RU2397363C1

RU2397363C1 - Combine plasma-ion airjet engine

Info

Publication number: RU2397363C1
Application number: RU2008148759/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Саломович Бабаев (RU); Виктор Саломович Бабаев
Original assignee: Апуховский Александр Иванович; Воскресенский Александр Михайлович; Виктор Саломович Бабаев; Кисурин Виктор Анатольевич
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2010-08-20
Also published as: RU2008148759A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: proposed engine comprises diffuser, work chamber, confuser and device to feed work medium into chamber. Engine incorporates plasma-ion generator, device arranged around said chamber to generate alternating magnetic field and nuclear impulse subcritical reactor. The latter is connected with neutron accumulator and neutron cascade multiplier and communicates with electric current circular generator representing a hollow ring that makes a power module. Reactor is connected also to work medium ionisers and, via the latter, with external source of said medium. Work medium sources communicate via work medium fee channels with charged particle accelerator.

EFFECT: higher specific power-to-weight ratio and efficiency.

Description

Изобретение предназначено для использования в аэрокосмической технике в качестве маршевых и стационарных двигателей как источник электроэнергии для аэрокосмических аппаратов.The invention is intended for use in aerospace engineering as marching and stationary engines as a source of electricity for aerospace vehicles.

Известные плазменно-ионные двигатели имеют камеры для ионизации рабочей среды и ускорители заряженных частиц (патент Российской Федерации RU 2246035 ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КОШКИНА, патент РФ №2162624, патент РФ №2162958).Known plasma-ion engines have cameras for ionizing the working medium and charged particle accelerators (patent of the Russian Federation RU 2246035 KOSHKIN ION ENGINE, RF patent No. 2162624, RF patent No. 2162958).

Двигатели такого типа имеют существенные недостатки: большие затраты электроэнергии на ионизацию рабочего тела и получение плазмы снижают общий КПД и увеличивают потребление электроэнергии. Раздельное проектирование двигателей и источников электроэнергии не позволяет в полной мере решать все базовые проблемы плазменно-ионных двигателей, такие как удельная мощность на единицу массы двигателя, которая определяет максимальную скорость и истекание рабочей среды, соответственно, КПД и максимальную полезную нагрузку, а также время перелетов космических аппаратов с низкой орбиты на геостационарную орбиту.Engines of this type have significant drawbacks: high energy costs for ionization of the working fluid and plasma production reduce the overall efficiency and increase energy consumption. Separate design of engines and sources of electricity does not allow to fully solve all the basic problems of plasma-ion engines, such as specific power per unit mass of the engine, which determines the maximum speed and expiration of the working medium, respectively, efficiency and maximum payload, as well as flight time spacecraft from low orbit to geostationary orbit.

Технической задачей и положительным результатом изобретения является создание плазменно-ионного комбинированного воздушно-реактивного двигателя на кольцевых генераторах, обладающего высокой удельной энерговооруженностью и КПД тяги.An object of the invention and a positive result of the invention is the creation of a plasma-ion combined jet engine based on ring generators having a high specific power ratio and thrust efficiency.

Этот двигатель, за счет конструкции плазменно-ионного комбинированного воздушно-реактивного двигателя содержащий диффузор, рабочую камеру, конфузор, устройство подачи рабочей среды в камеру, снабжен плазменным генератором, устройством, генерирующим переменное магнитное поле, размещенным вокруг рабочей камеры, ядерным импульсным подкритическим реактором, соединенным с накопителем нейтронов и нейтронным каскадным умножителем и сообщенным с кольцевым генератором электрического тока, выполненным в виде полого кольца, представляющим энергетический модуль, реактор также соединен с ионизаторами рабочей среды, связан ими с бортовым и внешним источниками этой среды, соединенными с помощью каналов ввода рабочей среды с полостью рабочей камеры - ускорителем заряженных частиц. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель снабжен несколькими модулями, включающими кольцевой генератор электрического тока, ядерный импульсный подкритический реактор, накопителями нейтронов и нейтронными каскадными умножителями. Рабочая камера, ее конфузор и диффузор имеют возможность реверсивной работы за счет оснащения рабочей камеры с двух ее сторон каналами ввода рабочей ионизированной среды, оснащенными управляемыми клапанами.This engine, due to the design of a plasma-ion combined jet engine containing a diffuser, a working chamber, a confuser, a device for supplying a working medium to the chamber, is equipped with a plasma generator, a device that generates an alternating magnetic field placed around the working chamber, a nuclear pulse subcritical reactor, connected to a neutron storage device and a neutron cascade multiplier and communicated with a ring electric current generator made in the form of a hollow ring representing ergetichesky module reactor are also connected to the ionization of the working environment associated with their board and external sources of the medium connected to the working medium via channels entering the cavity of the working chamber - the accelerator of charged particles. The plasma-ion combined jet engine is equipped with several modules, including a ring electric current generator, a nuclear pulsed subcritical reactor, neutron storage devices and neutron cascade multipliers. The working chamber, its confuser and diffuser have the possibility of reverse operation by equipping the working chamber on both sides with the input channels of the working ionized medium equipped with controlled valves.

В электрореактивных двигателях, как и в двигателях на химическом топливе, сила тяги F связана с параметрами потока рабочего тела в следующем соотношении: F=mu, где m - удельный расход рабочего тела и u - средняя скорость его истечения. Реактивная мощность, выделяющаяся в виде кинетической энергии струи рабочего тела, записывается как Р_стр=mu². Тяговый КПД двигательной установки, в которой используются электрические двигатели, равен мощности струи Р_стр к электрической мощности, подводимой от источника питания: η_д.у=Р_стр/Р_вх. Уравнение можно записать следующим образом: η_д.у=F²/2_mР_вх. Удельный импульс реактивного двигателя I_уд=u/g₀ где g₀ - ускорение силы тяжести (9,8 м/с²). Уравнение можно переписать в виде η_д.у=F g₀ I_уд/2Р_вх или F/Р_вх=2η_д.у/g₀I_уд. Соотношение является основным уравнением для электроракетных двигательных установок, связывающим между собой тягу и подводимую электрическую мощность. Тяговый КПД двигательной установки η_д.у, учитывающий все виды потерь энергии при получении тяги, можно в свою очередь представить в виде произведения нескольких КПД, характеризирующих отдельные виды потерь в установке. η_д.у=η_пр·η_дв где η_пр - КПД энергопреобразователя, а η_дв - КПД движителя ("Знание - сила" №5 1959 год 5; Космические двигатели: состояние и перспективы. М.: МИР 1988).In electric engines, as well as in chemical fuel engines, the thrust force F is related to the flow parameters of the working fluid in the following relation: F = mu, where m is the specific flow rate of the working fluid and u is the average flow rate. Reactive power released in the form of kinetic energy of the jet of the working fluid is written as P _p = mu ² . The traction efficiency of a propulsion system in which electric motors are used is equal to the power of the jet P _p to the electric power supplied from the power source: η _dy = P _p / P _in . The equation can be written as follows: η _DW = F ^2/2 P _m _Rin. The specific impulse of the jet engine I _beats = u / g ₀ where g ₀ is the acceleration of gravity (9.8 m / s ² ). The equation can be rewritten in the form η _dy = F g ₀ I _beats / 2P _I or F / P _I = 2η _doy / g ₀ I _beats . The ratio is the basic equation for electric rocket propulsion systems, linking traction and supplied electric power. The traction efficiency of the propulsion system η _do , taking into account all types of energy loss during traction, can in turn be represented as the product of several efficiency factors characterizing individual types of losses in the installation. η _dv = η _pr · η _dv where η _pr is the efficiency of the energy converter, and η _dv is the efficiency of the propulsion device (“Knowledge is power” No. 5, 1959; 5 Space engines: state and prospects. M: MIR 1988).

На фиг.1 показана конструктивная схема двигателя; на фиг.2 - общий вид этого двигателя. Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель содержит: каскадные нейтронные умножители 1, накопитель нейтронов 2, импульсный подкритический ядерный реактор 3, кольцевой генератор 4, узел наложения магнитного поля 5, ионизирующую камеру 6, узел подачи рабочей среды 7 для образования плазмы 8, кольцевой канал 9 подачи рабочей среды, ускоритель заряженных частиц 10, разгоняемые ионизированные частицы плазмы 11, в рабочем канале образовавшуюся высокоскоростную струю 12, где набегающий в канал 11 поток воздуха 13 смешивается с высокоионизированными частицами плазмы в объеме струи (фиг.1), диффузор 14(15) и конфузор 15(14) для работы двигателя в реверсивных направлениях. Двигатель содержит несколько энергоблоков 16 для набора мощности. Управляемые клапаны 17 служат для изменения подачи рабочей среды в тот-9 или иной-9 канал, а также имеет переключатель 18 подачи рабочей среды и переключатель 19 ускорителя 10 для реверсивной роботы двигателя и изменения направления тяги.Figure 1 shows a structural diagram of the engine; figure 2 is a General view of this engine. A plasma-ion combined jet engine contains: cascade neutron multipliers 1, a neutron storage device 2, a pulsed subcritical nuclear reactor 3, a ring generator 4, a magnetic field superimposing unit 5, an ionizing chamber 6, a working medium supply unit 7 for forming plasma 8, an annular channel 9 for supplying a working medium, an accelerator of charged particles 10, accelerated ionized particles of plasma 11, a high-speed jet 12 is formed in the working channel, where the air stream 13 entering the channel 11 is mixed with high oionized plasma particles in the jet volume (FIG. 1), a diffuser 14 (15) and a confuser 15 (14) for operating the engine in reverse directions. The engine contains several power units 16 for power gain. Controlled valves 17 serve to change the supply of the working medium to one-9 or another-9 channel, and also has a switch 18 for supplying the working medium and switch 19 of the accelerator 10 for reversing the operation of the engine and changing the direction of thrust.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом: нейтронные каскадные умножители 1 подают пучки тепловых нейтронов в накопители нейтронов 2, откуда через равные промежутки времени выпускаются дискретные высокоплотные пучки нейтронов (10¹⁸-10¹⁹ нейтрон в сек), которые подаются в импульсный подкритический ядерный реактор 3. В результате интенсивных ядерных реакций высвобождается большое количество тепловой энергии (100 МВт) за 10⁴-доли секунды, генерируется ударная волна внутри кольцевого генератора 4, которая перемещает магнитную или токопроводящую среду, заполняющую кольцевой генератор, при наложении магнитного поля 5 запасенная кинетическая энергия преобразуется в электрическую. С помощью импульсного подкритического ядерного реактора образуют мощное ионизирующее излучение, его направляют в ионизирующую камеру 6, через которую пропускают внешнюю или запасенную среду 7, в результате чего образуется высокоионизированная плазма 8, которая подается через кольцевой канал 9 к ускорителю заряженных частиц 10, на который также подают электрическую мощность от кольцевых генераторов, состоящих из нескольких энергоблоков 16, в результате ускорения ионизированных частиц плазмы 11 заряженные частицы сталкиваются с нейтральными частицами, вызывая их ионизацию, а ускорение ионов возникает вследствие взаимодействия тока, протекающего по плазме с магнитным полем ускорителя, что приводит к увеличению числа заряженных частиц и образованию высокоскоростной струи 12 и тяги двигателя в газовой среде (в атмосфере планеты), где набегающий поток воздуха 13 смешивается в диффузоре 14 с высокоионизированной плазмой и попадает в ускоритель заряженных частиц, где ионы ускоряются с образованием новых ионов и вылетают в конфузор 15, поскольку истекающая плазма состоит из ионов и электронов, дополнительного устройства для нейтрализации струи не требуется. Так в режиме полета в атмосфере плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель имеет максимальный расход рабочей среды и оптимальную скорость истечения рабочего тела, а в стратосфере средний расход рабочей среды и среднюю скорость истечения, в космосе минимальный расход и максимальную скорость истечения. С целью увеличения объемов получаемой плазмы и электрической мощности, подаваемой на ускоритель, двигатель содержит несколько энергоблоков 16. Меняя направление подачи рабочей среды при помощи клапанов 17 и переключателя подачи рабочей 18, а также меняя направление работы ускорителя при помощи переключателя 19, можно реверсировать тягу двигателя.The proposed engine operates as follows: cascade neutron multipliers 1 feed thermal neutron beams to neutron storage 2, from which discrete high-density neutron beams (10 ¹⁸ -10 ¹⁹ neutrons per second) are produced at regular intervals, which are fed to a pulsed subcritical nuclear reactor 3. V as a result of intense nuclear reactions, a large amount of thermal energy (100 MW) is released in 10 ⁴ fractions of a second, a shock wave is generated inside the ring generator 4, which moves magnetic or current conductive medium filling the ring generator, when a magnetic field 5 is applied, the stored kinetic energy is converted into electrical energy. Using a pulsed subcritical nuclear reactor, powerful ionizing radiation is formed, it is sent to the ionizing chamber 6, through which an external or stored medium 7 is passed, as a result of which a highly ionized plasma 8 is formed, which is supplied through the annular channel 9 to the charged particle accelerator 10, which also they supply electric power from ring generators consisting of several power units 16, as a result of acceleration of ionized plasma particles 11, charged particles collide with neutral particles, causing their ionization, and the acceleration of ions occurs due to the interaction of the current flowing through the plasma with the magnetic field of the accelerator, which leads to an increase in the number of charged particles and the formation of a high-speed jet 12 and engine thrust in a gas medium (in the atmosphere of the planet), where the incident flow air 13 is mixed in a diffuser 14 with a highly ionized plasma and enters the charged particle accelerator, where ions are accelerated with the formation of new ions and fly into the confuser 15, because the outflowing plasma consists of ions electrons, additional devices for jet neutralization is not required. So, in the flight mode in the atmosphere, a plasma-ion combined jet engine has a maximum flow rate of the working medium and an optimal flow rate of the working fluid, and in the stratosphere the average flow rate of the working fluid and the average flow rate, in space, the minimum flow rate and maximum flow rate. In order to increase the volume of plasma received and the electric power supplied to the accelerator, the engine contains several power units 16. By changing the direction of the working medium supply using valves 17 and the working supply switch 18, as well as changing the direction of the accelerator using the switch 19, the engine thrust can be reversed .

Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель применим как маршевый двигатель для летательных аппаратов типа самолетов, так и для одноступенчатых космических аппаратов.A plasma-ion combined jet engine is applicable as a marching engine for aircraft such as aircraft, and for single-stage spacecraft.

Claims

1. Plasma-ion combined jet engine containing a diffuser, a working chamber, a confuser, a device for supplying a working medium to the chamber, characterized in that it is equipped with a plasma generator, a device that generates an alternating magnetic field placed around the working chamber, a nuclear subcritical pulse a reactor connected to a neutron storage device and a cascade neutron multiplier and communicated with a circular electric current generator, made in the form of a hollow ring, representing energetically The th module of the reactor is also connected to the ionizers of the working medium, connected to the onboard and external source of this medium, connected via input channels of the working medium to the cavity of the working chamber by the charged particle accelerator.

2. The plasma-ion combined jet engine according to claim 1, characterized in that it is equipped with several modules, including a ring electric current generator, a nuclear pulsed subcritical reactor, neutron storage devices and neutron cascade multipliers.

3. The plasma-ion combined jet engine according to claim 1, characterized in that the working chamber, its confuser and diffuser have the possibility of reverse operation by equipping the working chamber from two sides with input channels of the working ionized medium equipped with controlled valves.