Електродуговий ракетний двигун
Використання: в електродугових ракетних двигунах космічних літальних апаратів. Сутність винаходу: двигун містить анод, катод першого дугового ступеня, катод другого дугового ступеня, ізолятори, двигун має тангенціальні отвори, що створюють потік робочого тіла, що обертається, переміщається по поверхні катода першого ступеня, останній має форму порожнистого циліндра і розташований на одній осі з щаблі та загальним анодом. 1 іл.
Пропонований винахід відноситься до електродугових ракетних двигунів космічних літальних апаратів (КЛА) і може бути використане для корекції та стабілізації орбітальних параметрів космічних апаратів, переведення супутників з низьких (200-250 км) орбіт на вищі (600-1500 км) орбіти орбіту, а також для керування супутниками.
У зв'язку з тим, що електродугові двигуни встановлюються на космічних апаратах, призначених для тривалого (кілька років) функціонування, необхідно забезпечувати тривалий ресурс працездатності двигунів. Слід також зазначити, що необхідна висока надійність роботи двигуна, що повинен забезпечуватися безвідмовний запуск двигуна в роботу за кількох тисяч циклів (пуск зупинок).
В даний час розроблені електродугові двигуни різних схем.
У винаході [1] дано опис електродугового ракетного двигуна, основними елементами якого є стрижневий катод та анод, що є соплом та корпусом двигуна. Робоча ділянка катода розташована на невеликій відстані від критичного перерізу сопла (анода).
Цей двигун має суттєві недоліки. Відомо, що катод піддається сильному впливу ерозійного в момент запалення дугового розряду. Походить це від того, що перед запаленнямдуги катод холодний та термоемісія електронів відсутня. Запуск провадиться в умовах автоелектронної емісії при підвищеній напрузі. У зоні дугової прив'язки на катоді при запаленні дугового розряду процес має вибуховий характер, що супроводжується інтенсивною ерозією. При високій робочій циклічності (кілька тисяч циклів пуску зупинки) робочий ресурс істотно знижується. Недоліком є і те, що катод у цьому двигуні може працювати при відносно невеликій силі струму (при 10-20 A). Потужність цього двигуна обмежена (
2кВт). Тому такі однодугові схеми застосовуються для двигунів малих тяг.
У винаході [2] описано гібридний електродуговий електромагнітний двигун, призначений для малих рухових установок космічних літальних апаратів.
У цьому двигуні нагрівання та прискорення робочого тіла здійснюється у двох щаблях. Перший дуговий ступінь складається з чотирьох електронагрівних двигунів, розташованих по колу на середньому радіусі в основній камері. У першому ступені робоче тіло нагрівається в дугах і прискорюється за рахунок розширення в соплах. Потім частково іонізоване робоче тіло перетворюється на плазму в дузі між катодом і анодом другого ступеня і під впливом електромагнітного поля отримує значне прискорення. Це дозволяє підвищити питомий імпульс. Цей двигун може працювати при підвищеній (сумарній) силі струму та підвищеній потужності порівняно з однодуговим двигуном.
Однак цей двигун має недоліки. Справа тут у тому, що кожен з чотирьох двигунів першого ступеня є однодуговим і працює "сам за себе", а отже, в момент запуску холодні катоди піддаються сильному ерозійному впливу, що істотно знижує робочий ресурс як катодів, так ідвигуна. При малій робочій поверхні кожного стрижневого катода в умовах набігання холодного робочого тіла катоди піддаються ерозії та в робочому режимі. Слід також відзначити ускладненість конструкції за наявності п'яти дугових зон, а також погіршення масогабаритних характеристик. Представляє також певні труднощі домогтися одночасного запалення чотирьох дуг першого ступеня. При експериментальних дослідженнях однодугового двигуна спостерігалися випадки, коли забезпечення запалення дуги потрібно кілька пускових високовольтних імпульсів. Двигуни з кількома дугами у першому ступені вимагають потужних пускових пристроїв.
Метою цього винаходу є підвищення робочого ресурсу двигуна, спрощення його конструкції, підвищення надійності запуску двигуна в роботу за великої кількості робочих циклів, а також підвищення потужності двигуна при незначному збільшенні його маси і габаритів.
Згідно винаходу катод першого дугового ступеня має форму порожнистого циліндра, що дає можливість збільшити його робочу поверхню в десятки і навіть сотні разів (залежно від діаметра циліндра) порівняно з катодом стрижневої форми. Подача робочого тіла здійснюється через тангенційні отвори, що дозволяють надати потоку робочого тіла обертальний (вихровий) рух. Це дає можливість переміщати опорну пляму дугового розряду кільцевої робочої поверхні катода, що зберігає при цьому працездатність при великій силі струму.
Сутність винаходу пояснюється кресленням, на якому зображено конструктивну схему пропонованого електродугового ракетного двигуна.
Двигун включає в себе катод 1 першого дугового ступеня, виконаний у формі циліндра, анод 2 (загальний для двох дугових щаблів), струмопідведення 3 до анода,катод 4 другого дугового ступеня, трубопровід 7 подачі робочого тіла в перший дуговий щабель, 1 13, ізолятор 14, притискний фланець 15, катодний фланець 16. Катод першого дугового ступеня має форму порожнистого циліндра і розташований на одній осі з катодом другого дугового ступеня і загальним анодом. Конструкція стягується шпильками, з ізолюючими втулками.
Описаний двигун працює в такий спосіб. Перед запуском подається трубопроводами 7 і 9 заданий пусковий витрата робочого тіла в першу і другу дугові щаблі; подається напруга по струмопідведення 3 і 10 на анод 2 і катод 1 першого дугового ступеня. Потім на електроди 1 і 2 подається високовольтний імпульс і в міжелектродному зазорі відбувається електричний пробій, що збуджує дуговий розряд 6. Під впливом обертового потоку робочого тіла стовп дугового розряду переміщається по кільцевій робочій поверхні циліндричного катода 1, що дозволяє виключити.
Високотемпературний потік робочого тіла, що виходить з першого дугового ступеня, розігріває робочої поверхні катода 4 другого дугового ступеня до робочої температури, відповідної високої термоелектронної емісії (для вольфраму 2500 o C). Після досягнення заданої температури катода 4 (сигнал від термопари вольфрам реній) по струмопроводу 11 подається робоча напруга на катод 4 і виникає дуговий розряд 5. Запалювання розряду 5 відбувається м'яко у високотемпературному потоці і в режимі термоелектронної емісії катода . Після запалення дуговогорозряду 5 витрата робочого тіла, що подається на другий ступінь, піднімається до заданої величини.
Робота двигуна може здійснюватися за двома варіантами. Якщо задану величину потужності, а отже, і величину тяги може забезпечити один другий дуговий ступінь, то перший дуговий ступінь після запуску другого дугового ступеня відключається (зняттям напруги з струмопідведення 10).
Якщо потрібна робота двигуна при підвищеній потужності, наприклад, при прискореному переведенні космічного апарату на геостаціонарну орбіту, то в робочому режимі повинні працювати обидва дугові щаблі. При цьому потужність двигуна може бути збільшена не менш ніж у 1,5 рази за високої надійності та стійкості його роботи. Катод першого дугового ступеня працює при цьому в термоемісійному режимі, що в поєднанні з переміщенням прикатодного ділянки дуги суттєво знижує ерозійне зношування робочої поверхні і підвищує ресурс. Катод другого дугового ступеня працює в полегшених умовах, так як на його робочу ділянку набігає попередньо підігрітий потік робочого тіла. Відбір тепла від дугового розряду при цьому відбувається менш інтенсивно (порівняно з тим випадком, коли на розряд набігає холодний газ) і опорна дугова пляма на катоді поширюється на велику площу, що істотно знижує тепловий потік в електрод.
У пропонованому двигуні електроди дозволяють працювати при силі струму до 200 A, що дає можливість реалізувати потужність двигуна десятки кіловат при великому робочому ресурсі.
Електродуговий ракетний двигун, що містить анод, катод першого дугового ступеня, катод другого дугового ступеня, ізолятори, що відрізняється тим, що двигун має тангенціальні отвори, що створюють потік робочого тіла, що обертається, що переміщається по поверхні катода першоїщаблі, останній має форму порожнистого циліндра і розташований на одній осі з катодом другого ступеня і загальним анодом.