RU2191292C2

RU2191292C2 - Method of creation of reactive thrust in space

Info

Publication number: RU2191292C2
Application number: RU2000132886A
Authority: RU
Inventors: Б.А. Архипов; Владимир Ким; В.И. Козлов; А.И. Корякин; В.М. Мурашко; А.Н. Нестеренко; Г.А. Попов; А.И. Скрыльников
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2002-10-20

Abstract

FIELD: creation of reactive thrust in space by means of electron closed drift accelerator. SUBSTANCE: proposed method is realized through supply of working gas to circular accelerating channel formed by outer and inner walls of discharge chamber of electron closed drift accelerator, creating the magnetic flux in working zone of accelerating channel at its output at preferred direction of induction from one wall of discharge chamber to other wall, initiating and maintaining electric discharge in working gas flow in accelerating channel between circular anode located inside accelerating channel and cathode located outside accelerating channel; they are arranged in such way that said working zone of accelerating channel is located between anode and cathode. Magnetic flux is formed by means of magnetic system as a rule including poles, magnetizing coils and magnetic circuit. Proposed method is based on use of industrial krypton-xenon mixture as working gas at volumetric content of oxygen and nitrogen not exceeding in sum 10% of volume of mixture. Use of such mixture makes it possible to obtain similar thrust as during operation on pure krypton and at some modes close to thrust efficiency of engine working on xenon, thus making it possible to use this mixture instead of xenon. Since said mixture is cheaper than pure xenon by approximately 15 times and is cheaper than krypton by 2 to 3 times, cost of working gas charged in engine plant and cost of working gas consumed for surface tests and protracted service life tests of engine is considerably reduced. EFFECT: considerable reduction of cost of charged engine plants delivered to spacecraft. 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области техники ускорения потоков плазмы и может быть использовано при разработке и применении электроракетных двигателей (ЭРД) на основе так называемых ускорителей с замкнутым дрейфом электронов (УЗД) [1]. The present invention relates to the field of plasma flow acceleration technology and can be used in the development and application of electric rocket engines (ERE) based on the so-called accelerators with closed electron drift (SPD) [1].

Один из вариантов УЗД (фиг. 1) с протяженной зоной ускорения (УЗДП) содержит обычно анод-газораспределитель 1, катод-компенсатор 2, разрядную камеру 3, выполненную из керамического материала, магнитную систему с наружным полюсом 4, катушками 5, центральным (внутренним) полюсом 6, фланцем 7 из магнитомягкого материала. One of the options for SPL (Fig. 1) with an extended acceleration zone (SPL) usually contains an anode-gas distributor 1, a cathode-compensator 2, a discharge chamber 3 made of ceramic material, a magnetic system with an outer pole 4, coils 5, central (inner) ) pole 6, flange 7 of soft magnetic material.

Работает этот ускоритель следующим образом. В кольцевой ускорительный канал, образованный стенками разрядной камеры 8 и 9, обычно через анод-газораспределитель 1 подается рабочий газ (например, ксенон), который равномерно распределяется в ускорительном канале, благодаря кольцевой геометрии анода и специальной организации движения газа в нем. В ускорительном канале создается квазирадиальное (с индукцией, направленной от одной стенки разрядной камеры к другой) магнитное поле. Катод 2 является источником электронов и содержит обычно подогретый эмиттер электронов с полостью, в которой зажигается разряд для создания плазменного мостика, снижающего потери на транспортировку электронов от эмиттера во внешнее пространство. Между анодом и катодом зажигается разряд, горящий в скрещенных электрическом (с напряженностью

) и магнитном (с индукцией

) полях. Усредненное движение электронов в скрещенных

полях (дрейф) происходит преимущественно по азимуту, перпендикулярно

и

векторам, поэтому их траектории оказываются почти замкнутыми, чем объясняется название ускорителя.This accelerator works as follows. In the annular accelerator channel formed by the walls of the discharge chamber 8 and 9, usually through the anode-gas distributor 1 is supplied working gas (for example, xenon), which is evenly distributed in the accelerator channel due to the ring geometry of the anode and the special organization of gas movement in it. A quasi-radial (with induction directed from one wall of the discharge chamber to another) magnetic field is created in the accelerator channel. Cathode 2 is a source of electrons and usually contains a heated electron emitter with a cavity in which a discharge is ignited to create a plasma bridge that reduces the loss of electron transport from the emitter to the outside. Between the anode and cathode, a discharge is ignited, burning in a crossed electric (with tension

) and magnetic (with induction

) fields. Averaged electron motion in crossed

fields (drift) occurs mainly in azimuth, perpendicular

and

vectors, therefore their trajectories are almost closed, which explains the name of the accelerator.

При столкновениях электронов с тяжелыми частицами и стенками канала происходит рассеяние дрейфовой составляющей их скорости и смещение электронов к аноду, что соответствует переводу дрейфовой составляющей скорости в тепловую (нагрев электронов), а при смещении электроны приобретают от электрического поля энергию, которая идет на нагрев электронов. На рабочих режимах работы УЗДП электроны приобретают энергию, достаточную для эффективной ионизации атомов газа, так что на выходе из ускорителя удается получить практически полное преобразование потока атомов в поток ионов. In collisions of electrons with heavy particles and channel walls, the drift component of their velocity is scattered and the electrons move to the anode, which corresponds to the translation of the drift component of the velocity into the thermal (heating of electrons), and when displaced, the electrons acquire energy from the electric field, which is used to heat the electrons. At the operating modes of operation of the SPD, the electrons acquire energy sufficient for the effective ionization of gas atoms, so that at the exit from the accelerator it is possible to obtain an almost complete conversion of the atom flux into an ion flux.

Образовавшиеся в ускорительном канале ионы ускоряются до скоростей, соответствующих пройденной ими разнице потенциалов ΔФ, т.е. приобретают энергию q_i•ΔФ, где q_i - заряд иона. Максимальное значение ΔФ соответствует приложенной между анодом и катодом разнице потенциалов - разрядному напряжению U_d. Диапазон скоростей, характерных для одноступенчатого УЗДП, составляет (10-30) км/с, что при работе на ксеноне соответствует значениям U_d=(100-1000) В.The ions formed in the accelerating channel are accelerated to velocities corresponding to the potential difference ΔФ passed by them, i.e. acquire energy q _i • ΔФ, where q _i is the ion charge. The maximum value of ΔF corresponds to the potential difference applied between the anode and cathode - the discharge voltage U _d . The range of speeds characteristic of a single-stage ultrasonic diffuser is (10-30) km / s, which when working on xenon corresponds to U _d = (100-1000) V.

Аналогичным образом работает и так называемый ускоритель с анодным слоем (УАС), представляющий собой вторую разновидность УЗД. The so-called anode layer accelerator (UAS), which is the second type of ultrasound, works in a similar way.

Таким образом, известный способ создания реактивной тяги в космосе с помощью УЗД сводится к подаче рабочего газа в кольцевой ускорительный канал, образованный наружной и внутренней стенками разрядной камеры, созданию в рабочей зоне ускорительного канала магнитного поля с преимущественным направлением индукции магнитного поля от одной стенки упомянутой разрядной камеры к другой, зажиганию и поддержанию электрического разряда в потоке газа, движущемся в ускорительном канале, между кольцевым анодом, расположенным внутри ускорительного канала, и катодом, расположенным вне ускорительного канала, размещенными таким образом, чтобы рабочая зона ускорительного канала располагалась между анодом и катодом [1]. Thus, the known method of creating reactive thrust in space using SPL is reduced to supplying working gas to the annular accelerator channel formed by the outer and inner walls of the discharge chamber, creating a magnetic field in the accelerator channel’s working zone with the preferred magnetic field induction from one wall of the discharge chamber to another, ignition and maintenance of an electric discharge in the gas flow moving in the accelerator channel, between the annular anode located inside the accelerator channel, and a cathode located outside the accelerator channel, placed so that the working zone of the accelerator channel is located between the anode and cathode [1].

Недостатком известного способа является то, что при его реализации используется дорогостоящий газ - ксенон. Поэтому изучались и изучаются возможности замены ксенона на другие газы (криптон, аргон и др.). Так, например, переход на криптон позволяет снизить стоимость запаса рабочего газа примерно в 5 раз. Но проблема состоит в том, что при работе на криптоне уровень тяговой эффективности заметно (на 5-15%) ниже, чем на ксеноне. Такой уровень тяговой эффективности приемлем для решения ряда практических задач. Но, если необходим более высокий уровень тяговой эффективности, то возможна добавка некоторого количества ксенона к криптону. При этом с увеличением доли ксенона, как показали исследования авторов, тяговая эффективность ускорителя увеличивается по мере увеличения доли ксенона в смеси от уровня, характерного для криптона, до уровня, характерного для ксенона. Но при этом, чем выше доля ксенона в смеси, тем дороже рабочий газ. И разработчик ЭРДУ может принять решение о выборе конкретного варианта смеси с учетом задач разработки конкретного двигателя. The disadvantage of this method is that its implementation uses an expensive gas - xenon. Therefore, the possibilities of replacing xenon with other gases (krypton, argon, etc.) have been studied and are being studied. So, for example, the transition to krypton can reduce the cost of a working gas reserve by about 5 times. But the problem is that when working on krypton, the level of traction efficiency is noticeably (5-15%) lower than on xenon. This level of traction efficiency is acceptable for solving a number of practical problems. But, if a higher level of traction efficiency is needed, then some xenon can be added to krypton. Moreover, with an increase in the proportion of xenon, as shown by the authors, the traction efficiency of the accelerator increases as the proportion of xenon in the mixture increases from the level characteristic of krypton to the level characteristic of xenon. But at the same time, the higher the proportion of xenon in the mixture, the more expensive the working gas. And the developer of the electric propulsion system can decide on the choice of a specific mixture variant taking into account the tasks of developing a specific engine.

К сказанному следует добавить, что при переходе на более дешевый рабочий газ снижается не только стоимость заправляемого в ЭРДУ газа, но и стоимость двигателя. Дело в том, что значительную часть стоимости двигателя составляет стоимость наземной отработки и, в частности, стоимость длительных ресурсных испытаний двигателя и ЭРДУ. Так, современные УЗДП имеют ресурс ~ 8000 часов и более, и подтверждение такого ресурса осуществляется, как правило, прямыми ресурсными испытаниями, по крайней мере, нескольких образцов двигателя. При этом стоимость основного современного газа для УЗД - ксенона составляет при проведении ресурсных испытаний до 50% общей стоимости таких испытаний. Так, при испытаниях современного двигателя типа СПД-100 расходуется ~3,6 л/час ксенона. Современная цена литра (при нормальных условиях) ксенона составляет ~ (6-8) долларов в зависимости от поставщика. Таким образом, стоимость ксенона для 8000-часовых испытаний (без его регенерации) составляет ~200 000 $, т. е. очень значительна. Поэтому замена ксенона, например, на криптон позволяет не только снизить стоимость заправляемого в ЭРДУ газа, но и существенно снизить стоимость наземной отработки, а следовательно, и стоимость двигателя, если его наземная отработка сразу осуществляется на новом рабочем газе. It should be added to the above that when switching to a cheaper working gas, not only the cost of gas refueling in the electric propulsion system decreases, but also the cost of the engine. The fact is that a significant part of the cost of the engine is the cost of ground mining and, in particular, the cost of long-term life tests of the engine and the engine. So, modern ultrasonic testing devices have a resource of ~ 8000 hours or more, and confirmation of such a resource is carried out, as a rule, by direct resource tests of at least several engine samples. At the same time, the cost of the main modern gas for ultrasonic testing - xenon - up to 50% of the total cost of such tests during life tests. So, when testing a modern engine of the SPD-100 type, ~ 3.6 l / h of xenon is consumed. The current price of a liter (under normal conditions) of xenon is ~ (6-8) dollars, depending on the supplier. Thus, the cost of xenon for 8000-hour tests (without its regeneration) is ~ $ 200,000, that is, it is very significant. Therefore, replacing xenon, for example, with krypton, can not only reduce the cost of gas refueling in an electric propulsion system, but also significantly reduce the cost of surface mining, and therefore the cost of the engine, if ground processing is immediately carried out on a new working gas.

Целью изобретения является снижение стоимости ЭРДУ на основе УЗД. Эта цель достигается тем, что в способе создания реактивной тяги в космосе с помощью ускорителя с замкнутым дрейфом электронов (УЗД) путем подачи рабочего газа в кольцевой ускорительный канал, образованный наружной и внутренней стенками разрядной камеры УЗД, создания в рабочей зоне ускорительного канала у его выхода магнитного поля с преимущественным направлением индукции от одной стенки разрядной камеры к другой, зажигания и поддержания электрического разряда в потоке газа, движущемся в ускорительном канале, между кольцевым анодом, расположенным внутри ускорительного канала, и катодом, расположенным вне ускорительного канала, размещенными таким образом, что рабочая зона ускорительного канала располагается между катодом и анодом, в качестве рабочего газа используют промышленно производимую (продукционную) смесь криптона с ксеноном с объемным содержанием примесей кислорода и азота, в сумме не превышающим 10%. The aim of the invention is to reduce the cost of electric propulsion based on ultrasound. This goal is achieved by the fact that in the method of creating reactive thrust in space using an accelerator with a closed electron drift (SPL) by supplying a working gas to the annular accelerator channel formed by the outer and inner walls of the discharge chamber of the SPL, creating an accelerating channel at its exit in the working zone magnetic field with a predominant direction of induction from one wall of the discharge chamber to another, ignition and maintenance of an electric discharge in the gas flow moving in the accelerating channel between the annular anode, located inside the accelerator channel, and a cathode located outside the accelerator channel, arranged so that the working zone of the accelerator channel is located between the cathode and the anode, an industrially produced (production) mixture of krypton with xenon with a volume content of oxygen and nitrogen impurities is used as a working gas, in the amount not exceeding 10%.

Стоимость продукционной смеси криптона и ксенона примерно в 15 раз ниже, чем стоимость чистого продукционного ксенона и в (2-3) раза ниже, чем стоимость чистого продукционного криптона. Поэтому, по крайней мере, для задач, для которых приемлем уровень тяговой эффективности на криптоне, возможен переход на продукционную смесь криптона с ксеноном, если уровень тяговой эффективности на этой смеси будет близок к уровню тяговой эффективности на криптоне. Дело в том, что продукционная криптоно-ксеноновая смесь содержит достаточно большой процент примесей азота и кислорода, которые, как правило, снижают тяговую эффективность. Из-за этого такая смесь ранее не рассматривалась в качестве рабочего газа для УЗД. The cost of the production mixture of krypton and xenon is approximately 15 times lower than the cost of pure production xenon and (2-3) times lower than the cost of pure production krypton. Therefore, at least for tasks for which the level of traction efficiency on krypton is acceptable, a transition to a production mixture of krypton with xenon is possible if the level of traction efficiency on this mixture is close to the level of traction efficiency on krypton. The fact is that the production krypton-xenon mixture contains a rather large percentage of nitrogen and oxygen impurities, which, as a rule, reduce traction efficiency. Because of this, such a mixture was not previously considered as a working gas for ultrasonic testing.

Но проведенные авторами исследования показали, что при объемном содержании азота или воздуха в криптоно-ксеноновой смеси до 10%, тяговая эффективность двигателя на смеси на ряде режимов работы, представляющих интерес, практически не отличается от тяговой эффективности двигателя на криптоне (фиг. 2, 3), а значения удельного импульса получаются заметно выше, чем в случае криптона (фиг. 3). Больше того, на отдельных режимах при работе на продукционной криптоно-ксеноновой смеси получаются характеристики, близкие к характеристикам двигателя на ксеноне (фиг. 4). Таким образом, при использовании таких режимов работ продукционная криптоно-ксеноновая смесь может успешно заменить не только криптон, но и ксенон. При этом, как уже отмечалось, содержание в ней примесей кислорода и азота не должно в сумме превышать 10% по объему, и продукционная смесь удовлетворяет этому условию [2]. But the studies conducted by the authors showed that when the volumetric content of nitrogen or air in the krypton-xenon mixture is up to 10%, the traction efficiency of the engine on the mixture in a number of operating modes of interest is practically the same as the traction efficiency of the engine on krypton (Fig. 2, 3 ), and the specific impulse values are significantly higher than in the case of krypton (Fig. 3). Moreover, in separate modes when working on a production krypton-xenon mixture, characteristics close to those of an xenon engine are obtained (Fig. 4). Thus, when using these operating modes, production krypton-xenon mixture can successfully replace not only krypton, but also xenon. Moreover, as already noted, the content of oxygen and nitrogen impurities in it should not total more than 10% by volume, and the production mixture satisfies this condition [2].

В целом, полученные данные свидетельствуют о том, что при работе на продукционной криптоно-ксеноновой смеси получен качественно новый эффект, не наблюдавшийся ранее при работе на смеси чистых криптона и ксенона. Использование этого эффекта позволяет примерно в 15 раз снизить стоимость рабочего газа при переходе от ксенона к продукционной криптоно-ксеноновой смеси и в 2-3 раза - при переходе от использования чистого криптона к указанной смеси. В свою очередь, это позволяет существенно снизить стоимость рабочего газа при наземной отработке двигателя и, соответственно, стоимость двигателя, а также стоимость рабочего газа, заправляемого в ЭРДУ. In general, the data obtained indicate that when working on a production krypton-xenon mixture, a qualitatively new effect was obtained that was not previously observed when working on a mixture of pure krypton and xenon. Using this effect allows reducing the cost of the working gas by about 15 times during the transition from xenon to the production krypton-xenon mixture and by 2-3 times when switching from using pure krypton to the specified mixture. In turn, this allows to significantly reduce the cost of working gas during ground-based engine development and, accordingly, the cost of the engine, as well as the cost of working gas refueling in the engine.

К сказанному следует добавить, что наличие примесей кислорода и азота может снизить масштабы изменения характеристик УЗДП во времени, наблюдавшиеся при ресурсных испытаниях и обусловленные изменением свойств стенок разрядной камеры из-за напыления на них распыленных ускоренными ионами продуктов диссоциации химических соединений, образующих керамические стенки разрядной камеры. Так, материал разрядной камеры современных УЗДП содержит в качестве базовых соединения BN и SiO₂. При их диссоциации образуются атомы Si и В, которые осаждаются на поверхности стенок разрядной камеры, не подвергающиеся значительной бомбардировке ионами, существенно изменяя их свойства. Примесные атомы и ионы кислорода и азота, попадая на поверхность напыленной пленки, будут восстанавливать химические соединения (BN и SiO₂), сохраняя свойства поверхности и повышая стабильность характеристик двигателя во времени.To the above, it should be added that the presence of oxygen and nitrogen impurities can reduce the scale of the change in the characteristics of the SPD over time, observed during life tests and due to a change in the properties of the walls of the discharge chamber due to the spraying on them of the products of dissociation of chemical compounds sprayed by accelerated ions that form the ceramic walls of the discharge chamber . So, the material of the discharge chamber of modern USPD contains BN and SiO ₂ as base compounds. During their dissociation, Si and B atoms are formed, which are deposited on the surface of the walls of the discharge chamber, not subjected to significant bombardment by ions, significantly changing their properties. Impurity atoms and ions of oxygen and nitrogen, falling on the surface of the sprayed film, will restore chemical compounds (BN and SiO ₂ ), preserving the surface properties and increasing the stability of engine characteristics over time.

Реализация предлагаемого способа сводится к тому, что в известном способе создания реактивной тяги в космосе с помощью ускорителя с замкнутым дрейфом электронов (УЗД) путем подачи рабочего газа в кольцевой ускорительный канал УЗД, образованный наружной и внутренней стенками разрядной камеры, создания в рабочей зоне ускорительного канала магнитного поля с преимущественным направлением магнитного поля от одной стенки упомянутой разрядной камеры к другой, зажигания и поддержания электрического разряда в потоке газа, движущемся в ускорительном канале, между кольцевым анодом, расположенным внутри ускорительного канала, и катодом, расположенным вне ускорительного канала, размещаемыми таким образом, что рабочая зона ускорительного канала располагается между анодом и катодом, в качестве рабочего газа используют продукционную криптоно-ксеноновую смесь с объемным содержанием примесей кислорода и азота, в сумме не превышающим 10% от объема смеси. The implementation of the proposed method boils down to the fact that in the known method of creating reactive thrust in space using an accelerator with a closed electron drift (SPL) by supplying a working gas to the annular accelerator channel of the SPL formed by the outer and inner walls of the discharge chamber, creating an accelerator channel in the working zone magnetic field with a predominant direction of the magnetic field from one wall of the aforementioned discharge chamber to another, ignition and maintenance of an electric discharge in a gas stream moving in an accelerator channel between the annular anode located inside the accelerator channel and the cathode located outside the accelerator channel, placed so that the working zone of the accelerator channel is located between the anode and cathode, production krypton-xenon mixture with a volume content of oxygen impurities is used and nitrogen, in the amount not exceeding 10% of the volume of the mixture.

Источники информации
1. А.И. Бугрова, В. Ким. Современное состояние физических исследований в ускорителях с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения - в книге Плазменные ускорители и ионные инжекторы, М.: "Наука", 1984, с.107-129.Sources of information
1. A.I. Bugrova, W. Kim. The current state of physical research in accelerators with a closed electron drift and an extended acceleration zone is in the book Plasma Accelerators and Ion Injectors, Moscow: Nauka, 1984, pp. 107-129.

2. В.Г. Фастовский, А.Е. Ровинский, Ю.В. Петровский. Инертные газы - М.: Атомиздат, 1972, с.164-165. 2. V.G. Fastovsky, A.E. Rovinsky, Yu.V. Petrovsky. Inert gases - M .: Atomizdat, 1972, p. 164-165.

Claims

A method of creating reactive thrust in space using an accelerator with a closed electron drift (SPL) by supplying a working gas to the accelerator channel formed by the outer and inner walls of the discharge chamber of the SPL, creating in the working zone of the accelerator channel at its exit a magnetic field with a preferred induction direction from one the walls of the discharge chamber to another, ignition and maintaining an electric discharge in the flow of the working gas moving in the accelerator channel, between the annular anode located inside the accelerator about the channel, and the cathode located outside the accelerating channel, placed in such a way that the said working zone of the accelerating channel is located between the anode and cathode, characterized in that the industrial gas (production) mixture of krypton and xenon with a volume content of oxygen impurities is used as the working gas and nitrogen in it, in the amount not exceeding 10%.