя по поверхности диэлектрика, разделяющего электроды устройства 7, образуется проводящий плазменный сгусток, который закорачивает разрядные электроды. После этого происходит электрический пробой межэлектродного промежутка между катодом 1 и анодом 2, на которые через токоподводы 5 и 6 предварительно подается напряжение 1200 В от емкостного накопителя энергии разрядное. Между разрядными электродами зажигается импульсный апериодический электрический разряд с двумя полупериодами тока. Абсолютное значение амплитуды тока составляет от 20 кА до 40 кА в зависимости от емкости накопителя энергии. Длительность импульсного электрического разряда составляет от 10-5 с до 10-4 с.When the AIPD is turned on, an electrical discharge is initiated that is lit between the discharge electrodes. To do this, in the power supply unit of the electric
Под действием излучения и конвекции из канала электрического разряда происходит абляция и испарение рабочего вещества с рабочих поверхностей диэлектрических шашек 4. Образовавшееся газообразное углеродосодержащее рабочее вещество ионизуется в разрядном объеме и ускоряется в виде межэлектродной плазменной перемычки под действием объемной электромагнитной силы FX и газодинамического давления, создавая реактивную тягу.By radiation and convection from the channel electric discharge occurs ablation and vaporization of the working medium from the working surfaces of dielectric sticks 4. The resulting carbonaceous gaseous working substance is ionized in the discharge volume, and is accelerated in a plasma bridge between the electrodes under the influence of the bulk of the electromagnetic force F X and dynamic pressure, creating jet thrust.
По мере расходования диэлектрических шашек 4 в результате абляции происходит автоматическая подача шашек в полость разрядного канала в направлении к продольной срединной плоскости сечения канала с помощью устройства перемещения диэлектрических шашек. Ограничители перемещения диэлектрических шашек 4, выполненные в виде выступов на поверхности разрядных электродов (на чертеже не показаны), обеспечивают расчетное расстояние между рабочими поверхностями шашек.As the dielectric bars 4 are consumed as a result of ablation, the bars are automatically fed into the cavity of the discharge channel in the direction to the longitudinal median plane of the channel cross section using a device for moving dielectric bars. Limiters move dielectric checkers 4, made in the form of protrusions on the surface of the discharge electrodes (not shown in the drawing), provide the estimated distance between the working surfaces of the checkers.
Электромагнитное ускорение плазменного сгустка (плазменной перемычки), образованного в межэлектродном промежутке между разрядными электродами, осуществляется аналогично ускорению подвижного проводника с током под действием силы Ампера. Магнитное поле в разрядном канале создается за счет протекания разрядного тока через параллельно расположенные разрядные электроды.Electromagnetic acceleration of a plasma bunch (plasma bridge), formed in the interelectrode gap between the discharge electrodes, is similar to the acceleration of a moving conductor with a current under the action of Ampere force. The magnetic field in the discharge channel is created due to the flow of discharge current through parallel disposed discharge electrodes.
Ускоряемые заряженные частицы имеют существенный разброс по скоростям: 20-40% испарившегося рабочего вещества покидают разрядный канал со скоростями от 20 до 30 км/с под действием объемной электромагнитной силы; остальная часть рабочего вещества покидает разрядный канал с субтепловыми и тепловыми скоростями от 0,5 до 5,0 км/с.Данный эффект объясняется тем, что испарившееся и ионизованное рабочее вещество не успевает взаимодействовать с объемной электромагнитной силой FX в течение малой длительности импульса разрядного тока.Accelerated charged particles have a significant variation in velocities: 20–40% of the evaporated working substance leaves the discharge channel at speeds from 20 to 30 km / s under the action of the bulk electromagnetic force; the rest of the working substance leaves the discharge channel with sub-thermal and thermal velocities from 0.5 to 5.0 km / s. This effect is due to the fact that the evaporated and ionized working substance does not have time to interact with the bulk electromagnetic force F X for a short pulse duration of the discharge current.
Синхронизация процессов абляции, испарения, ионизации и электромагнитного ускорения заряженных частиц обеспечивается посредством дозированной подачи рабочего вещества в разрядный объем за счет профилирования поперечного сечения диэлектрических шашек в соответствии с изменением расстояния между разрядными электродами на начальном участке разрядного канала в направлении ускорения плазменного образования. По мере увеличения величины разрядного тока импульса и, соответственно, роста электрической энергии, вводимой в разрядный канал, происходит формирование импульсного электрического разряда у поверхности торцевого изолятора 3 и перемещение плазменной перемычки от торцевого изолятора к открытой выходной части разрядного канала. При этом соразмерно увеличению тока разряда увеличивается и площадь рабочей поверхности участков диэлектрических шашек 4, которые в текущий момент времени находятся в области высокотемпературного воздействия со стороны канала электрического разряда (данные участки находятся в непосредственной близости от плазменного образования).Synchronization of ablation, evaporation, ionization and electromagnetic acceleration of charged particles is provided by metering the working substance into the discharge volume by profiling the cross section of the dielectric checkers in accordance with the change in the distance between the discharge electrodes in the initial section of the discharge channel in the direction of plasma formation acceleration. As the magnitude of the discharge current of the pulse and, accordingly, the growth of electrical energy introduced into the discharge channel, the formation of a pulsed electrical discharge at the surface of the
Данный эффект связан с профилированием поперечного сечения диэлектрических шашек в направлении ускорения плазмы в соответствии с расширяющейся формой разрядного канала. Форма и размеры разрядного канала в его продольной срединной плоскости сечения определяются взаимной ориентацией разрядных электродов. Касательные к противоположно расположенным образующим поверхностей разрядных электродов в продольной плоскости сечения разрядного канала, по меньшей мере, в пределах его участка, расположенного между торцевыми поверхностями диэлектрических шашек, ориентированы под острым углом относительно друг друга.This effect is associated with the profiling of the cross section of dielectric bars in the direction of plasma acceleration in accordance with the expanding shape of the discharge channel. The shape and dimensions of the discharge channel in its longitudinal median plane of the cross section are determined by the mutual orientation of the discharge electrodes. Tangents to oppositely located generatrix surfaces of the discharge electrodes in the longitudinal sectional plane of the discharge channel, at least within its portion located between the end surfaces of the dielectric bars, are oriented at an acute angle relative to each other.
В рассматриваемом примере (см. фиг. 1) поперечный размер диэлектрических шашек линейно увеличивается в направлении ускорения плазмы так же, как и расстояние между разрядными электродами. При этом в начальный момент времени, когда происходит межэлектродный пробой и формирование импульсного разряда, в области теплового воздействия находится минимальная рабочая площадь диэлектрических шашек и, вследствие этого, обеспечивается подача минимального количества рабочего вещества в разрядный объем. В этом случае снижаются непроизводительные потери рабочего вещества, повышается эффективность использования рабочего вещества и тяговая эффективность АИПД.In this example (see Fig. 1), the transverse dimension of the dielectric bars increases linearly in the direction of plasma acceleration, as well as the distance between the discharge electrodes. At the same time, at the initial moment of time, when interelectrode breakdown occurs and a pulse discharge is formed, the minimum working area of the dielectric bars is in the heat-affected area and, as a result, the minimum amount of the working substance is supplied to the discharge volume. In this case, the unproductive losses of the working substance are reduced, the efficiency of using the working substance and the tractive efficiency of the AIPD are increased.
Вместе с тем при выполнении начального участка разрядного канала расширяющимся в продольной плоскости сечения разрядного канала, пересекающей разрядные электроды, увеличивается погонная индуктивность b электродов и, соответственно, увеличивается переменная составляющая индуктивности ΔL разрядного контура. Расширяющаяся форма начального участка разрядного канала обеспечивается за счет углового смещения разрядных электродов относительно друг друга. Следует отметить, что во всех известных аналогах АИПД разрядные электроды на начальном участке разрядного канала, ограниченном с одной стороны поверхностью торцевого изолятора, а с противоположной сторооны - боковой поверхностью диэлектрических шашек, обращенной к открытой части разрядного канала, расположены параллельно друг другу.However, when the initial section of the discharge channel expands in the longitudinal sectional plane of the discharge channel intersecting the discharge electrodes, the linear inductance b of the electrodes increases and, accordingly, the variable inductance ΔL of the discharge circuit increases. The expanding shape of the initial section of the discharge channel is provided by the angular displacement of the discharge electrodes relative to each other. It should be noted that in all known analogs of AIPD, the discharge electrodes in the initial part of the discharge channel are bounded on one side by the surface of the end insulator, and on the opposite side by the side surface of the dielectric bars facing the open part of the discharge channel are parallel to each other.
Таким образом, за счет увеличения погонной индуктивности разрядных электродов повышается эффективность электродинамического ускорения плазменной перемычки, сформированной между разрядными электродами. Данный эффект способствует дальнейшему повышению тяговой эффективности АИПД и увеличению удельного импульса тяги двигателя.Thus, by increasing the linear inductance of the discharge electrodes, the efficiency of the electrodynamic acceleration of the plasma jumper formed between the discharge electrodes increases. This effect contributes to a further increase in traction efficiency of AIPD and an increase in the specific impulse of the engine thrust.
После разряда емкостного накопителя прекращается подача напряжения на разрядные электроды 1 и 2 и завершается процесс импульсного ускорения плазменного сгустка в разрядном канале АИПД. Затем производится зарядка емкостного накопителя до рабочего уровня энергии, подача напряжения на разрядные электроды и последующее зажигание разряда с помощью устройства 7 инициации электрического разряда. Процесс заряда-разряда емкостного накопителя и зажигания электрического разряда периодически повторяется при импульсном режиме работы АИПД.After the discharge of the capacitive storage, the supply of voltage to the
На основании проведенных экспериментальных исследований модели АИПД получены результаты, подтверждающие достижение перечисленных выше технических результатов. При проведении сравнительных испытаний модели АИПД, выполненной согласно изобретению, и АИПД - аналога, конструкция которого описана в патенте RU 2516011 С1, установлено следующее.Based on the experimental studies carried out on the AIPD model, the results are obtained, confirming the achievement of the above technical results. When conducting comparative tests of the model AIPD, made according to the invention, and AIPD - analogue, the construction of which is described in the patent RU 2516011 C1, the following is established.
При равных значениях частоты следования импульсов ƒ=2 Гц и электрической энергии Е=6,6Дж, вводимой в течение импульсного ускорения плазменного сгустка, при использовании нового технического решения зафиксировано увеличение удельного импульса тяги с 5,5 до 6,6 км/с, снижение расхода рабочего вещества с 2,2⋅10-5 до 1,5⋅10-5 г/импульс и увеличение тяговой эффективности АИПД на 30%..With equal values of the pulse repetition rate ƒ = 2 Hz and electric energy E = 6.6J, introduced during the pulse acceleration of the plasma clot, when using a new technical solution, an increase in the specific thrust pulse from 5.5 to 6.6 km / s was recorded, consumption of the working substance from 2.2⋅10 -5 to 1.5⋅10 -5 g / pulse and an increase in tractive efficiency of AIPD by 30% ..
Работа вариантов АИПД, конструкция которых изображена на фиг. 2 и 3, осуществляется аналогично приведенному выше описанию работы АИПД. Отличия заключаются в форме и расположении разрядных электродов, которые определяют форму поперечного сечения диэлектрических шашек.The operation of the AIPD variants, the construction of which is shown in FIG. 2 and 3, is carried out similarly to the above description of the work of the AIPD. The differences lie in the shape and location of the discharge electrodes, which determine the cross-sectional shape of the dielectric bars.
При несимметричном расположении разрядных электродов 9 и 10 (фиг. 2) поперечное сечение диэлектрических шашек 12, установленных между разрядными электродами у поверхности торцевого изолятора 11, имеет форму прямоугольной трапеции. С помощью устройства 15 инициирования электрического разряда образуется плазменный сгусток, закорачивающий разрядные электроды 9 и 10, на которые через токоподводы 13 и 14 подается разрядно напряжение. Из-за несимметричного расположения разрядных электродов 9 и 10 плазменное образование ускоряется в разрядном канале под действием объемной электромагнитной силы и газодинамического давления в направлении, смещенном относительно нормали к плоской поверхности торцевого изолятора.With an asymmetrical arrangement of the discharge electrodes 9 and 10 (Fig. 2), the cross section of the
В случае использования разрядных электродов 17 и 18 с криволинейной поверхностью (фиг. 3) поперечное сечение диэлектрических шашек ограничено поверхностью торцевого изолятора 19 и двумя симметрично расположенными криволинейными отрезками образующих поверхностей разрядных электродов. Формирование плазменной перемычки осуществляется с помощью устройства 23 инициирования электрического разряда. Плазменный сгусток закорачивает разрядные электроды 17 и 18, на которые через токоподводы 21 и 22 от емкостного накопителя энергии подается разрядное напряжение. При симметричном расположении разрядных электродов плазменное образование ускоряется в разрядном канале, создавая тягу с вектором, ориентированным приблизительно вдоль нормали к плоской поверхности торцевого изолятора.In the case of using
За счет профилирования разрядных электродов обеспечивается более полная синхронизация процессов абляции, испарения и ионизации рабочего вещества и ускорения плазменного образования. В других вариантах выполнения АИПД криволинейные разрядные электроды могут быть расположены несимметрично относительно дуга друга и иметь различную форму.By profiling the discharge electrodes, a more complete synchronization of the processes of ablation, evaporation and ionization of the working substance and acceleration of the plasma formation is provided. In other embodiments of the AIPD, the curvilinear discharge electrodes can be located asymmetrically with respect to the arc of a friend and have a different shape.
Приведенные примеры осуществления изобретения основываются на конкретных формах выполнения конструкции АИПД, однако это не исключает возможности достижения технических результатов и в других частных случаях реализации изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы. В зависимости от рабочих характеристик АИПД и режимов работы выбираются форма и размеры разрядных электродов и диэлектрических шашек. В состав АИПД могут быть включены дополнительные узлы и блоки, обеспечивающие выполнение вспомогательных функций.The examples of the invention are based on specific forms of implementation of the design of the AIPD, but this does not exclude the possibility of achieving technical results in other particular cases of the implementation of the invention as it is described in the independent claim. Depending on the performance characteristics of AIPD and operating modes, the shape and size of the discharge electrodes and dielectric bars are selected. The structure of the AIPD may include additional components and blocks that provide the performance of auxiliary functions.
Диэлектрические шашки могут заполнять не только начальный участок разрядного канала, но и весь разрядный канал от поверхности торцевого изолятора до выходных кромок торцевых частей разрядных электродов. В этом случае достигаются более высокие значения импульса тяги за счет увеличения расхода рабочего вещества.Dielectric checkers can fill not only the initial part of the discharge channel, but also the entire discharge channel from the surface of the insulator to the output edges of the end parts of the discharge electrodes. In this case, higher values of the thrust impulse are achieved by increasing the consumption of the working substance.
Для повышения эффективности использования рабочего вещества и тяговой эффективности АИПД торцевой изолятор может быть выполнен с наклонной поверхностью, обращенной к разрядному каналу (см., например, RU 2516011 С1). При данном выполнении касательная к поверхности торцевого изолятора, обращенной к разрядному каналу, будет направлена под острым углом относительно срединной плоскости сечения разрядного канала. С целью увеличения погонной индуктивности b могут использоваться профилированные электроды, ширина которых уменьшается в направлении ускорения плазменного сгустка (см., например, RU 2253953 C1).To improve the efficiency of the use of the working substance and traction efficiency AIPD end insulator can be performed with an inclined surface facing the discharge channel (see, for example, RU 2516011 C1). With this implementation, the tangent to the surface of the end face insulator, facing the discharge channel, will be directed at an acute angle relative to the middle sectional plane of the discharge channel. In order to increase the linear inductance b can be used profiled electrodes, the width of which decreases in the direction of the acceleration of the plasma bunch (see, for example, RU 2253953 C1).
АИПД, выполненный согласно изобретению, может применяться в составе ДУ КА в качестве исполнительного органа системы управления, а также в качестве импульсного инжектора низкотемпературной плазмы для проведения экспериментальных исследований и модельных наземных испытаний.AIPD made according to the invention can be used as part of a remote control system as an executive body of the control system, as well as a pulsed injector of low-temperature plasma for experimental studies and ground-based model tests.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122125A RU2688049C1 (en) | 2018-06-18 | 2018-06-18 | Ablation pulse plasma engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018122125A RU2688049C1 (en) | 2018-06-18 | 2018-06-18 | Ablation pulse plasma engine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2688049C1 true RU2688049C1 (en) | 2019-05-17 |
Family
ID=66578998
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018122125A RU2688049C1 (en) | 2018-06-18 | 2018-06-18 | Ablation pulse plasma engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2688049C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111878338A (en) * | 2020-08-20 | 2020-11-03 | 西安交通大学 | Pulsed Plasma Thruster |
| RU2823975C1 (en) * | 2023-11-30 | 2024-07-31 | Общество с ограниченной ответственностью "Плазма Клик" | Coaxial ablation pulse plasma engine with thrust vectoring |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2253953C1 (en) * | 2003-09-22 | 2005-06-10 | Государственное научное учреждение "Государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института (государственного технического университета)" (ГНУ НИИ ПМЭ МАИ) | Pulse plasma accelerator and plasma acceleration method |
| WO2008035061A1 (en) * | 2006-09-19 | 2008-03-27 | University Of Southampton | Improved pulsed plasma thruster and method of operation thereof |
| RU2516011C1 (en) * | 2012-11-08 | 2014-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Eroding pulse plasma accelerator |
| EP3219987A1 (en) * | 2016-03-17 | 2017-09-20 | Airbus DS GmbH | Discharge chamber for an ion engine |
-
2018
- 2018-06-18 RU RU2018122125A patent/RU2688049C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2253953C1 (en) * | 2003-09-22 | 2005-06-10 | Государственное научное учреждение "Государственный научно-исследовательский институт прикладной механики и электродинамики Московского авиационного института (государственного технического университета)" (ГНУ НИИ ПМЭ МАИ) | Pulse plasma accelerator and plasma acceleration method |
| WO2008035061A1 (en) * | 2006-09-19 | 2008-03-27 | University Of Southampton | Improved pulsed plasma thruster and method of operation thereof |
| RU2516011C1 (en) * | 2012-11-08 | 2014-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Eroding pulse plasma accelerator |
| EP3219987A1 (en) * | 2016-03-17 | 2017-09-20 | Airbus DS GmbH | Discharge chamber for an ion engine |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111878338A (en) * | 2020-08-20 | 2020-11-03 | 西安交通大学 | Pulsed Plasma Thruster |
| RU2823975C1 (en) * | 2023-11-30 | 2024-07-31 | Общество с ограниченной ответственностью "Плазма Клик" | Coaxial ablation pulse plasma engine with thrust vectoring |
| RU2830581C1 (en) * | 2024-03-19 | 2024-11-22 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" | Spacecraft correcting propulsion system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107091210B (en) | A kind of pulsed plasma thruster based on capillary discharging | |
| Gilmour et al. | Pulsed metallic-plasma generators | |
| EP0901572B1 (en) | Traveling spark ignition system and ignitor therefor | |
| US6321733B1 (en) | Traveling spark ignition system and ignitor therefor | |
| CN106523313B (en) | A micro-pulse plasma thruster | |
| CN110225639A (en) | A kind of device and method improving surface DBD driver induced jet velocity | |
| CN106640568A (en) | Bipolar solid ablation type plasma accelerator | |
| CN110630460A (en) | A Segmented Anode High Specific Impulse Pulsed Plasma Thruster | |
| RU2253953C1 (en) | Pulse plasma accelerator and plasma acceleration method | |
| RU2688049C1 (en) | Ablation pulse plasma engine | |
| RU2542354C1 (en) | Eroding pulse plasma accelerator | |
| CN110793387A (en) | An electromagnetic thrust launcher | |
| CN107654347B (en) | A kind of high-performance solid ablative-type protective coating pulsed plasma electric propulsion device | |
| RU2516011C1 (en) | Eroding pulse plasma accelerator | |
| CN118775058A (en) | Method for plasma control of hypersonic inlet performance under overrated conditions | |
| RU2143586C1 (en) | Impulse erosion plasma engine | |
| RU2664892C1 (en) | Ablative pulse plasma engine | |
| CN110671966A (en) | Electromagnetic thrust launching device | |
| KR20190117909A (en) | Electomagnetic accelerator by using the trigered spakr gap | |
| RU2211952C2 (en) | Pulse electric jet engine | |
| RU2830581C1 (en) | Spacecraft correcting propulsion system | |
| Gushenets et al. | Nanosecond high current and high repetition rate electron source | |
| RU116273U1 (en) | SOURCE OF IONS | |
| Wang et al. | Behaviors of suspended powder in powder mixed EDM | |
| Krokhmal et al. | Electron beam generation in a diode with a gaseous plasma electron source II: Plasma source based on a hollow anode ignited by a hollow-cathode source |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20191111 Effective date: 20191111 |