RU2211952C2

RU2211952C2 - Pulse electric jet engine

Info

Publication number: RU2211952C2
Application number: RU2001113344A
Authority: RU
Inventors: Ф.А. Казанкин; Л.А. Потабачный; Ю.Н. Вершинин; Р.В. Емлин
Original assignee: Институт электрофизики Уральского отделения РАН; Государственное предприятие Научно-исследовательский институт машиностроения
Priority date: 2001-05-14
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2003-09-10

Abstract

FIELD: engines. SUBSTANCE: proposed invention relates to solid-propellant end face tire engine consisting of anode, cathode and propellant grain in between. Grain is made of material featuring high dielectric permeability, for instance, barium titanate. Anode and cathode are installed at one side of grain, and conductor is connected to other side. Grain can be made in form of disk with cathode and anode installed coaxially or diametrically opposite. Invention makes it possible to create pulse electric jet engine of simple design featuring high specific parameters. EFFECT: simple design, high parameters. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия на твердофазном рабочем теле. The invention relates to the field of electric jet engines (ERE) of pulsed action on a solid-phase working fluid.

Известны импульсные плазменные двигатели с системой подачи газообразного рабочего тела (например ксенон, аргон, водород) и импульсные двигатели эрозионного типа с твердофазным рабочим телом политетрафторэтиленом (ПТФЭ) [1, 2, 3]. Основным недостатком первого типа двигателей является сложная система импульсной строго дозируемой подачи рабочего тела вследствие трудности ее синхронизации с импульсами разрядного напряжения и, как следствие, низкий коэффициент использования рабочего тела. Во втором случае (эрозионный тип, рабочее тело - ПТФЭ) удельные параметры имеют низкие значения, максимальный КПД не превышает 15% из-за преобладающего теплового механизма получения и ускорения плазмы электрического разряда. Known are pulsed plasma engines with a gaseous working fluid supply system (for example, xenon, argon, hydrogen) and erosion-type pulsed engines with a solid-phase working fluid polytetrafluoroethylene (PTFE) [1, 2, 3]. The main disadvantage of the first type of engines is the complex system of pulsed strictly dosed supply of the working fluid due to the difficulty of synchronizing it with the impulses of the discharge voltage and, as a result, the low utilization of the working fluid. In the second case (erosion type, working fluid - PTFE), specific parameters are low, the maximum efficiency does not exceed 15% due to the prevailing thermal mechanism for generating and accelerating an electric discharge plasma.

Более совершенным типом двигателя данного класса является импульсный электрический плазменный реактивный двигатель [4] торцевого типа на твердом рабочем теле (в том числе и ПТФЭ) с преобладающим электронно-детонационным типом пробоя (взрывная инжекция электронов с поверхности рабочего тела в сторону анода) [5]. Такой тип двигателя позволяет получать на рабочем теле ПТФЭ более высокие удельные параметры за счет значительного уменьшения дуговой фазы разряда источника плазмы. Наличие дуговой стадии разряда кроме того ведет к появлению неустойчивости процесса генерации плазмы на поверхности рабочего тела типа плазменных жгутов с образованием на поверхности рабочего тела каналов с повышенной проводимостью и, как следствие, к закорачиванию межэлектродного промежутка по упомянутым каналам. A more advanced type of engine of this class is a pulsed electric plasma jet engine [4] of the end type on a solid working fluid (including PTFE) with the predominant electron-detonation type of breakdown (explosive injection of electrons from the surface of the working fluid towards the anode) [5] . This type of engine makes it possible to obtain higher specific parameters on the PTFE working medium due to a significant decrease in the arc phase of the discharge of the plasma source. The presence of the arc stage of the discharge also leads to instability of the plasma generation process on the surface of the working fluid such as plasma bundles with the formation of channels with increased conductivity on the surface of the working fluid and, as a result, to shortening the interelectrode gap along the mentioned channels.

В литературе [6, 7] описаны результаты исследований по незавершенному типу пробоя по поверхности диэлектрика на токах, реализуемых в момент зарядки конденсатора, содержащего диэлектрик с высоким значением диэлектрической проницаемости. На базе данного типа пробоя создан эффективный источник частиц (ионов или электронов) импульсного типа [8]. Однако при оценке возможности использования его в составе импульсного ЭРД на базе ионной компоненты с частотой включения десятки-сотни герц возникают проблемы разрядки (деполяризации) диэлектрика, используемого в качестве рабочего тела, а также проблемы стойкости электрода-сетки, выполняющего роль экстрактора частиц, и проблемы нейтрализации ионов. The literature [6, 7] describes the results of studies on the incomplete type of breakdown on the surface of a dielectric at currents realized at the time of charging a capacitor containing a dielectric with a high dielectric constant. Based on this type of breakdown, an efficient source of pulsed particles (ions or electrons) was created [8]. However, when assessing the possibility of using it as part of a pulsed electric propulsion based on an ionic component with a switching frequency of tens to hundreds of hertz, problems arise in the discharge (depolarization) of the dielectric used as a working fluid, as well as problems in the stability of the grid electrode acting as a particle extractor, and problems ion neutralization.

Целью предлагаемого изобретения является создание простого по конструкции с частотой включений до 100 и более герц импульсного ЭРД для получения малой тяги за однократный разряд генератора, но с высокими удельными параметрами. Желаемый уровень тягового секундного импульса обеспечивается регулировкой частоты включения. The aim of the invention is to create a simple in design with a switching frequency of up to 100 Hz or more Hertz pulsed electric propulsion to obtain low thrust for a single discharge of the generator, but with high specific parameters. The desired level of traction second impulse is provided by adjusting the switching frequency.

Данная цель достигается тем, что в импульсном электрическом реактивном двигателе торцевого типа на твердом рабочем теле, состоящем из анода, катода и шашки рабочего тела, расположенной между ними, предлагается шашку рабочего тела выполнить из диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости и установить на одной стороне шашки анод и катод, а на другой стороне шашки установить или нанести проводник. This goal is achieved by the fact that in a pulsed electric jet engine of the end type on a solid working fluid, consisting of an anode, cathode and a checker of the working fluid located between them, it is proposed to make the checker of the working fluid from a dielectric with a high dielectric constant and install on one side of the checker anode and cathode, and on the other side of the checkers install or apply a conductor.

Предпочтительным материалом для шашки рабочего тела является титанат бария, а наиболее конструктивной формой - форма диска. The preferred material for the checkers of the working fluid is barium titanate, and the most constructive form is the disk shape.

Анод и катод могут быть установлены коаксиально или диаметрально противоположно. The anode and cathode can be mounted coaxially or diametrically opposed.

Предлагаемое решение поясняется чертежами. На фиг.1 приведен вариант импульсного ЭРД с коаксиально расположенными анодом и катодом; на фиг.2 - вариант с анодом и катодом, установленными диаметрально противоположно. The proposed solution is illustrated by drawings. Figure 1 shows a variant of a pulsed electric propulsion with coaxially located anode and cathode; figure 2 is a variant with the anode and cathode installed diametrically opposite.

Предлагаемый двигатель состоит из анода, катода и шашки рабочего тела, выполненной из диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости, например титаната бария с ε≤1000. Такая шашка может иметь форму диска, на одну из сторон которого нанесен проводник 2 в виде тонкого слоя, например, методом напыления или в виде плотно прижатой к поверхности диэлектрика металлической пластины. На другой стороне шашки находятся анод 3 и катод 4, расположенные либо коаксиально (фиг.1), либо диаметрально противоположно (фиг. 2). В таком устройстве при подаче напряжения на анод и катод межэлектродное перекрытие диэлектрика происходит по поверхности диэлектрика и начинается с обоих электродов как результат зарядки двух последовательно соединенных конденсаторов, образованных системами "анод - диэлектрик - проводник" и "проводник - диэлектрик - катод". В результате имеем над поверхностью диэлектрика два плазменных факела (анодный и катодный), движущихся навстречу друг другу, при этом проводник 2 (токопроводящая пластина) устройства будет иметь плавающий потенциал, обусловленный характером протекания токов смещения через диэлектрик. В момент слияния анодного и катодного факелов происходит нейтрализация избыточного положительного заряда ионов, механизм образования которых обусловлен электронно-детонационным типом пробоя для анодного факела. Плазма, полученная после слияния двух факелов, приобретает дополнительное ускорение в режиме разрядки (деполяризации) и выделения запасенной в таком конденсаторе энергии по типу линейного ускорителя. Для реализации эффекта дополнительного ускорения высоту электродов (анода и катода) вдоль потока плазмы формируют, исходя из реального времени, требуемого на разрядку емкости конструкции ЭРД. Такая конструкция устройства и режим его работы позволяют создать импульсный ЭРД с высокими значениями параметров и большой частотой включений (макетный образец указанного типа ЭРД на базе доработанных стандартных высоковольтных (менее 10 кВ) конденсаторов типа КВИ-3 работает в НИИМАШе с частотой включений до 50 Гц). The proposed engine consists of an anode, cathode and checkers of the working fluid made of a dielectric with a high dielectric constant, for example, barium titanate with ε≤1000. Such a checker may have the form of a disk, on one side of which a conductor 2 is applied in the form of a thin layer, for example, by spraying or in the form of a metal plate tightly pressed to the surface of the dielectric. On the other side of the checkers are the anode 3 and cathode 4 located either coaxially (Fig. 1) or diametrically opposite (Fig. 2). In such a device, when a voltage is applied to the anode and cathode, the dielectric interelectrode overlaps over the dielectric surface and starts from both electrodes as a result of charging two series-connected capacitors formed by the anode-dielectric-conductor and conductor-dielectric-cathode systems. As a result, we have two plasma torches (anodic and cathodic) above the surface of the dielectric, moving towards each other, while the conductor 2 (conductive plate) of the device will have a floating potential, due to the nature of the flow of bias currents through the dielectric. At the moment of the confluence of the anode and cathode flares, the excess positive ion charge is neutralized, the formation mechanism of which is due to the electron-detonation type of breakdown for the anode flare. The plasma obtained after the confluence of two torches acquires additional acceleration in the discharge (depolarization) mode and the release of energy stored in such a capacitor as a linear accelerator. To implement the effect of additional acceleration, the height of the electrodes (anode and cathode) along the plasma flow is formed based on the real time required to discharge the capacitance of the electric propulsion structure. This design of the device and its mode of operation make it possible to create a pulsed electric propulsion with high values of parameters and a high switching frequency (a prototype of the specified type of electric propulsion is based on modified standard high-voltage (less than 10 kV) capacitors of the KVI-3 type and operates in NIIMASH with a switching frequency of up to 50 Hz) .

Для работы такого ЭРД необходим генератор высоковольтных импульсов наносекундной длительности. Длительность импульсов, подаваемых на электроды, определяется временем зарядки емкости конструкции ЭРД. Для устранения неустойчивостей типа плазменных жгутов длительность высоковольтного импульса с генератора не должна превышать длительности зарядки емкости конструкции ЭРД. Максимальная частота включений ЭРД определяется временем, требуемым на полный цикл по зарядке и разрядке емкости конструкции ЭРД. Размеры катодного и анодного плазменных факелов, движущихся навстречу друг другу, определяются скоростью перекрытия диэлектрика, зависящей от амплитуды напряжения, величины емкости конструкции, а также от времени задержки начала процесса генерации плазменных факелов. Это время задержки в свою очередь зависит от геометрических параметров зоны анод-диэлектрик, катод-диэлектрик, типа диэлектрика, площади проводника. For the operation of such an electric propulsion, a generator of high-voltage pulses of nanosecond duration is required. The duration of the pulses supplied to the electrodes is determined by the charging time of the capacitance of the electric propulsion structure. To eliminate instabilities such as plasma bundles, the duration of the high-voltage pulse from the generator should not exceed the duration of charging the capacity of the electric propulsion structure. The maximum frequency of the inclusion of the electric propulsion is determined by the time required for a full cycle of charging and discharging the capacity of the electric propulsion. The dimensions of the cathodic and anodic plasma torches moving towards each other are determined by the rate of overlap of the dielectric, depending on the voltage amplitude, the value of the capacitance of the structure, and also on the delay time of the onset of the generation of plasma torches. This delay time, in turn, depends on the geometric parameters of the anode-insulator, cathode-insulator zone, type of dielectric, and conductor area.

Работает такой ЭРД следующим образом. При подаче на анод 3 и катод 4 высоковольтного импульса напряжения длительностью, соответствующей времени зарядки емкости конструкции ЭРД, генерируются два движущихся навстречу плазменных факела (анодный от анода и катодный - от катода). Анодный факел имеет избыточный положительный заряд ионов рабочего тела (применительно к такому диэлектрику как керамика титаната бария, это в основном ионы бария как наиболее легко ионизуемого элемента). Плазма катодного факела обусловлена генерацией электронов из катода и бомбардировкой ими поверхности диэлектрика. В момент встречи катодный факел нейтрализует анодный и происходит ускорение плазменного сгустка по типу линейного ускорителя в фазе разрядки емкости конструкции ЭРД через плазму. Следует отметить, что возникающие при сближении пламенных факелов зоны межфакельных пробоев строго не локализованы, то есть не "привязаны" к определенным местам на поверхности диэлектрика в процессе наработки большого числа импульсов. Указанный режим работы такого ЭРД будет способствовать получению высоких значений КПД и скоростей истечения плазмы. Such an electric propulsion operates as follows. When a high-voltage voltage pulse is applied to the anode 3 and cathode 4 with a duration corresponding to the charging time of the capacitance of the electric propulsion engine, two plasma torches are moving towards one another (the anode from the anode and the cathode from the cathode). The anode torch has an excess positive charge of the ions of the working fluid (in relation to such an insulator as ceramics of barium titanate, these are mainly barium ions as the most easily ionized element). The plasma of the cathode torch is due to the generation of electrons from the cathode and their bombardment of the dielectric surface. At the moment of the meeting, the cathode torch neutralizes the anode one and the plasma bunch is accelerated like a linear accelerator in the phase of discharging the capacitance of the electric propulsion structure through the plasma. It should be noted that the zones of interflare breakdowns arising from the approach of flame torches are not strictly localized, that is, they are not “attached” to certain places on the surface of the dielectric during the production of a large number of pulses. The specified mode of operation of such an electric propulsion will contribute to obtaining high values of efficiency and plasma flow rates.

Существенной особенностью предлагаемого ЭРД является частотно-импульсный режим работы (с частотой до 100 Гц и более) с возможностью практически мгновенного набора и сброса тяги. Благодаря этой особенности и с учетом реально имеющейся на борту космического аппарата (КА) электрической мощности область эффективного применения двигательной установки (ДУ) на базе предлагаемого импульсного ЭРД может быть расширена, а именно:
поддержание геостационарных КА в направлении север - юг, восток - запад;
компенсация аэродинамического сопротивления КА;
смена орбит и увод отработавших или отказавших КА в заданную область.An essential feature of the proposed electric propulsion is the pulse-frequency mode of operation (with a frequency of up to 100 Hz or more) with the possibility of almost instantaneous dialing and resetting traction. Due to this feature and taking into account the actual electric power available on board the spacecraft (SC), the area of effective use of the propulsion system (DU) based on the proposed pulsed electric propulsion can be expanded, namely:
maintaining geostationary spacecraft in the north-south, east-west direction;
compensation of aerodynamic drag of the spacecraft;
change of orbits and withdrawal of spent or failed spacecraft in a given area.

Источники информации
1. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. - М.: Машиностроение, 1975, с. 198-223.Sources of information
1. Grishin S.D., Leskov L.V., Kozlov N.P. Electric rocket engines. - M.: Mechanical Engineering, 1975, p. 198-223.

2. Фаворский О. Н. , Фишгойт В.В., Янтовский Е.И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. - М.: Машиностроение, Высшая школа, 1978, с. 170-173. 2. Favorsky O. N., Fishgoyt VV, Yantovsky E.I. Fundamentals of the theory of space electric propulsion systems. - M.: Engineering, Higher School, 1978, p. 170-173.

3. Л. Кейвни (перевод с английского под ред. А.С. Коротеева). Космические двигатели - состояние и перспективы. - М., 1988, с. 186-193. 3. L. Cavney (translation from English under the editorship of A.S. Koroteev). Space engines - status and prospects. - M., 1988, p. 186-193.

4. Патент на изобретение 2146776 от 14 мая 1998. Импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле. 4. Patent for invention 2146776 dated May 14, 1998. A pulsed plasma jet engine of the end type on a solid working fluid.

5. Вершинин Ю.Н. Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков. УрО РАН, Екатеринбург, 2000. 5. Vershinin Yu.N. Electron-thermal and detonation processes during electrical breakdown of solid dielectrics. Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Ekaterinburg, 2000.

6. Бугаев С.П., Месяц Г.А. Эмиссия электронов из плазмы незавершенного разряда по диэлектрику в вакууме. ДАН СССР, 1971, т. 196, 2. 6. Bugaev S.P., Mesyats G.A. Electron emission from a plasma of an incomplete dielectric discharge in vacuum. DAN USSR, 1971, v. 196, 2.

7. Месяц Г.А. Эктоны. Часть 1-УрО РАН, 1993, с. 68-73, часть 3, с. 53-56. 7. Month G.A. Actons. Part 1-UB RAS, 1993, p. 68-73, part 3, p. 53-56.

8. Бугаев С.П., Ковальчук Б.М., Месяц Г.А. Плазменный импульсный источник заряженных частиц. Авторское свидетельство 248091. 8. Bugaev S.P., Kovalchuk B.M., Mesyats G.A. Plasma pulsed source of charged particles. Copyright certificate 248091.

Claims

1. Pulse electric jet engine end-type on a solid working fluid, consisting of an anode, cathode and checkers of the working fluid, made of a dielectric with a high value of dielectric constant and located between them, characterized in that the cathode and anode are located on the same side of the checkers and removed from each other, and on the other side a conductor is applied.

2. A pulsed electric jet engine according to claim 1, characterized in that the checker of the working fluid is made of barium titanate.

3. A pulsed electric jet engine according to claim 1, characterized in that the checker of the working fluid has a disk shape.

4. A pulsed electric jet engine according to claim 3, characterized in that the cathode and anode are mounted coaxially.

5. A pulsed electric jet engine according to claim 3, characterized in that the cathode and anode are installed diametrically opposite.