Електрически дъгов ракетен двигател

Употреба: в електрически дъгови ракетни двигатели на космически кораби. Същността на изобретението: двигателят съдържа анода, катода от първия етап на дъгата, катода от втория етап на дъгата, изолатори, двигателят има тангенциални отвори, които създават въртящ се поток на работната течност, движещ се по повърхността на катодът от първия етап, последният има формата на кух цилиндър и е разположен на една и съща ос с вторите катодни стъпала и общ анод. 1 кал.

Предложеното изобретение се отнася до електрически дъгови ракетни двигатели на космически кораби и може да се използва за коригиране и стабилизиране на орбиталните параметри на космическите кораби, прехвърляне на спътници от ниски (200-250 км) орбити към по-високи (600-1500 км) орбити, към геостационарна орбита, както и за контрол на спътници.

Поради факта, че двигателите с електрическа дъга са инсталирани на космически кораби, предназначени за дългосрочна (няколко години) експлоатация, е необходимо да се осигури дълъг експлоатационен живот на двигателите. Трябва също така да се отбележи, че се изисква висока надеждност на работата на двигателя, трябва да се осигури безпроблемно стартиране на двигателя при няколко хиляди цикъла (старт-стоп).

В момента разработени електрически дъгови двигатели с различни схеми.

В изобретението [1] е дадено описание на електрически дъгов ракетен двигател, чиито основни елементи са прътов катод и анод, който е дюза и корпус на двигателя. Работната секция на катода е разположена на малко разстояние от критичния участък на дюзата (анода).

Този двигател има значителни недостатъци. Известно е, че катодът е подложен на силно ерозивно действие в момента на запалване на дъговия разряд. Това се случва, защото катодът е студен преди запалването на дъгата и няма топлинно излъчване на електрони. Изстрелването се извършва при условия на полево излъчване при повишено напрежение. В зоната на задържане на дъгата на катода, по време на запалването на дъговия разряд, процесът е експлозивен, придружен от интензивна ерозия. С висок работен цикъл (няколко хиляди цикъла старт-стоп), експлоатационният живот е значително намален. Недостатъкът е, че катодът в този двигател може да работи при относително ниска сила на тока (практически при 10-20 А). Мощността на този двигател е ограничена (

2kW). Следователно такива еднодугови вериги се използват за двигатели с ниска тяга.

Изобретението [2] описва хибриден електромагнитен двигател с електрическа дъга, проектиран за малки двигателни системи на космически кораби.

В този двигател нагряването и ускоряването на работната течност се извършва на два етапа. Първият дъгов етап се състои от четири електрически нагревателни двигателя, разположени в кръг на среден радиус в основната камера. На първия етап работният флуид се нагрява на дъги и се ускорява поради разширяване в дюзите. След това частично йонизираната работна течност се превръща в плазма в дъгата между катода и анода на втория етап и получава значително ускорение под въздействието на електромагнитното поле. Това увеличава специфичния импулс. Този двигател може да работи при по-висока (обща) сила на тока и по-голяма мощност в сравнение с еднодуговия двигател.

Този двигател обаче има недостатъци. Въпросът тук е, че всеки от четирите мотора от първия етап е еднодугов и работи "за себе си" и следователно в момента на пускане студените катоди са изложени на силен ерозивен ефект, което значително намалява услугата живот както на катодите, така и на двигателя. Когато работната повърхност на всеки катоден прът е малка, катодите претърпяват ерозия в работен режим при условията на изтичане на студена работна среда. Трябва също да се отбележи сложността на дизайна в присъствието на пет дъгови зони, както и влошаването на характеристиките на теглото и размера. Той също така представлява определени трудности за постигане на едновременно запалване на четири дъги от първия етап. При експериментални проучвания на двигател с една дъга са наблюдавани случаи, когато са били необходими няколко пускови импулса с високо напрежение, за да се гарантира запалването на дъгата. Двигателите с множество дъги на първия етап изискват мощни стартери.

Целта на настоящото изобретение е да увеличи експлоатационния живот на двигателя, да опрости конструкцията му, да увеличи надеждността на стартиране на двигателя в експлоатация с голям брой работни цикли, както и да увеличи мощността на двигателя с леко увеличаване на неговата тегло и размери.

Съгласно изобретението катодът от първата дъгова степен има формата на кух цилиндър, което дава възможност за увеличаване на работната му повърхност десетки и дори стотици пъти (в зависимост от диаметъра на цилиндъра) в сравнение с пръчката- оформен катод. Работната среда се подава през тангенциални отвори, които позволяват да се придаде въртеливо (вихрово) движение на потока на работната среда. Това прави възможно преместването на референтното място на дъговия разряд по пръстеновидната работна повърхност на катода, като същевременно се поддържа работоспособност при висок ток.

Същността на изобретението е илюстрирана чрез чертеж, който показва структурна схема на предложения електрически дъгов ракетен двигател.

Двигателят включва катод 1 от първия етап на дъгата, направен под формата на цилиндър, анод 2 (общ за два етапа на дъгата), токов отвод 3 към анода, катод 4 от втория етап на дъгата, тръбопровод 7 за захранване на работна течност към първата степен на дъгата, изолатор 8, тръбопровод 9 за подаване на работната течност към втората степен на дъгата, токов отвод 10 към катода на първата степен на дъгата, токов отвод 11 към катода на втората степен на дъгата, плъзгащ пръстен 12 с фиксатор 13, изолатор 14, затягащ фланец 15, катоден фланец 16. Катодът от първата дъгова степен има формата на кух цилиндър и е разположен на една и съща ос с катода на втората дъгова степен и общия анод. Конструкцията се дърпа заедно с шипове, оборудвани с изолационни втулки.

Описаният двигател работи по следния начин. Преди стартиране, даден стартов дебит на работния флуид се подава през тръбопроводи 7 и 9 към първия и втория дъгов етап; напрежението се подава през токови проводници 3 и 10 към анод 2 и катод 1 от първата дъгова степен. След това към електроди 1 и 2 се подава импулс под високо напрежение и в междуелектродния процеп възниква електрически срив, който възбужда дъгов разряд 6. Под въздействието на въртящ се поток на работната среда колоната за дъгов разряд се движи по протежение на пръстеновидна работна повърхност на цилиндричния катод 1, което позволява да се изключи увеличената ерозия на работната му повърхност.

Високотемпературният поток на работния флуид, излизащ от първия етап на дъгата, загрява работната повърхност на катода 4 от втория етап на дъгата до работна температура, съответстваща на висока термоионна емисия (за волфрам 2500 o C). При достигане на определената температура на катода 4 (сигнал от волфрамово-рениевата термодвойка), работното напрежение се подава към катода 4 през токовия проводник 11 и възниква дъгов разряд 5. Запалването на разряда 5 се появява тихо в високотемпературен поток и в режим на термично излъчване на катода, което изключва повишена ерозия на работната му повърхност ... След запалването на дъговия разряд 5, дебитът на работната течност, подавана към втория етап, се повишава до предварително определена стойност.

Двигателят може да работи по два начина. Ако дадена стойност на мощността и съответно количеството на тягата могат да бъдат осигурени от един втори етап на дъгата, тогава първият етап на дъгата след стартиране на втория етап на дъгата се изключва (чрез премахване на напрежението от текущия проводник 10).

Ако се изисква да работи двигателят с повишена мощност, например по време на ускореното прехвърляне на космическия кораб на геостационарна орбита, тогава двата дъгови каскада трябва да работят в работен режим. В този случай мощността на двигателя може да се увеличи най-малко 1,5 пъти с висока надеждност и стабилност на работата му. В този случай катодът от първия етап на дъгата работи в термичен режим, който в комбинация с движението на почти катодния участък на дъгата значително намалява ерозионното износване на работната повърхност и увеличава ресурса. Катодът на втория етап на дъгата работи при леки условия, тъй като предварително нагрят поток от работния флуид протича върху работната му секция. В този случай отвеждането на топлина от дъговия разряд се случва по-малко интензивно (в сравнение със случая, когато в разряда се стича студен газ), а референтното място на дъгата на катода се простира върху голяма площ, което значително намалява топлинния поток в електрода.

В предложения двигател електродите позволяват работа с ампераж до 200 А, което дава възможност да се реализира мощността на двигателя от десетки киловати с голям работен ресурс.

Електрически дъгов ракетен двигател, съдържащ анод, катод от първия етап на дъгата, катод от втория етап на дъгата, изолатори, характеризиращ се с това, че двигателят има тангенциални отвори, които създават въртящ се поток на работната течност, движеща се по повърхността на катод от първия етап, последният има формата на кух цилиндър и е разположен на една ос с катод от втори етап и общ анод.