RU173324U1 - MEMBRANE ION ENGINE - Google Patents

MEMBRANE ION ENGINE Download PDF

Info

Publication number
RU173324U1
RU173324U1 RU2016144711U RU2016144711U RU173324U1 RU 173324 U1 RU173324 U1 RU 173324U1 RU 2016144711 U RU2016144711 U RU 2016144711U RU 2016144711 U RU2016144711 U RU 2016144711U RU 173324 U1 RU173324 U1 RU 173324U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
hydrogen
membrane
spine
ionization
chamber
Prior art date
Application number
RU2016144711U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Николаевич Харитонов
Original Assignee
Дмитрий Николаевич Харитонов
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 Дмитрий Николаевич Харитонов filed Critical Дмитрий Николаевич Харитонов
Priority to RU2016144711U priority Critical patent/RU173324U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU173324U1 publication Critical patent/RU173324U1/en

Links

Images

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
    • F03H99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass

Landscapes

  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

Мембранный ионный двигатель относится к области особых способов и устройств для создания реактивной тяги, не отнесенных к другим подклассам (от использования продуктов сгорания F02K). Данная полезная модель служит для упрощения управления ракетным двигателем, повышения его экологических качеств, удельного импульса, тяги, КПД и безопасности. Мембранные ионные двигатели могут использоваться организациями, государственными органами для: космических кораблей и иных летательных аппаратов.Сущностью описываемого устройства являются, во-первых, возможность использования для ионизации мембран, внутри которых атом водорода распадается на протон и электрон (ионизируется), далее протоны используются в качестве рабочего тела (ускоряются в ионизационной камере и выбрасываются, создавая реактивную тягу), а электроны удаляются с мембран; во-вторых, использования сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИНЭ, охлаждаемых жидким водородом либо жидким метаном) в качестве мощных и достаточно длительных источников питания двигателя, которые последовательно разряжаются, нагревая хладагент из дополнительного бака или из уже разряженных СПИНЭ, в результате чего образуется газообразный водород под давлением, который попадает в камеру ионизации в виде протонов через мембраны. Таким образом, вес летательного аппарата, использующего указанный ракетный двигатель, может быть значительно уменьшен, а его скоростные качества, тяга, экологичность, КПД и безопасность возрастут.Membrane ion engine belongs to the field of special methods and devices for generating jet thrust, not assigned to other subclasses (from the use of F02K combustion products). This utility model is used to simplify the control of a rocket engine, improve its environmental qualities, specific impulse, traction, efficiency and safety. Membrane ion engines can be used by organizations, government bodies for: spaceships and other aircraft. The essence of the described device is, firstly, the possibility of using membranes for ionization, inside which the hydrogen atom decays into a proton and an electron (ionized), then protons are used in the quality of the working fluid (accelerated in the ionization chamber and ejected, creating reactive traction), and the electrons are removed from the membranes; secondly, the use of superconducting inductive energy storage devices (SPINE cooled by liquid hydrogen or liquid methane) as powerful and sufficiently long-lasting engine power sources that are sequentially discharged, heating the refrigerant from an additional tank or from already discharged SPINES, as a result of which hydrogen gas is formed under pressure, which enters the ionization chamber in the form of protons through membranes. Thus, the weight of the aircraft using the specified rocket engine can be significantly reduced, and its speed, thrust, environmental friendliness, efficiency and safety will increase.

Description

Рубрики международной патентной классификации (МПК) полезной модели:Headings of the international patent classification (IPC) of a utility model:

F03H - Особые способы и устройства для создания реактивной тяги, не отнесенные к другим подклассам (от использования продуктов сгорания F02K).F03H - Special methods and devices for creating reactive thrust, not elsewhere classified (from the use of F02K combustion products).

Название полезной модели: «Мембранный ионный двигатель».The name of the utility model: "Membrane ion engine."

Полезная модель относится, к электрическим ракетным двигателям. Полезная модель может быть применена при создании не пилотируемых реактивных аппаратов, пилотируемых реактивных космических аппаратов (далее - «космических кораблей»).The utility model relates to electric rocket engines. The utility model can be applied in the creation of non-manned rocket vehicles, manned rocket vehicles (hereinafter referred to as “spacecraft”).

Из уровня техники известно, что космические корабли в настоящий момент приводятся в движение: химическими реактивными (ракетными) двигателями внутреннего сгорания, электрическими ракетными двигателями. Для старта и полетов на орбиту в настоящее время используются химические ракетные двигатели (ХРД). Большинство ХРД используют горючее и окислитель (вместе - топливо), продукты сгорания нагреваются в камере сгорания до высоких температур, расширяясь, разгоняются в сверхзвуковом сопле и истекают из двигателя. Распространены жидкостные и твердотопливные ракетные двигатели (ЖРД и ТРД, соответственно). В ТРД горючее и окислитель хранятся в форме смеси твердых веществ, а топливная емкость одновременно выполняет функции камеры сгорания. В ЖРД горючее и окислитель пребывают в жидком агрегатном состоянии. Они подаются в камеру сгорания с помощью турбонасосной или вытеснительной систем подач. ЖРД допускают регулирование тяги в широких пределах, и многократное включение и выключение, что особенно важно при маневрировании в космическом пространстве. Оба вида ХРД имеют достаточные удельные импульсы для старта и выхода на орбиту (до 4500 м/с). Однако, для маневрирования на орбите и движения в космическом вакууме ХРД не удобны. Топливо имеет значительную массу, занимает достаточно большой объем, а также практически всегда либо токсично, либо взрывоопасно. Для того, чтобы использовать химический ракетный двигатель на орбите, требуется доставить на орбиту соответствующие запасы топлива. Кроме того ХРД обладают крайне низким КПД (около 1%), так как большая часть химической энергии топлива превращается, в конечном счете, в энергию теплового излучения.It is known from the prior art that spacecraft are currently propelled by: chemical reactive (rocket) internal combustion engines, electric rocket engines. For launch and orbit flights, chemical rocket engines (HRE) are currently used. Most refrigerators use fuel and an oxidizing agent (together - fuel), the combustion products are heated in the combustion chamber to high temperatures, expanding, accelerate in a supersonic nozzle and flow out of the engine. Liquid and solid propellant rocket engines (LRE and TRD, respectively) are common. In turbojet engines, fuel and oxidizer are stored in the form of a mixture of solids, and the fuel tank simultaneously serves as a combustion chamber. In LRE fuel and oxidizer are in the liquid state of aggregation. They are fed into the combustion chamber using a turbopump or displacement feed system. LRE allow thrust regulation over a wide range, and multiple on and off, which is especially important when maneuvering in outer space. Both types of RCDs have sufficient specific impulses for launch and orbit (up to 4500 m / s). However, for maneuvering in orbit and movement in a space vacuum, the HRE is not convenient. Fuel has a significant mass, occupies a sufficiently large volume, and is also almost always either toxic or explosive. In order to use a chemical rocket engine in orbit, it is necessary to deliver the corresponding fuel reserves into orbit. In addition, RCDs have extremely low efficiency (about 1%), since most of the chemical energy of the fuel is converted, ultimately, into thermal radiation energy.

Электрические ракетные двигатели (ЭРД), в качестве источника энергии для создания тяги используют электрическую энергию. Разнесение источника энергии и ускоряемого вещества позволяет обеспечить высокую скорость истечения рабочего тела (РТ), а также и меньшую массу космического корабля за счет снижения массы хранимого РТ. Это позволяет увеличить полезную нагрузку, либо улучшить массо-габаритные характеристики самого космического корабля. Удельный импульс ЭРД может достигать 10000-210000 м/с. ЭРД может получать питание от солнечных батарей, аккумуляторов, конденсаторов. Из-за несовершенства применяемых источников питания тяга существующих ЭРД не велика, соответственно ускорение космического корабля составляет десятые и даже сотые доли ускорения свободного падения. ЭРД характеризуются не очень высоким КПД - от 30 до 60%.Electric rocket engines (EREs) use electric energy as a source of energy to create traction. The separation of the energy source and the accelerated substance makes it possible to ensure a high velocity of the expiration of the working fluid (RT), as well as a smaller mass of the spacecraft due to the reduction in the mass of stored RT. This allows you to increase the payload, or to improve the mass-dimensional characteristics of the spacecraft itself. The specific impulse of the electric propulsion can reach 10000-210000 m / s. Electric propulsion can be powered by solar panels, batteries, capacitors. Due to the imperfection of the applied power sources, the thrust of the existing electric propulsion engines is not large, so the acceleration of the spacecraft is tenths or even hundredths of the acceleration of gravity. EREs are characterized by not very high efficiency - from 30 to 60%.

Ионные ракетные двигатели используют процессы ионизации рабочего тела путем бомбардировки электронами. Далее происходит удаление электронов, и ускорение ионов стационарным электрическим полем. Выбрасываемые ионы создают реактивную тягу. Очевидно, что для ионизации необходимо сообщить рабочему телу с помощью электронов соответствующую энергию ионизации, а для разгона ионов надо тоже потратить энергию на создание разницы потенциалов. При этом источниками энергии ионного двигателя являются солнечные батареи, поэтому мощность двигателей невелика.Ion rocket engines use ionization processes of the working fluid by electron bombardment. Further, the electrons are removed, and the ions are accelerated by a stationary electric field. The ejected ions create reactive traction. Obviously, for ionization it is necessary to inform the working body with the help of electrons the corresponding ionization energy, and for the acceleration of ions it is also necessary to spend energy on creating a potential difference. In this case, the energy sources of the ion engine are solar panels, so the power of the engines is low.

Наиболее известны организации, создающие космические корабли: ОАО "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева", NASA, SpaceX. Указанные космические корабли используют химические ракетные двигатели для старта и выхода на орбиту и электрические ракетные двигатели для маневрирования космических кораблей.The most famous organizations creating spacecraft are: SP Korolev Rocket and Space Corporation Energia, NASA, SpaceX. These spacecraft use chemical rocket engines to launch and enter orbit and electric rocket engines to maneuver spacecraft.

Задачей создания данной полезной модели было проектирование таких реактивных двигателей, которые обладали бы небольшой массой, высоким КПД, были бы экологичны, безопасны и просты в эксплуатации. При старте и выходе на орбиту указанные двигатели использовали бы оптимальный для условий полета вид РТ. Таким образом, мембранные ионные двигатели позволяли бы: старт, выход на орбиту, осуществление корректировок и маневров космических кораблей, а также служили бы для достаточно быстрого покрытия космическими кораблями космических расстояний.The task of creating this utility model was to design such jet engines that would have a small mass, high efficiency, would be environmentally friendly, safe and easy to operate. When starting and entering orbit, these engines would use the type of RT that is optimal for flight conditions. Thus, membrane ion engines would allow: launch, entry into orbit, implementation of corrections and maneuvers of spacecraft, and would also serve to quickly cover space distances by spacecraft.

Результатом использования данной полезной модели станет появление космических кораблей, которые будут достаточно легкими в обслуживании, способным на большой скорости перемещаться на значительные расстояния, экологически безвредными, дешевыми в использовании. Для решения поставленной задачи необходимо осуществить следующие существенные решения:The result of using this utility model will be the appearance of spacecraft that will be quite easy to maintain, capable of traveling at high speeds over long distances, environmentally friendly, cheap to use. To solve this problem, it is necessary to implement the following significant decisions:

- рассчитать оптимальные рабочие процессы;- calculate optimal work processes;

- спроектировать специальные камеры преобразования и ионизации;- design special conversion and ionization chambers;

- подобрать оптимальные рабочие тела для выхода на орбиту и взаимодействия с источником питания;- select the optimal working fluid to enter orbit and interact with the power source;

а также:as well as:

- разработать особые источники питания системы.- develop special power supplies for the system.

Таким образом, сущностью полезной модели является сочетание специальных камер преобразований и ионизации для оптимального протекания рабочих процессов, а также возможность использования принципиально новых в ракетостроении источников питания.Thus, the essence of the utility model is the combination of special conversion and ionization chambers for the optimal flow of work processes, as well as the possibility of using fundamentally new power sources in rocket science.

Мембранный ионный двигатель (далее - «МИД») может напоминать компоновкой ионный ракетный двигатель и может быть, в принципе, создан путем:A membrane ion engine (hereinafter referred to as “MID”) may resemble an ionic rocket engine layout and can, in principle, be created by:

- конструирования специальной камеры преобразований с нагревательными элементами;- designing a special transformation chamber with heating elements;

- конструирования камеры ионизации, оснащенной специальными мембранами, проходя через которые атом водорода распадается на протон и электрон (ионизируется); а также:- designing an ionization chamber equipped with special membranes, passing through which a hydrogen atom decays into a proton and an electron (ionizes); as well as:

- подбора источников питания, оптимальных для определенного режима полета (сверхпроводящие индуктивные накопители энергии, аккумуляторы, солнечные батареи).- selection of power supplies that are optimal for a particular flight mode (superconducting inductive energy storage devices, batteries, solar panels).

Как уже упоминалось ранее, высокий удельный импульс ЭРД (10000-210000 м/с) достигается благодаря тому, что ионизированный газ ускоряется электростатически и фокусируется магнитным полем. При этом плотность указанного ионизированного газа невысока (так как, во-первых, мощность источников питания ограничена; во-вторых для ионизации плотного газа потребовался бы уже дуговой разряд и, соответственно, увеличились бы тепловые потери, сопутствующие такому электрическому току). Поэтому такой двигатель может быть использован только в вакууме и не годится для старта космического корабля. Предлагается использовать ионизационные камеры, которые вместо сложных электронных излучателей и коллекторов электронов содержали бы большие площади мембран, проходя через которые атом водорода распадался на протон и электрон (ионизировался).As mentioned earlier, a high specific impulse of electric propulsion (10000-210000 m / s) is achieved due to the fact that ionized gas is accelerated electrostatically and is focused by a magnetic field. In this case, the density of the indicated ionized gas is low (since, firstly, the power of the power sources is limited; secondly, for the ionization of a dense gas, an arc discharge would have been required and, accordingly, the heat losses associated with such an electric current would increase). Therefore, such an engine can only be used in a vacuum and is not suitable for launching a spacecraft. It is proposed to use ionization chambers, which instead of complex electronic emitters and electron collectors would contain large areas of membranes, passing through which a hydrogen atom decays into a proton and an electron (ionized).

Как известно, рабочее тело для реактивного двигателя стараются подбирать таким образом, чтобы оно было способно получать максимальный импульс. При этом, одинаковыми импульсами могут обладать и легкие частицы с большой скоростью и тяжелые частицы с небольшой скоростью. Однако легкого вещества можно запасти больше, поэтому предпочтительнее выбирать рабочее тело с меньшей атомной массой. Тем не менее, наиболее распространенными рабочими телами ионных двигателей являются ксенон и ртуть, вещества с достаточно тяжелыми атомами. Это объясняется тем, что, во-первых, указанные вещества имеют низкую энергию ионизации, во-вторых, в условиях длительной работы (для которой проектировались ранее ионные двигатели) указанные вещества могут легко храниться и обслуживаться; в третьих, они инертны и не повреждают ионизационную камеру.As you know, they try to select the working fluid for a jet engine so that it is able to receive the maximum impulse. At the same time, light particles with a high speed and heavy particles with a low speed can possess the same impulses. However, it is possible to stock more light substances, therefore it is preferable to choose a working fluid with a lower atomic mass. However, the most common working bodies of ion engines are xenon and mercury, substances with fairly heavy atoms. This is due to the fact that, firstly, these substances have low ionization energy, and secondly, in conditions of long-term operation (for which ion engines were previously designed), these substances can be easily stored and maintained; thirdly, they are inert and do not damage the ionization chamber.

Рабочим телом мембранного ионного двигателя выбран водород (вернее, ядра водорода - протоны) по следующим причинам. Во-первых, это - самое легкое вещество. Во-вторых, водород гораздо дешевле ртути и ксенона. В третьих, ионизация водорода (разделение атомов на протоны и электроны мембраной) может происходить с меньшими энергетическими затратами и в больших объемах. В четвертых, ионизационная камера может быть расположена внутри камеры преобразования и ее стенки являются мембранами, через которые водород диффундирует, не повреждая материала.Hydrogen (or rather, hydrogen nuclei — protons) was chosen as the working fluid of the membrane ion engine for the following reasons. Firstly, it is the lightest substance. Secondly, hydrogen is much cheaper than mercury and xenon. Thirdly, ionization of hydrogen (separation of atoms into protons and electrons by a membrane) can occur with lower energy costs and in large volumes. Fourth, the ionization chamber can be located inside the conversion chamber and its walls are membranes through which hydrogen diffuses without damaging the material.

Когда водород растворяется в металлах, могут происходить следующие процессы: образование отрицательно заряженных ионов водорода и, соответственно, гидридов металлов с изменением структуры и вида вещества (например, образование гидрида лития) либо образование положительных ионов водорода (протонов) без изменения структуры и вида вещества (например, диффузия водорода в титане, тантале, палладии, ванадии,…). Именно второй из описанных процессов представляет интерес и может быть использован для целей создания мембранного ионного двигателя.When hydrogen is dissolved in metals, the following processes can occur: the formation of negatively charged hydrogen ions and, accordingly, metal hydrides with a change in the structure and type of substance (for example, the formation of lithium hydride) or the formation of positive hydrogen ions (protons) without changing the structure and type of substance ( for example, hydrogen diffusion in titanium, tantalum, palladium, vanadium, ...). It is the second of the described processes that is of interest and can be used to create a membrane ion engine.

Как известно, при прохождении водорода под давлением сквозь металлические мембраны второго вида происходят последовательно следующие процессы: адсорбция («налипание» молекул), диссоциация (дробление молекул водорода на атомы), ионизация (разделение атома водорода на протоны и электроны), диффузия (прохождение протона кристаллические решетки мембраны), образование атомов (воссоединение протонов и электронов на другой стороне мембраны), рекомбинация (воссоединение атомов в молекулы), десорбция («отлипание» молекул водорода на другой стороне мембраны). Некоторые указанные процессы используются в технологиях топливных элементов: при прохождении водорода через мембранный электрод происходит его ионизация, и электроны, благодаря создаваемой разнице потенциалов, попадают в сеть и выполняют определенную работу, а после этого соединяются с атомами кислорода, и протонами на другом электроде.As is known, when hydrogen passes under pressure through metal membranes of the second kind, the following processes occur successively: adsorption (“sticking” of molecules), dissociation (fragmentation of hydrogen molecules into atoms), ionization (separation of a hydrogen atom into protons and electrons), diffusion (passage of a proton crystal lattices of the membrane), the formation of atoms (reunion of protons and electrons on the other side of the membrane), recombination (reunion of atoms into molecules), desorption ("detachment" of hydrogen molecules to another hundred ONET membrane). Some of these processes are used in fuel cell technologies: when hydrogen passes through a membrane electrode, it is ionized, and the electrons, due to the created potential difference, get into the network and do some work, and then connect with oxygen atoms and protons on another electrode.

В случае мембранного ионного двигателя водород, проходя через мембрану, также распадался бы на протоны и электроны. При этом, электроны удалялись бы с мембраны способом, аналогичным тем, какие используются в иных ионных двигателях для сбора и удаления электронов после бомбардировки и ионизации атомов ксенона в вакуумной ионизационной камере. Указанные электроны могут выводиться за пределы космического аппарата и выбрасываться в струю протонов, создаваемых мембранным ионным двигателем. На другой стороне мембраны появлялись бы протоны, не воссоединившиеся с электронами, которые разгонялись бы электростатически (с помощью сеток с разницей потенциалов), подобных сеткам, применяемым в обычных ионных двигателях либо благодаря эффекту Холла. Таким образом, отличие предлагаемого мембранного ионного двигателя от уже существующих ионных двигателей в способе получения рабочего тела (ионов газа - протонов, в нашем случае), а также в плотности указанного ионного газа. Представляется, что применяемые ранее методы ионизации (бомбардировка разреженного ксенона быстрыми электронами) не является энергетически выгодной и не позволяет создать высокое давление в камере ионизации. Так, энергия ионизации ксенона равна 12,13 эВ или 1170,0 кДж/моль. Для ионизации килограмма этого газа потребуется потратить 1170*1000/131=8931 кДж=2,4 кВт*ч. Ионизация водорода при прохождении через мембрану потребует следующих энергетических затрат: испарение и активация диффузии. Удельная теплота испарения килограмма водорода составляет 904 кДж=0,24 кВт*ч. Для растворения килограмма водорода в ванадии энергия активации диффузии равна 45 кДж=0,01 кВт*ч. Таким образом, суммарные энергетические затраты на ионизацию килограмма водорода с помощью мембраны равны всего лишь 0,25 кВт*ч (почти в 10 раз меньше, чем на ионизацию ксенона). Более того, прохождение водорода через некоторые металлы (например, палладий, тантал) является экзотермическим процессом (сопровождается выделением тепла), то есть сама мембрана будет нагреваться.In the case of a membrane ion engine, hydrogen passing through the membrane would also decay into protons and electrons. In this case, the electrons would be removed from the membrane in a manner similar to that used in other ion engines to collect and remove electrons after the bombardment and ionization of xenon atoms in a vacuum ionization chamber. These electrons can be removed outside the spacecraft and ejected into the jet of protons created by the membrane ion engine. On the other side of the membrane, protons would appear that did not reunite with electrons, which would accelerate electrostatically (using grids with potential difference), similar to grids used in conventional ion engines or due to the Hall effect. Thus, the difference between the proposed membrane ion engine and the existing ion engines in the method of obtaining the working fluid (gas ions - protons, in our case), as well as in the density of the specified ion gas. It seems that the ionization methods used earlier (bombardment of rarefied xenon by fast electrons) are not energetically favorable and do not allow creating high pressure in the ionization chamber. So, the ionization energy of xenon is 12.13 eV or 1170.0 kJ / mol. To ionize a kilogram of this gas, it will be necessary to spend 1170 * 1000/131 = 8931 kJ = 2.4 kW * h. Ionization of hydrogen during passage through the membrane will require the following energy costs: evaporation and activation of diffusion. The specific heat of vaporization of a kilogram of hydrogen is 904 kJ = 0.24 kW * h. To dissolve a kilogram of hydrogen in vanadium, the diffusion activation energy is 45 kJ = 0.01 kW * h. Thus, the total energy costs for ionizing a kilogram of hydrogen using a membrane are only 0.25 kWh (almost 10 times less than for xenon ionization). Moreover, the passage of hydrogen through some metals (for example, palladium, tantalum) is an exothermic process (accompanied by heat), that is, the membrane itself will heat up.

Представляется оптимальным хранить водород в жидком состоянии. Однако водород может использоваться и в связанном состоянии, например, в виде сжиженного метана. В обоих случаях и водород, и метан могут быть использованы еще и как хладагенты в сверхпроводящих индуктивных накопителях энергии (СПИНЭ), которые (наряду с аккумуляторами, солнечными батареями и другими источниками энергии) могут выступать источниками энергии мембранного ионного двигателя. Однако во втором случае потребуется не только испарение, но и расщепление метана в камере преобразования для того, чтобы получить газообразный водород под давлением. Технологии получения водорода из метана давно уже существуют, простейшая из них - это сильный нагрев метана.It seems optimal to store hydrogen in a liquid state. However, hydrogen can also be used in a bound state, for example, in the form of liquefied methane. In both cases, both hydrogen and methane can also be used as refrigerants in superconducting inductive energy storage devices (SPINE), which (along with batteries, solar panels and other energy sources) can act as energy sources of the membrane ion engine. However, in the second case, not only evaporation will be required, but also methane decomposition in the conversion chamber in order to obtain hydrogen gas under pressure. Technologies for producing hydrogen from methane have long existed, the simplest of them is the strong heating of methane.

СПИНЭ представляют собой замкнутые сверхпроводящие катушки индуктивности (соленоиды), погруженные в хладагент. Если такой соленоид намотан на тороидальную поверхность, то все линии магнитного поля содержатся внутри тора, и рассеяние магнитного поля за пределы тора и его влияние на какие либо электрические приборы практически исключается. Электрический ток, в таких катушках может циркулировать неограниченно долго. СПИНЭ запасает энергию магнитного поля.SPINES are closed superconducting inductors (solenoids) immersed in the refrigerant. If such a solenoid is wound on a toroidal surface, then all the lines of the magnetic field are contained inside the torus, and the scattering of the magnetic field outside the torus and its effect on any electrical devices is practically eliminated. Electric current in such coils can circulate indefinitely. SPINE stores the energy of a magnetic field.

Энергия СПИНЭ могла бы расходоваться частично на испарение и нагрев хладагента (жидкого водорода либо метана), поступающего в камеру преобразования из дополнительного бака либо поступающего из уже разряженного прежде СПИНЭ. Частично энергия СПИНЭ расходовалась бы на создание разницы потенциалов на сетках в ионизационной камере (для ускорения протонов), на обогрев мембраны и на удаление избытка электронов, образующихся на мембране. Таким образом, самый первый СПИНЭ в процессе электрической разрядки нагревал бы запас хладагента (например, водорода), поступающий в камеру преобразования из дополнительного бака. Водород в камере преобразования испарялся бы, создавал определенное давление и начинал проникать сквозь мембрану в ионизационную камеру, граничащую с камерой преобразования. Идеально было бы создать ионизационную камеру из материала мембран и расположить ионизационную камеру внутри камеры преобразования, оставив лишь выход для ионов (протонов). Тогда почти вся площадь ионизационной камеры была бы мембраной, через которую проходили бы протоны. Возможно также иное увеличение площади мембран, являющихся границей между камерой преобразования и ионизационной камерой. Материалом мембран может быть ванадий, покрытый тонкой пленкой палладия. Ванадий - металл, через который быстрее всего диффундируют протоны (через мембрану, толщиной d=1 мм при температуре Т=400 K и атмосферном давлении водород проходит всего за 1,2 секунды). Тонкое палладиевое напыление предохраняет поверхность ванадия от окисления. Процесс диффузии водорода через металлы зависит от природы металла, толщины стенки и связан с давлением газа и температурой металла следующим уравнением:The SPINE energy could be partially spent on the evaporation and heating of the refrigerant (liquid hydrogen or methane) entering the conversion chamber from an additional tank or coming from the previously discharged SPINE. Partially, the energy of SPINE would be spent on creating potential differences on the grids in the ionization chamber (to accelerate protons), on heating the membrane, and on removing excess electrons formed on the membrane. Thus, the very first SPINE in the process of electric discharge would heat up the supply of refrigerant (for example, hydrogen) entering the conversion chamber from an additional tank. Hydrogen in the conversion chamber would evaporate, create a certain pressure and begin to penetrate through the membrane into the ionization chamber adjacent to the conversion chamber. It would be ideal to create an ionization chamber from the membrane material and place the ionization chamber inside the conversion chamber, leaving only an exit for ions (protons). Then almost the entire area of the ionization chamber would be a membrane through which protons would pass. A different increase in the area of membranes, which are the boundary between the conversion chamber and the ionization chamber, is also possible. The membrane material may be vanadium coated with a thin palladium film. Vanadium is the metal through which protons diffuse most rapidly (through a membrane with a thickness of d = 1 mm at a temperature of T = 400 K and atmospheric pressure, hydrogen passes in just 1.2 seconds). Thin palladium spraying protects the vanadium surface from oxidation. The process of hydrogen diffusion through metals depends on the nature of the metal, wall thickness and is associated with the gas pressure and metal temperature by the following equation:

Figure 00000001
Figure 00000001

где V - объем диффундируемого газа; t - время диффузии; S - площадь диффузии; a и b - константы для данной пары металл - газ; d - толщина стенки; р - давление у поверхности металла, в которую входит газ; Т - абсолютная температура. Применительно к случаю мембранного ионного двигателя из формулы видно, что чем тоньше мембрана больше ее площадь и выше давление водорода в камере преобразования, тем больше протонов проходит в камеру ионизации. Таким образом, увеличивая площадь поверхности ионизационной камеры (она может быть увеличена, в очень больших пределах без изменения объема камеры, созданием любой прихотливой геометрии), уменьшая толщину ее стенок, уменьшая объем ионизационной камеры и увеличивая давление в камере преобразования можно добиться ситуации, когда давление протонов в ионизационной камере будет выше давления атмосферы, тем более, что частицы с одноименным зарядом (протоны) будут, благодаря кулоновским силам, создавать большее давление, чем обычный газ с той же атомной массой. Так, если, как уже упоминалось, при температуре 400 К водород проходит мембрану, толщиной 1 мм, за 1,2 секунды, то создав давление в камере преобразования в 700 атм, мы увеличим скорость прохождения указанной мембраны в корень квадратный из 700, или, примерно, в 26 раз. Это означает, что мембранный ионный двигатель сможет работать не только в космосе, но и обеспечивать старт космического корабля с земли. Протоны в ионизационной камере мембранного ионного двигателя могут быть разогнаны тем же способом, что и в обычном ионном двигателе, например, с помощью установки сеток, между которыми создается разность потенциалов. Пучок фотонов может, также как и в обычных ионных двигателях, концентрироваться кольцевыми магнитами, расположенными в камере ионизации (хотя в случае, если камера ионизации находится внутри камеры преобразования и выполнена из материала мембран, кольцевые магниты могут не применяться).where V is the volume of diffused gas; t is the diffusion time; S is the diffusion area; a and b are constants for a given metal-gas pair; d is the wall thickness; p is the pressure at the surface of the metal into which the gas enters; T is the absolute temperature. As applied to the case of a membrane ion engine, it can be seen from the formula that the thinner the membrane, its larger the area and the higher the pressure of hydrogen in the conversion chamber, the more protons pass into the ionization chamber. Thus, increasing the surface area of the ionization chamber (it can be increased, within very large limits, without changing the volume of the chamber, creating any whimsical geometry), reducing the thickness of its walls, decreasing the volume of the ionizing chamber and increasing the pressure in the conversion chamber, it is possible to achieve a situation where the pressure protons in the ionization chamber will be higher than atmospheric pressure, especially since particles with the same charge (protons), due to Coulomb forces, will create more pressure than ordinary gas with that ie atomic mass. So, if, as already mentioned, at a temperature of 400 K, hydrogen passes through a membrane 1 mm thick in 1.2 seconds, then by creating a pressure in the conversion chamber of 700 atm, we will increase the rate of passage of this membrane to the square root of 700, or, about 26 times. This means that the membrane ion engine can work not only in space, but also ensure the launch of the spacecraft from the earth. Protons in the ionization chamber of a membrane ion engine can be dispersed in the same way as in a conventional ion engine, for example, by installing grids between which a potential difference is created. The beam of photons can, as in conventional ionic engines, be concentrated by ring magnets located in the ionization chamber (although if the ionization chamber is inside the conversion chamber and is made of membrane material, ring magnets may not be used).

После разрядки первого СПИНЭ его обмотка уже не нуждается в хладагенте (жидком водороде) для перевода обмотки в сверхпроводящее состояние. Поэтому хладагент из разряженного СПИНЭ поступает в камеру преобразования, где его нагревает в процессе своей разрядки уже следующий СПИНЭ и так далее.After the first SPINE is discharged, its winding no longer needs refrigerant (liquid hydrogen) to transfer the winding to a superconducting state. Therefore, the refrigerant from the discharged SPINE enters the conversion chamber, where it is heated by the next SPINE during its discharge, and so on.

Нагрев хладагента в камере преобразования может производиться до той температуры и того давления, которого требуют конкретные условия полета. В случае если ионизационная камера находится внутри камеры преобразования, нагрев стенок камеры преобразования создавал бы двойной эффект. Во-первых, нагрев стенок, выполняющих роль мембран, увеличивал бы скорость диффузии протонов сквозь них. Во-вторых, некоторые стенки камеры ионизации являются частями камеры преобразования, и их нагрев способствует переводу впрыскиваемого жидкого водорода в газообразное состояние.The refrigerant can be heated in the conversion chamber to the temperature and pressure that specific flight conditions require. If the ionization chamber is located inside the conversion chamber, heating the walls of the conversion chamber would create a double effect. First, heating the walls acting as membranes would increase the rate of proton diffusion through them. Secondly, some walls of the ionization chamber are parts of the conversion chamber, and their heating helps to transfer the injected liquid hydrogen into a gaseous state.

Одним из перспективных сверхпроводящих материалов для изготовления сверхпроводящих обмоток катушки СПИНЭ мог бы являться материал на основе иттриевых купратов (обычно обозначается как «YBCO»). Плотность указанного вещества (p) составляет всего лишь 6,3 г/см3 (6300 кг/м3). Критическая температура сверхпроводимости (Тс) YBCO выше 100 К, критическое поле (Вс) может быть 70-100 Тл и выше. В указанном сверхпроводящем материале в настоящее время достигаются плотности критического тока (Jc) порядка 7×10^6 А/см2 (знаком «^» здесь и далее обозначается степень). Камера преобразования должна быть выполнена таким образом, чтобы выдерживать высокие внутренние давления. Внутри камеры преобразования располагается нагревательный элемент, благодаря которому магнитная энергия, запасенная в СПИНЭ либо выработанная солнечными батареями, преобразуется в тепло. Импульс тока от СПИНЭ может длиться в течение времени t=L/r, где L - индуктивность СПИНЭ, а r - сопротивление нагрузки. Импульс тока может быть также преобразован, выровнен или растянут инвертором, в том числе, постоянный ток может быть преобразован в переменный, если этого требует выбранный нагревательный элемент.One of the promising superconducting materials for the manufacture of superconducting windings of a SPINE coil could be material based on yttrium cuprates (usually referred to as “YBCO”). The density of the specified substance (p) is only 6.3 g / cm 3 (6300 kg / m 3 ). The critical temperature of superconductivity (TC) of YBCO is above 100 K, the critical field (BC) can be 70-100 T and above. In the indicated superconducting material, critical current densities (Jc) of the order of 7 × 10 ^ 6 A / cm 2 are currently achieved (the sign “^” hereinafter indicates the degree). The conversion chamber must be designed to withstand high internal pressures. A heating element is located inside the conversion chamber, due to which the magnetic energy stored in the SPINE or generated by solar panels is converted into heat. The current pulse from SPINE can last for a time t = L / r, where L is the inductance of the SPINE and r is the load resistance. The current pulse can also be converted, aligned or stretched by the inverter, including direct current can be converted to alternating current, if required by the selected heating element.

Нагревательный элемент в камере преобразования может быть выполнен в виде соленоида вокруг внешних стенок ионизационной камеры, ток в котором будет нарастать и затухать постепенно. Указанный нагревательный элемент может быть выполнен из материала, имеющего относительно высокое сопротивление, например, из графита.The heating element in the conversion chamber can be made in the form of a solenoid around the outer walls of the ionization chamber, in which the current will increase and decay gradually. The specified heating element may be made of a material having a relatively high resistance, for example, graphite.

На фиг. 1 отражена возможная схема конструкции Мембранного ионного двигателя.In FIG. 1 shows a possible design diagram of a membrane ion engine.

Первоначально, из водородного бака с жидким водородом (3) подается по криогенной трубе (2) жидкий водород в камеру преобразования (4). Одновременно, от источника питания, в данном случае, одного из СПИНЭ (1), подается напряжение: на нагревательный элемент (5) вокруг ионизационной камеры (6), на ускоряющие сетки в ионизационной камере (7) и на излучатель электронов (8). Вследствие этого, жидкий водород в камере преобразования (4) испаряется и создает давление. Под давлением ядра атомов водорода (протоны) проникают в ионизационную камеру (6), стенки которой выполнены из мембранного материала. Далее протоны электростатически разгоняются ускоряющими сетками (7), на которых образовалась разница потенциалов. Электроны со стенок ионизационной камеры удаляются благодаря соответствующей разнице потенциалов и излучаются излучателем электронов (8) в струю ускоренных протонов.Initially, from a hydrogen tank with liquid hydrogen (3), liquid hydrogen is supplied through a cryogenic pipe (2) to a conversion chamber (4). At the same time, voltage is supplied from the power source, in this case, one of the SPINE (1): to the heating element (5) around the ionization chamber (6), to accelerating grids in the ionization chamber (7) and to the electron emitter (8). As a result, liquid hydrogen in the conversion chamber (4) evaporates and creates pressure. Under pressure, the nuclei of hydrogen atoms (protons) penetrate the ionization chamber (6), the walls of which are made of membrane material. Further, protons are electrostatically accelerated by accelerating grids (7), on which a potential difference is formed. Electrons from the walls of the ionization chamber are removed due to the corresponding potential difference and are emitted by an electron emitter (8) into a stream of accelerated protons.

После того, как весь жидкий водород из бака с жидким водородом (3) израсходован, а первый СПИНЭ разряжен, жидкий водород, являвшийся хладагентом в этом первом СПИНЭ, поступает по криогенной трубе (2) в камеру преобразования (4) и весь процесс повторяется, с той разницей, что теперь энергия другого СПИНЭ расходуется на испарение водорода и создание разниц потенциалов.After all the liquid hydrogen from the liquid hydrogen tank (3) has been consumed and the first SPINE is discharged, the liquid hydrogen, which was the refrigerant in this first SPINE, enters through the cryogenic pipe (2) into the conversion chamber (4) and the whole process is repeated, with the difference that now the energy of another SPINE is spent on the evaporation of hydrogen and the creation of potential differences.

Произведем расчет энергии, генерируемой СПИНЭ из YBCO. Допустим, что сверхпроводящая тороидальная катушка находится в отсеке с жидким водородом, диаметр отсека 5 м и высота 3 м, при этом СПИНЭ создает магнитное поле с индукцией 30 Тл. Указанное поле заведомо меньше, чем Вс при данной температуре для YBCO. Тогда энергия такого СПИНЭ:Let us calculate the energy generated by SPINE from YBCO. Suppose that a superconducting toroidal coil is located in a compartment with liquid hydrogen, the diameter of the compartment is 5 m and a height of 3 m, while SPINE creates a magnetic field with an induction of 30 T. The indicated field is obviously less than Vs at a given temperature for YBCO. Then the energy of such a spin:

W=B2*V/2*μ*μ0=900*58,875/2*1,25*10^(-6)=21,195 ГДжW = B 2 * V / 2 * μ * μ 0 = 900 * 58.875 / 2 * 1.25 * 10 ^ (- 6) = 21.195 GJ

здесь В - значение магнитной индукции, V - объем тора, μ0 - магнитная проницаемость (для расчетов используем магнитную проницаемость вакуума μ0=1,25×10^(-6) Гн/м).here B is the value of magnetic induction, V is the volume of the torus, μ 0 is the magnetic permeability (for calculations, we use the magnetic permeability of the vacuum μ 0 = 1.25 × 10 ^ (- 6) GN / m).

Чем больше объем тора - тем большую энергию может запасти СПИНЭ.The larger the torus volume, the more energy SPINE can store.

Для того чтобы оценить массу и плотность энергии СПИНЭ из YBCO посчитаем массу провода (предположим, его сечение 1 см2 и по нему проходит ток, плотностью J=5*10^6A/см2, заведомо меньший Jc) из которого состоит обмотка СПИНЭ. Известно, что для соленоида энергия магнитного поля рассчитывается также по формуле:In order to estimate the mass and energy density of the SPINE from YBCO, we calculate the mass of the wire (suppose its cross section is 1 cm 2 and a current flows through it with a density J = 5 * 10 ^ 6A / cm 2 , obviously less than Jc) of which the SPINE winding consists. It is known that for a solenoid the magnetic field energy is also calculated by the formula:

W=L*I2/2, или L=2W/I2 W = L * I 2/2, or L = 2W / I 2

где I - сила тока, L - индуктивность соленоида. Индуктивность тороидального соленоида рассчитывается также по формуле:where I is the current strength, L is the inductance of the solenoid. The inductance of a toroidal solenoid is also calculated by the formula:

L=μ0*(D-d)*h*n2/(D+d),L = μ 0 * (Dd) * h * n 2 / (D + d),

где n - количество витков соленоида, D и d - внешний и внутренний диаметры тора, соответственно, h - высота тора. В нашем случае тор занимает весь цилиндрический отсек, тогда внутренний диаметр тора d стремится к нулю, отсюда:where n is the number of turns of the solenoid, D and d are the outer and inner diameters of the torus, respectively, h is the height of the torus. In our case, the torus occupies the entire cylindrical compartment, then the inner diameter of the torus d tends to zero, hence:

L=μ0*h*n2, отсюда: n2=L/ μ*h или через энергию W:L = μ 0 * h * n 2 , hence: n 2 = L / μ * h or through the energy W:

n2=2W/I20*h=2*21,195*10^9/25*10^12*1,25*10^(-6)*3=12,7n 2 = 2W / I 2 * μ 0 * h = 2 * 21.195 * 10 ^ 9/25 * 10 ^ 12 * 1.25 * 10 ^ (- 6) * 3 = 12.7

Подставляя в указанную формулу известные уже значения, получаем, что количество витков п равно, примерно, 12. В случае тора с прямоугольным сечением длина каждого витка тора равна сумме длин сторон (а и b) его сечения:Substituting the already known values into the above formula, we obtain that the number of turns of n is approximately 12. In the case of a torus with a rectangular section, the length of each turn of the torus is equal to the sum of the lengths of the sides (a and b) of its section:

2a+2b=2*2,5+2*3=11 м2a + 2b = 2 * 2.5 + 2 * 3 = 11 m

Всего 12 витков, тогда длина всех витков тора примерно равна 11*12=132 м. Тогда, объем сверхпроводящего провода равен произведению его сечения на его длину: 0,0001*132=0,0132 м3. Умножая полученный объем на плотность YBCO (6300 кг/м3), получаем примерную массу сверхпроводящего провода: 83,16 кг.Only 12 turns, then the length of all turns of the torus is approximately 11 * 12 = 132 m. Then, the volume of the superconducting wire is equal to the product of its cross section by its length: 0.0001 * 132 = 0.0132 m 3 . Multiplying the resulting volume by the density of YBCO (6300 kg / m 3 ), we obtain the approximate mass of the superconducting wire: 83.16 kg.

Вычисленная ранее энергия расходуется на испарение водорода, создание разницы потенциалов на сетках камеры ионизации и на излучателе электронов. Удельная теплота испарения водорода составляет 904 кДж/кг. Указанный отсек со сверхпроводящим проводом может заполняться полностью m=V*p=4121,25 кг жидкого водорода. Таким образом, для того, чтобы испарить весь водород в отсеке со СПИНЭ необходимо 4121,25*904=3,72 ГДж энергии СПИНЭ. Оставшиеся 17,475 ГДж энергии могут быть потрачены на создание разницы потенциалов на сетках ионизационной камеры и на удаление электронов с мембран ионизационной камеры.The previously calculated energy is spent on the evaporation of hydrogen, creating a potential difference on the grids of the ionization chamber and on the electron emitter. The specific heat of hydrogen evaporation is 904 kJ / kg. The specified compartment with a superconducting wire can be completely filled m = V * p = 4121.25 kg of liquid hydrogen. Thus, in order to evaporate all the hydrogen in the compartment with SPINE, it is necessary 4121.25 * 904 = 3.72 GJ of SPINE energy. The remaining 17.475 GJ of energy can be spent on creating potential differences on the grids of the ionization chamber and on removing electrons from the membranes of the ionization chamber.

Представляется, что чем легче заряженная частица - тем меньше энергии потребуется на ее ускорение. Масса протона превышает массу электрона почти в тысячу раз. Следовательно, энергией, требуемой для вывода электронов с мембран и выведение их излучателем в струю ускоренных протонов можно пренебречь в принципиальных расчетах и считать, что оставшаяся энергия расходуется на создание разницы потенциалов на ускоряющих сетках в ионизационной камере.It seems that the lighter a charged particle is, the less energy will be required to accelerate it. The mass of a proton exceeds the mass of an electron by almost a thousand times. Consequently, the energy required for the removal of electrons from the membranes and their removal by the emitter into a stream of accelerated protons can be neglected in the fundamental calculations and it can be assumed that the remaining energy is spent on creating a potential difference on the accelerating networks in the ionization chamber.

Для того чтобы оценить разность потенциалов на ускоряющих сетках используем формулу, связывающую энергию, напряжение и силу тока W=U*I*t. Тогда напряжение может быть определено по формуле:In order to estimate the potential difference on accelerating grids, we use the formula relating energy, voltage and current strength W = U * I * t. Then the voltage can be determined by the formula:

U=W/(I*t). В случае если цепь СПИНЭ разомкнуть и одновременно соединить с сетками в ионизационной камере, то в течение времени t на одной сетке возникнет отрицательный заряд, а на другой - положительный. В существующих ионных двигателях на ускоряющих сетках создается разность потенциалов, равная 1,3 кВ. Хотя, в случае мембранного ионного двигателя для ускорения протонов до той же скорости, что и положительно заряженных ионов ксенона потребуется гораздо меньшая разность потенциалов (вследствие того, что масса протона меньше массы ядра ксенона в 131 раз), рассчитаем, какое время заряда сеток потребуется. Из уже упомянутой формулы U=W/(I*t) получаем, t=W/(U*I)=2,7 секунды.U = W / (I * t). If the SPINE circuit is opened and simultaneously connected to the grids in the ionization chamber, then a negative charge will appear on one grid and a positive one on the other. In existing ion engines on accelerating grids, a potential difference of 1.3 kV is created. Although, in the case of a membrane ion engine, to accelerate protons to the same speed as positively charged xenon ions, a much smaller potential difference will be required (due to the fact that the proton mass is 131 times less than the mass of the xenon core), we calculate how long the charge of the grids will be required. From the already mentioned formula U = W / (I * t) we obtain t = W / (U * I) = 2.7 seconds.

Полезная модель может быть материализована путем создания мембранного ионного двигателя с источниками питания в виде СПИНЭ в форме тороидальных катушек (например, из YBCO), позволяющих накапливать и сохранять электрический ток порядка 5*10^6 А/см2. СПИНЭ будут помещены в отсеки с хладагентами (например, в жидкий водород). СПИНЭ соединяются посредством инверторов и электронно-управляемых электрических ключей с нагревательным элементом, находящимся в камере преобразования. В камеру преобразования из водородного бака или отсеков с разряженными СПИНЭ через криогенную трубу попадает хладагент (водород), который нагревается и испаряется, создавая давление. Далее водород попадает в мембраны, где происходит распад его атомов на электроны и протоны (ионизация). Электроны удаляются из мембран с помощью, электронных излучателей, которые выбрасывают их в протонную струю позади мембранного ионного двигателя. Протоны выделяются на другой стороне мембран и с помощью сеток с разностью потенциалов разгоняются и выбрасываются через сопло мембранного ионного двигателя.The utility model can be materialized by creating a membrane ion motor with power sources in the form of a SPINE in the form of toroidal coils (for example, from YBCO), which make it possible to accumulate and store an electric current of the order of 5 * 10 ^ 6 A / cm 2 . SPINEs will be placed in refrigerant compartments (for example, in liquid hydrogen). SPINE are connected by means of inverters and electronically controlled electrical keys to a heating element located in the conversion chamber. Refrigerant (hydrogen) enters the conversion chamber from a hydrogen tank or compartments with discharged SPINE through a cryogenic pipe, which is heated and evaporates, creating pressure. Then, hydrogen enters the membranes, where its atoms decay into electrons and protons (ionization). Electrons are removed from the membranes by electron emitters, which emit them into the proton jet behind the membrane ion engine. Protons are emitted on the other side of the membranes and, with the help of potential difference networks, they accelerate and are ejected through the nozzle of the membrane ion engine.

1. СПИНЭ (сверхпроводящий индуктивный накопитель энергии). Может являться тороидальным соленоидом из сверхпроводящего материала (например, YBCO). СПИНЭ может замыкаться посредством сверхпроводящих электронных ключей и соединяться с помощью таких же ключей и инверторов либо только с помощью указанных ключей с нагревательным элементом, ускорительными сетками, излучателем электронов. Каждый СПИНЭ находится в криогенном отсеке. Криогенные отсеки могут быть выполнены из тех же материалов, которые используются при производстве некоторых криогенных установок (например, оцинкованная сталь). Внутри криогенного отсека содержится хладагент (например, жидкий водород), который, является одновременно рабочим телом. Криогенный отсек соединяется с криогенной трубой, через которую рабочее тело (хладагент) закачивается в камеру преобразований.1. SPINE (superconducting inductive energy storage). It can be a toroidal solenoid made of a superconducting material (for example, YBCO). SPINE can be closed by means of superconducting electronic keys and connected using the same keys and inverters or only using these keys with a heating element, accelerator grids, an electron emitter. Each SPINE is located in a cryogenic compartment. Cryogenic compartments can be made of the same materials that are used in the manufacture of some cryogenic plants (for example, galvanized steel). Inside the cryogenic compartment contains refrigerant (for example, liquid hydrogen), which is also a working fluid. The cryogenic compartment is connected to the cryogenic pipe through which the working fluid (refrigerant) is pumped into the transformation chamber.

2. Криогенная труба для хладагента может иметь двойные стальные стенки, разделенные вакуумом. Труба соединяется с клапаном (либо клапанами) криогенных отсеков, через которые хладагент всасывается насосом внутри трубы и попадает через еще один клапан в камеру преобразования.2. The cryogenic refrigerant pipe may have double steel walls separated by vacuum. The pipe is connected to the valve (or valves) of the cryogenic compartments, through which the refrigerant is absorbed by the pump inside the pipe and enters through the valve into the conversion chamber.

3. Водородный бак для хранения жидкого водорода может быть выполнен из стали либо из алюминия, усиленного карбоном. Водородный бак соединен через клапан с криогенной трубой.3. The hydrogen tank for storing liquid hydrogen can be made of steel or aluminum, reinforced with carbon. The hydrogen tank is connected through a valve to a cryogenic pipe.

4. Камера преобразования может быть изготовлена из оцинкованного алюминия, усиленного карбоном. Камера преобразования может быть соединена с криогенной трубой. Внутри камеры преобразований расположена ионизационная камера и нагревательный элемент.4. The conversion chamber can be made of galvanized aluminum reinforced with carbon. The conversion chamber may be connected to a cryogenic pipe. Inside the transformation chamber there is an ionization chamber and a heating element.

5. Нагревательный элемент может представлять собой спираль вокруг ионизационной камеры, выполненную из тугоплавкого материала (например, вольфрам), покрытого материалом, в котором не растворяется водород, например, цинком.5. The heating element may be a spiral around the ionization chamber made of a refractory material (for example, tungsten) coated with a material in which hydrogen is not soluble, for example, zinc.

6. Ионизационная камера находится внутри камеры преобразований. Ионизационная камера имеет максимальную площадь при минимальном для такой площади и наружном давлении объеме. Ионизационная камера изготовлена из материала, хорошо пропускающего ядра водорода (протоны), например, ванадия покрытого палладиевой пленкой. Вокруг ионизационной камеры располагается спираль нагревательного элемента. Внутри ионизационной камеры находятся ускоряющие сетки и могут находиться круговые фокусирующие магниты. Ионизационная камера соединена с соплом.6. The ionization chamber is located inside the transformation chamber. The ionization chamber has a maximum area with a minimum volume for such an area and external pressure. The ionization chamber is made of a material that transmits hydrogen nuclei (protons), for example, vanadium coated with a palladium film. Around the ionization chamber is a spiral of the heating element. Accelerating grids are located inside the ionization chamber and there may be circular focusing magnets. The ionization chamber is connected to the nozzle.

7. Ускоряющие сетки находятся внутри ионизационной камеры у сопла. Изготавливаются из материалов, хорошо проводящих электрический ток, покрытых металлами, не абсорбирующими водород, например, цинком.7. Accelerating nets are located inside the ionization chamber at the nozzle. They are made of materials that conduct electricity well, coated with metals that do not absorb hydrogen, such as zinc.

8. Излучатель электронов соединен с ионизационной камерой и может представлять собой электронную пушку, где катод, подвергающийся нагреву находится за пределами космического корабля. Анод разгоняет электроны и направляет их в струю протонов, разгоняемых ускоряющими сетками и выбрасываемых из мембранного ионного двигателя.8. The electron emitter is connected to the ionization chamber and can be an electron gun, where the cathode subjected to heating is located outside the spacecraft. The anode accelerates the electrons and directs them into a stream of protons, accelerated by accelerating grids and ejected from the membrane ion engine.

При старте мембранного ионного из водородного бака с жидким водородом жидкий водород подается по криогенной трубе в камеру преобразования. От первого СПИНЭ подается напряжение: на нагревательный элемент и на ускоряющие сетки в ионизационной камере, а также на излучатель электронов. Жидкий водород в камере преобразования испаряется и создает давление. Под давлением протоны проникают в ионизационную камеру. После этого протоны разгоняются ускоряющими сетками. Электроны со стенок ионизационной камеры удаляются и излучаются излучателем электронов в струю ускоренных протонов. После того, как весь жидкий водород из бака с жидким водородом израсходован, а первый СПИНЭ разряжен, жидкий водород, являвшийся хладагентом в этом первом СПИНЭ, поступает по криогенной трубе в камеру преобразования и весь процесс повторяется, с той разницей, что теперь энергия другого СПИНЭ расходуется на испарение водорода и создание разниц потенциалов.When starting an ionic membrane from a hydrogen tank with liquid hydrogen, liquid hydrogen is supplied through a cryogenic pipe to the conversion chamber. Voltage is supplied from the first SPINE: to the heating element and to the accelerating grids in the ionization chamber, as well as to the electron emitter. Liquid hydrogen in the conversion chamber evaporates and creates pressure. Under pressure, the protons penetrate the ionization chamber. After this, the protons are accelerated by accelerating grids. Electrons from the walls of the ionization chamber are removed and emitted by an electron emitter into a stream of accelerated protons. After all the liquid hydrogen from the liquid hydrogen tank has been consumed and the first SPINE is discharged, the liquid hydrogen, which was the refrigerant in this first SPINE, enters the conversion chamber through a cryogenic pipe and the whole process repeats, with the difference that now the energy of another SPINE spent on the evaporation of hydrogen and the creation of potential differences.

Таким образом, полезная модель «Мембранный ионный двигатель» позволяет создать ракетный двигатель, который является достаточно простым в управлении, легким, экологическим, безопасным и дешевым в эксплуатации и обладает высоким КПД.Thus, the utility model "Membrane ion engine" allows you to create a rocket engine, which is quite easy to manage, lightweight, environmentally friendly, safe and cheap to operate and has high efficiency.

Claims (3)

1. Мембранный ионный двигатель (МИД), содержащий камеру преобразования, в которой находится нагревательный элемент, ионизационную камеру, имеющую стенку в виде мембраны, проходя через которую молекулы водорода распадаются на атомы, затем атомы водорода оставляют на поверхности мембраны электроны, которые принудительно удаляются с поверхности мембраны; а протоны проходят сквозь мембрану, принудительно ускоряются и выбрасываются, создавая реактивную тягу, и излучатель электронов, отличающийся тем, что источниками электроэнергии МИД являются сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИНЭ).1. A membrane ion engine (MID) containing a conversion chamber in which the heating element is located, an ionization chamber having a membrane wall, passing through which hydrogen molecules decay into atoms, then hydrogen atoms leave electrons on the membrane surface that are forcibly removed from membrane surface; and protons pass through the membrane, are forced to accelerate and are ejected, creating reactive thrust, and an electron emitter, characterized in that the sources of MFA electricity are superconducting inductive energy storage devices (SPINE). 2. Мембранный ионный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что СПИНЭ погружены в хладагент из жидкого водорода, который используется для нагрева в камере преобразования и ионизации с помощью мембран.2. The membrane ion engine according to claim 1, characterized in that the SPINE are immersed in a refrigerant of liquid hydrogen, which is used for heating in the conversion chamber and ionization using membranes. 3. Мембранный ионный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что СПИНЭ погружены в хладагент из жидкого метана, который используется для нагрева и получения водорода в камере преобразования и ионизации водорода с помощью мембран.3. The membrane ion engine according to claim 1, characterized in that the SPINE are immersed in a refrigerant of liquid methane, which is used to heat and produce hydrogen in the hydrogen conversion and ionization chamber using membranes.
RU2016144711U 2016-11-15 2016-11-15 MEMBRANE ION ENGINE RU173324U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016144711U RU173324U1 (en) 2016-11-15 2016-11-15 MEMBRANE ION ENGINE

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016144711U RU173324U1 (en) 2016-11-15 2016-11-15 MEMBRANE ION ENGINE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU173324U1 true RU173324U1 (en) 2017-08-22

Family

ID=59745047

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016144711U RU173324U1 (en) 2016-11-15 2016-11-15 MEMBRANE ION ENGINE

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU173324U1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1272383A (en) * 1969-07-01 1972-04-26 Euratom Ion propulsion unit
RU2046210C1 (en) * 1992-10-05 1995-10-20 Игорь Глебович Богданов Electric rocket engine
RU2099572C1 (en) * 1995-01-16 1997-12-20 Козлов Николай Степанович Plasma-jet engine
RU2003114778A (en) * 2003-05-19 2004-11-20 Леонид Иванович Кириллов (RU) SPACE ENGINE
RU158759U1 (en) * 2014-10-24 2016-01-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) ION-PLASMA ENGINE

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1272383A (en) * 1969-07-01 1972-04-26 Euratom Ion propulsion unit
RU2046210C1 (en) * 1992-10-05 1995-10-20 Игорь Глебович Богданов Electric rocket engine
RU2099572C1 (en) * 1995-01-16 1997-12-20 Козлов Николай Степанович Plasma-jet engine
RU2003114778A (en) * 2003-05-19 2004-11-20 Леонид Иванович Кириллов (RU) SPACE ENGINE
RU158759U1 (en) * 2014-10-24 2016-01-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" (МАИ) ION-PLASMA ENGINE

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГРИШИН С.Д. и др. Электрические ракетные двигатели, М., Машиностроение, 1975, с. 60-64. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7509795B2 (en) Systems and methods for plasma propulsion
US7395656B2 (en) Dual mode hybrid electric thruster
US9657725B2 (en) Ion thruster
US6121569A (en) Plasma jet source using an inertial electrostatic confinement discharge plasma
Garrigues et al. Electric propulsion: comparisons between different concepts
RU173324U1 (en) MEMBRANE ION ENGINE
Kirtley et al. Steady operation of an FRC thruster on Martian atmosphere and liquid water propellants
US20220412329A1 (en) Ion jet engine system and associated method(s)
RU2682962C1 (en) Ionic rocket engine of spacecraft
Sheth Spacecraft Electric Propulsion–A review
Gorshkov et al. Development of high power magnetoplasmadynamic thrusters in the USSR
Zhil’tsov et al. Fusion and Space
Semyonov Relativistic rocket: Dream and reality
Chang Diaz et al. An overview of the VASIMR® engine
RU2776324C1 (en) Ramjet relativistic engine
Vatrich Perspective Development of Rocket and Space Engines
RU175004U1 (en) CASCADE SUPERCONDUCTOR ROCKET ENGINE
Ray Characterization of advanced electric propulsion systems
Bussard Ph. D An advanced fusion energy system for outer-planet space propulsion
US20240347218A1 (en) System and Method to Employ Centrifugal Confinement Fusion for In-Space Propulsion and Power Generation
Grigoryan Ion sources for space thrusters
Tahara et al. Research and development of high-efflciency and high-performance electric rocket engines for future space missions at osaka institute of technology
Slough et al. Magnetically accelerated plasmoid (MAP) thruster-initial results and future plans
Turchi et al. High-Energy Density Electromechanical Thruster Based on Stabilized Liner Compression of Plasma
Webber Plasma, Ion-Thrusters, and VASIMR

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20191116