FI91100C - Kollektiivisella ionikiihdyttimellä toimiva työntövoimalaite - Google Patents

Kollektiivisella ionikiihdyttimellä toimiva työntövoimalaite Download PDF

Info

Publication number
FI91100C
FI91100C FI891966A FI891966A FI91100C FI 91100 C FI91100 C FI 91100C FI 891966 A FI891966 A FI 891966A FI 891966 A FI891966 A FI 891966A FI 91100 C FI91100 C FI 91100C
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
ion
collective
anode
ion accelerator
cathode
Prior art date
Application number
FI891966A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI891966A0 (fi
FI891966A (fi
FI91100B (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
Application granted granted Critical
Publication of FI91100B publication Critical patent/FI91100B/fi
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

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Description

91100
KOLLEKTIIVISELLA IONIKIIHDYTTIMELLA TOIMIVA TYONTOVOIMALAITE
Keksinndn kohteena on lahinna avaruusaluksiin ja lentokonei-siin soveltuva sahkoinen tydntdvoimalaite ja sen teholShde. Tydntdvoiman aikaansaanti avaruudessa perustuu Newtonin kol-menteen lakiin, F = ma, jossa m on mukana kuljetettava ulos-heitettSvS massa ja a sen kiihtyvyys.
Suuren massan kuljettaminen mukana rajoittaa suuresti avaruus-aluksen suorituskykyS ja matkan pituutta, joka ilmenee liike-mSSrien sSilyttkmisen laista, joka pStee kaikenlaisi1le rake-teille tai vastaaville Mr * vr = Mp * vp, jossa aluksen lii-kemSSrS on yhtSldn vasemmalla puolella ja ulosheitettSvSn ajoaineen liikemSara oikealla puolella. Siis jos ajoaineen massalle Mp saadaan suuri nopeus vp, niin tietyn aluksen liikemaSrSn kehittSmiseen tarvitaan våhemmån ajoainetta. Kemiallisilla rakettimoottoreilla ajoaineen purkautumisno-peudet ovat luokkaa 4...5 km/s. ja kehittyneilIS ionirake-teilla jopa 1000 km/s.
Toisaalta ionimoottorin suuri purkautumisnopeus ja tyontdvoima merkitsevSt suurta tehontarvetta ja mutta ei valttSmSttS suurta energiaa, jos moottori toimii sysSysperiaatteella. Kehittyneen ionimoottorin suuri sahkdtehontarve voidaan tyydyttaa ydinreak-torin tai suljetun plasma MHD-generaattorin avulla.
Monissa aikaisemmin esitetyissS ionimoottorikeksinndissS kuten seuraavissa patenteissa: EP 0132065, PCT WO 88/08488, DE 2052014, DE 3728011 ja US 3956666 ionien kiihdytys perustuu nk. tavan-omaiseen ionimoottoriin, jossa suoraan kiihdytetaan ioneja suh-teellisen pienellS sahkokentSn voimakkuudella, jolloin rajoitta-vana tekijana on nk. lapilyontijSnnite Ug - 100 kV, jota rajoittaa avaruusvaraus ja tehollinen ionivirta I jSS pieneksi (mA-luokka) sekS tydntdvoima F < 1 N. (F = 2 UI/vp). Kuva 1.
TSllaista pienitehoista moottoria voidaan kSyttSa lahinnS satel-liittien ratakorjauksiin, joissa tydntdvoimatarve on satojen mN:n luokkaa. (esim. UK-10 ja UK-25, jotka ovat Kaufman-tyyppisia ionimoottoreita).
2 NSistS syistS johtuen olen keksinyt uuden tavan kehittaa suuria tyOntdvoimia sMhkdisin menetelmin pienelia ajoainesydtdlia, johon liittyy myoskin tarvittava tehoiahde suljettu plasma MHD-generaat-tori.
Keksintdni perustuu ydinfysiikassa kaytettavaan kollektiiviseen ionikiihdyttimeen, jolla ionimassa voidaan kiihdyttåa erittåin suu-riin nopeuksiin (n. 0,01 c) suur-sahk6kenttaemissiota (n. 10^ V/m) hyvaksikayttaen, jolloin kehittyy suuri tyontovoima pienelia ajoai-nesyQtdlia (F = mp * Vp), jota tarvitaan esim. aluksen noustessa planeetan pinnalta. Kuva 3. Periaatteessa voidaan kehittaa tarvit-tavan suuria tydntovoimia jos sahkdtehoa on riittavasti kaytetta-vissa.
Kollektiivisella ionikiihdyttimella voidaan synnyttaå suurivirtai-sia ionipulsseja, joiden energia on muutama MeV/ydin ja huippuvirrat 1... 100 kA. Purkautuvat hiukkaset voivat olla ionisoituneita atomeja, molekyylejM, p51yM, varattuja kolloidisia hiukkasia tai nestepisaroita.
Tailaista kollektiivista kiihdytinta voidaan kayttaa suurivir-taisena ioniiahteena ja ionimoottorina avaruusaluksissa, lento-koneissa, veneissa, laivoissa, autoissa yms. seka mm. plasma magnetohydrodynaamisen (MHD-) generaattorin ioniiahteena.
Tailainen kulkuneuvo on erittåin ympåristoyståvallinen.
TMmSn toteuttamiseksi keksinndlleni on tunnusomaista, se mikå kay ilmi patenttivaatimusten kohdasta 1.
Kuva 1 on yksinkertaistettu piirros tavanomaisesta ionilMhteesta, jossa rajoituksena on avaruusvaraus ja lapilyontijannite VB.
P on plasma alue, i on katodi, 2 on anodi,' I on ionisuihku ja Va on anodin potentiaali.
Kuva 2 esittaa anodin potentiaalin riippuvuutta z-akselin koordi-naatista kuvassa 1.
Kuva 3 on yksinkertaistettu kuvaus kollektiivisesta ionikiihdytti-mestS, jossa 1 on katodi, 2. on anodi, I on relativistinen elektroni-suihku, IREB, P on plasma alue, joka on syntynyt IREBrn lavistaessa vaellus-putken 2, joka on tMytetty injektoidulla kaasupilvel1M. VQ
on katodin potentiaali anodin suhteen.
Il 91100 3 )
Kuva 4 esittaa anodin potentiaalin riippuvuutta z-akselin koordinaa-tista kuvassa 3. E on sahkdkentSn voimakkuus. Negatiivinen potentiaa-livalli (katkoviiva) siirtyy ionikimpun mukana ja vaikuttaa kiihdyt-tMvMna elektrodina tai virtuaalisena katodina positiivisille ioneille. Kuva 5 esittaa yhta mahdollista kayttosovellutusta keksinndlle: avaruusalusten tai vastaavien tydntovoimalaite.
Kuva 6 on yksinkertaistettu kaavio suurjannite pulssigeneraattorista, joka toimii IREB diodin ja ionisuihkun suuritehoisena sahkdiah-teena, 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 kylmakatodiputkeen, jossa katodin ja anodin vaiinen hyvin suuri hetkellinen tasajannite tekee anodin positiiviseksi katodin suhteen. Katodin muodostaa hyvin tera- · va piikki tai putki tai joukko niita. N3in siksi, etta saataisiin hyvin suuri sahkdkentan voimakkuus katodin ja anodin vaiille, luok-kaa 1 MV/mm. Taildin saadaan aikaan elektroniemissio kylmaita kato-dilta, joka noudattaa Fowler-Nodheimin virrantiheyslakia.
Tata nimitetaan kenttaemissioksi tai kylmakatodiemissioksi.
Jos anodin ja katodin vaiimatka diodissa on 12 mm ja anodiaukon hal-kaisija 25 mm, tarvitaan vahintaan miljoonan voltin eli 1 MV kiihdy-tysjannite kenttåemission aikaansaamiseksi, jolloin elektronivirta voi olla luokkaa 30 kA ja elektronisuihkun nopeus lahelia valon no-peutta. T3sta johtuen puhutaan intensiivisesta relativistisestiseen nopeuteen kiihdytetysta elektronisuihkusta eli lyhenteena IREB. Tarvittava lyhytkestoinen kiihdytysjannite on parasta kehittaa suuri-tehoisella kevyelia ilmasydåmiselia suurjannite pulssimuuntajalla tai vastaavalla, jota sydtetaan kytkinlaitteen avulla matalammasta tasajannitteesta, joka saadaan esim. suljetusta plasma MHD-generaat-torista. Kun anodin sisapuolelle nk. tyhj^jvaellusputkeen lahelle anodiaukkoa johdetaan puhallusventtiilin kautta esim. kaasusuihku, niin syntyy voimakas kaasun sisåysionisaatio, kun IREB iskee kaasu-pilveen ja elektronien muodostaman varauspilven voimakkaan sahkdkentan E n 100... 500 MV/m johdosta ionijoukko kiihtyy hyvin suureen nopeuteen ja kehittaa reaktiovoiman Newtonin lain mukaan.
Tatå nimitetaan kollektiiviseksi ionien kiihdyttimeksi, positiivis-ten ionien virran ollessa jopa kA-luokkaa. Ionimoottorin tydntovoi-man F riippuessa suihkun tehosta P ja nopeudesta vp: F = 2P/vp.
4
Lasketaan esimerkiksi tapaus, etta ionisoitavana ajokaasuna kSytetaan neonia, Ne, jonka suhteellinen atomipaino on n.20 ja ionin massa m^= 33,4* 10~24 g. jos ionisuihkun virta on 3 kA, niin ionien lukumSara on Ni = 1,87* 1022 /s ja suihkun massa/s = ms = 0,62 g/s. Jos kiihdytysjannite on U= 1MV, niin tybntdvoimaksi saadaan: F = (2 mp P)1/2 * (2* 6,2*10-2* 3*109)!/2 N = 1930 N Tålldin ainesuihkun nopeus on n. 0,01 c
Suurta kiihdytysjånnitettå kaytettMessa pyrittSessa suureen tyQntdvoimaan on edullista kåyttSS sellaista ajoainetta, jonka molekyylipaino on mahdollisemman suuri kuten esim. polyeteenillå.
Jotta avaruusalus ei varautuisi sShkdllS, tulee ionisuihku pystyå neutraloimaan melko lyhyellå matkalla. Jos kiihdytys-elektrodien vSli on s, niin neutraloinnin tulisi tapahtua viimeistaån 2s VT* etaisyy^ella kiihdytyselektrodin tai vas-taavan jSlkeen. Virtuaalisen katodin tulisi muodostua ennen 2s etSisyytta, jolloin muodostuu tasapainotilanne ja positiivisia ja negatiivisia varauksia on yhtåpaljon ja muodostuu plasma-alue. Tama saavutetaan, kun positiivisten ionien tuotanto on riittavS synnyttamaSn potentiaalimaksimin. Kollektiivisessa kiihdyttimessa molempia ajoaineen mSarSS ja elektronisuihku-virtaa voidaan saadelia ja saavuttaa lShes neutraali ainesuih-ku.
Viitaten kuvaan 5, joka esittaa kollektiivisen tydntSvoimalait-teen erSan suoritusmuodon poikkileikkausta 4 ja laitejSrjestely-ja. TSssS ionimoottorissa ionit kiihdytetaån relativistisen elektronisuihkun IREB:n avulla.
Ionikiihdytin muodostuu sylinterimåisestS tyhjdkammiosta 4, joka on valmistettu ruostumattomasta terSksestå tai vastaavasta ja toimii samalla anodina, jonka avulla elektronit kiihdytetaån kylmSltS katodilta 1. Anodilevyn 2 oikeanpuoleista putken osaa nimitetaan vaellusputkeksi. Anodilevyyn, joka on hitsattu vael-lusputkeen, on tehty 10...25 mm lapimittainen pydrea aukko, jo-hon on asennettu ajoaineen rengasmainen injektiosuutin 6.
Il 5 91100
Ionisoitava kaasu tai neste johdetaan tamån tarkkuus suuttimen ja magneettiventtiilin 6a kautta tydnnon tehoprosessorin 10 oh-jaamana ajoainesailidstå 6b. Saaddsså tarvittavia anturijarjes-telmia ja niihin liittyvaa elektroniikkaa ei tassa kuvata.
7 on tyhjopumppu.
Johtuen kylmakatodin 1 suuresta virtatiheydesta, se on valmis-tettu wolframista tai grafiitista yms. ja se on sijoitettu 6...
12 mm eristysetaisyydelle anodista ja kiinnitetty eristavaan paatyyn 3. 0,5...1MV tasajannitepulssi, jonka virta-arvo pieniohmiseen kuormaan on kymmenia kA, sydtetaan katodin ja anodisylinterin vaiille suurjannite pulssigeneraattorista 5, joka on kaaviollisesti esitetty kuvassa 6, jonka sahkon sydttd tapahtuu ensid DC-suurjanniteiahteesta 15, ensiokondensaatto-rien 8, kytkinlaitteen 9 ja kaapelin 16 kautta.
11 on suurjannitepulssigeneraattorin muuntajan ja oljyeristeen 14 sMilid, 12 on paadyn sulkukappale ja 13 katodipaadyn o-rengas. Tydntdsuihkun tehon saato tapahtuu ajoaineen sydttoa ja IREB-generaattorin parametreja saatamaiia tydnndn tehoprosessorin 10 avulla tehtåvan vaatimusten mukaisesti.
Reference: C.L. Olson, U.Schumacher: Collective Ion Accelerator. 1979 Springer-Verlag

Claims (5)

1. Såhkdstaattinen tydntdvoimalaite avaruusaluksiin, laivoihin tai vastaayiin tunnettu siitå, ettå siinå on tyhjd-kammio (4), ionisoituvan aineen kiihdyttåmiseksi siten, ettå erittain voimakas såhkokenttå (luokkaa 10^ V/m), vai-kuttaa diodin katodi-ja anodielektrodien (1,2) vålillå, jolloin syntyy kenttSemissio kylmåltå katodilta, ja jossa ionien aikaansaanti, kiihdyttåminen, neutralointi ja tyontS-voima perustuu kollektiiviseen ionikiihdyttimeen, jolloin ajoaineen ionisointi voi tapahtua relativistisen elektroni-suihkun aikaansaamana puhalletusta kaasupilvesta tai syote-tystå ajoaineesta tai lasersateen fotoionisaation avulla.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tyontdvoimalaite tunnettu siitå, ettå ionisuihkun neutralointi tapahtuu anodin sisålle elektroneista muodostuvan avaruusvarauspilven avulla.
3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite tunnettu siitå, ettå iosuihkun kiihdyttåmiseen tarvittava suuri tasasahkdpo-tentiaali saadaan suuritehoisesta (> MW) pulssigeneraatto-rista, jossa pulssin kestoa, sen taajuutta ja låhtGjånnitettå voidaan sååtåå halutulla tavalla.
4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite tunnettu siitå, ettå kollektiivinen ionikiihdytin toimii myos ionityhjdpump-puna.
5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite tunnettu siitå, ettå se saa tarvitsemansa sfihk5energian suljetusta magneto- hydrodynaamisesta (MHD) generaattorista, jossa kollektiivinen ionikiihdytin toimii ionilåhteenå. Ii 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 FI91100B (fi) 1994-01-31
FI91100C true 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
GB2235332A (en) 1991-02-27
FI891966A0 (fi) 1989-04-25
FI891966A (fi) 1990-10-26
DE4013021A1 (de) 1990-11-15
FI91100B (fi) 1994-01-31
GB2235332B (en) 1994-05-25
GB9007131D0 (en) 1990-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2732865C2 (ru) Сетчатый ионный двигатель с находящимся в нем твердым рабочим телом
WO2007008234A4 (en) CHARGED PARTICLE PUSH ENGINE
KR100577323B1 (ko) 저온 플라즈마 발전장치
US3191092A (en) Plasma propulsion device having special magnetic field
US20180080438A1 (en) Efficient Electric Spacecraft Propulsion
US3238413A (en) Magnetically controlled plasma accelerator
WO2020023654A1 (en) Thruster device
Aheieva et al. Vacuum arc thruster development and testing for micro and nano satellites
FI91100C (fi) Kollektiivisella ionikiihdyttimellä toimiva työntövoimalaite
CA1257319A (en) Energy conversion system
Dolgachev et al. Outlook for the use of microsecond plasma opening switches to generate high-power nanosecond current pulses
Petrescu New aircraft
US4349505A (en) Neutral beamline with ion energy recovery based on magnetic blocking of electrons
US7701145B2 (en) Solid expellant plasma generator
RU2776324C1 (ru) Прямоточный релятивистский двигатель
JP2003270400A (ja) 中性子発生管用pig型負イオン源
RU2682962C1 (ru) Ионный ракетный двигатель космического аппарата
RU2683963C1 (ru) Импульсный генератор термоядерных нейтронов
JP2017002851A (ja) 真空アーク推進機
US6005305A (en) Magnetic voltage-pulser
Neau High average power, high current pulsed accelerator technology
Golden et al. The Generation and Application of Intense Pulsed Ion Beams: Ion beams are now being used to excite high-power gas lasers and to form field-reversed ion rings, and power levels may soon be high enough for applications in thermonuclear fusion programs
Muzyukin et al. Small Pulsed Plasma Thruster Based on Flashover Discharge
Mendel Jr et al. 15‐cm hybrid ion diode on PBFA‐I
Tyrsa et al. Generation of thermonuclear energy by fusing hydrogen and lithium atoms

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