RU2348832C2 - Электрореактивный двигатель - Google Patents
Электрореактивный двигатель Download PDFInfo
- Publication number
- RU2348832C2 RU2348832C2 RU2007112863/06A RU2007112863A RU2348832C2 RU 2348832 C2 RU2348832 C2 RU 2348832C2 RU 2007112863/06 A RU2007112863/06 A RU 2007112863/06A RU 2007112863 A RU2007112863 A RU 2007112863A RU 2348832 C2 RU2348832 C2 RU 2348832C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- anode
- heat
- engine
- current
- Prior art date
Links
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к маршевым и управляющим электрореактивным двигательным установкам космических аппаратов. Электрореактивный двигатель содержит катод в виде трубки с многополостным эмиттером, размещенный электроизолировано с помощью изолятора внутри анода, выполненного в виде конического кольцевого сопла. Двигатель дополнительно содержит тепловую трубу с теплоносителем, тепловоспринимающий элемент которой установлен электроизолировано с помощью высокотемпературного кольцевого изолятора на наружной поверхности анода, а теплопередающий элемент размещен на наружной поверхности катода. Тепловая труба обеспечивает перенос части тепловой энергии, выделяющейся на аноде, к катоду. Это приводит к уменьшению температуры электродов, за счет чего увеличивается адсорбция частиц рабочего тела на рабочей поверхности катода, уменьшается работа выхода катода, увеличивается ток термоэмиссии. Изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия и ресурс сильноточного двигателя. 1 ил.
Description
Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в маршевых и управляющих электрореактивных двигательных установках космических аппаратов (КА).
Важнейшим направлением совершенствования электрореактивных двигателей (ЭРД) космических аппаратов является повышение их экономичности, которая количественно оценивается коэффициентом полезного действия (КПД). Повышение КПД позволяет расширить круг задач, решаемых с использованием ЭРД, повысить срок активного существования КА, снизить стоимость реализации космических программ.
Известен электрореактивный двигатель непрерывного действия без внешнего магнитного поля (О.Н.Фаворский, В.В.Фишгойт, Е.И.Янтовский. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М.: Высшая школа. 1970, рис.3.48, с.191).
Ускоритель представляет собой устройство, состоящее из двух концентрических электродов - анода и катода, разделенных электроизолирующей стенкой, через которую подается рабочее тело, в качестве которого используются, например, пары щелочного металла. Электроды соединены с полюсами источника электроэнергии. Возникающая в результате разряда между электродами плазма разгоняется в скрещенных электрическом и магнитном полях. Магнитное поле создается током, текущим по центральному электроду и плазме, и имеет азимутальное направление.
Недостаток коаксиального двигателя без внешнего магнитного поля состоит в том, что для получения приемлемых тяг требуются весьма значительные токи. Так при тяге около 1 Н потребная сила тока составляет около 2500 А. При таких токах охлаждение электродов и обеспечение достаточного ресурса двигателя становится затруднительным.
Известен торцевой электрореактивный двигатель (А.А.Куландин, С.В.Тимашев, В.П.Иванов. Энергетические системы космических аппаратов. М.: Машиностроение. 1972, рис.14.3, с.356-357). Двигатель содержит центрально расположенный катод и сопло-анод, разделенные электрическим изолятором и соединенные с полюсами источника электроэнергии. Рабочим телом двигателя служат пары щелочных металлов, поступающие в зону ускорения через полостную структуру катода. В устройстве осевые и радиальные составляющие тока в плазме взаимодействуют с азимутальным магнитным полем, индуцируемым осевыми составляющими тока. Плазма образуется в объемном разряде между центрально расположенным катодом и соплом-анодом. Недостатком двигателя является значительная величина силы тока, достигающая десятков килоампер для получения удельного импульса (4…10)·104 м/с. Это затрудняет охлаждение электродов и сокращает ресурс двигателя.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является ЭРД сильноточной схемы, содержащий многополостной катод, разгонную камеру-сопло, одновременно являющуюся анодом, и кольцевой изолятор (С.В. Тимашев, Ю.Н.Лебедев, Л.А.Сырцов и др. Основы теории, конструкции и эксплуатации энергетических и двигательных установок космических аппаратов с неядерными источниками энергии. С-Пб.: изд. ВИККИ им. А.Ф.Можайского, 1992, стр.462, рис.21.6). Рабочим телом двигателя служат пары щелочных металлов, поступающие в зону ускорения через полостную структуру катода. Разгон рабочего тела осуществляется за счет взаимодействия радиальной компоненты разрядного тока с азимутальным магнитным полем, индуцируемым осевой компонентой тока. Такие ЭРД способны развивать тягу до 1…10 Н и имеют удельный импульс до (20…30)·103 м/с при мощности источника питания порядка 0,5 МВт (ток разряда до 10000 А, напряжение до 50 В).
Существенными недостатками сильноточных ЭРД являются низкий КПД (~50%) и ограниченный ресурс работы (<5000 час), обусловленные значительными энергопотерями в приэлектродных областях - катодной и анодной.
Потери в катодной области разряда связаны с организацией процессов токопереноса из металла в рабочее тело и сопутствующего плазмообразования. Для поддержания требуемого уровня эмиссионного тока с поверхности катода в разряде формируется прикатодный скачок потенциала, ускоряясь на котором ионы из плазмы бомбардируют эмитирующую поверхность и разогревают ее. В результате ионной бомбардировки поверхность катода имеет рабочую температуру выше 3000 К. Одновременно электроны эмиссии, ускоряясь на прикатодном скачке, ионизуют рабочее тело. Важным фактором токопереноса в катодной зоне является эндотермический процесс эмиссии, обусловленный необходимостью энергозатрат на перемещение электронов из металла - затраты работы выхода (для вольфрама ~4,5 эВ на каждый эмитированный электрон).
Потери в анодной области разряда обусловлены сильным разогревом поверхности в зоне переноса тока из плазмы в металл анода. В этом случае электроны, попадая на анод, высвобождают энергию, равную работе выхода металла. В результате этого поверхность анода также сильно разогревается, обеспечивая радиационный теплоотвод выделяющейся энергии.
В итоге на процессы токопереноса в электродной системе сильноточного ЭРД затрачивается до 40% подводимой энергии.
Задачей изобретения является повышение КПД и ресурса сильноточного ЭРД за счет переноса части тепловой энергии, выделяющейся на аноде, к катоду.
Указанная задача решается установкой в конструкцию сильноточного ЭРД тепловой трубы (ТТ), соединяющей зоной своего теплопереноса анод и катод двигателя.
Электрореактивный двигатель, содержащий в соответствии с ближайшим аналогом, катод в виде трубки с многополостным эмиттером, размещенный электроизолированно с помощью изолятора внутри анода, выполненного в виде конического кольцевого сопла, источник электрической энергии, соединенный с электродами, отличается от ближайшего аналога тем, что дополнительно содержит тепловую трубу с теплоносителем, состоящую из тепловоспринимающего элемента, установленного электроизолированно с помощью высокотемпературного кольцевого изолятора на наружной поверхности анода в зоне интенсивного токопереноса, теплопередающий элемент, размещенный на наружной поверхности катода, и профилированную капиллярную структуру, соединяющую зоны испарения и конденсации тепловой трубы.
Если считать, что ТТ отводит теплоту только с внешней поверхности анода-сопла к катоду, то возможен возврат энергии до 5%. Однако при этом возникает ряд сопутствующих эффектов, повышающих эффективность катодных процессов. В первую очередь уменьшается катодное падение потенциала, приводящее к уменьшению ионного тока на катод и понижению его температуры. Это обстоятельство приводит к увеличению адсорбции частиц рабочего тела на эмитирующей поверхности катода и уменьшению его работы выхода, что, в свою очередь, приводит к возрастанию тока термоэмиссии. Отбор теплоты от анода с помощью ТТ приводит также к понижению температуры анода в целом.
Выполненные детальные расчеты снижения энергозатрат на токоперенос показывают, что за счет рекуперации тепла в электродной системе ЭРД возможно повышение КПД не менее чем на 10…20% при одновременном понижении температуры наиболее энергонапряженных элементов конструкции двигателя - анода и катода до 2000…2200 К, что приведет к повышению ресурса двигателя в 5…10 раз.
Сущность изобретения поясняется чертежом. ЭРД содержит катод 1 в виде трубки с многополостным эмиттером 2, размещенный электроизолированно с помощью изолятора 3 внутри анода 4, выполненного в виде конического кольцевого сопла, источник электрической энергии 5, соединенный с электродами. В конструкцию ЭРД введена тепловая труба 6 с теплоносителем. ТТ состоит из тепловоспринимающего элемента (ТВЭ) 7, установленного электроизолированно с помощью высокотемпературного кольцевого изолятора 8 на наружной поверхности анода 4 в зоне интенсивного токопереноса, образуя зону испарения теплоносителя. В зоне конденсации ТТ содержит теплопередающий элемент (ТПЭ) 9, размещенный на наружной поверхности катода 1, и профилированную капиллярную структуру 10, соединяющую зоны испарения и конденсации теплоносителя тепловой трубы.
Устройство работает следующим образом. Электроразрядный и ускорительный процессы осуществляются по обычной схеме за счет подачи напряжения между катодом 1 и анодом 4 от источника электрической энергии 5. Выделяющаяся в аноде тепловая энергия с наружной поверхности отводится теплоносителем ТТ 6, испаряющимся из фитильной структуры и поступающим в газовый канал трубы. На испарение теплоносителя затрачивается скрытая теплота парообразования, которая в виде потенциальной энергии вместе с паром через газовый канал поступает к катоду 1. В зоне ТПЭ 9 парообразный теплоноситель ТТ 6 конденсируется с выделением скрытой теплоты парообразования, запасенной в ТВЭ 7, и в жидком виде через фитильную структуру ТТ возвращается к аноду 4.
Claims (1)
- Электрореактивный двигатель, содержащий катод в виде трубки с многополостным эмиттером, размещенный электроизолированно с помощью изолятора внутри анода, выполненного в виде конического кольцевого сопла, источник электрической энергии, соединенный с электродами, отличающийся тем, что дополнительно содержит тепловую трубу с теплоносителем, состоящую из тепловоспринимающего элемента, установленного электроизолированно с помощью высокотемпературного кольцевого изолятора на наружной поверхности анода в зоне интенсивного токопереноса, теплопередающий элемент, размещенный на наружной поверхности катода, и профилированную фитильную структуру, соединяющую зоны испарения и конденсации тепловой трубы.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007112863/06A RU2348832C2 (ru) | 2007-03-30 | 2007-03-30 | Электрореактивный двигатель |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007112863/06A RU2348832C2 (ru) | 2007-03-30 | 2007-03-30 | Электрореактивный двигатель |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2007112863A RU2007112863A (ru) | 2008-10-10 |
RU2348832C2 true RU2348832C2 (ru) | 2009-03-10 |
Family
ID=39927581
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007112863/06A RU2348832C2 (ru) | 2007-03-30 | 2007-03-30 | Электрореактивный двигатель |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2348832C2 (ru) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2568825C2 (ru) * | 2014-03-24 | 2015-11-20 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") | Электрореактивная двигательная установка |
RU2591972C1 (ru) * | 2015-06-16 | 2016-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") | Электроракетная двигательная установка |
CN106531591A (zh) * | 2016-10-09 | 2017-03-22 | 上海空间推进研究所 | 大电流多通道金属阴极 |
CN107031870A (zh) * | 2017-03-03 | 2017-08-11 | 兰州空间技术物理研究所 | 一种多环发射面百安级空心阴极 |
RU2710455C1 (ru) * | 2019-06-06 | 2019-12-26 | Закрытое акционерное общество "СуперОкс" (ЗАО "СуперОкс") | Многополостной катод для плазменного двигателя |
-
2007
- 2007-03-30 RU RU2007112863/06A patent/RU2348832C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2568825C2 (ru) * | 2014-03-24 | 2015-11-20 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (АО "НИИЭМ") | Электрореактивная двигательная установка |
RU2591972C1 (ru) * | 2015-06-16 | 2016-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") | Электроракетная двигательная установка |
CN106531591A (zh) * | 2016-10-09 | 2017-03-22 | 上海空间推进研究所 | 大电流多通道金属阴极 |
CN106531591B (zh) * | 2016-10-09 | 2018-05-29 | 上海空间推进研究所 | 大电流多通道金属阴极 |
CN107031870A (zh) * | 2017-03-03 | 2017-08-11 | 兰州空间技术物理研究所 | 一种多环发射面百安级空心阴极 |
RU2710455C1 (ru) * | 2019-06-06 | 2019-12-26 | Закрытое акционерное общество "СуперОкс" (ЗАО "СуперОкс") | Многополостной катод для плазменного двигателя |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2007112863A (ru) | 2008-10-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8878422B2 (en) | Device for producing an electron beam | |
US9297368B1 (en) | Multi-thruster propulsion apparatus | |
US7624566B1 (en) | Magnetic circuit for hall effect plasma accelerator | |
RU2348832C2 (ru) | Электрореактивный двигатель | |
EP2893536A2 (en) | Negative ion-based neutral beam injector | |
CN101014878A (zh) | 流体冷却的离子源 | |
US20220117072A1 (en) | Plasma confinement system with outer electrode having liquifiable material and methods for use | |
US5492570A (en) | Hybrid thermal electric generator | |
CN109236594B (zh) | 一种低功率磁化电推进空心阴极推力器 | |
US3613370A (en) | Ion thruster | |
Haworth et al. | Improved electrostatic design for MILO cathodes | |
Tverdokhlebov et al. | Bismuth propellant option for very high power TAL thruster | |
Yamamoto et al. | Effects of magnetic field configuration on thrust performance in a miniature microwave discharge ion thruster | |
CN115898802B (zh) | 霍尔推力器、包括其的空间设备及其使用方法 | |
Stirling et al. | Properties of an intense 40‐kV neutral beam injector | |
US3462635A (en) | Holder for highly reactive cathodes of rare-earth borides such as lanthanum hexaboride,the holder provided with a cooling means opposite to the emissive end of the cathode in order to reduce tendency of holder deterioration | |
Belchenko et al. | Development of surface-plasma negative ions sources at the Budker Institute of nuclear physics | |
Kohlhase et al. | Pulsed metastable atomic beam source for time‐of‐flight applications | |
Davydenko et al. | Development of neutral beam injectors for plasma diagnostic in Budker Institute of Nuclear Physics | |
RU2709231C1 (ru) | Мембранный ионно-плазменный ракетный двигатель космического аппарата | |
Alton et al. | A radial geometry cesium plasma source with improved mechanical features | |
RU2401521C1 (ru) | Ускоритель плазмы с замкнутым холловским током (варианты) | |
Yamamoto et al. | Magnetic field design in miniature microwave discharge ion engines | |
US20230143411A1 (en) | Heat generator and a method for generating heat | |
US3274404A (en) | Electron tubes and methods of operation thereof for energy conversion |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090331 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20110420 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150331 |