FI91100B - Kollektiivisella ionikiihdyttimellä toimiva työntövoimalaite - Google Patents

Kollektiivisella ionikiihdyttimellä toimiva työntövoimalaite Download PDF

Info

Publication number
FI91100B
FI91100B FI891966A FI891966A FI91100B FI 91100 B FI91100 B FI 91100B FI 891966 A FI891966 A FI 891966A FI 891966 A FI891966 A FI 891966A FI 91100 B FI91100 B FI 91100B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
ion
collective
anode
thrust
ion accelerator
Prior art date
Application number
FI891966A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI891966A0 (fi
FI891966A (fi
FI91100C (fi
Inventor
Urpo Tapio Haeyrinen
Original Assignee
Urpo Tapio Haeyrinen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Urpo Tapio Haeyrinen filed Critical Urpo Tapio Haeyrinen
Priority to FI891966A priority Critical patent/FI91100C/fi
Publication of FI891966A0 publication Critical patent/FI891966A0/fi
Priority to GB9007131A priority patent/GB2235332B/en
Priority to DE19904013021 priority patent/DE4013021A1/de
Publication of FI891966A publication Critical patent/FI891966A/fi
Publication of FI91100B publication Critical patent/FI91100B/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI91100C publication Critical patent/FI91100C/fi

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03HPRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/005Electrostatic ion thrusters using field emission, e.g. Field Emission Electric Propulsion [FEEP]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64GCOSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/40Arrangements or adaptations of propulsion systems
    • B64G1/405Ion or plasma engines
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/02Molecular or atomic beam generation

Description

91100
KOLLEKTIIVISELLA IONIKIIHDYTTIMELLÄ TOIMIVA TYÖNTÖVOIMALAITE
Keksinnön kohteena on lähinnä avaruusaluksiin ja lentokoneisiin soveltuva sähköinen työntövoimalaite ja sen teholähde. Työntövoiman aikaansaanti avaruudessa perustuu Newtonin kol-menteen lakiin, F = ma, jossa m on mukana kuljetettava ulos-heitettävä massa ja a sen kiihtyvyys.
Suuren massan kuljettaminen mukana rajoittaa suuresti avaruusaluksen suorituskykyä ja matkan pituutta, joka ilmenee liikemäärien säilyttämisen laista, joka pätee kaikenlaisille raketeille tai vastaaville Mr * vr = Mp * vp, jossa aluksen liikemäärä on yhtälön vasemmalla puolella ja ulosheitettävän ajoaineen liikemäärä oikealla puolella. Siis jos ajoaineen massalle Mp saadaan suuri nopeus vp, niin tietyn aluksen liikemäärän kehittämiseen tarvitaan vähemmän ajoainetta. Kemiallisilla rakettimoottoreilla ajoaineen purkautumisno-peudet ovat luokkaa 4...5 km/s. ja kehittyneillä ionirake-teilla jopa 1000 km/s.
Toisaalta ionimoottorin suuri purkautumisnopeus ja työntövoima merkitsevät suurta tehontarvetta ja mutta ei välttämättä suurta energiaa, jos moottori toimii sysäysperiaatteella. Kehittyneen ionimoottorin suuri sähkötehontarve voidaan tyydyttää ydinreaktorin tai suljetun plasma MHD-generaattorin avulla.
Monissa aikaisemmin esitetyissä ionimoottorikeksinnöissä kuten seuraavissa patenteissa: EP 0132065, PCT W0 88/08488, DE 2052014, DE 3728011 ja US 3956666 ionien kiihdytys perustuu nk. tavanomaiseen ionimoottoriin, jossa suoraan kiihdytetään ioneja suhteellisen pienellä sähkökentän voimakkuudella, jolloin rajoittavana tekijänä on nk. läpilyöntijännite Ug - 100 kV, jota rajoittaa avaruusvaraus ja tehollinen ionivirta I jää pieneksi (mA-luokka) sekä työntövoima F < 1 N. (F = 2 UI/vp). Kuva 1.
Tällaista pienitehoista moottoria voidaan käyttää lähinnä satelliittien ratakorjauksiin, joissa työntövoimatarve on satojen mN:n luokkaa, (esim. UK-10 ja UK-25, jotka ovat Kaufman-tyyppisiä ionimoottoreita).
2 Näistä syistä johtuen olen keksinyt uuden tavan kehittää suuria työntövoimia sähköisin menetelmin pienellä ajoainesyötöllä, johon liittyy myöskin tarvittava teholähde suljettu plasma MHD-generaat-tori.
Keksintöni perustuu ydinfysiikassa käytettävään kollektiiviseen ionikiihdyttimeen, jolla ionimassa voidaan kiihdyttää erittäin suuriin nopeuksiin (n. 0,01 c) suur-sähkökenttäemissiota (n. 10^ V/m) hyväksikäyttäen, jolloin kehittyy suuri työntövoima pienellä ajoainesyötöllä (F = rrip * Vp) , jota tarvitaan esim. aluksen noustessa planeetan pinnalta. Kuva 3. Periaatteessa voidaan kehittää tarvittavan suuria työntövoimia jos sähkötehoa on riittävästi käytettävissä.
Kollektiivisella ionikiihdyttimellä voidaan synnyttää suurivirtai-sia ionipulsseja, joiden energia on muutama MeV/ydin ja huippuvirrat 1... 100 kA. Purkautuvat hiukkaset voivat olla ionisoituneita atomeja, molekyylejä, pölyä, varattuja kolloidisia hiukkasia tai nestepisaroita.
Tällaista kollektiivista kiihdytintä voidaan käyttää suurivir-taisena ionilähteenä ja ionimoottorina avaruusaluksissa, lentokoneissa, veneissä, laivoissa, autoissa yms. sekä mm. plasma magnetohydrodynaamisen (MHD-) generaattorin ionilähteenä.
Tällainen kulkuneuvo on erittäin ympäristöystävällinen.
Tämän toteuttamiseksi keksinnölleni on tunnusomaista, se mikä käy ilmi patenttivaatimusten kohdasta 1.
Kuva 1 on yksinkertaistettu piirros tavanomaisesta ionilähteestä, jossa rajoituksena on avaruusvaraus ja läpilyöntijännite VB.
P on plasma alue, f on katodi, 2 on anodi,' I on ionisuihku ja Va on anodin potentiaali.
Kuva 2 esittää anodin potentiaalin riippuvuutta z-akselin koordinaatista kuvassa 1.
Kuva 3 on yksinkertaistettu kuvaus kollektiivisesta ionikiihdytti-mestä, jossa 1 on katodi, 2. on anodi, I on relativistinen elektroni-suihku, IREB, P on plasma alue, joka on syntynyt IREBrn lävistäessä vaellus-putken 2, joka on täytetty injektoidulla kaasupilvellä. VQ
on katodin potentiaali anodin suhteen.
|] 91100 ) 3
Kuva 4 esittää anodin potentiaalin riippuvuutta z-akselin koordinaatista kuvassa 3. E on sähkökentän voimakkuus. Negatiivinen potentiaa-livalli (katkoviiva) siirtyy ionikimpun mukana ja vaikuttaa kiihdyttävänä elektrodina tai virtuaalisena katodina positiivisille ioneille. Kuva 5 esittää yhtä mahdollista käyttösovellutusta keksinnölle: avaruusalusten tai vastaavien työntövoimalaite.
Kuva 6 on yksinkertaistettu kaavio suurjännite pulssigeneraattorista, joka toimii IREB diodin ja ionisuihkun suuritehoisena sähköläh-teenä, jossa T on GTO tai vastaava kytkin, D on energian palautus-diodi, C:t ovat kondensaattoreita, L:t ovat induktansseja ja M on kaksoisresonanssi pulssimuuntaja.
Kollektiivinen ionikiihdytin perustuu kylmäkatodiputkeen, jossa katodin ja anodin välinen hyvin suuri hetkellinen tasajännite tekee anodin positiiviseksi katodin suhteen. Katodin muodostaa hyvin terä- · vä piikki tai putki tai joukko niitä. Näin siksi, että saataisiin hyvin suuri sähkökentän voimakkuus katodin ja anodin välille, luokkaa 1 MV/mm. Tällöin saadaan aikaan elektroniemissio kylmältä katodilta, joka noudattaa Fowler-Nodheimin virrantiheyslakia.
Tätä nimitetään kenttäemissioksi tai kylmäkatodiemissioksi.
Jos anodin ja katodin välimatka diodissa on 12 mm ja anodiaukon halkaisija 25 mm, tarvitaan vähintään miljoonan voltin eli 1 MV kiihdytys jännite kenttäemission aikaansaamiseksi, jolloin elektronivirta voi olla luokkaa 30 kA ja elektronisuihkun nopeus lähellä valon nopeutta. Tästä johtuen puhutaan intensiivisestä relativistisestiseen nopeuteen kiihdytetystä elektronisuihkusta eli lyhenteenä IREB. Tarvittava lyhytkestoinen kiihdytysjännite on parasta kehittää suuritehoisella kevyellä ilmasydämisellä suurjännite pulssimuuntajalla tai vastaavalla, jota syötetään kytkinlaitteen avulla matalammasta tasajännitteestä, joka saadaan esim. suljetusta plasma MHD-generaat-torista. Kun anodin sisäpuolelle nk. tyhj-övaellusputkeen lähelle anodiaukkoa johdetaan puhallusventtiilin kautta esim. kaasusuihku, niin syntyy voimakas kaasun sisäysionisaatio, kun IREB iskee kaasu-pilveen ja elektronien muodostaman varauspilven voimakkaan sähkökentän E ¢¢ 100...500 MV/m johdosta ioni joukko kiihtyy hyvin suureen nopeuteen ja kehittää reaktiovoiman Newtonin lain mukaan.
Tätä nimitetään kollektiiviseksi ionien kiihdyttimeksi, positiivisten ionien virran ollessa jopa kA-luokkaa. Ionimoottorin työntövoiman F riippuessa suihkun tehosta P ja nopeudesta vp: F = 2P/vp.
4
Lasketaan esimerkiksi tapaus, että ionisoitavana ajokaasuna käytetään neonia, Ne, jonka suhteellinen atomipaino on n.20 ja ionin massa mi = 33,4* 10~24 g. jos ionisuihkun virta on 3 kA, niin ionien lukumäärä on Ni = 1,87* 1022 /s ja suihkun massa/s = ms = 0,62 g/s. Jos kiihdytysjännite on U= 1MV, niin työntövoimaksi saadaan: F = (2 mp P)1/2 * (2* 6,2*10-2* 3*109)!/2 N = 1930 N Tällöin ainesuihkun nopeus on n. 0,01 c
Suurta kiihdytysjännitettä käytettäessä pyrittäessä suureen työntövoimaan on edullista käyttää sellaista ajoainetta, jonka molekyylipaino on mahdollisemman suuri kuten esim. polyeteenillä.
Jotta avaruusalus ei varautuisi sähköllä, tulee ionisuihku pystyä neutraloimaan melko lyhyellä matkalla. Jos kiihdytys-elektrodien väli on s, niin neutraloinnin tulisi tapahtua viimeistään 2s VT* etäisyy^ellä kiihdytyselektrodin tai vastaavan jälkeen. Virtuaalisen katodin tulisi muodostua ennen 2s etäisyyttä, jolloin muodostuu tasapainotilanne ja positiivisia ja negatiivisia varauksia on yhtäpaljon ja muodostuu plasma-alue. Tämä saavutetaan, kun positiivisten ionien tuotanto on riittävä synnyttämään potentiaalimaksimin. Kollektiivisessa kiihdyttimessä molempia ajoaineen määrää ja elektronisuihku-virtaa voidaan säädellä ja saavuttaa lähes neutraali ainesuih-ku.
Viitaten kuvaan 5, joka esittää kollektiivisen työntövoimalait-teen erään suoritusmuodon poikkileikkausta 4 ja laitejärjestelyjä. Tässä ionimoottorissa ionit kiihdytetään relativistisen elektronisuihkun IREB:n avulla.
Ionikiihdytin muodostuu sylinterimäisestä tyhjökammiosta 4, joka on valmistettu ruostumattomasta teräksestä tai vastaavasta ja toimii samalla anodina, jonka avulla elektronit kiihdytetään kylmältä katodilta 1. Anodilevyn 2 oikeanpuoleista putken osaa nimitetään vaellusputkeksi. Anodilevyyn, joka on hitsattu vael-lusputkeen, on tehty 10...25 mm läpimittainen pyöreä aukko, johon on asennettu ajoaineen rengasmainen injektiosuutin 6.
Il 5 91100
Ionisoitava kaasu tai neste johdetaan tämän tarkkuus suuttimen ja magneettiventtiilin 6a kautta työnnön tehoprosessorin 10 ohjaamana ajoainesäiliöstä 6b. Säädössä tarvittavia anturijärjestelmiä ja niihin liittyvää elektroniikkaa ei tässä kuvata.
7 on tyhjöpumppu.
Johtuen kylmäkatodin 1 suuresta virtatiheydestä, se on valmistettu wolframista tai grafiitista yms. ja se on sijoitettu 6...
12 mm eristysetäisyydelle anodista ja kiinnitetty eristävään päätyyn 3. 0,5...1MV tasajännitepulssi, jonka virta-arvo pieniohmiseen kuormaan on kymmeniä kA, syötetään katodin ja anodisylinterin välille suurjännite pulssigeneraattorista 5, joka on kaavioilisesti esitetty kuvassa 6, jonka sähkön syöttö tapahtuu ensiö DC-suurjännitelähteestä 15, ensiökondensaatto-rien 8, kytkinlaitteen 9 ja kaapelin 16 kautta.
11 on suurjännitepulssigeneraattorin muuntajan ja öljyeristeen 14 säiliö, 12 on päädyn sulkukappale ja 13 katodipäädyn o-rengas. Työntösuihkun tehon säätö tapahtuu ajoaineen syöttöä ja IREB-generaattorin parametrejä säätämällä työnnön tehoprosessorin 10 avulla tehtävän vaatimusten mukaisesti.
Reference: C.L. Olson, U.Schumacher: Collective Ion Accelerator. 1979 Springer-Verlag

Claims (5)

1. Sähköstaattinen työntövoimalaite avaruusaluksiin, laivoihin tai vastaaviin tunnettu siitä, että siinä on tyhjö-kammio (4), ionisoituvan aineen kiihdyttämiseksi siten, että erittäin voimakas sähkökenttä (luokkaa 10^ V/m), vaikuttaa diodin katodi-ja anodielektrodien (1,2) välillä, jolloin syntyy kenttäemissio kylmältä katodilta, ja jossa ionien aikaansaanti, kiihdyttäminen, neutralointi ja työntövoima perustuu kollektiiviseen ionikiihdyttimeen, jolloin ajoaineen ionisointi voi tapahtua relativistisen elektroni-suihkun aikaansaamana puhalletusta kaasupilvestä tai syötetystä ajoaineesta tai lasersäteen fotoionisaation avulla.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen työntövoimalaite tunnettu siitä, että ionisuihkun neutralointi tapahtuu anodin sisälle elektroneista muodostuvan avaruusvarauspilven avulla.
3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite tunnettu siitä, että iosuihkun kiihdyttämiseen tarvittava suuri tasasähköpo-tentiaali saadaan suuritehoisesta (> MW) pulssigeneraatto-rista, jossa pulssin kestoa, sen taajuutta ja lähtöjännitettä voidaan säätää halutulla tavalla.
4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite tunnettu siitä, että kollektiivinen ionikiihdytin toimii myös ionityhjöpump-puna.
5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite tunnettu siitä, että se saa tarvitsemansa sähköenergian suljetusta magneto- hydrodynaamisesta (MHD) generaattorista, jossa kollektiivinen ionikiihdytin toimii ionilähteenä. li 7 91100
FI891966A 1989-04-25 1989-04-25 Kollektiivisella ionikiihdyttimellä toimiva työntövoimalaite FI91100C (fi)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI891966A FI91100C (fi) 1989-04-25 1989-04-25 Kollektiivisella ionikiihdyttimellä toimiva työntövoimalaite
GB9007131A GB2235332B (en) 1989-04-25 1990-03-30 Collective ion accelerator propulsion engine
DE19904013021 DE4013021A1 (de) 1989-04-25 1990-04-24 Schubkraftvorrichtung fuer raumfahrzeuge

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI891966 1989-04-25
FI891966A FI91100C (fi) 1989-04-25 1989-04-25 Kollektiivisella ionikiihdyttimellä toimiva työntövoimalaite

Publications (4)

Publication Number Publication Date
FI891966A0 FI891966A0 (fi) 1989-04-25
FI891966A FI891966A (fi) 1990-10-26
FI91100B true FI91100B (fi) 1994-01-31
FI91100C FI91100C (fi) 1994-05-10

Family

ID=8528301

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI891966A FI91100C (fi) 1989-04-25 1989-04-25 Kollektiivisella ionikiihdyttimellä toimiva työntövoimalaite

Country Status (3)

Country Link
DE (1) DE4013021A1 (fi)
FI (1) FI91100C (fi)
GB (1) GB2235332B (fi)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2897398A1 (fr) * 2006-02-14 2007-08-17 Claude Poher Dispositif propulseur par acceleration de particules et applications dudit dispositif

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1376507A (fr) * 1963-04-29 1964-10-31 Commissariat Energie Atomique Accélérateur de gaz ionisé et dispositifs en comportant application
US3846668A (en) * 1973-02-22 1974-11-05 Atomic Energy Commission Plasma generating device
US4070595A (en) * 1976-12-08 1978-01-24 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Apparatus for the acceleration of ions in the virtual cathode of an intense relativistic electron beam
US4825646A (en) * 1987-04-23 1989-05-02 Hughes Aircraft Company Spacecraft with modulated thrust electrostatic ion thruster and associated method
US4838021A (en) * 1987-12-11 1989-06-13 Hughes Aircraft Company Electrostatic ion thruster with improved thrust modulation

Also Published As

Publication number Publication date
FI891966A0 (fi) 1989-04-25
GB2235332A (en) 1991-02-27
FI891966A (fi) 1990-10-26
DE4013021A1 (de) 1990-11-15
GB2235332B (en) 1994-05-25
GB9007131D0 (en) 1990-05-30
FI91100C (fi) 1994-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10172227B2 (en) Plasma accelerator with modulated thrust
WO2007008234A4 (en) CHARGED PARTICLE PUSH ENGINE
Shaw Pulsed plasma thrusters for small satellites
US3191092A (en) Plasma propulsion device having special magnetic field
Aheieva et al. Vacuum arc thruster development and testing for micro and nano satellites
US3238413A (en) Magnetically controlled plasma accelerator
US9856862B2 (en) Hybrid electric propulsion for spacecraft
FI91100B (fi) Kollektiivisella ionikiihdyttimellä toimiva työntövoimalaite
CN110131120B (zh) 固体烧蚀型磁等离子体推力器
CA1257319A (en) Energy conversion system
US20220106944A1 (en) Fiber-fed advanced pulsed plasma thruster (fppt)
US4349505A (en) Neutral beamline with ion energy recovery based on magnetic blocking of electrons
CN105201769A (zh) 激光等离子体组合推进系统
Sheth Spacecraft Electric Propulsion–A review
US7701145B2 (en) Solid expellant plasma generator
JP6632114B2 (ja) 真空アーク推進機
US11242844B2 (en) Fiber-fed advanced pulsed plasma thruster (FPPT)
RU2682962C1 (ru) Ионный ракетный двигатель космического аппарата
RU2776324C1 (ru) Прямоточный релятивистский двигатель
Jordan Electric propulsion: which one for my spacecraft
Kuriki The MPD thruster test on the space shuttle
Muzyukin et al. Small Pulsed Plasma Thruster Based on Flashover Discharge
Mickelsen Auxiliary and primary electric propulsion-Present and future.
US20230413414A1 (en) Magnetoplasmadynamic Thruster with Reverse Polarity and Tailored Mass Flux
Mikhailov et al. Developing of Compact Plasma Thruster Based on Flashover Discharge

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Owner name: HÄYRINEN, URPO TAPIO

BB Publication of examined application
FG Patent granted

Owner name: HAEYRINEN, URPO TAPIO

MA Patent expired