ES2596721B1 - Pulsed electric nozzle to increase thrust in plasma space motors - Google Patents
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Abstract
Tobera eléctrica pulsante para aumentar el empuje en motores espaciales de plasma. La invención comprende un motor de plasma (1) que eyecta un flujo de plasma cuasi-neutro hacia el exterior de una tobera cónica (2), formada por una red de cables conductores (4) sin recubrimiento aislante, a los que se suministran pulsos de potencial por medio de una fuente de alimentación (3) generadora de pulsos y un dispositivo eyector (6) que expulsa las partículas recolectadas por los cables (4). Parte del flujo de partículas generado por el motor de plasma (1) es repelido, por medio de fuerzas de Coulomb, con los pulsos producidos a lo largo de los cables conductores (4), creando un empuje en la misma dirección que la generada por el motor de plasma (1), aumentando el empuje neto del sistema formado por el motor de plasma (1) y la tobera (2).Pulsed electric nozzle to increase thrust in plasma space motors. The invention comprises a plasma motor (1) that ejects a quasi-neutral plasma flow out of a conical nozzle (2), formed by a network of conductive cables (4) without insulating coating, to which pulses are supplied of potential by means of a power source (3) generating pulses and an ejector device (6) that ejects the particles collected by the cables (4). Part of the particle flow generated by the plasma engine (1) is repelled, by means of Coulomb forces, with the pulses produced along the conductor cables (4), creating a thrust in the same direction as that generated by the plasma engine (1), increasing the net thrust of the system formed by the plasma engine (1) and the nozzle (2).
Description
DESCRIPCIÓN DESCRIPTION
Tobera eléctrica pulsante para aumentar el empuje en motores espaciales de plasma Pulsed electric nozzle to increase thrust in plasma space motors
Campo técnico de la invención Technical Field of the Invention
La presente invención se enmarca dentro del campo de la ingeniería aeroespacial, dentro de los sistemas de propulsión espacial primaria o secundaria para vehículos espaciales y satélites. En particular, la invención pertenece a los sistemas que utilizan el plasma para producir un empuje propulsor por reacción. The present invention is framed within the field of aerospace engineering, within primary or secondary space propulsion systems for space vehicles and satellites. In particular, the invention pertains to systems that use plasma to produce a thrust thrust per reaction.
Estado de la técnica State of the art
Los motores espaciales de plasma, también denominados propulsores eléctricos, son capaces de producir un bajo empuje y un alto impulso específico bastante mayor al proporcionado por los sistemas de propulsión química convencionales. Estos motores de plasma permiten reducir el consumo de combustible. Se puede definir la propulsión eléctrica como la aceleración de gases por medio de la propulsión generada por calentamiento eléctrico y/o por procedimientos eléctricos y magnéticos. Los diferentes tipos de propulsores eléctricos espaciales se pueden dividir en tres grandes tipos de sistemas: propulsión electro-térmica, en el que el combustible en estado de gas es calentado eléctricamente y posteriormente se procede a su expansión por medio de una tobera de característica no eléctrica; propulsión electrostática, donde el combustible es acelerado por la aplicación directa de fuerzas eléctricas para ionizar las partículas; propulsión electromagnética, donde un combustible ionizado es acelerado por medio de las interacciones de campos magnéticos externos e internos con corrientes eléctricas producidas en el plasma. Plasma space motors, also called electric thrusters, are capable of producing a low thrust and a high specific impulse much greater than that provided by conventional chemical propulsion systems. These plasma engines reduce fuel consumption. The electric propulsion can be defined as the acceleration of gases by means of the propulsion generated by electric heating and / or by electrical and magnetic procedures. The different types of space electric propellants can be divided into three main types of systems: electro-thermal propulsion, in which the fuel in the gas state is electrically heated and subsequently is expanded by means of a nozzle with a non-electric characteristic. ; electrostatic propulsion, where the fuel is accelerated by the direct application of electrical forces to ionize the particles; Electromagnetic propulsion, where an ionized fuel is accelerated through the interactions of external and internal magnetic fields with electrical currents produced in the plasma.
Existen diferentes tipos de propulsores, dependiendo de sus características propulsivas. Uno de los mayores problemas que tienen en común todos los motores de plasma espaciales existentes es la elevada potencia eléctrica que requieren para conseguir empujes altos, lo que exige sistemas de potencia inasumibles en el espacio. Normalmente la potencia eléctrica se consigue por medio de paneles solares o sistemas de generación eléctrica por radioisótopos, de manera que no es posible generar una potencia eléctrica excesivamente elevada (< 100 kW), a menos que se utilicen reactores nucleares de fisión, algo que las Agencias Espaciales desean evitar, por su coste y su elevado peso y tamaño, además de las implicaciones que esto conllevaría en lo referente a la opinión pública. There are different types of thrusters, depending on their propulsive characteristics. One of the biggest problems that all existing space plasma engines have in common is the high electrical power they require to achieve high thrusts, which requires unattainable power systems in space. Normally the electrical power is achieved by means of solar panels or radioisotope power generation systems, so that it is not possible to generate an excessively high electrical power (<100 kW), unless nuclear fission reactors are used, rather than Space Agencies want to avoid, due to its cost and its high weight and size, in addition to the implications that this would entail in relation to public opinion.
A baja potencia los propulsores eléctricos generan empujes muy pequeños. Un motor tipo Hall como el SMART-1 genera 68 mN a 1.2 kW y un motor helicón de 0.65 kW generaría 2.8 mN. Motores iónicos como NSTAR y NEXT producen empujes de 92 y 236 mN para potencias de 2.3 kW y 6.9 kW, respectivamente. At low power, electric thrusters generate very small thrusts. A Hall-type engine such as SMART-1 generates 68 mN at 1.2 kW and a 0.65 kW helicon engine would generate 2.8 mN. Ionic engines such as NSTAR and NEXT produce thrusts of 92 and 236 mN for powers of 2.3 kW and 6.9 kW, respectively.
Existen también otros grupos de motores de plasma experimentales como el pulsante inductivo (PIT), que alcanzaría valores entre 1 y 5 Newtons de empuje para una potencia entre 40 y 200 kW. El motor PIT consiste en un conjunto de cables con recubrimiento aislante dispuestos en espiral, una tobera que inyecta el combustible y una fuente de alimentación pulsante. La tobera inyecta el combustible cubriendo la superficie de cables y la fuente de alimentación genera pulsos de alta corriente en los cables, generando un campo magnético que varía con el tiempo, induciendo un intenso campo eléctrico en dirección acimutal en la región cercana a los cables. El intenso campo eléctrico permite que el combustible se transforme en plasma con corrientes acimutales que dependen del aumento de corriente que se suministre a los cables. Finalmente, la interacción de la corriente desarrollada en el plasma y el campo magnético producido por los cables genera una fuerza de Lorentz que acelera el plasma axialmente desde los cables, produciendo el empuje deseado. There are also other groups of experimental plasma motors such as the inductive pulse (PIT), which would reach values between 1 and 5 Newtons of thrust for a power between 40 and 200 kW. The PIT engine consists of a set of cables with insulated coating arranged in a spiral, a nozzle that injects the fuel and a pulsating power supply. The nozzle injects the fuel covering the surface of cables and the power supply generates high current pulses in the cables, generating a magnetic field that varies over time, inducing an intense electric field in azimuthal direction in the region near the cables. The intense electric field allows the fuel to be transformed into plasma with azimuthal currents that depend on the increase in current supplied to the cables. Finally, the interaction of the current developed in the plasma and the magnetic field produced by the cables generates a Lorentz force that accelerates the plasma axially from the cables, producing the desired thrust.
El motor VASIMIR es una combinación de un motor helicón, junto con un sistema de calentamiento por radiofrecuencia y finalmente el plasma es expulsado por una tobera magnética, en el que el campo magnético de la tobera guía el flujo del plasma. El propulsor VASIMIR consigue fuerzas propulsivas de 1.5 y 5 N consumiendo una potencia de 100 y 200 kW, respectivamente. El motor iónico Dual-Stage 4-Grid (DS4G) que actualmente está siendo desarrollado por la Agencia Espacial Europea puede producir 2.5 N con una potencia de 250 kW. Los potentes motores magnetoplasmadinámicos (MPD) pueden generar un empuje de 25 N considerando una potencia de 500 kW. The VASIMIR motor is a combination of a helicon motor, together with a radiofrequency heating system and finally the plasma is ejected by a magnetic nozzle, in which the magnetic field of the nozzle guides the flow of the plasma. The VASIMIR thruster achieves 1.5 and 5 N propulsive forces by consuming a power of 100 and 200 kW, respectively. The Dual-Stage 4-Grid (DS4G) ionic engine that is currently being developed by the European Space Agency can produce 2.5 N with a power of 250 kW. The powerful magnetoplasmadinamic (MPD) motors can generate a thrust of 25 N considering a power of 500 kW.
También, se ha considerado la agrupación de motores de plasma semejantes ("cluster") para que todos ellos produzcan un empuje más elevado en una determinada dirección, pero plantea problemas de dimensionamiento del sistema completo y sigue manteniéndose el problema de la elevada potencia que requeriría el conjunto de propulsores. Also, it has been considered the grouping of similar plasma engines ("cluster") so that all of them produce a higher thrust in a certain direction, but it raises problems of sizing of the complete system and the problem of the high power that would require the set of thrusters.
En resumen, para superar estas importantes limitaciones es necesario un sistema ligero que pueda generar el mayor empuje con la mínima potencia eléctrica que permita todo el sistema propulsivo. In summary, to overcome these important limitations, a light system is needed that can generate the greatest thrust with the minimum electrical power that the entire propulsive system allows.
Breve descripción de la invención Brief Description of the Invention
La invención se refiere a una tobera formada por un conjunto de cables conductores que se acoplarán a la salida de un motor de plasma. A los cables conductores se les suministran pulsos de potencial positivos o negativos por medio de una fuente de alimentación generadora de pulsos, o simplemente, por un generador de pulsos. El flujo de plasma cuasi-neutro (igual densidad de carga de electrones e iones) conformado por iones y electrones es eyectado a la salida del motor de plasma con un ángulo de divergencia . Parte de los electrones e iones del flujo serán, respectivamente, recolectados y repelidos por los cables conductores de la tobera si se producen pulsos de potencial positivo. Por el contrario, parte de los iones y electrones del flujo serán, respectivamente, recolectados y repelidos por los cables conductores de la tobera si se producen pulsos de potencial negativos. Para mantener el correcto signo (positivo/negativo) de los pulsos en los cables conductores se deberán eyectar las partículas (electrones/iones) recogidas por los cables por medio de un dispositivo eyector. De esta forma, si se producen pulsos de potencial positivos en los cables, el dispositivo eyector expulsará electrones, mientras que si se producen pulsos de potencial negativos en los cables, el dispositivo eyector deberá expulsar iones. The invention relates to a nozzle formed by a set of conductive cables that will be coupled to the output of a plasma motor. Lead wires are supplied with positive or negative potential pulses by means of a pulse generating power supply, or simply, by a pulse generator. The quasi-neutral plasma flow (equal charge density of electrons and ions) made up of ions and electrons is ejected at the output of the plasma motor with a divergence angle . Part of the electrons and ions of the flow will be, respectively, collected and repelled by the nozzle conductive cables if pulses of positive potential occur. On the contrary, part of the ions and electrons of the flow will be, respectively, collected and repelled by the conductive cables of the nozzle if negative potential pulses occur. To maintain the correct sign (positive / negative) of the pulses in the conductive cables, the particles (electrons / ions) collected by the cables must be ejected by means of an ejector device. In this way, if positive potential pulses occur in the cables, the ejector device will eject electrons, while if negative potential pulses occur in the cables, the ejector device must expel ions.
A diferencia del motor de plasma PIT, la presente invención considera cables conductores sin recubrimiento aislante; esencial para producir la fuerza repulsiva de Coulomb de las partículas repelidas en vez de la fuerza de Lorentz, que se produce en el propio plasma, y que utiliza el motor de plasma PIT. Unlike the PIT plasma engine, the present invention considers conductive cables without insulating sheathing; essential to produce the repulsive force of Coulomb from the repelled particles instead of the Lorentz force, which is produced in the plasma itself, and which uses the PIT plasma engine.
En la presente invención, la disposición de los cables será simétrica rodeando la estructura cónica de la tobera de diámetro Rn. Para obtener un empuje efectivo, la tobera tendrá una apertura cónica con un ángulo , que será inferior al ángulo de divergencia del flujo del plasma cuasi-neutro. Debido a la simetría de la tobera, las partículas desviadas por la acción repulsiva de los pulsos de potencial producirán un empuje sobre el sistema en el sentido contrario a la dirección del flujo de plasma cuasi-neutro expulsado por el motor de plasma. Adicionalmente, las partículas repelidas sufrirán una aceleración debido a los pulsos de potencial y saldrán por el exterior de la tobera a una velocidad mayor que cuando entraron en la región de influencia del potencial del cable. In the present invention, the arrangement of the cables will be symmetric surrounding the conical structure of the nozzle of diameter Rn. To obtain an effective thrust, the nozzle will have a conical opening with an angle , which will be less than the divergence angle of the quasi-neutral plasma flow. Due to the symmetry of the nozzle, the particles diverted by the repulsive action of the potential pulses will produce a thrust on the system in the opposite direction to the direction of the quasi-neutral plasma flow expelled by the plasma engine. Additionally, the repelled particles will undergo an acceleration due to the potential pulses and will leave the outside of the nozzle at a higher speed than when they entered the region of influence of the potential of the cable.
En la presente invención se proponen dos casos de pulsos de potencial a lo largo de los cables conductores: positivos y negativos. A los cables conductores se aplicarán pulsos de potencial pico a pico, siendo el potencial inferior del pulso, pb, aproximadamente igual (aunque ligeramente superior) al que proviene del flujo de plasma producido por el motor de plasma; pb≈ Ep/e = 0.5 mpvp2/e, donde Ep es la energía del flujo de partículas, e es la carga del electrón, mp y vp son, respectivamente, la masa y la velocidad de la partícula que se considere para ser repelida por los cables conductores. Se pueden considerar iones como el Xenón, Argón, Neón, Kriptón u otro tipo de ión en el flujo de plasma producido por el motor de plasma. Los iones serán repelidos cuando aparezcan pulsos de potencial positivos en el conjunto de cables, bien los electrones serán las partículas repelidas cuando se generen pulsos de potencial negativos. Los pulsos se generarán por medio de una fuente de alimentación generadora de pulsos. In the present invention two cases of potential pulses are proposed along the conductive cables: positive and negative. Conductive cables will be applied pulses of peak-to-peak potential, the lower pulse potential, pb, being approximately equal (although slightly higher) than that derived from the plasma flow produced by the plasma motor; pb≈ Ep / e = 0.5 mpvp2 / e, where Ep is the energy of the particle flow, e is the charge of the electron, mp and vp are, respectively, the mass and velocity of the particle considered to be repelled by the conductive cables. Ions such as Xenon, Argon, Neon, Krypton or other type of ion in the plasma flow produced by the plasma engine can be considered. The ions will be repelled when positive potential pulses appear in the cable assembly, well the electrons will be the repelled particles when negative potential pulses are generated. The pulses will be generated by means of a pulse generating power supply.
En el pulso de potencial suministrado en los cables, el nivel inferior del potencial, pb, se polariza positiva o negativamente con respecto del flujo del plasma. Hay que realizar una distinción entre polarización positiva o negativa de los cables con respecto del plasma producido por el motor de plasma para saber cuál será la especie de partícula atraída y repelida por los cables conductores. Para polarización positiva de los cables conductores, los iones y electrones son, respectivamente, repelidos y recolectados por los cables. En el caso de polarización negativa (ver Sanchez-Torres, A., Drag and propulsive forces in electric sails with negative polarity, Advances in Space Research, Vol. 57, No. 4, pp. 1065-1071, 2016), los electrones son repelidos y existe una población de iones repelida y otra población recolectada por los cables conductores. In the potential pulse supplied in the cables, the lower level of the potential, pb, is positively or negatively polarized with respect to the plasma flow. A distinction must be made between positive or negative polarization of the cables with respect to the plasma produced by the plasma engine to know what kind of particle will be attracted and repelled by the conductor cables. For positive polarization of the conductor cables, the ions and electrons are, respectively, repelled and collected by the cables. In the case of negative polarization (see Sanchez-Torres, A., Drag and propulsive forces in electric sails with negative polarity, Advances in Space Research, Vol. 57, No. 4, pp. 1065-1071, 2016), electrons they are repelled and there is a population of repelled ions and another population collected by the conductor cables.
En la presente patente, se considerará, en particular, la incidencia de la repulsión de electrones por pulsos de potencial negativos, aunque también una parte de la población de iones, -que se estima pequeña-, puede ser repelida por el nivel alto del pulso, |pa|. En el caso de pulsos de potencial positivos la masa y velocidad de la partícula a considerar en |pb|≈Ep/e será la masa del ión y el flujo de iones. Sin embargo, para pulsos de potencial negativos se considerará la masa del electrón, me, y la velocidad térmica del electrón, de manera que se tiene |pb|≈kBTe/(2e). /,pteBeevvkTmIn this patent, the incidence of electron repulsion by negative potential pulses will be considered, in particular, although a part of the ion population, which is considered small, can be repelled by the high pulse level. , | pa |. In the case of positive potential pulses, the mass and velocity of the particle to be considered in | pb | ≈Ep / e will be the mass of the ion and the flow of ions. However, for negative potential pulses the mass of the electron, me, and the thermal velocity of the electron will be considered, so that it has | pb | ≈kBTe / (2e). /, pteBeevvkTm
Es fundamental resaltar que la red de cables conductores no tiene nada que ver con el sistema de rejillas ("grids") que se suelen utilizar en los motores de plasma, como el del tipo de propulsor iónico. Las rejillas de estos motores que son utilizados para acelerar los iones del plasma son superficies con agujeros de pequeños diámetros del orden de 0.55 mm. En lo referente a la invención aquí presentada, la tobera está formada por una red de cables conductores (no por el It is essential to emphasize that the network of conductive cables has nothing to do with the grids system ("grids") that are usually used in plasma motors, such as the type of ionic propellant. The grilles of these motors that are used to accelerate the plasma ions are surfaces with holes of small diameters of the order of 0.55 mm. Regarding the invention presented here, the nozzle is formed by a network of conductive cables (not by the
tipo de rejillas de superficie con agujeros). En la presente invención, cada cable conductor está separado por su inmediato cable vecino a una distancia que debe ser estudiada en función de las condiciones del plasma ambiente (temperatura, densidad) y las características del cable (longitud, diámetro) y al potencial al que se somete el cable. En una primera aproximación, se puede considerar esa distancia equivalente al radio, rsb, de la vaina eléctrica creada por el pulso de potencial bajo pb, determinada por la siguiente ecuación (ver referencia: Sanmartin J.R., et al., Bare-Tether Sheath and Current: Comparison of Asymptotic Theory and Kinetic Simulations in Stationary Plasma, IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 36, no. 5, pp. 2851-2858, 2008), type of surface grilles with holes). In the present invention, each conductor cable is separated by its immediate neighboring cable at a distance that must be studied according to the conditions of the ambient plasma (temperature, density) and the characteristics of the cable (length, diameter) and the potential at which the cable is submitted. In a first approximation, that distance equivalent to the radius, rsb, of the electrical sheath created by the low potential pulse pb, determined by the following equation can be considered (see reference: Sanmartin JR, et al., Bare-Tether Sheath and Current: Comparison of Asymptotic Theory and Kinetic Simulations in Stationary Plasma, IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 36, no. 5, pp. 2851-2858, 2008),
(A) 4/54/31.5312.56ln,pbsbsbDsbDeerrrRkT (A) 4/54 / 31.5312.56ln, pbsbsbDsbDeerrrRkT
donde D es la longitud de Debye, R es el radio del cable, kB es la constante de Boltzmann, np es la densidad de partículas, e es la carga del electrón y Te es la temperatura de electrones en el plasma, que se considera igual que la de los iones en este caso./4BepkTnwhere D is the length of Debye, R is the radius of the cable, kB is the Boltzmann constant, np is the density of particles, e is the charge of the electron and Te is the temperature of electrons in the plasma, which is considered same as that of ions in this case. / 4BepkTn
El objeto de la presente patente se refiere a una tobera eléctrica pulsante para aumentar el empuje en motores espaciales de plasma y reducir la potencia eléctrica del sistema total. La patente incluye varios modos de realización. Los elementos comunes de la invención según los diferentes modos de realización estarían caracterizados por: The object of the present patent refers to a pulsating electric nozzle to increase the thrust in plasma space motors and reduce the electrical power of the total system. The patent includes several embodiments. The common elements of the invention according to the different embodiments would be characterized by:
- un motor de plasma que eyecta un flujo de plasma cuasi-neutro hacia el exterior de una tobera cónica, formada por una estructura de cables conductores sin recubrimiento aislante, a los que se someterán pulsos de potencial; - a plasma motor that ejects a quasi-neutral flow of plasma out of a conical nozzle, formed by a conductive cable structure without insulating coating, to which potential pulses will be subjected;
- una fuente de alimentación generadora de pulsos; - a pulse generating power supply;
- un dispositivo eyector que expulsa las partículas recolectadas por la tobera formada por la estructura de cables a la que se somete pulsos de potencial; - an ejector device that expels the particles collected by the nozzle formed by the cable structure to which potential pulses are subjected;
- una estructura anular al final de la tobera para mantener tensos a los cables conductores que conforman la tobera. - an annular structure at the end of the nozzle to keep the conductive cables that make up the nozzle tense.
En lo que se refiere a los elementos particulares según modo de realización principal: As regards the particular elements according to the main embodiment:
- una red de cables conductores sometidos a pulsos de potencial negativos. - a network of conductive cables subject to negative potential pulses.
En lo que se refiere a los elementos particulares según otro modo de realización: With regard to the particular elements according to another embodiment:
- una red de cables conductores sometidos a pulsos de potencial positivos. - a network of conductive cables subject to positive potential pulses.
Se propone transmitir un empuje por medio de un intercambio de momento del flujo de las partículas que, eyectadas por el motor de plasma, son repelidas por la superficie virtual producida por pulsos de potencial generados en los cables conductores que conforman la tobera. El procedimiento que se considera en este invento es similar al propuesto en las patentes del mismo autor de la presente invención (patente P 201431740 y solicitud adición de patente P201531029). En las anteriores patentes se consideró la repulsión de los iones. Sin embargo, en la presente invención se considerará también la repulsión de los electrones producida por los pulsos de potencial negativos, que es el caso principal que se estudia en la presente patente. Se utiliza un pulso de potencial que se suministra a los cables conductores, donde el potencial inferior es |pb|≈Ep/e=kBTe/(2e) y el potencial superior es |pa|≈|pb|+||, donde || es la diferencia de potencial pico a pico que puede ser del orden de 1 kV o mayor. El radio de la vaina, rsa, generado por el potencial superior del pulso |pa| se puede calcular sustituyendo rsb por rsa, y pb por pa en la ecuación (A). Los electrones que llegan del motor de plasma a la tobera son frenados por el potencial inferior del pulso, |pb|, hasta alcanzar una posición de máximo acercamiento, r0, donde comienzan a ser repelidos. Una vez que el electrón alcanza esa posición, r0, el potencial superior del pulso, |pa|, produce una repulsión sobre el electrón; acelerándose en dirección contraria a la inicial hasta que recorra toda la distancia de la nueva vaina, desde r0 hasta rsa, generada por ese potencial alto del pulso |pa|. It is proposed to transmit a thrust by means of a moment exchange of the flow of the particles that, ejected by the plasma engine, are repelled by the virtual surface produced by pulses of potential generated in the conductive cables that make up the nozzle. The procedure considered in this invention is similar to that proposed in the patents of the same author of the present invention (patent P 201431740 and patent application P201531029). In the previous patents the repulsion of ions was considered. However, in the present invention the repulsion of electrons produced by negative potential pulses will also be considered, which is the main case studied in the present patent. A potential pulse that is supplied to the conductor cables is used, where the lower potential is | pb | ≈Ep / e = kBTe / (2e) and the upper potential is | pa | ≈ | pb | + | |, where | | it is the difference of potential peak to peak that can be of the order of 1 kV or greater. The radius of the sheath, rsa, generated by the superior pulse potential | pa | It can be calculated by substituting rsb for rsa, and pb for pa in equation (A). The electrons that arrive from the plasma motor to the nozzle are stopped by the lower pulse potential, | pb |, until reaching a position of maximum approach, r0, where they begin to be repelled. Once the electron reaches that position, r0, the upper pulse potential, | pa |, produces a repulsion on the electron; accelerating in the opposite direction to the initial one until it travels the entire distance of the new sheath, from r0 to rsa, generated by that high pulse potential | pa |.
Otra diferencia con respecto a la solicitud de adición de patente P201531029 es: las partículas repelidas por los cables conductores son enviadas hacia el exterior de la tobera, alejándose del motor de plasma. Another difference with respect to the patent application P201531029 is: the particles repelled by the conductive cables are sent out of the nozzle, away from the plasma engine.
La fuerza repulsiva de Coulomb que repele a los electrones hacia el exterior de la tobera también transfiere una fuerza sobre la estructura eléctrica pulsante de la tobera, y por ello, produce una fuerza propulsiva en el sentido contrario con el que se mueven los electrones repelidos por la tobera eléctrica pulsante, que se puede estimar como The repulsive force of Coulomb that repels electrons out of the nozzle also transfers a force on the pulsing electrical structure of the nozzle, and therefore produces a propulsive force in the opposite direction with which the repelled electrons move by the pulsating electric nozzle, which can be estimated as
(B) 2cos,NppfNFnmvLR (B) cos2cos, NppfNFnmvLR
donde L es la longitud de cada cable de la tobera, RN es el radio final de la tobera; np es la densidad de partículas repelidas; mp es la masa de la partícula repelida. En el caso de pulsos de potencial negativos, la partícula repelida es el electrón, mientras que en el caso de pulsos positivos la partícula repelida es el ión. La partícula repelida expulsada por el potencial adquiere una velocidad mucho más alta, vf, cuando sale de la vaina producida por el potencial superior del pulso, pa, que cuando entra en la vaina producida por el potencial inferior de pulso, pb. where L is the length of each nozzle cable, RN is the final radius of the nozzle; np is the density of repelled particles; mp is the mass of the repelled particle. In the case of negative potential pulses, the repelled particle is the electron, while in the case of positive pulses the repelled particle is the ion. The repelled particle ejected by the potential acquires a much higher velocity, vf, when it leaves the sheath produced by the higher pulse potential, pa, than when it enters the sheath produced by the lower pulse potential, pb.
Para la presente invención, el material de los cables conductores debe ser un buen conductor eléctrico, soportar altas temperaturas y disponer de una baja densidad. Se puede considerar aluminio, molibdeno, o también incluir algún tipo de fibra de carbono, aleaciones de acero o kevlar. For the present invention, the material of the conductive cables must be a good electrical conductor, withstand high temperatures and have a low density. It can be considered aluminum, molybdenum, or also include some type of carbon fiber, steel alloys or kevlar.
La potencia eléctrica máxima que consumen los cables conductores que conforman la tobera es The maximum electrical power consumed by the conductive cables that make up the nozzle is
(C) elpaavPI (C) elpaavPI
donde el voltaje máximo producido en el pulso es |pu| y la corriente Iav que el dispositivo eyector de partículas debe expulsar es where the maximum voltage produced in the pulse is | pu | and the current Iav that the particle ejector device must expel is
(D) 2,paavcppeINeRLnm (D) 2, paavcppeINeRLnm
donde Nc es el número de cables. Se deben utilizar cables muy finos; del orden de pocas micras de diámetro. Suponiendo una red de cables a la que se suministra pulsos negativos con Nc =2600, R=20 m, L=0.3m, RN=0.19m, |pu| = 590V, y considerando el xenón como ión utilizado (mp=2.2 ∙10-25 kg), un promedio de densidad de partículas de np=2.4∙1010 cm-3 a lo largo de superficie que rodea a la tobera, y una temperatura de Te=2 eV con un ángulo de divergencia = 40º y =39º, la corriente necesaria para eyectar los iones de xenón, que se obtiene según la ecuación (D), es Iav = 1.76 A, y la potencia, según la ecuación (C), es Pel = 1 kW. Con estos parámetros los electrones aceleran a velocidades que alcanzan vf = 14420 km/s, de manera que se obtiene una fuerza, FN, dada la ecuación (B), de 0.80 N. Asumiendo que la potencia utilizada por el motor de plasma que genere unas condiciones como las descritas es de unos 200 W y un empuje del motor de plasma, Fp = 1 mN, tendríamos una potencia total del sistema de 1.2 kW y una fuerza neta FN+ Fp = 0.80 N de fuerza total, que es muy superior a la producida por cualquier tipo de motor de plasma espacial con esa potencia. Con esa misma potencia, el motor Hall PPS-1350 de SMART-1 generaría 0.068 N; una fuerza propulsiva unas 12 veces menor. Si aumentáramos el potencial a |pu| = 910 V los electrones acelerarían a velocidades vf = 17900 km/s, de manera que se obtendría una fuerza de 1.25 N, para una corriente Iav = 2.19 A y una potencia de 2 kW. La presente invención, permite generar fuerzas de 1 N a baja potencia eléctrica; actualmente no existe ningún motor de plasma que pueda conseguir esa fuerza a tan baja potencia eléctrica. Normalmente, conseguir esa fuerza en motores de plasma actuales exige potencias superiores a 100 kW, es decir, más de cien veces la potencia que requeriría la presente invención con forma de tobera. Esto supone un gran avance en términos de generación de empuje moderadamente alto a baja potencia eléctrica. Además, si aumentáramos ampliamente la longitud de los cables y el radio final de la tobera (L=3.17 m, RN =2 m) y redujéramos where Nc is the number of wires. Very thin cables must be used; of the order of a few microns in diameter. Assuming a cable network to which negative pulses are supplied with Nc = 2600, R = 20 m, L = 0.3m, RN = 0.19m, | pu | = 590V, and considering xenon as the ion used (mp = 2.2 ∙ 10-25 kg), an average particle density of np = 2.4 ∙ 1010 cm-3 along the surface surrounding the nozzle, and a temperature of Te = 2 eV with an angle of divergence = 40º and = 39º, the current necessary to eject the xenon ions, which is obtained according to equation (D), is Iav = 1.76 A, and the power, according to the Equation (C), is Pel = 1 kW. With these parameters the electrons accelerate at speeds that reach vf = 14420 km / s, so that a force, FN, is obtained, given equation (B), of 0.80 N. Assuming that the power used by the plasma motor that generates conditions such as those described are about 200 W and a plasma motor thrust, Fp = 1 mN, we would have a total system power of 1.2 kW and a net force FN + Fp = 0.80 N of total force, which is much greater than that produced by any type of space plasma engine with that power. With that same power, the SMART-1 Hall PPS-1350 engine would generate 0.068 N; a propulsive force about 12 times less. If we increase the potential to | pu | = 910 V the electrons would accelerate at speeds vf = 17900 km / s, so that a force of 1.25 N would be obtained, for a current Iav = 2.19 A and a power of 2 kW. The present invention allows generating forces of 1 N at low electrical power; There is currently no plasma engine that can achieve that force at such low electrical power. Normally, achieving that force in current plasma engines requires powers greater than 100 kW, that is, more than one hundred times the power that the present invention would require in the form of a nozzle. This is a breakthrough in terms of generating moderately high thrust at low electrical power. In addition, if we greatly increase the length of the cables and the final radius of the nozzle (L = 3.17 m, RN = 2 m) and reduce
considerablemente el potencial (|pu| = 190V) se obtendrían empujes importantes (FN =3.11 N) a baja potencia (Pel = 0.76 kW). Esto permite elegir entre un gran rango de longitudes y potenciales dependiendo del tipo de misión espacial que se requiera, permitiendo incluso que se pueda variar la longitud y el potencial según requerimientos específicos de la misión. considerably the potential (| pu | = 190V) significant thrusts (FN = 3.11 N) at low power (Pel = 0.76 kW) would be obtained. This allows you to choose between a wide range of lengths and potentials depending on the type of space mission required, even allowing you to vary the length and potential according to specific mission requirements.
A potencias altas y longitudes de la tobera algo grandes se podrían conseguir fuerzas bastante elevadas. Suponiendo una red polarizada negativa con Nc =5000, R=20 m, L=1 m, RN =0.63m, |pu| = 7.57 kV, y considerando un promedio de densidad de partículas np=7.8 ∙109 cm-3 a lo largo de la superficie que rodea a la tobera con esa longitud de cables, y una temperatura de Te=2 eV, con un ángulo de divergencia = 40º y =39º, la corriente que se obtiene es Iav=13.2 A, y la potencia es Pel = 100 kW. Con estos parámetros los electrones aceleran a velocidades vf = 51620 km/s, de manera que se obtiene una fuerza de 37.7 N. Si aumentáramos el potencial a |pu| = 20 kV los electrones acelerarían a velocidades vf = 83880 km/s, de manera que se obtendría una fuerza de 100 N, para una corriente Iav = 21.5 A y una potencia de 430 kW, muy superior a la fuerza conseguida por cualquier motor de plasma a esa potencia. Además, si aumentáramos aún más la longitud de los cables y el radio final de la tobera (L=7.94 m, RN =5 m), con un potencial elevado (|pu| = 16.44 kV) se obtendrían empujes bastante elevados (FN =692 N) a una potencia muy elevada (Pel = 1 MW). Por lo anteriormente mencionado, la presente invención es un sistema escalable en longitud y potencial que generaría un empuje mucho mayor que cualquier motor de plasma por sí solo, tanto a baja como alta potencia. At high powers and lengths of the nozzle rather large, quite high forces could be achieved. Assuming a negative polarized network with Nc = 5000, R = 20 m, L = 1 m, RN = 0.63m, | pu | = 7.57 kV, and considering an average particle density np = 7.8 ∙ 109 cm-3 along the surface surrounding the nozzle with that length of cables, and a temperature of Te = 2 eV, with an angle of divergence = 40º and = 39º, the current obtained is Iav = 13.2 A, and the power is Pel = 100 kW. With these parameters the electrons accelerate at speeds vf = 51620 km / s, so that a force of 37.7 N. is obtained. If we increase the potential to | pu | = 20 kV the electrons would accelerate at speeds vf = 83880 km / s, so that a force of 100 N would be obtained, for a current Iav = 21.5 A and a power of 430 kW, much higher than the force achieved by any motor of Plasma at that power. In addition, if we further increase the length of the cables and the final radius of the nozzle (L = 7.94 m, RN = 5 m), with a high potential (| pu | = 16.44 kV), quite high thrusts would be obtained (FN = 692 N) at a very high power (Pel = 1 MW). For the aforementioned, the present invention is a system scalable in length and potential that would generate a much greater thrust than any plasma motor alone, both at low and high power.
Para el modo alternativo de pulsos de potencial positivos suministrados a los cables conductores de la tobera, la corriente de electrones recolectada por los cables será bastante elevada ya que según la ecuación (D), . Como la masa del electrón es me = 9.109∙10-31 kg (4 ó 5 órdenes de magnitud inferior a la de los iones) la potencia requerida, dada la ecuación (C), será varios órdenes de magnitud superior que la del modo principal de pulsos negativos. De esta forma, la opción de pulsos de potencial negativos suministrados en los cables será más efectiva en términos de reducción de potencia que la de pulsos positivos. 1/aveImFor the alternative mode of positive potential pulses supplied to the nozzle conductive cables, the electron current collected by the cables will be quite high since according to equation (D),. Since the mass of the electron is me = 9,109 ∙ 10-31 kg (4 or 5 orders of magnitude lower than that of ions) the required power, given equation (C), will be several orders of magnitude greater than that of the main mode of negative pulses. In this way, the option of negative potential pulses supplied in the cables will be more effective in terms of power reduction than that of positive pulses. 1 / aveIm
Es importante resaltar que el número de cables conductores necesarios puede ser mucho menor, ya que se pueden producir fenómenos de interferencia entre los cables resultando una recolección de corriente efectiva mucho menor. De esta forma, por efectos de interferencia se espera que se pueda reducir la recolección de corriente en un 50%, y por tanto la potencia It is important to note that the number of necessary conductive cables can be much smaller, since interference phenomena can occur between the cables resulting in a much smaller effective current collection. In this way, due to interference effects it is expected that the current collection can be reduced by 50%, and therefore the power
requerida sea, también, un 50% menor para obtener la misma fuerza propulsiva; aumentando aún más las prestaciones de la tobera eléctrica pulsante. required, also, 50% lower to obtain the same propulsive force; further increasing the performance of the pulsating electric nozzle.
La utilización de la tobera no incide de forma importante en la masa de todo el sistema a pesar de la gran cantidad de cables necesarios. Los cables conductores son muy finos (R=20 m) y si consideramos el uso de aluminio (densidad, =2700 kg/m-3), para 5000 cables de 1 m de longitud supone una masa de 0.017 kg para toda la tobera. Si el material de los cables fuera molibdeno (densidad, =10280 kg/m-3) la masa total de la tobera sería tan solo de 0.065 kg. The use of the nozzle does not significantly affect the mass of the entire system despite the large number of cables required. The conductive cables are very thin (R = 20 m) and if we consider the use of aluminum (density, = 2700 kg / m-3), for 5000 cables of 1 m in length it means a mass of 0.017 kg for the entire nozzle. If the material of the cables were molybdenum (density, = 10280 kg / m-3) the total mass of the nozzle would be only 0.065 kg.
La presente invención aumentará la fuerza propulsiva inicial del motor de plasma. La reducción de potencia de todo el sistema propulsivo se consigue reduciendo al mínimo la potencia exigida al motor de plasma (alrededor de 200 W) y aumentando la potencia Pel que requerirá la fuente de alimentación generadora de pulsos y el dispositivo eyector de partículas. De esta forma el cociente entre la fuerza y la potencia (FN/ Pel) del sistema completo es mucho mayor que en el caso de un motor de plasma por sí solo; es decir, el sistema propulsor completo (motor de plasma y tobera eléctrica pulsante) necesitará una potencia eléctrica menor para generar la misma fuerza que un motor de plasma por sí solo. Por tanto, la presente invención de la tobera eléctrica pulsante que se acopla a la salida de un motor de plasma permite un mayor empuje con una menor potencia eléctrica en relación con el estado de la técnica anterior. The present invention will increase the initial propulsive force of the plasma engine. The reduction in power of the entire propulsive system is achieved by minimizing the power required of the plasma motor (around 200 W) and increasing the Pel power that will be required by the pulse generating power supply and the particle ejector device. In this way the ratio between the force and the power (FN / Pel) of the complete system is much greater than in the case of a plasma motor alone; that is, the complete propellant system (plasma motor and pulsating electric nozzle) will need a lower electrical power to generate the same force as a plasma motor alone. Therefore, the present invention of the pulsating electric nozzle that is coupled to the output of a plasma motor allows greater thrust with lower electrical power in relation to the prior art.
Una vez definidos los límites tecnológicos del sistema de empuje se puede pasar a la descripción detallada de la invención según los modos de realización. Once the technological limits of the thrust system have been defined, the detailed description of the invention can be passed according to the embodiments.
Descripción de las figuras Description of the figures
Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor compresión de las características de la invención, se acompaña la presente memoria descriptiva de las figuras 1 a 6, como parte integrante de la misma. To complement the description and in order to help a better understanding of the features of the invention, the present specification of figures 1 to 6 is attached, as an integral part thereof.
La invención se describirá en lo que sigue con más detalle haciendo referencia a varios modos de realización de la misma representado en dichas figuras. The invention will be described in the following in more detail with reference to various embodiments thereof represented in said figures.
La figura 1 representa la estructura de la tobera (2) que se sujeta al motor de plasma (1) con una red de cables conductores muy finos y sin recubrimiento aislante (4). El diseño de la red de cables conductores (4) tiene una disposición simétrica y termina cada cable (4) en un cable anular (7). Desde el cable anular (7) salen varios cables conductores auxiliares (8) de mayor sección que contactan en un punto en común (9). En ese punto (9) se colocará un dispositivo eyector de partículas (6) que eyectará iones (electrones) si en los cables conductores (4) se mantienen pulsos de potencial negativos (positivos). La tobera tiene una estructura anular (5) que confiere tensión en los cables conductores (4). Figure 1 represents the structure of the nozzle (2) that is attached to the plasma motor (1) with a network of very fine conductor cables and without insulating coating (4). The design of the conductor cable network (4) has a symmetrical arrangement and terminates each cable (4) in an annular cable (7). Several auxiliary conductive cables (8) of greater cross-section come out from the annular cable (7) that contact a common point (9). At that point (9) a particle ejector device (6) will be placed that will eject ions (electrons) if negative potential (positive) pulses are maintained in the lead wires (4). The nozzle has an annular structure (5) that confers tension on the conductor cables (4).
La figura 2 representa otro tipo de diseño de la estructura de la tobera (2) que se sujeta al motor de plasma (1) con una red de cables conductores muy finos y sin recubrimiento aislante (4). El diseño de la red de cables conductores (1) tiene una disposición simétrica y termina cada cable (4) en un punto en común (9). Desde ese punto (9) se colocará un dispositivo eyector de partículas (6) que eyectará iones (electrones) si en los cables conductores (4) se mantienen pulsos de potencial negativos (positivos). La tobera tiene una estructura anular (5) que confiere tensión en los cables conductores (4). Figure 2 represents another type of design of the structure of the nozzle (2) that is attached to the plasma motor (1) with a network of very fine conductor cables and without insulating coating (4). The design of the conductor cable network (1) has a symmetrical arrangement and terminates each cable (4) at a common point (9). From that point (9) a particle ejector device (6) will be placed that will eject ions (electrons) if in the conductive cables (4) negative (positive) potential pulses are maintained. The nozzle has an annular structure (5) that confers tension on the conductor cables (4).
La figura 3 representa el modo de operación de la tobera (2) acoplado al motor de plasma (1), que eyecta un flujo de plasma cuasi-neutro (prácticamente igual densidad de iones y electrones) con un ángulo de divergencia con respecto de la horizontal. La disposición de la tobera (2) cónica tiene un ángulo con respecto de la horizontal. El ángulo de divergencia debe ser mayor o aproximadamente igual que el ángulo . La distancia entre el motor de plasma (1) y el final de la tobera (2) es d, y el radio final de la tobera (2) es RN. La longitud de cada cable es L. El motor de plasma (1) genera una fuerza propulsiva Fp en la dirección contraria a la del flujo de plasma cuasi-neutro eyectado. La fuerza FN producida por los cables (4) que forman la tobera (2) tiene la misma dirección que Fp. Figure 3 represents the mode of operation of the nozzle (2) coupled to the plasma motor (1), which ejects a quasi-neutral plasma flow (practically equal density of ions and electrons) with a divergence angle with respect to the horizontal The arrangement of the conical nozzle (2) has an angle respecto with respect to the horizontal. The angle of divergence must be greater than or approximately the same as angle . The distance between the plasma motor (1) and the end of the nozzle (2) is d, and the final radius of the nozzle (2) is RN. The length of each cable is L. The plasma motor (1) generates a propulsive force Fp in the opposite direction to the flow of quasi-neutral ejected plasma. The force FN produced by the cables (4) that form the nozzle (2) has the same direction as Fp.
La figura 4 representa el dispositivo eyector (6) de partículas hacia el interior. El dispositivo eyector (6) está acoplado a la fuente de alimentación generadora de pulsos (3), que se encuentra conectado al punto en común (9) donde se une a los cables conductores (4) o bien a los cables auxiliares (8). El dispositivo eyector (6) debe de estar localizado de tal forma que no perjudique al motor de plasma (1) y puede mejorar, si cabe, la generación de partículas en el plasma que se produzca en el motor de plasma (1). Figure 4 represents the ejector device (6) of particles inwards. The ejector device (6) is coupled to the pulse generating power supply (3), which is connected to the common point (9) where it joins the conductor cables (4) or the auxiliary cables (8) . The ejector device (6) must be located in such a way that it does not harm the plasma engine (1) and can improve, if possible, the generation of particles in the plasma that occurs in the plasma engine (1).
La figura 5 representa el dispositivo eyector (6) de partículas hacia el exterior. El dispositivo eyector (6) está acoplado a la fuente de alimentación generadora de pulsos (3), que se encuentra conectado al punto en común (9) donde se une a los cables conductores (4) o bien a los cables auxiliares (8). Figure 5 represents the ejector device (6) of particles outwards. The ejector device (6) is coupled to the pulse generating power supply (3), which is connected to the common point (9) where it joins the conductor cables (4) or the auxiliary cables (8) .
La figura 6 representa un diagrama de la invención según el modo de realización principal, en la que el módulo de control de misión (11) permite suministrar más o menos potencia eléctrica al sistema de potencia (10) para mantener en funcionamiento al motor de plasma (1), a la estructura eléctrica pulsante de la red de cables conductores (4) y al dispositivo eyector (6) de iones por medio de una fuente de alimentación variable por pulsos (3). Un dispositivo optativo como es el acelerómetro (12) muestra al módulo de control de misión (11) cuál es el empuje real que necesita el vehículo para llevar a cabo la maniobra orbital. Figure 6 represents a diagram of the invention according to the main embodiment, in which the mission control module (11) allows more or less electrical power to be supplied to the power system (10) to keep the plasma engine running. (1), to the pulsating electrical structure of the conductor cable network (4) and to the ion ejector device (6) by means of a pulse-variable power supply (3). An optional device such as the accelerometer (12) shows the mission control module (11) what the real thrust the vehicle needs to carry out the orbital maneuver.
La figura 7 representa un pulso de potencial de onda cuadrada en función del tiempo t que se considerará como modo de realización principal. Se muestran tanto el nivel inferior |pb| como superior |pa| del pulso, la amplitud del pulso ||, el periodo del pulso T, y el tiempo que se mantiene el pulso en su nivel superior |pa|. El rango del ciclo de trabajo (/T) de la invención puede estar entre el 0 y el 100 %. Los dos valores extremos (0 y 100%) en el ciclo de trabajo del pulso dan lugar a situaciones puramente electrostáticas (no existen pulsos); es decir, en el caso de ciclo de trabajo del 0 % el espectro de potencial se mantiene durante todo el tiempo en |pb|≈Ep/e, mientras que un ciclo de trabajo del 100 % el potencial se mantiene durante todo tiempo a nivel alto |pa|. Cabe resaltar que se puede considerar otro tipo de pulso: triangular, rampa, seno, u otra función de onda arbitraria. Además, se deberá analizar experimentalmente cuáles serán los valores óptimos de todos los parámetros (temperatura, densidad, velocidad del flujo del plasma, longitud y radio de los cables conductores, además de los valores del nivel inferior y superior del pulso de potencial, y ciclo de trabajo) que permita maximizar la fuerza propulsiva con la menor potencia eléctrica consumida. El tiempo que tardarían las partículas que provienen del motor de plasma en recorrer la distancia rsa -r0 sería del orden de T- para que el tiempo en el que el pulso se encuentra inactivo, en su nivel bajo, permita que las partículas se acerquen a la posición r0. Figure 7 represents a pulse of square wave potential as a function of time t that will be considered as the main embodiment. Both the lower level are shown | pb | as superior | pa | of the pulse, the amplitude of the pulse | |, the period of the pulse T, and the time that the pulse is maintained at its upper level | pa |. The range of the duty cycle ( / T) of the invention can be between 0 and 100%. The two extreme values (0 and 100%) in the pulse duty cycle give rise to purely electrostatic situations (no pulses exist); that is, in the case of a 0% duty cycle, the potential spectrum is maintained for the entire time in | pb | ≈Ep / e, while a 100% duty cycle the potential is maintained at all times at high level | pa |. It should be noted that another type of pulse can be considered: triangular, ramp, sine, or other arbitrary wave function. In addition, the optimum values of all parameters (temperature, density, plasma flow rate, length and radius of the conductor cables, in addition to the values of the lower and upper level of the potential pulse, and cycle) should be analyzed experimentally. working) that maximizes the propulsive force with the lowest electrical power consumed. The time it would take for the particles from the plasma motor to travel the distance rsa -r0 would be of the order of T- so that the time in which the pulse is inactive, at its low level, allows the particles to approach to position r0.
Descripción detallada de la invención Detailed description of the invention
Los parámetros de entrada conocidos son la distancia d desde el motor de plasma (1) hasta el final de la tobera (2), la longitud L y radio R de los cables conductores (4), el ángulo de divergencia del flujo , un ángulo con respecto de la horizontal, y el radio final, RN, de la The known input parameters are the distance d from the plasma motor (1) to the end of the nozzle (2), the length L and radius R of the conductor cables (4), the divergence angle of the flow , an angle respecto with respect to the horizontal, and the final radius, RN, of the
tobera (2). Por lo que se refiere a los parámetros de salida, tenemos la fuerza Fp que es proporcionada por el motor de plasma y FN la fuerza producida por la transferencia de momento en la repulsión de las partículas por medio de la red de cables conductores (4), que conforman la tobera (2), sometidos a pulsos de potencial. nozzle (2). With regard to the output parameters, we have the force Fp that is provided by the plasma engine and FN the force produced by the moment transfer in the repulsion of the particles by means of the network of conductive cables (4) , which make up the nozzle (2), subjected to potential pulses.
A continuación se explica el funcionamiento de la invención según varios modos de realización de la misma. Para ello se enumeran todos los dispositivos comunes involucrados en el diseño de la invención que, según los diferentes modos de realización son: The operation of the invention according to various embodiments thereof is explained below. For this, all common devices involved in the design of the invention are listed, which, according to the different embodiments, are:
Motor de plasma (1): es cualquier tipo de propulsor eléctrico que produce un flujo de iones hacia el exterior de la tobera (2). Puede ser un motor iónico, Hall, MPD, helicón, VASIMIR, PIT, o cualquiera de sus variantes. Cuanto mayor sea el ángulo de divergencia proporcionado por el motor las prestaciones propulsivas pueden mejorar además de reducir el tamaño de la tobera (2). El motor de plasma genera por sí solo una fuerza Fp en sentido contrario a la de eyección del plasma cuasi-neutro. Plasma engine (1): is any type of electric propellant that produces a flow of ions out of the nozzle (2). It can be an ionic engine, Hall, MPD, helicon, VASIMIR, PIT, or any of its variants. The greater the angle of divergence provided by the engine, the propulsive performance can be improved in addition to reducing the size of the nozzle (2). The plasma motor alone generates a force Fp in the opposite direction to the ejection of the quasi-neutral plasma.
Tobera (2): conformada por una red de cables conductores (4) desprovistos de recubrimiento aislante, que rodean al motor de plasma (1). La red de cables conductores (4) se disponen siguiendo una simetría cónica con un ángulo desde la posición central del flujo de plasma producido por el motor de plasma (1). La red de cables conductores (4) genera una superficie eléctrica pulsante que produce un intercambio de momento con el flujo de las partículas dirigidas por el motor de plasma (1), generando una fuerza FN adicional, que por condiciones de simetría, lleva la misma dirección que la fuerza Fp producida por el motor de plasma (1). Dada la característica pulsante de la red de cables (4) y para evitar la modificación del flujo de las partículas en direcciones perpendiculares al flujo inicial se utiliza una disposición de los cables conductores (4) totalmente simétrica. La red de cables conductores (4) será alimentada por una fuente de alimentación generadora de pulsos (3). Nozzle (2): formed by a network of conductive cables (4) devoid of insulating sheathing, surrounding the plasma motor (1). The network of conductive cables (4) are arranged following a conical symmetry with an angle from the central position of the plasma flow produced by the plasma motor (1). The network of conductive cables (4) generates a pulsating electrical surface that produces a moment exchange with the flow of the particles directed by the plasma motor (1), generating an additional FN force, which due to symmetry conditions, carries the same direction than the force Fp produced by the plasma motor (1). Given the pulsating characteristic of the cable network (4) and to avoid the modification of the flow of the particles in directions perpendicular to the initial flow, an arrangement of the fully symmetrical conductor cables (4) is used. The network of conductive cables (4) will be powered by a pulse generating power supply (3).
Dispositivo eyector de partículas (6): para mantener el adecuado signo de los pulsos en los cables conductores (4). Con la puesta en funcionamiento de la invención los iones (electrones) que se encuentran en el plasma generado por el motor eléctrico (1) son recogidos por la red de cables conductores (4) sometidos a pulsos de potencial negativo (positivo). Estos iones (electrones) recolectados por los cables conductores (4) deben ser eyectados hacia el exterior o al interior como se describe en las figuras 3 y 4 para evitar que los cables conductores (4) se carguen eléctricamente con el signo de las partículas que recogen. De esta manera, si los cables Particle ejector device (6): to maintain the appropriate sign of the pulses in the conductor cables (4). With the implementation of the invention the ions (electrons) found in the plasma generated by the electric motor (1) are collected by the network of conductive cables (4) subjected to pulses of negative (positive) potential. These ions (electrons) collected by the conductive cables (4) must be ejected outwards or inwards as described in Figures 3 and 4 to prevent the conductive cables (4) from being electrically charged with the sign of the particles that collect. This way, if the wires
conductores (4) son sometidos a pulsos de potencial positivos por medio del generador de pulsos (3), los electrones recogidos por los cables conductores serán expulsados por el dispositivo eyector (6). Por el contrario, si los cables conductores (4) son sometidos a pulsos de potencial negativos por medio del generador de pulsos (3), los iones recogidos por los cables conductores serán expulsados por el dispositivo eyector (6). En lo referente a la expulsión de partículas, se considera como caso principal la eyección de partículas hacia el interior proveyendo al motor de plasma (1) mayor densidad de iones (electrones). Se puede considerar cualquier tipo de método para mantener los pulsos de potencial; para el caso de pulsos de potencial positivos se puede elegir entre un contactor de plasma, cátodo por emisión termoiónica y redes de emisión por efecto campo. Para el caso de pulsos de potencial negativos se utilizarán eyectores de iones ("ion gun"), también denominados como fuentes de iones ("ion source"). Los elementos estructurales de ambos eyectores de electrones e iones son parecidos, exceptuando que los eyectores de iones consiguen generar iones directamente desde la ionización de la superficie de un metal alcalino o bien indirectamente generando electrones que posteriormente ionizarán un gas - que puede ser xenón, argón, kriptón, etc. En este último caso - de generación de electrones para la posterior ionización de un gas- se pueden producir electrones por medio de un contactor de plasma, cátodo por emisión termoiónica o por redes de emisión por efecto campo. conductors (4) are subjected to positive potential pulses by means of the pulse generator (3), the electrons collected by the conductive cables will be ejected by the ejector device (6). On the contrary, if the conductive cables (4) are subjected to negative potential pulses by means of the pulse generator (3), the ions collected by the conductive cables will be ejected by the ejector device (6). With regard to the expulsion of particles, the ejection of particles into the interior is considered as the main case, providing the plasma engine (1) with greater ion density (electrons). Any type of method to maintain potential pulses can be considered; in the case of positive potential pulses, a plasma contactor, cathode by thermionic emission and emission networks by field effect can be chosen. In the case of negative potential pulses, ion ejectors ("ion gun"), also referred to as ion sources ("ion source") will be used. The structural elements of both electron and ion ejectors are similar, except that ion ejectors manage to generate ions directly from the ionization of the surface of an alkali metal or indirectly generating electrons that will subsequently ionize a gas - which can be xenon, argon , krypton, etc. In the latter case - the generation of electrons for the subsequent ionization of a gas - electrons can be produced by means of a plasma contactor, cathode by thermionic emission or by emission networks by field effect.
Sistema de potencia (10): Proporciona la potencia necesaria para alimentar al motor de plasma (1), la red de cables conductores (4), dispositivo eyector de partículas (6), la fuente de alimentación generadora de pulsos (3), y a los instrumentos de medida a bordo del vehículo. Puede ser cualquiera: paneles solares, amarras electrodinámicas, sistema nuclear, fuentes de alimentación de alto voltaje, etc. Debe de incluirse también un regulador de control para suministrar la potencia eléctrica que requiere el motor de plasma (1), y la red de cables conductores (4) junto con el dispositivo eyector de partículas (6). Power system (10): Provides the power needed to power the plasma motor (1), the network of conductive cables (4), particle ejector device (6), the pulse generating power supply (3), and the measuring instruments on board the vehicle. It can be any: solar panels, electrodynamic moorings, nuclear system, high voltage power supplies, etc. A control regulator must also be included to supply the electrical power required by the plasma motor (1), and the network of conductive cables (4) together with the particle ejector device (6).
Dispositivos opcionales: Optional devices:
Acelerómetro (12): para medir la aceleración que produce la tobera de la presente invención, cuando se modifica el potencial suministrado a los cables conductores (4) o la potencia eléctrica del motor de plasma (1). Accelerometer (12): to measure the acceleration produced by the nozzle of the present invention, when the potential supplied to the conductor cables (4) or the electrical power of the plasma motor (1) is modified.
Solenoides, que pueden direccionar las partículas que salen del motor de plasma (1), en ángulos diferentes a los que inicialmente produce el flujo de plasma generado por el motor de plasma (1). Esto permitiría modificar el ángulo con el que las partículas entran en contacto con los pulsos de potencial generados a lo largo de los cables conductores (4), y modificar de esta forma la fuerza propulsiva dada por la ecuación (B). Solenoids, which can direct particles leaving the plasma engine (1), at angles different from those initially produced by the plasma flow generated by the plasma engine (1). This would allow to modify the angle with which the particles come into contact with the potential pulses generated along the conductive cables (4), and thus modify the propulsive force given by equation (B).
Optativamente, se podría incluir en la parte inicial de cada cable conductor (4), que conforma la tobera (2), un segmento de cable con recubrimiento aislante para evitar algún daño sobre el motor de plasma (1) por partículas repelidas cerca de él. Optionally, it could be included in the initial part of each conductor cable (4), which forms the nozzle (2), a segment of cable with insulating coating to avoid any damage to the plasma motor (1) by particles repelled near it .
Modo de realización principal: Main embodiment:
La invención, que se implanta en un vehículo espacial, posee un sistema de generación de potencia (10), un motor de plasma (1) que produce plasma cuasi-neutro con un flujo de partículas dirigido hacia una tobera (2) conformada por una red de cables (4) a los que se suministra pulsos de potencial negativos, que repelen a los electrones del plasma hacia el exterior de la tobera (2) para generar una transferencia de momento que propulsa todo el sistema. El motor de plasma (1) produce un empuje Fp en la dirección descrita por la Figura 3. La transferencia de momento de los electrones sobre la estructura cónica de la tobera (2) a la que se suministra pulsos de potencial proporciona, por simetría, un empuje FN en la misma dirección que Fp.. Como el empuje generado por la estructura de cables conductores (4) que conforman la tobera (2), es mucho mayor que el conseguido por un motor de plasma (1), se produce una aceleración en la dirección de FN mucho mayor que la proporcionada por el propio motor de plasma (1). El regulador en el sistema de potencia (10) controla la velocidad de eyección del flujo de plasma cuasi-neutro y el potencial con el que se mantiene los pulsos en la red de cables conductores (4). Los cables conductores (4) polarizados negativos recolectan iones a lo largo de su longitud, que deben ser expulsados por un dispositivo de eyección de partículas (7) para mantener los pulsos negativos de dichos cables conductores (4). La fuente de alimentación generadora de pulsos (3) se conecta al dispositivo de eyección (6) de iones y a los cables conductores (4) que conforman la tobera (2). Las figuras 3 y 4 muestran dos posibles usos del dispositivo de eyección (6) de iones, con eyección hacia el interior del motor de plasma (1) o bien la eyección se realiza hacia el exterior del sistema. Para este caso de realización principal se elige la expulsión de iones por medio del dispositivo de eyección (6) de iones hacia el interior, proveyendo al motor de plasma (1) mayor densidad de iones. Se utilizará para este caso de realización principal un dispositivo de eyección (6) de iones por medio de la ionización del gas xenón considerando un cátodo por emisión termoiónica. The invention, which is implemented in a space vehicle, has a power generation system (10), a plasma engine (1) that produces quasi-neutral plasma with a flow of particles directed towards a nozzle (2) formed by a network of cables (4) to which negative potential pulses are supplied, which repel plasma electrons out of the nozzle (2) to generate a momentum transfer that propels the entire system. The plasma motor (1) produces a thrust Fp in the direction described by Figure 3. The moment transfer of the electrons over the conical structure of the nozzle (2) to which potential pulses is supplied provides, by symmetry, a thrust FN in the same direction as Fp .. As the thrust generated by the structure of conductive cables (4) that make up the nozzle (2), is much greater than that achieved by a plasma motor (1), a FN direction acceleration much greater than that provided by the plasma engine itself (1). The regulator in the power system (10) controls the ejection speed of the quasi-neutral plasma flow and the potential with which the pulses are maintained in the network of conductor cables (4). Negative polarized conductive cables (4) collect ions along their length, which must be ejected by a particle ejection device (7) to maintain the negative pulses of said conductive cables (4). The pulse generating power supply (3) is connected to the ion ejection device (6) and to the conductive cables (4) that make up the nozzle (2). Figures 3 and 4 show two possible uses of the ion ejection device (6), with ejection into the plasma motor (1) or the ejection is carried out towards the outside of the system. For this main embodiment, the ion expulsion is chosen by means of the ion ejection device (6) inwards, providing the plasma engine (1) with greater ion density. For this main embodiment, an ion ejection device (6) will be used by means of ionizing the xenon gas considering a cathode by thermionic emission.
Para un modo de realización de la invención secundario, la tobera (2) formada por cables conductores (4) sometidos a pulsos de voltaje positivos, producirá una fuerza FN similar a la del modo de realización principal de la invención, pero la potencia que requiere será más elevada, ya que Pel 1/me, y los electrones poseen una masa mucho más pequeña que la de los iones. For an embodiment of the secondary invention, the nozzle (2) formed by conductive cables (4) subjected to positive voltage pulses, will produce a force FN similar to that of the main embodiment of the invention, but the power required it will be higher, since Pel 1 / me, and electrons have a much smaller mass than that of ions.
Se pueden utilizar uno o más motores de plasma (1) como sistemas redundantes para cualquiera de los modos de realización de la invención. One or more plasma motors (1) can be used as redundant systems for any of the embodiments of the invention.
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