Ионный источник для электростатического ракетного двигателя

Ионный источник для электростатического ракетного двигателя

Реферат

Настоящее изобретение относится к области электростатических ракетных двигателей малой тяги и может быть использовано для ускорения и управления спутниками и малоразмерными космическими аппаратами после их отделения от ракеты-носителя.

Из существующего уровня техники известны электростатические ракетные двигатели, в которых для создания силы тяги используется истечение потока положительных ионов из газоразрядных источников в вакуум [С.Д. Гришин, Л.В. Песков. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1989. 216 с.]. Конструкция таких двигателей хорошо отработана [Н.А. Важенин, В.А. Обухов, А.П. Плохих, Г.А. Попов. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов и их влияние на радиосистемы космической связи. М.: Физматлит, 2012. 432 с.; Г. Эмселлем, С. Ларигальди. Ракетный двигатель малой тяги для космического летального аппарата // Патент RU 0002445510, опубл. 20.03.2012]. Они апробированы на орбитальных космических аппаратах и в условиях дальних космических полетов. Основными недостатками ионных двигателей с газоразрядными ионными источниками является малое количество ионов, которое можно получить с единицы объема газообразного рабочего вещества, и большие габаритные размеры источников, в состав которых, помимо разрядной камеры, входят резервуар и система подачи газа в источник. Кроме того, для токовой компенсации и нейтрализации пространственного положительного заряда в таких двигателях необходимо иметь дополнительный источник отрицательно заряженных частиц, обычно электронов. Вышеуказанные недостатки затрудняют использование ионных двигателей с газоразрядными ионными источниками в современных малоразмерных космических аппаратах формата CubeSat с базовыми ячейками размерами 10×10×10 см³.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является матричный ионный источник для электростатических ракетных двигателей [С. Ryan, A. Daykin-Iliopoulos, J. Stark, A.Z. Salaverri, E. Vargas, P. Rangsten, S. Dandavino, C. Ataman, S. Chakraborty, D. Courtney, H. Shea. Experimental progress towards the MicroThrust MEMS electrospray electric propulsion system // Proc. 33^rd Intern. Electric Propulsion Conference (IEPC-2013), Oct. 6-10, 2013; George Washington University (U.S.A.) 146 (10 p.)], использующий в качестве рабочего вещества низкотемпературные ионные жидкости - жидкие ионно-проводящие материалы, состоящие из расплавов органических солей с температурой плавления ниже 100°С [А.Б. Толстогузов, С.Ф. Белых, B.C. Гуров, А.И. Таганов, O.M.N.D. Teodoro, А.А. Трубицын, С.П. Ченакин. Источники ионов на основе низкотемпературных ионных жидкостей для аэрокосмического применения, нанотехнологии и микрозондового анализа (обзор) // Приборы и техника эксперимента. 2015. №1]. Этот источник создан в Политехническом институте Лозанны (Швейцария), а затем доработан в рамках Европейского проекта FP-7 MICROTHRUST при участии ведущих университетов и фирм из Великобритании, Нидерландов и Швеции. Рабочее вещество - низкотемпературная ионная жидкость [emim][BF₄] или [emim][Tf₂N], подается из резервуара по капилляру в эмиттерную ячейку, содержащую матричные сопла и электрически изолированный от них экстрактор ионов. На выходе сопел в режиме полевого испарения формируется пучок ионов или заряженных микрокапель, который затем ускоряется внешним электрическим полем, создаваемым высоковольтным биполярным источником питания. Плотность эмиттерных ячеек составляет 100-200 см^-2. Токовая компенсация и нейтрализация объемного заряда осуществляются за счет поочередной эмиссии положительно и отрицательно заряженных частиц - катионов и анионов, входящих в состав ионной жидкости, при этом полярность ускоряющего напряжения меняется с частотой модуляции 1 Гц. Число ионов, которое можно получить в таком ионном источнике, с единицы объема рабочего вещества больше, чем в газоразрядном ионном источнике из-за более высокой плотности ионной жидкости по сравнению со сжиженными инертными газами. Основными недостатками матричного ионного источника с низкотемпературной ионной жидкостью является недостаточная механическая прочность капиллярной системы, обеспечивающей подачу ионной жидкости из резервуара в сопла, и нестабильность работы источника вследствие химического разложения (деградации) ионной жидкости в процессе испарения из эмитирующего слоя ионов разной полярности. Эти недостатки делают матричный ионный источник с низкотемпературной ионной жидкостью малопригодным для использования в электростатических ракетных двигателях при выполнении продолжительных орбитальных полетов и межпланетных миссий.

Задача предлагаемого изобретения состоит в создании компактного ионного источника с высокой механической прочностью, устойчивостью к перегрузкам и продолжительным сроком службы за счет способности генерировать большее число ионов с единицы объема рабочего вещества, чем у известного прототипа.

Решение указанной задачи достигается тем, что ионный источник для электростатического ракетного двигателя содержит ионные и электронные эмиттеры, равномерно распределенные по площади источника, ускоряющий электрод-экстрактор, низковольтный источник питания для нагрева ионного источника и высоковольтный биполярный импульсный источник ускоряющего напряжения, отличающийся тем, что ионные и электронные эмиттеры, расположенные на металлической подложке, под которой находится керамический нагреватель, выполнены в виде конусов или пирамид из серебра высокой степени чистоты, являющегося рабочим веществом ионного источника, причем поверхность ионных эмиттеров покрыта пленкой кристаллического твердого электролита с мобильными ионами серебра, а поверхность электронных эмиттеров не покрыта такой пленкой.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является устойчивость ионного источника к механическим вибрациям и перегрузкам за счет жесткой конструкции, в которой отсутствуют резервуар с жидким рабочим веществом и капиллярная система его подачи в источник, повышенная стабильность работы и продолжительный срок службы ионного источника за счет раздельного использования ионных и электронных эмиттеров при токовой компенсации и нейтрализации пространственного заряда, а также более эффективного использования рабочего вещества при генерации потока ионов.

Сущность технического решения поясняется Фиг.1, на которой приведена схема изобретения - ионного источника для электростатического ракетного двигателя.

Изобретение содержит резервуары рабочего вещества конической или пирамидальной формы. Диаметр резервуаров у основания равен 1 мм при высоте в несколько мм с углом при вершине 30-40° и радиусом закругления на конце острия в несколько мкм. Резервуары изготавливаются с применением специальных масок методами реактивного ионного травления или травления сфокусированным ионным пучком из слоя серебра 1 с чистотой не менее 99%, осажденного гальваническим способом на медную подложку 2 размерами 10×10 см². На поверхность резервуаров, выполняющих роль ионных эмиттеров 3, методами импульсного лазерного или магнетронного напыления наносится тонкая пленка (0.5-1 мкм) кристаллического твердого электролита 4 с мобильными ионами серебра. В качестве твердого электролита используются электролиты с быстрым ионным транспортом RbAg₄I₅ или CsAg₄Br_3-xI_2+x, изготовленные методом механохимического синтеза из мелкодисперсных порошков исходных чистых материалов (AgI, RbI, CsI, AgBr) в планетарной мельнице при комнатной температуре. Количество ионных эмиттеров может достигать величины 10⁴ и более на подложке площадью 100 см². Часть резервуаров, равномерно распределенных по площади подложки, не покрывается пленкой твердого электролита и служит электронными эмиттерами 5, необходимыми для нейтрализации ионного тока и компенсации положительного пространственного заряда. Т.к. эффективность автоэлектронной эмиссии выше, чем полевого испарения ионов, то количество ионных эмиттеров составляет не менее 90% от общего количества эмиттеров. Эмиттерный узел, включающий медную подложку с ионными и электронными эмиттерами, монтируется на керамическом нагревателе 6. Механическая прочность эмиттерного узла обеспечивается керамическими держателя-изоляторами 7, на которых также крепится ускоряющий электрод-экстрактор 8, выполненный из тонкой металлической пластины с отверстиями напротив ионных и электронных эмиттеров. Низковольтный источник питания 9 обеспечивает нагрев эмиттерного узла до температуры ниже температуры плавления твердых электролитов, а импульсный высоковольтный источник питания 10 служит для полевого испарения ионов серебра с поверхности ионных эмиттеров и ускорения эмитированных ионов 11, а также для обеспечения автоэлектронной эмиссии с поверхности электронных эмиттеров-нейтрализаторов и ускорения эмитированных электронов 12.

Изобретение работает следующим образом. На эмиттерный узел с высоковольтного блока питания подается биполярное импульсное напряжение с амплитудой 10 кВ и частотой модуляции 1 Гц. При положительном (относительно ускоряющего электрода-экстрактора) потенциале на эмиттерном узле атомы серебра в ионных эмиттерах за счет окислительно-восстановительных реакций на границе «серебряный резервуар - твердый электролит» превращаются в положительные ионы, концентрация которых в электролите может достигать 10²² см^-3. Эти ионы мигрируют по туннелям быстрого ионного транспорта внутри жесткой подрешетки катионов в электролите к границе «электролит-вакуум», испаряются в вакуум и ускоряются внешним электрическим полем в пространстве между острием ионного эмиттера и входным отверстием в ускоряющем электроде. При отрицательном (относительно ускоряющего электрода-экстрактора) потенциале на эмиттерном узле происходит автоэлектронная эмиссия с острия электронных эмиттеров, непокрытых пленкой твердого электролита. Подбором количества ионных и электронных эмиттеров, а также длительности импульсов положительного и отрицательного ускоряющего напряжения достигаются полная токовая компенсация и нейтрализация пространственного заряда.

Ионная эмиссия обеспечивается в основном за счет полевого испарения ионов, поэтому ионные эмиттеры с пленкой твердого электролита работают при более низкой напряженности электрического поля, чем автоионные эмиттеры с жидкими металлами в качестве рабочих веществ, т.к. отпадает необходимость в ионизации эмитируемых частиц. Нагрев эмиттерного узла до температуры 150-200°С стимулирует миграцию ионов через электролит, что улучшает эффективность работы ионных эмиттеров. При этом рабочая температура ионного источника остается гораздо ниже, чем температура контактных термоионных источников, работающих в режиме поверхностной ионизации элементов с низкой работой выхода. Убыль подвижных ионов серебра в пленке твердого электролита из-за их эмиссии в вакуум компенсируется за счет миграции этих ионов из серебряного резервуара. В идеальном случае каждый отдельный ионный эмиттер может работать пока не израсходуется весь объем резервуара. Учитывая, что удельная плотность серебра составляет 10.5 г/см³ при атомной плотности 5.86×10²² ат/см³, можно подсчитать, что ионный эмиттер с серебряным резервуаром весом 0.1 г способен генерировать ионный ток порядка 0.5 мкА в течение 1 года. Суммарный ток ионов серебра, который можно получить с ионного источника площадью 100 см², будет составлять не менее 50 мА. Такой источник может обеспечить силу тяги в несколько десятков микроньютонов, что позволит проводить автономное маневрирование микроспутников в формате CubeSat на околоземных орбитах на высоте 600-700 км от поверхности Земли, где сила сопротивления воздуха составляет примерно 0.15 мкН. При необходимости, возможно одновременное использование нескольких источников, что позволит увеличить силу тяги и удельный импульс электростатического ракетного двигателя.

Эффективность работы заявляемого компактного твердотельного ионного источника с пленкой твердого электролита гораздо выше, чем у матричного ионного источника, использующего в качестве рабочего вещества низкотемпературную ионную жидкость, за счет более высокой плотности твердого серебра по сравнению с ионной жидкостью. Отсутствие резервуара для жидкого рабочего вещества и системы его подачи в источник уменьшает габариты источника и увеличивает его механическую прочность, устойчивость к вибрациям и перегрузкам. В отличие от матричного ионного источника с низкотемпературной ионной жидкостью, в твердотельном ионном источнике в процессе его работы не происходит химическая деградация эмитирующего слоя (пленки твердого кристаллического электролита), т.к. эта пленка служит только транспортной системой для мобильных положительных ионов серебра, поставляемых из твердотельного резервуара. Предложенное устройство найдет применение при создании электростатических двигателей малой тяги, в первую очередь для микроспутников в формате CubeSat.

Ионный источник для электростатического ракетного двигателя, содержащий ионные и электронные эмиттеры, равномерно распределенные по площади источника, ускоряющий электрод-экстрактор, низковольтный источник питания для нагрева ионного источника и высоковольтный биполярный импульсный источник ускоряющего напряжения, отличающийся тем, что ионные и электронные эмиттеры, расположенные на металлической подложке, под которой находится керамический нагреватель, выполнены в виде конусов или пирамид из серебра высокой степени чистоты, являющегося рабочим веществом ионного источника, причем поверхность ионных эмиттеров покрыта пленкой кристаллического твердого электролита с мобильными ионами серебра, а поверхность электронных эмиттеров не покрыта такой пленкой.