RU2246035C9 - Ion engine - Google Patents
Ion engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2246035C9 RU2246035C9 RU2003116082/06A RU2003116082A RU2246035C9 RU 2246035 C9 RU2246035 C9 RU 2246035C9 RU 2003116082/06 A RU2003116082/06 A RU 2003116082/06A RU 2003116082 A RU2003116082 A RU 2003116082A RU 2246035 C9 RU2246035 C9 RU 2246035C9
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- reactor
- magnetic field
- resonator
- plasma
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
- H01J27/02—Ion sources; Ion guns
- H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
- F03H1/0081—Electromagnetic plasma thrusters
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/54—Plasma accelerators
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области космической техники, а также к вакуумной ионно-плазменной обработке материалов в электронике.The invention relates to the field of space technology, as well as to vacuum ion-plasma processing of materials in electronics.
Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов [1], содержащий разрядную камеру, изготовленную из диэлектрического материала, в полости которой установлен анод газораспределитель; магнитную систему и катод компенсатор.Known plasma engine with a closed electron drift [1], containing a discharge chamber made of dielectric material, in the cavity of which an anode valve is installed; magnetic system and cathode compensator.
Двигатели такого типа имеют существенный недостаток в виде высокого распыления стенок разрядной камеры, что приводит к ограничению срока работы.Engines of this type have a significant drawback in the form of high atomization of the walls of the discharge chamber, which leads to a limitation of the term of operation.
Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является ионный реактивный двигатель с электрон-циклотронным резонансом (ЭЦР) |2], имеющий катод-нейтрализатор и ускоряющий электрод в виде сетки.The closest in technical essence adopted for the prototype is an ion-jet engine with electron-cyclotron resonance (ECR) | 2], having a cathode-converter and an accelerating electrode in the form of a grid.
Недостатком описанной конструкции является использование катода-нейтрализатора и ускоряющей сетки, распыляющейся во время работы, что существенно снижает срок использования двигателя.The disadvantage of the described design is the use of a cathode-converter and an accelerating grid sprayed during operation, which significantly reduces the life of the engine.
Техническим результатом изобретения является космический ионный двигатель (фиг.1), использующий в качестве реактивной тяги плотный ускоренный поток ионов, эжектируемый из плазмы.The technical result of the invention is a space ion engine (Fig. 1), using as a jet thrust a dense accelerated ion flow ejected from the plasma.
Достигается это тем, что открытый четвертьволновой СВЧ-резонатор (фиг.2), автоматически согласует импедансы нагрузки плазмы и генератора СВЧ, формирует рабочую моду Е010 и направляет СВЧ-излучение в область плазмообразования. Резонатор, являющийся устройством ввода СВЧ-энергии, представляет собой полую конструкцию в виде усеченного конуса, выполненного из меди или ее сплавов. Из условия резонанса, что геометрические размеры резонатора определяются по формуле:This is achieved by the fact that the open quarter-wave microwave resonator (Fig. 2) automatically matches the impedances of the plasma load and the microwave generator, forms the operating mode E 010 and directs the microwave radiation to the plasma formation region. The resonator, which is a microwave energy input device, is a hollow design in the form of a truncated cone made of copper or its alloys. From the condition of the resonance that the geometric dimensions of the resonator are determined by the formula:
Lpeз=2R=(2р-1)λ B/4,L pez = 2R = (2p-1) λ B / 4,
где p=1,2... ; λ B - длина волны в вакууме [3].where p = 1,2 ...; λ B is the wavelength in vacuum [3].
Возможный диапазон перестройки резонатора удовлетворяет соотношениям:The possible tuning range of the resonator satisfies the relations:
2,7R≤ λ B≤ 3,2R.2.7R ≤ λ B ≤ 3.2R.
Принимая значенияTaking values
R1=λ 2/3,2, R2=λ B/2,7, L=λ B/2,R 1 = λ 2 / 3,2, R 2 = λ B / 2,7, L = λ B / 2,
получаем резонатор (фиг.2) с добротностью Q0=9-10.we get the resonator (figure 2) with the quality factor Q 0 = 9-10.
При изменении проводимости плазмы и ее импеданса, являющегося нагрузкой открытого резонатора, изменяется его добротность. С увеличением проводимости плазмы добротность резонатора Q0 падает, что приводит к автоматическому регулированию передачи СВЧ-энергии, позволяя использовать различные виды рабочих газов и их расход.When the plasma conductivity and its impedance, which is the load of the open resonator, change, its quality factor changes. With increasing plasma conductivity, the Q factor of the resonator Q 0 decreases, which leads to automatic regulation of the transfer of microwave energy, allowing the use of various types of working gases and their flow rate.
Ионный двигатель (фиг.1) содержит генератор СВЧ (1), расположенный непосредственно на открытом резонаторе (2), прилежащем к реактору (3) через диэлектрическое вакуумно-плотное окно (8). В верхней части реактора (3) расположено магнитное кольцо (4), замкнутое с внешней стороны с нижним магнитным кольцом (5) магнитопроводом (6).The ion engine (figure 1) contains a microwave generator (1) located directly on the open resonator (2) adjacent to the reactor (3) through a dielectric vacuum-tight window (8). In the upper part of the reactor (3) there is a magnetic ring (4), closed on the outside with a lower magnetic ring (5) by a magnetic circuit (6).
Микроволновое излучение с рабочей модой E010 [3] (напряженности электромагнитного поля аксиально-симметричны) поступает через диэлектрическое окно (8) в зону плазмообразования реактора (3), производя ионизацию рабочего газа.Microwave radiation with a working mode E 010 [3] (the electromagnetic field is axially symmetric) enters through the dielectric window (8) into the plasma formation zone of the reactor (3), producing ionization of the working gas.
Вектор электрической составляющей электромагнитной волны с модой Е010 (фиг.2) и прикладываемое магнитное поле в зоне плазмообразования образуют ортогональную систему, в которой реализуется ЭЦР. Вместе с тем в скрещенных электрических и магнитных полях происходит дрейф центра вращения электронов [4] в направлении, ортогональном [ЕхВ].The vector of the electric component of the electromagnetic wave with mode E 010 (FIG. 2) and the applied magnetic field in the plasma formation zone form an orthogonal system in which ECR is implemented. At the same time, in crossed electric and magnetic fields, the center of electron rotation [4] drifts in the direction orthogonal to [ExB].
В этом случае электрон, вращаясь вокруг силовых линий магнитного поля по циклотронным орбитам, одновременно дрейфует по спирали к оси симметрии системы, что приводит к увеличению траектории движения электрона, повышает тем самым количество столкновений с частицами, а следовательно, и степень ионизации рабочего газа. Затем электрон покидает зону плазмообразования, следуя силовым линиям, образованным магнитной системой (фиг.3), магнитные полюса которой разной полярности (фиг.1), замкнутые магнитопроводом (5) с наружной стороны реактора, создают магнитное поле внутри реактора, контур силовых линий которого формируется за счет незамкнутых полюсов магнитной системы, причем используется только нижняя составляющая магнитного поля, образованного верхним кольцом магнитов (4), прилегающих к резонатору.In this case, the electron, rotating around the magnetic field lines in cyclotron orbits, simultaneously drifts in a spiral to the axis of symmetry of the system, which leads to an increase in the electron trajectory, thereby increasing the number of collisions with particles and, consequently, the degree of ionization of the working gas. Then the electron leaves the zone of plasma formation, following the lines of force formed by the magnetic system (Fig. 3), the magnetic poles of which are of different polarity (Fig. 1), closed by the magnetic circuit (5) on the outside of the reactor, create a magnetic field inside the reactor, the circuit of the lines of force of which is formed due to the open poles of the magnetic system, and only the lower component of the magnetic field formed by the upper ring of magnets (4) adjacent to the resonator is used.
Образованный в результате ухода электронов избыток ионов создает своим пространственным зарядом потенциал положительного знака, который, воздействуя на ионы, создает их ускоренный направленный поток [5].The excess of ions formed as a result of the departure of electrons creates a positive sign potential with its space charge, which, acting on ions, creates their accelerated directed flow [5].
“Быстрые” электроны, получившие высокую кинетическую энергию от СВЧ электрического поля, могут свободно покинуть реактор и уйти в открытое пространство. Большая же часть электронов, придя по силовым линиям к нижнему кольцевому магниту (5), выталкивается магнитным полем к центру симметрии в направлении, перпендикулярном движению ионного потока, где и происходит его эффективная нейтрализация [6].“Fast” electrons, which received high kinetic energy from a microwave electric field, can freely leave the reactor and go into open space. Most of the electrons, coming along the field lines to the lower ring magnet (5), are pushed by the magnetic field to the center of symmetry in the direction perpendicular to the movement of the ion flux, where it is effectively neutralized [6].
Собранные в батарею ионные двигатели Кошкина могут служить в качестве маршевых двигателей космических аппаратов, предназначенных для длительных перелетов к другим планетам Солнечной системы.Koshkin’s ion engines assembled into the battery can serve as marching engines of spacecraft designed for long-haul flights to other planets of the solar system.
Источники информацииSources of information
1. Патент РФ №2191291 от 20.10.2000 г.1. RF patent No. 2191291 from 10.20.2000
2. Патент Японии JP 2856740 В2 от 09.06.1988 г.2. Japan patent JP 2856740 B2 dated 06/09/1988
3. А.М. Чернушенко и др. Конструкция экранов и СВЧ-устройств. М.: Радио и связь, 1990.3. A.M. Chernushenko et al. Design of screens and microwave devices. M .: Radio and communications, 1990.
4. В.Е. Голант и др. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977 г.4. V.E. Golant et al. Fundamentals of plasma physics. M .: Atomizdat, 1977.
5. Е.А. Петров и др. Источник ионного потока из СВЧ-плазмы низкого давления. Физика плазмы, т.17. вып.11, 1991, стр.1369-1382.5. E.A. Petrov et al. Source of ion flux from low-pressure microwave plasma. Plasma Physics, vol. 17. issue 11, 1991, pp. 1369-1382.
6. Под редакцией Ю.А. Рыжова. Электрические ракетные двигатели. - М.: Мир, 1964 г.6. Edited by Yu.A. Ryzhova. Electric rocket engines. - M .: Mir, 1964
Claims (2)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003116082/06A RU2246035C9 (en) | 2003-05-30 | 2003-05-30 | Ion engine |
PCT/RU2004/000206 WO2004107824A2 (en) | 2003-05-30 | 2004-05-28 | Koshkin ion engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003116082/06A RU2246035C9 (en) | 2003-05-30 | 2003-05-30 | Ion engine |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003116082A RU2003116082A (en) | 2005-01-27 |
RU2246035C1 RU2246035C1 (en) | 2005-02-10 |
RU2246035C9 true RU2246035C9 (en) | 2005-05-10 |
Family
ID=33488123
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003116082/06A RU2246035C9 (en) | 2003-05-30 | 2003-05-30 | Ion engine |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2246035C9 (en) |
WO (1) | WO2004107824A2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA025867B1 (en) * | 2012-05-11 | 2017-02-28 | Зе Боинг Компани | Multiple space vehicle launch system |
RU2711005C1 (en) * | 2018-11-21 | 2020-01-14 | Андрей Андреевич Бычков | Electric jet engine |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2456473C1 (en) * | 2011-05-18 | 2012-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" | Plasma accelerator |
RU2488042C1 (en) * | 2012-02-16 | 2013-07-20 | Михаил Васильевич Жуков | Plasma-electrolysis generator of power, fertilisers and water from drains and organic wastes |
US9180984B2 (en) | 2012-05-11 | 2015-11-10 | The Boeing Company | Methods and apparatus for performing propulsion operations using electric propulsion systems |
CN105179191B (en) * | 2015-08-12 | 2018-05-08 | 兰州空间技术物理研究所 | A kind of ion thruster quadrupole annular permanent magnet ring cutting field magnetic structure |
CN110671288B (en) * | 2019-09-25 | 2020-07-31 | 中国人民解放军国防科技大学 | Tower section of thick bamboo induction type plasma accelerating device |
CN110486244B (en) * | 2019-09-25 | 2020-06-30 | 中国人民解放军国防科技大学 | Electromagnetic induction type plasma accelerating device |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2856740B2 (en) * | 1988-06-09 | 1999-02-10 | 株式会社東芝 | ECR type ion thruster |
DE4222677A1 (en) * | 1992-05-11 | 1993-11-18 | Klaus Rasbach | Rocket propulsion by annular and revolving conc. laser beams - involves generation of thrust by reaction of beams radiated with unequal energy density due to magnetic rotation |
RU2156555C1 (en) * | 1999-05-18 | 2000-09-20 | Государственное унитарное предприятие "Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина" | Plasma production and acceleration process and plasma accelerator with closed-circuit electron drift implementing it |
RU2191289C2 (en) * | 2000-08-17 | 2002-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие Российского авиационно-космического агентства "Опытное конструкторское бюро "Факел" | Closed-electron-drift plasma-jet engine |
FR2795457A1 (en) * | 2000-09-06 | 2000-12-29 | Robert Signore | Propulsive device has warm black body emitting radiating flow, with focussing mirror fitted to convert radiating flow into parallel flow to provide propulsion. |
RU2196396C2 (en) * | 2000-10-23 | 2003-01-10 | Петросов Валерий Александрович | Method and device for regulating thrust vector of electric rocket engine |
-
2003
- 2003-05-30 RU RU2003116082/06A patent/RU2246035C9/en not_active IP Right Cessation
-
2004
- 2004-05-28 WO PCT/RU2004/000206 patent/WO2004107824A2/en active Application Filing
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA025867B1 (en) * | 2012-05-11 | 2017-02-28 | Зе Боинг Компани | Multiple space vehicle launch system |
RU2711005C1 (en) * | 2018-11-21 | 2020-01-14 | Андрей Андреевич Бычков | Electric jet engine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2004107824A3 (en) | 2005-04-07 |
RU2246035C1 (en) | 2005-02-10 |
RU2003116082A (en) | 2005-01-27 |
WO2004107824A2 (en) | 2004-12-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2610162C2 (en) | Plasma engine and method of generating actuating plasma traction | |
US6803585B2 (en) | Electron-cyclotron resonance type ion beam source for ion implanter | |
US4778561A (en) | Electron cyclotron resonance plasma source | |
US5370765A (en) | Electron cyclotron resonance plasma source and method of operation | |
KR940010844B1 (en) | Ion source | |
US7176469B2 (en) | Negative ion source with external RF antenna | |
US5726412A (en) | Linear microwave source for plasma surface treatment | |
RU2246035C9 (en) | Ion engine | |
Sortais | Recent progress in making highly charged ion beams | |
Mieno et al. | Efficient production of O+ and O− ions in a helicon wave oxygen discharge | |
US5349196A (en) | Ion implanting apparatus | |
US3450931A (en) | Cyclotron motion linear accelerator | |
US8635850B1 (en) | Ion electric propulsion unit | |
KR20030081060A (en) | High-frequency electron source, in particular a neutralizer | |
US5434469A (en) | Ion generator with ionization chamber constructed from or coated with material with a high coefficient of secondary emission | |
Abdelrahman | Factors enhancing production of multicharged ion sources and their applications | |
US5506405A (en) | Excitation atomic beam source | |
Raitses et al. | A study of cylindrical Hall thruster for low power space applications | |
RU2156555C1 (en) | Plasma production and acceleration process and plasma accelerator with closed-circuit electron drift implementing it | |
RU2139647C1 (en) | Closed-electron-drift plasma accelerator | |
Chen et al. | Design of Compact Hexapole ECR Ion Thruster | |
RU2757210C1 (en) | Wave plasma source of electrons | |
RU2755826C1 (en) | Multi-barrel gyrotron | |
US11574788B1 (en) | Ion source having a magnetic field translatable along an axis of the source | |
Gavrilov | High current gaseous ion sources |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TZ4A | Amendments of patent specification | ||
TH4A | Reissue of patent specification | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090531 |