RU2517004C2 - Cyclotron plasma engine - Google Patents

Cyclotron plasma engine Download PDF

Info

Publication number
RU2517004C2
RU2517004C2 RU2012125490/06A RU2012125490A RU2517004C2 RU 2517004 C2 RU2517004 C2 RU 2517004C2 RU 2012125490/06 A RU2012125490/06 A RU 2012125490/06A RU 2012125490 A RU2012125490 A RU 2012125490A RU 2517004 C2 RU2517004 C2 RU 2517004C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cyclotron
plasma
adapters
inductors
plasma accelerator
Prior art date
Application number
RU2012125490/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012125490A (en
Inventor
Сергей Михайлович Афанасьев
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
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 Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" filed Critical Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Priority to RU2012125490/06A priority Critical patent/RU2517004C2/en
Publication of RU2012125490A publication Critical patent/RU2012125490A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2517004C2 publication Critical patent/RU2517004C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: invention relates to space engineering, particularly, to electric jet engines and is designed to control space craft of low thrust (up to 5 N). Cyclotron plasma engine comprises plasma accelerator housing, solenoids (inductors) and electric circuit with compensating cathodes. Note here that self-contained ion source, electron and ion flow splitter. Asynchronous cyclotron makes said plasma accelerator. Cyclotron is divided into dees by two coaxial pairs of parallel grids with clearances. Said dees make homogeneous, identical and invariable electric fields of opposite-direction of electric-field vectors. Cyclotron comprises the ferromagnetic adapters with inductors in quantity complying with the number of plasma accelerator outlet channel thrust development directions. Outlet straight gas dielectric channels of this engine communicate with said main adapters via pass electric valves. Said channels are communicated via ferromagnetic adapters wit inductors.
EFFECT: higher specific burn, decreased weight and overall dimensions, lower power consumption.
3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к космической технике, к классу электрореактивных двигателей (ЭРД) (ускорителей плазмы) и предназначено для управления движением космических аппаратов (КА) малой (до 5Н) тягой.The invention relates to space technology, to the class of electric propulsion engines (ERE) (plasma accelerators) and is intended to control the movement of spacecraft (SC) small (up to 5N) thrust.

Известно множество схем устройств ЭРД. Все эти принципиальные схемы известны из уровня техники. Наиболее перспективным при работе ЭРД в космических условиях можно считать двигатель (справедливо полагать, что системы хранения и подачи нейтрального газа не входят в понятие «двигатель»), имеющий плазменный ускоритель (ПУ) с внешним магнитным полем или, по-другому, - ПУ с т.н. замкнутым дрейфом, который и взят за прототип. Прототип содержит: сквозной анод для подачи низкотемпературной плазмы - рабочего тела (РТ); цилиндрический и кольцевой в поперечном сечении (добавим, - коаксиальный) ускорительный канал (УК)-диэлектрическую камеру; электромагниты, окружающие все внешние стенки УК, создающие внутри канала радиальное магнитное поле; электрическую схему, создающую продольное электрическое поле между анодом и выходным катодом, а также создающую эмиссию электронов с катода-компенсатора. Электроны умеренно ионизированной плазмы РТ, попадая в радиальное магнитное поле, дрейфуют по спиралям с небольшим шагом витков. Нейтральные молекулы газа при столкновении с ними ионизируются и, ускоряясь в электрическом поле, вылетают из УК. Энергия, набираемая ионами в ПУ, близка к разности потенциалов между анодом и катодом. Электроны за счет столкновений с ионами, атомами, стенкой УК и под влиянием колебаний приходят на анод и посредством электрической цепи через катод-компенсатор смешиваются с потоком ионов на выходе из УК [1] {Плазменные ускорители, под ред. Л.А.Арцимовича [и др.], M., 1973}.There are many schemes of electric propulsion devices. All of these circuit diagrams are known in the art. The most promising when operating electric propulsion in space conditions can be considered an engine (it is fair to assume that storage and supply of neutral gas are not included in the concept of “engine”), having a plasma accelerator (PU) with an external magnetic field or, in other words, PU with the so-called closed drift, which is taken as a prototype. The prototype contains: a through anode for supplying low-temperature plasma - a working fluid (RT); a cylindrical and annular in cross-section (add, - coaxial) accelerator channel (CC) - dielectric chamber; electromagnets surrounding all the outer walls of the criminal code, creating a radial magnetic field inside the channel; an electric circuit creating a longitudinal electric field between the anode and the output cathode, as well as creating electron emission from the cathode-compensator. Electrons of a moderately ionized plasma of the RT, falling into a radial magnetic field, drift in spirals with a small step of turns. When they collide with them, neutral gas molecules ionize and, accelerating in an electric field, fly out of the CC. The energy accumulated by ions in the PU is close to the potential difference between the anode and cathode. Electrons due to collisions with ions, atoms, the wall of the CC and under the influence of oscillations arrive at the anode and are mixed with the ion flow through the cathode-compensator through the electric circuit at the outlet of the CC [1] {Plasma accelerators, ed. L. A. Artsimovich [et al.], M., 1973}.

Возможен вариант создания плазмы, когда между анодом и катодом есть «поджигной» электрод-катод. Возникающий разряд в цепи анод - поджигной электрод инициирует основной ток в цепи анод-катод. Поступающее через анод разогретое РТ ионизируется движущимися навстречу электронами. Ионы ускоряются в продольном электрическом поле, созданном в УК.It is possible to create a plasma when there is an “ignition” electrode-cathode between the anode and cathode. The arising discharge in the anode-ignition electrode circuit initiates the main current in the anode-cathode circuit. The heated RT entering through the anode is ionized by electrons moving towards it. Ions are accelerated in a longitudinal electric field created in the UK.

Прототип, в принципе, дает хорошие результаты и обладает приемлемыми массогабаритными характеристиками, однако ограничение по потребляемой мощности на борту КА ограничивает его применение. В самом деле, энергия таких ускорителей колеблется от 100 эВ до 10000 эВ, что требует приложения разности потенциалов от 100В до 10000В, а в результате скорость истечения ионов из УК составит порядка (101-102)км/с. Исправить ситуацию нельзя увеличением длины УК - это потребовало бы соответственно еще большего напряжения в УК. Все имеющиеся в настоящее время ПУ имеют того или иного вида прямолинейный УК.The prototype, in principle, gives good results and has acceptable weight and size characteristics, however, the limitation on power consumption on board the spacecraft limits its use. In fact, the energy of such accelerators ranges from 100 eV to 10,000 eV, which requires the application of a potential difference from 100V to 10,000V, and as a result, the velocity of the outflow of ions from the UK will be about (10 1 -10 2 ) km / s. The situation cannot be corrected by increasing the length of the criminal code - this would require correspondingly greater voltage in the criminal code. All currently available PUs have one or another type of straightforward CC.

Задачей является создание ЭРД, по своему потенциалу существенно превышающего все известные используемые в практике космических полетов двигатели такого класса, т.е. задачей является увеличение удельного импульса тяги с сохранением и возможным уменьшением массогабаритных характеристик двигательных установок на КА при относительно невысокой мощности энергопотребления. Цель достигается тем, что в состав плазменного двигателя, содержащего корпус ПУ, катушки индуктивности (соленоиды), электрическую цепь с катодами-компенсаторами, введены автономный источник низкотемпературной плазмы (ионизатор РТ), разделитель потоков электронов и ионов и плазменный ускоритель, представляющий собой асинхронный циклотрон, разделенный вдоль на дуанты двумя соосными парами параллельных сеток с зазорами, создающими однородные, равные и постоянные ускоряющие электрические поля взаимно противоположного направления векторов напряженности, имеющий по числу основных направлений создания тяги выходные газовые каналы - переходники-ферромагнетики, являющиеся сердечниками корректирующих направление движения ионов электромагнитов, изогнутые под заданным углом, переходники соединены с пропускными электроклапанами и через них, для создания выверенного направления оси создания тяги, - с выходными прямыми участками газовых диэлектрических каналов двигателя, между которыми устанавливают такие же переходники-ферромагнетики с катушками индуктивности.The task is to create an electric propulsion engine, in its potential significantly exceeding all known engines of this class used in space flight practice, i.e. the objective is to increase the specific impulse of thrust while maintaining and possibly reducing the weight and size characteristics of the propulsion systems on the spacecraft at a relatively low power consumption. The goal is achieved by the fact that the plasma engine containing the casing of the control unit, inductors (solenoids), an electric circuit with compensating cathodes, introduced an autonomous source of low-temperature plasma (RT ionizer), a separator of electron and ion flows and a plasma accelerator, which is an asynchronous cyclotron divided along the dounts by two coaxial pairs of parallel grids with gaps that create uniform, equal and constant accelerating electric fields of mutually opposite directions vector of tension, having, according to the number of main thrust directions, output gas channels — ferromagnet adapters, which are cores that correct the direction of movement of electromagnet ions, bent at a given angle, and the adapters are connected to through-flow electrovalves and through them, to create a verified direction of the thrust axis — output direct sections of the gas dielectric channels of the engine, between which the same ferromagnet adapters with inductors are installed.

Технический результат достигается за счет того, что возможен разгон ионов тяжелых газов, например ксенона, в отличие от всех известных технических решений ЭРД, по квазициклическим спиралям, предоставляемым определенным образом собранным циклотроном, внутри которого разгоняются не единицы, а массы ионов при очевидной сравнительной компактности устройства, при этом удельный импульс (скорость истечения плазмы из двигателя) в своем классе космических двигателей малой тяги повышается на 1-2 порядка без ущерба массовым характеристикам двигателя. Удельный импульс тяги - важнейшая характеристика двигателя.The technical result is achieved due to the fact that acceleration of heavy gas ions, for example xenon, is possible, unlike all the known technical solutions of electric propulsion, along quasi-cyclic helices provided in a certain way assembled by a cyclotron, inside which not only units, but ion masses are accelerated, with the device being obviously comparatively compact , while the specific impulse (the rate of plasma outflow from the engine) in its class of small thrust space engines increases by 1-2 orders of magnitude without affecting the mass characteristics of the engine body. The specific impulse of thrust is the most important characteristic of the engine.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного циклотронного плазменного двигателя (ЦПД), отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна». Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники (космонавтика, плазменная техника), с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Ни один из отличительных признаков данного изобретения: ни автономный от ускорителя источник плазмы, ни циклотрон вообще, ни асинхронный циклотрон, работающий на постоянном электрическом токе, в частности, ни «вытягивающие» на заданные вектора тяги корректирующие электромагниты, ранее не применялся для изготовления ЭРД, и потому все отличительные признаки отвечают условию «изобретательский уровень».The analysis of the prior art by the applicant has established that there are no analogues that are characterized by sets of features identical to all the features of the claimed cyclotron plasma engine (CPD), therefore, the claimed invention meets the condition of “novelty”. The search results for known technical solutions in this and related fields of technology (astronautics, plasma technology), in order to identify features that match the distinctive features of the prototype of the claimed invention, showed that they do not follow explicitly from the prior art. None of the distinguishing features of this invention: neither a plasma source autonomous from the accelerator, nor a cyclotron in general, nor an asynchronous cyclotron operating on direct electric current, in particular, nor correcting electromagnets “pulling” to given thrust vectors, were previously used for the manufacture of electric propulsion, and therefore all the distinguishing features meet the condition of "inventive step".

Сущность изобретения поясняется фиг.1, где представлена электрокинематическая схема ЦПД, вид сверху, и фиг.2, где показан ПУ, вид сбоку.The invention is illustrated in figure 1, which shows the electrokinematic diagram of the CPU, top view, and figure 2, which shows the PU, side view.

Введены следующие обозначения:The following notation is introduced:

1 - ионизатор рабочего тела - газа;1 - ionizer of the working fluid - gas;

2 - разделитель потоков заряженных частиц;2 - separator flows of charged particles;

3 - канал подачи ионов РТ в ускоритель;3 - channel for supplying RT ions to the accelerator;

4 - жиклер;4 - jet;

5 - пара пропускных электроклапанов;5 - a pair of check solenoid valves;

6 - корпус ускорителя (циклотрона);6 - accelerator body (cyclotron);

7 - основной переходник-ферромагнетик с катушкой индуктивности;7 - the main ferromagnet adapter with an inductor;

8 - переходник-ферромагнетик с катушкой индуктивности;8 - ferromagnet adapter with an inductor;

9 - выходные газовые диэлектрические каналы двигателя;9 - output gas dielectric channels of the engine;

10 - катод-компенсатор;10 - cathode-compensator;

11 - разгонные сетки дуантов;11 - accelerating nets of duants;

12 - соленоиды во внешнем сердечнике-ферромагнетике ПУ - циклотрона;12 - solenoids in the outer core-ferromagnet PU - cyclotron;

13 - внешний сердечник-ферромагнетик;13 - external core-ferromagnet;

14 - выходное отверстие ПУ - циклотрона;14 - outlet PU - cyclotron;

В - магнитная индукция.In - magnetic induction.

Циклотрон имеет рабочий объем (Vц), не превышающий 0,02 м3 (радиус 0,25 м, высота ~10 см), большая сторона прямоугольного поперечного сечения выходного отверстия 14 (фиг.2) во внутренней стенке циклотрона соответствует высоте его рабочего цилиндра. Объем вполне достаточен для рабочего режима циклотрона, его величина, в принципе, не является критической, критической величиной не является и высота - только радиус при заданных значениях магнитной индукции и конечной скорости ионов. Высота рабочего цилиндра соответствует диаметру выходного отверстия основных переходников 7. Для создания однородного (в смысле прямолинейности силовых линий) магнитного поля внутри рабочего цилиндра корпус 6 циклотрона окружен соленоидами 12, длина которых в разы больше высоты рабочего цилиндра, и рабочий цилиндр циклотрона расположен в средней части группы соленоидов.The cyclotron has a working volume (V c ) not exceeding 0.02 m 3 (radius 0.25 m, height ~ 10 cm), the larger side of the rectangular cross section of the outlet 14 (Fig. 2) in the inner wall of the cyclotron corresponds to the height of its working cylinder. The volume is quite sufficient for the operating mode of the cyclotron, its value, in principle, is not critical, the height is not critical, and the height is only the radius for given values of magnetic induction and the final speed of ions. The height of the working cylinder corresponds to the diameter of the outlet of the main adapters 7. To create a uniform (in the sense of straight lines of force) magnetic field inside the working cylinder, the cyclotron body 6 is surrounded by solenoids 12, the length of which is several times longer than the height of the working cylinder, and the cyclotron working cylinder is located in the middle part groups of solenoids.

Переходники 7,8 - ферросплавные трубки, являющиеся сердечниками электромагнитов (соленоидов).Adapters 7.8 - ferroalloy tubes, which are the cores of electromagnets (solenoids).

Количество основных переходников 7 (переходников, являющихся частью корпуса ускорителя) и пар пропускных электроклапанов 5 должно соответствовать числу направлений создания тяги; количество труб 9 выходных газовых каналов двигателя и переходников 8 определяется возможностью установки конца газового канала двигателя таким образом, чтобы выходная ось канала совпадала с требуемым направлением тяги, и вектор тяги проходил через центр масс КА. Внешний радиус труб должен соответствовать внутренним (rпереходн.) радиусам переходников. Соленоиды со встроенными в них переходниками-ферромагнетиками нужны для коррекции пути следования ионизированных частиц.The number of main adapters 7 (adapters that are part of the accelerator body) and pairs of through-through electrovalves 5 should correspond to the number of directions for creating traction; the number of pipes 9 of the exhaust gas channels of the engine and adapters 8 is determined by the possibility of installing the end of the gas channel of the engine so that the output axis of the channel coincides with the desired direction of thrust, and the thrust vector passes through the center of mass of the spacecraft. The outer radius of the pipes must correspond to the inner (r transition ) radii of the adapters. Solenoids with ferromagnet adapters built into them are needed to correct the path of ionized particles.

Углы уклонения пути потока заряженных частиц от направлений силовых линий магнитного поля в переходниках и от продольных осей на участках газовых каналов двигателя (см. «Обоснование…») никак не сказываются на характере поступательного движения частиц - это практически штатное неизбежное касание частиц на периферии потока стенок газового канала. Число частиц в куб. метре, при нормальном расходе РТ - ксенона в настоящее время на отечественных КА 6·10-6 кг/с (который данное изобретение не собирается превосходить), составляет 6·10-6 ·Δtраб/(Vц·131·1,7·10-27)=1,3·1017, где Δtраб=10-4 с - время выхода ЦПД на рабочий режим (см. п.3 «Обоснования…») - это высокий вакуум (1019-1013) - в нем ничего «страшного» не может произойти.The angles of deviation of the path of the flow of charged particles from the directions of the lines of force of the magnetic field in the adapters and from the longitudinal axes in the sections of the gas channels of the engine (see "Justification ...") do not affect the nature of the translational motion of the particles - this is almost regular inevitable contact of particles on the periphery of the wall flow gas channel. The number of particles per cubic meter, with a normal consumption of RT - xenon currently on domestic spacecraft 6 · 10 -6 kg / s (which this invention is not going to exceed), is 6 · 10 -6 · Δt slave / (V C · 131 · 1.7 · 10 -27 ) = 1.3 · 10 17 , where Δt slave = 10 -4 s is the time the CPU goes to operating mode (see paragraph 3 "Justification ...") is a high vacuum (10 19 -10 13 ) - nothing terrible can happen in him.

Установка ЦПД на КА, из-за особенностей решения конструкции КА, потребует постоянной корректировки числа прямых участков газовых каналов двигателя и переходников.The installation of the CPD on the spacecraft, due to the peculiarities of the spacecraft design solution, will require constant adjustment of the number of straight sections of the gas channels of the engine and adapters.

Обоснование предлагаемого решенияJustification of the proposed solution

Примем за основу:We take as a basis:

- ток нагрузки I=5 А;- load current I = 5 A;

- напряжение на шинах U=300 B/27 B;- voltage on tires U = 300 V / 27 V;

- радиус рабочего цилиндра циклотрона R=0,25 м;- the radius of the working cylinder of the cyclotron R = 0.25 m;

- длина соленоида для рабочего цилиндра L=0,5 м;- the length of the solenoid for the working cylinder L = 0.5 m;

- начальная скорость движения Хе ν=0 м/с;- the initial speed of Xe ν = 0 m / s;

- конечная скорость движения Хе νконечн=150.000 м/с (10×15 км/с);- the final speed of Xe ν is finite = 150.000 m / s (10 × 15 km / s);

- заряд иона q=1,6·10-19 Кл;- ion charge q = 1.6 · 10 -19 C;

- масса иона m=131·1,7·10-27 кг;- the mass of the ion m = 131 · 1.7 · 10 -27 kg;

- разгон ионов происходит в переменном электрическом поле - как отправной вариант.- Acceleration of ions occurs in an alternating electric field - as a starting option.

1. Внутри рабочего пространства циклотрона расположено, как конденсатор, устройство 11 (две пары параллельных сеток, подключенных к источнику постоянного тока) для ускоряющего электрического поля с разностью потенциалов 300 В. Работа, производимая с ионом Хе в зазоре между пластинами конденсатора, равна1. Inside the working space of the cyclotron is located, as a capacitor, device 11 (two pairs of parallel grids connected to a direct current source) for an accelerating electric field with a potential difference of 300 V. The work performed with the Xe ion in the gap between the plates of the capacitor is

A = U q = m 2 ( ν 2 2 ν 1 2 ) .                                     (1)

Figure 00000001
A = U q = m 2 ( ν 2 2 - ν one 2 ) . (one)
Figure 00000001

Для определения приращения скорости за полуоборот примем: начальная скорость на входе в ускоряющий зазор ν1=0; конечная скорость на выходе из зазора ν2=Δν, тогдаTo determine the increment of speed per half-turn, we take: the initial speed at the entrance to the accelerating gap ν 1 = 0; the final velocity at the exit from the gap ν 2 = Δν, then

Δ ν = 2 U q m = 600 1,6 10 19 131 1,7 10 27 = 20762  м/с

Figure 00000002
, Δ ν = 2 U q m = 600 1,6 10 - 19 131 1.7 10 - 27 = 20762 m / s
Figure 00000002
,

где U=E·d;where U = E · d;

Е, d - соответственно напряженность электрического поля и расстояние между сетчатыми пластинами дуантов,E, d - respectively, the electric field strength and the distance between the mesh plates of the duants,

а за полный оборот (два зазора) - 29362 м/с.and for a full revolution (two gaps) - 29362 m / s.

Из (1) следует, что с течением времени электрическое поле уже не успевает оказывать того влияния на приращение скорости движения частицы, как в начале - приращение текущего радиуса кривизны движения частицы в магнитном поле циклотрона на бесконечно большом интервале работы циклотрона стремится к нулю. Однако для напряжения в 300В при выходе циклотрона на рабочий режим достигается за оборот приращение скорости в 2800 м/с, что гарантирует достижение поставленной задачи. Можно обойтись и дежурным напряжением 27В. Текущий радиус r, по условию синхронизма [2] {Справочник по физике Яворского} (стр.446) r/ν=const, исходя из конечных значений, составляет 1,667·10-6·ν (м), период обращения 1,05·10-5 c. Соответственно периоду частота переменного тока ~100 кГц.It follows from (1) that over time, the electric field no longer has the same effect on the increment of the particle’s velocity, as in the beginning, the increment of the current radius of curvature of the particle’s motion in the magnetic field of the cyclotron tends to zero over an infinitely long interval of operation of the cyclotron. However, for a voltage of 300 V when the cyclotron enters the operating mode, a speed increment of 2800 m / s is achieved per revolution, which ensures the achievement of the task. You can do with a standby voltage of 27V. The current radius r, according to the condition of synchronism [2] {Reference on Yavorsky Physics} (p. 446) r / ν = const, based on the final values, is 1,667 · 10 -6 · ν (m), the revolution period is 1.05 · 10 -5 c. According to the period, the AC frequency is ~ 100 kHz.

В общем, ионам РТ (ксенона) кругов «наворачивать» много не придется: для U, равном 300 В, количество кругов составляет 26-27.In general, RT ions (xenon) do not have to “twist” the circles a lot: for U, equal to 300 V, the number of circles is 26-27.

2. Магнитное поле вызывает силу Лоренца, и ион движется по кругу от зазора к зазору без ускорения. В каждой точке движения оскулирующая окружность имеет соответственно радиус2. The magnetic field causes the Lorentz force, and the ion moves in a circle from gap to gap without acceleration. At each point of motion, the osculating circle has a radius, respectively

r = m | q | ν B ,   (B-магнитная  индукция   поля) .     (2)

Figure 00000003
r = m | | | q | | | ν B , (B-magnetic field induction) . (2)
Figure 00000003

r~ν, r / ν = T / 2 π = m q B = c o n s t

Figure 00000004
, (T - квазипостоянный период)r ~ ν, r / ν = T / 2 π = m q B = c o n s t
Figure 00000004
, (T - quasi-constant period)

Подставляем выходные характеристики циклотрона в (2):We substitute the output characteristics of the cyclotron in (2):

B = 131 1,7 10 27 1,5 10 5 1,6 10 19 0,25 = 0,835   Т л .

Figure 00000005
B = 131 1.7 10 - 27 1,5 10 5 1,6 10 - 19 0.25 = 0.835 T l .
Figure 00000005

Значит, νконечн=150 км/с - и 0,25 м радиусаTherefore, ν is finite = 150 km / s - and 0.25 m of radius

Процесс ускорения автоматизирован, не выйдет за габариты устройства и гарантирует заданную конечную скорость νконечн.The acceleration process is automated, does not go beyond the dimensions of the device and guarantees a given final speed ν of finite .

Напряженность Н магнитного поля в ускорителях не может превышать (1,2-1,6)·106 А/м, [2] (стр.447), в нашем случае получается 0,67·106 А/м.The magnetic field strength N in accelerators cannot exceed (1.2-1.6) · 10 6 A / m, [2] (p. 447), in our case we get 0.67 · 10 6 A / m.

Заданное магнитное поле внутри соленоида в вакууме создают [2] (стр.434)The specified magnetic field inside the solenoid in a vacuum is created [2] (p. 434)

N = B L I μ 0 = ( 0,835 / K ) 0,5 5 4 π 10 7 94000  витков ,                        (3)

Figure 00000006
N = B L I μ 0 = ( 0.835 / K ) 0.5 5 four π 10 - 7 94000 turns , (3)
Figure 00000006

где K = L 4 R 2 + L 2

Figure 00000007
, в случае соленоида (К - коэффициент ослабления в центральной части соленоида);Where K = L four R 2 + L 2
Figure 00000007
, in the case of a solenoid (K is the attenuation coefficient in the central part of the solenoid);

µ0 - магнитная постоянная, В·с/А·м.µ 0 - magnetic constant, V · s / A · m.

Это много. Правда, коэффициент К от центра к краям рабочего цилиндра ПУ меняется от 0,7 до 1, но данную проблему не решает. Диаметр сечения провода 0,005 мм. Напряжение на концах соленоида, при общей длине медного провода l~1,5·105 м (активное сопротивление ρ·l/S=135 Ом, ρ≈0,0178 мкОм·м - удельное сопротивление; S=2·10-5 мм2 - площадь поперечного сечения), составляет 675 В. Ток в 5 А такой провод не выдержит. Нужно, чтобы диаметр сечения при токе 5 А был 0,5 мм, не менее. Делаем так. При радиусе окружности рабочей части циклотрона 0,25 м и длине окружности 1,57 м - размещаем вкруг этой рабочей части группу (n) из 100 соленоидов длиною 0,5 м. Количество витков сечения диаметра 0,5 мм в каждом соленоиде 1000. Внутри такой многочисленной группы соленоидов (при I=5А, К=0,7) образуется магнитное поле с индукцией, согласно (3), 0,0088 Тл. Сопротивление медного провода диаметра сечения 0,5 мм составляет ρ·l/S (l=49,32 м - общая длина провода единичного соленоида, м; S=0,196 мм2 - площадь поперечного сечения), значит - 4,5 Ом. Напряжение (U) на каждом из соленоидов составит ~22 В, при их последовательном подключении допускаем общее напряжение на концах группы соленоидов 300 В. Тогда общее количество соленоидов (n1) потребуется ~13-14. Поскольку требуется индукция магнитного поля 0,835 Тл, - в ~100 раз большая, и еще потому, что всегда нужно искать экономные решения, все n1 соленоидов 12, по геометрическим параметрам совпадающих с соленоидами группы «n», помещаем внутрь сердечников-ферромагнетиков, условно представляющих собой, по числу направлений создания тяги, равные части разрезанной вдоль цилиндрической трубы длиною L, внутренний радиус которой является внутренним радиусом R циклотрона. Условно - потому что на самом деле есть один сердечник-ферромагнетик 13 (фиг.2), внутри которого находятся группы соленоидов, разделенные между собой равными промежутками внутри ПУ - циклотрона, характеризующимися малой стороной прямоугольного поперечного сечения выходного отверстия в рабочем цилиндре корпуса ПУ 6 или - отверстия 14 основных переходников 7. Сердечник имеет требуемый коэффициент усиления (k) магнитного поля (в нашем случае k=0,835/0,0088≈100). Расстояние между центрами катушек индуктивности составляет порядка 11,5 см. Как известно, собственное магнитное поле ферромагнетика может в сотни раз превосходить внешнее магнитное поле. При конкретном расчете электрической цепи катушки индуктивности могут иметь и более одного ряда витков.It's a lot. True, the coefficient K from the center to the edges of the working cylinder PU varies from 0.7 to 1, but this problem does not solve. The cross-sectional diameter of the wire is 0.005 mm. The voltage at the ends of the solenoid, with a total length of copper wire l ~ 1.5 · 10 5 m (active resistance ρ · l / S = 135 Ohm, ρ≈0.0178 μOhm · m - resistivity; S = 2 · 10 -5 mm 2 - cross-sectional area), is 675 V. A current of 5 A cannot stand such a wire. It is necessary that the cross-section diameter at a current of 5 A be 0.5 mm, not less. We do so. With the radius of the circumference of the working part of the cyclotron 0.25 m and the circumference of 1.57 m, we place around this working part a group (n) of 100 solenoids with a length of 0.5 m. The number of turns of a cross section of a diameter of 0.5 mm in each solenoid is 1000. Inside such a large group of solenoids (at I = 5A, K = 0.7), a magnetic field is formed with induction, according to (3), 0.0088 T. The resistance of a copper wire with a cross-sectional diameter of 0.5 mm is ρ · l / S (l = 49.32 m is the total length of the wire of a single solenoid, m; S = 0.196 mm 2 is the cross-sectional area), which means 4.5 Ohms. The voltage (U) on each of the solenoids will be ~ 22 V, when connected in series, we assume a total voltage at the ends of the group of solenoids of 300 V. Then the total number of solenoids (n 1 ) will require ~ 13-14. Since a magnetic field induction of 0.835 T is required, it is ~ 100 times large, and also because you always need to look for economical solutions, all n 1 solenoids 12, geometrically coinciding with the solenoids of the “n” group, are placed inside the core-ferromagnets, conditionally representing, in the number of directions for creating traction, equal parts cut along a cylindrical pipe of length L, the inner radius of which is the inner radius R of the cyclotron. Conditionally - because in fact there is one core-ferromagnet 13 (Fig. 2), inside which there are groups of solenoids separated by equal intervals inside the PU - cyclotron, characterized by a small side of a rectangular cross section of the outlet in the working cylinder of the PU 6 or - holes 14 of the main adapters 7. The core has the required magnetic field gain (k) (in our case, k = 0.835 / 0.0088≈100). The distance between the centers of the inductors is about 11.5 cm. As is known, the intrinsic magnetic field of a ferromagnet can be hundreds of times higher than the external magnetic field. In a specific calculation of the electrical circuit of the inductor can have more than one row of turns.

Увеличим радиус сечения провода до 1 мм. Тогда: S=3,14 мм2; N=2×500 (два ряда витков); N/L - та же, 2000; l=49,32 м; сопротивление провода меньше в 4 раза, 1,120 м; U=5,6 В; n1=54; расстояние между центрами катушек индуктивности составляет ~2,9 см. При наружном радиусе катушек 1 см минимальное расстояние между ними составляет 9 мм. Такой вариант следует считать приближенным к оптимуму.Increase the radius of the wire section to 1 mm. Then: S = 3.14 mm 2 ; N = 2 × 500 (two rows of turns); N / L - the same, 2000; l = 49.32 m; wire resistance is 4 times less, 1,120 m; U = 5.6 V; n 1 = 54; the distance between the centers of the inductors is ~ 2.9 cm. With an outer radius of the coils of 1 cm, the minimum distance between them is 9 mm. This option should be considered close to optimum.

Общий объем провода на катушках индуктивности согласно последнему варианту сечения не превосходит 8,4 дм3, что соответствует кубу со стороной 20,3 см.The total volume of the wire on the inductance coils according to the last variant of the cross section does not exceed 8.4 dm 3 , which corresponds to a cube with a side of 20.3 cm.

3. Время (Δtраб) выхода на режим (время «прокручивания» РТ) порядка 10-4 с.3. The time (Δt slave ) of the exit to the regime (the time of “scrolling" of the RT) is about 10 -4 s.

4. Все написанное выше говорит о качественных характеристиках процесса. На практике, ввиду того, что организовывать ввод в ускоритель минимальной дозы ионов для работы циклотрона в его строгом понимании будет проблематично, и это приведет к крайне низкой тяге двигателя, следует организовать такую скорость подачи РТ, чтобы через время - время выхода на рабочий режим (время подготовки двигателя), наступал стационарный процесс движения ионов по всему объему циклотрона, и циклотрон работал бы в непрерывном режиме. Время подготовки двигателя будет соизмеримо со временем, приведенным в п.3. Объемный заряд (взаимодействие электрических полей) является причиной давления газов. Вещества (заряженные частицы) осуществляют физическое взаимодействие исключительно посредством электростатических полей.4. Everything written above speaks about the qualitative characteristics of the process. In practice, in view of the fact that organizing the introduction of the minimum ion dose to the accelerator for the cyclotron to work in its strict sense will be problematic, and this will lead to extremely low engine thrust, it is necessary to arrange such a feed rate of the RT that after a while it is the time to reach the operating mode ( time of preparation of the engine), the stationary process of the movement of ions throughout the entire volume of the cyclotron ensued, and the cyclotron would operate in a continuous mode. The engine preparation time will be commensurate with the time given in paragraph 3. The space charge (the interaction of electric fields) is the cause of gas pressure. Substances (charged particles) carry out physical interaction exclusively through electrostatic fields.

Возникающее давление в плазме увеличивает КПД циклотрона. Известно, что плазма обладает упругими свойствами. Увеличение объемного заряда способствует тому, что плазма в циклотроне ведет себя наподобие жидкости в турбине с двумя плотно пригнанными к стенкам лопастями - вращается по всему объему с одинаковой на текущий момент угловой скоростью. Именно электростатическое расширение выталкивает ионы РТ в выбранный для работы ЦПД выходной канал-переходник и увеличивает (набранную за счет работы циклотрона) их конечную скорость. Этот подход назовем принципом «торнадо».The resulting plasma pressure increases the efficiency of the cyclotron. It is known that plasma has elastic properties. An increase in the space charge ensures that the plasma in the cyclotron behaves like a liquid in a turbine with two blades tightly fitted to the walls - it rotates throughout the volume with the current angular velocity. It is the electrostatic expansion that pushes the RT ions into the output channel-adapter chosen for the operation of the CPD and increases their final speed (gained due to the cyclotron). This approach will be called the tornado principle.

5. Внутренние рабочие поверхности циклотрона и выходных газовых каналов ЦПД для минимизации турбулентности РТ и нагревания стенок изготавливаются зеркальными.5. The internal working surfaces of the cyclotron and the gas outlet channels of the CPD to minimize RT turbulence and wall heating are made mirror-like.

6. Главное. Из состава ЦПД исключается генератор переменного тока. Применяем штатный постоянный ток от системы электропитания КА. Замена одного разгонного зазора и переменного электрического поля двумя равноценными зазорами и постоянными электрическими полями абсолютно равноценна. Условие синхронизма связано с периодом колебания переменного электрического поля. Нет переменного электрического поля - нет и понятийного синхронизма. И потому можно говорить об асинхронном характере работы циклотрона, имея при этом в виду, что ускорение частицы получают всегда вовремя. На сетки 11 дуантов может поступать любое заданное напряжение - ведь речь идет лишь о времени достижения конечной скорости. Выпускные клапаны газового канала, выбранного для работы, остаются открытыми на все время работы двигателя.6. The main thing. An alternating current generator is excluded from the CPD. We apply regular direct current from the spacecraft power system. Replacing one accelerating gap and an alternating electric field with two equivalent gaps and constant electric fields is absolutely equivalent. The condition of synchronism is associated with the period of oscillation of an alternating electric field. There is no alternating electric field - there is no conceptual synchronism. And therefore, we can talk about the asynchronous nature of the cyclotron, bearing in mind that particles are always accelerated on time. Any given voltage can be applied to the nets of 11 dunts - after all, we are only talking about the time to reach the final speed. The exhaust valves of the gas channel selected for operation remain open for the entire duration of the engine operation.

Векторы напряженности электрического поля пар сеток 11 (в щелевых диагональных зазорах) взаимно противоположны.The electric field vectors of the pairs of grids 11 (in slotted diagonal gaps) are mutually opposite.

Итак, новизна и изобретательский уровень имеются как в отношении устройства плазменного двигателя в целом, так и в использовании постоянного тока, отказа от принципа синхронизации и в использовании принципа «торнадо» в разгонном блоке двигателя.So, the novelty and inventive step are both in relation to the device of the plasma engine as a whole, and in the use of direct current, the rejection of the principle of synchronization and the use of the principle of "tornado" in the acceleration unit of the engine.

7. Относительно применения корректирующих движение ионов РТ переходников-ферромагнетиков 7, 8 с катушками индуктивности.7. Regarding the use of RT ions, ferromagnets 7, 8 with motion coils correcting the motion of RT, with inductors.

Если заряженная частица движется в магнитном поле переходника (величина магнитной индукции вдоль силовой линии магнитного поля, несмотря на искривленный профиль переходника, постоянна) так, что вектор ее скорости составляет угол α с направлением магнитной индукции В, то траекторией частицы является винтовая линия с радиусомIf a charged particle moves in the magnetic field of the adapter (the magnitude of the magnetic induction along the magnetic field is constant, despite the curved profile of the adapter, is constant) so that its velocity vector is angle α with the direction of magnetic induction B, then the path of the particle is a helix with a radius

r = m | q | ν B sin α ,                                  (4)

Figure 00000008
r = m | | | q | | | ν B sin α , (four)
Figure 00000008

и шаг винтаand screw pitch

h = 2 π B m ν | q | cos α .                               (5)    

Figure 00000009
h = 2 π B m ν | | | q | | | cos α . (5)
Figure 00000009

Чем больше заданная величина В, тем меньше r и α, и частица следует силовым линиям магнитного поля. Главное, чтобы выполнялось условие r<rпереходн.. Имеем rпереходн.=0,05 м. При вероятных радиусах кривизны изгиба переходника имеем α<10°. Тогда из (4) следует В=0,72 Тл, из (5) следует, что тяжелые ионы, не только в отношении угла Of, но и в отношении величины шага винтового пути, практически следуют силовым линиям магнитного поля, поскольку h=1,8 м при длине переходника 15 см. При такой длине переходника А=0,6 (неоднородность магнитного поля желательна: чем ближе к стенкам переходника, тем больше величина магнитной индукции) конечное уклонение частиц от направлений силовых линий магнитного поля внутри переходника при скорости 1,5·105 м не превысит 2,6 см. Если переходники будут являться эффективными сердечниками-ферромагнетиками электромагнитов, то всегда есть возможность (п.2) сделать расчет выходных параметров катушки индуктивности - соленоида, это задача, решаемая под каждый конкретный угол изгиба переходника.The larger the specified value of B, the smaller r and α, and the particle follows the lines of force of the magnetic field. The main thing is that the condition r <r is transient. . We have r transition. = 0.05 m. For probable radii of curvature of the bend of the adapter, we have α <10 °. Then from (4) it follows B = 0.72 T, from (5) it follows that heavy ions, not only with respect to the angle Of, but also with respect to the pitch of the helical path, practically follow the magnetic field lines, since h = 1 , 8 m with an adapter length of 15 cm. With such an adapter length A = 0.6 (magnetic field inhomogeneity is desirable: the closer to the adapter walls, the greater the magnetic induction) the final deviation of particles from the directions of the magnetic field lines inside the adapter at a speed of 1 , 5 · 10 5 m will not exceed 2.6 cm. If the adapters are effective With active ferromagnet cores of electromagnets, it is always possible (item 2) to calculate the output parameters of an inductance coil - a solenoid, this is a problem to be solved for each specific bend angle of the adapter.

8. Отношение длины соленоидов, создающих магнитное поле в рабочем цилиндре циклотрона и внешнего для них сердечника-ферромагнетика к высоте рабочего цилиндра (С), должно быть порядка 5:1. Такое соотношение гарантирует прямолинейность силовых линий внутри рабочего цилиндра ПУ - циклотрона, что важно для стационарности процесса ускорения частиц. При искривлении силовых линий магнитного поля плазма претерпевает расслоение, и плоскости слоев, через которые проходят элементарные магнитные потоки, становятся пересекающимися. Это приводит к снижению КПД ПУ. Увеличение отношения С не оказывает существенного влияния на качество ускорения частиц, зато ведет к увеличению массы и габарита изделия в целом.8. The ratio of the length of the solenoids creating a magnetic field in the working cylinder of the cyclotron and the core of the ferromagnet external to them to the height of the working cylinder (C) should be about 5: 1. This ratio ensures the straightness of the lines of force inside the working cylinder of the PU - cyclotron, which is important for the stationary process of particle acceleration. When the magnetic field lines are bent, the plasma undergoes delamination, and the planes of the layers through which the elementary magnetic fluxes pass intersect. This leads to a decrease in the efficiency of PU. An increase in C does not significantly affect the quality of particle acceleration, but it leads to an increase in the mass and overall dimensions of the product.

Claims (3)

1. Циклотронный плазменный двигатель, содержащий корпус плазменного ускорителя, соленоиды (катушки индуктивности), электрическую цепь с катодами-компенсаторами, отличающийся тем, что имеются: автономный источник ионов; разделитель потоков электронов и ионов; плазменный ускоритель, представляющий собой асинхронный циклотрон, разделенный вдоль на дуанты двумя соосными парами параллельных сеток с зазорами, создающими однородные, равные и постоянные ускоряющие электрические поля взаимно противоположного направления векторов напряженности, имеющий, по числу основных направлений создания тяги, выходные каналы плазменного ускорителя - основные переходники-ферромагнетики с катушками индуктивности; выходные прямые газовые диэлектрические каналы двигателя, соединенные с основными переходниками через пропускные электроклапаны, а между собой - переходниками-ферромагнетиками с катушками индуктивности.1. A cyclotron plasma engine comprising a plasma accelerator body, solenoids (inductors), an electric circuit with compensating cathodes, characterized in that there are: an autonomous ion source; separator of flows of electrons and ions; a plasma accelerator, which is an asynchronous cyclotron, divided along the dounts by two coaxial pairs of parallel grids with gaps that create uniform, equal and constant accelerating electric fields of mutually opposite directions of tension vectors, which, in terms of the number of main directions for creating thrust, the output channels of the plasma accelerator are the main ferromagnet adapters with inductors; output direct gas dielectric channels of the engine, connected to the main adapters through passage electrovalves, and between themselves - ferromagnet adapters with inductors. 2. Циклотронный плазменный двигатель по п.1, отличающийся тем, что соленоиды (электромагнитные катушки) последовательно соединены и целиком размещены внутри ферромагнетика, представляющего собой общий внешний по отношению к ним сердечник, а по отношению к плазменному ускорителю - цилиндрическую трубу, внутренний радиус которой является внутренним радиусом рабочей стенки плазменного ускорителя, в которой по числу основных направлений создания тяги имеются прямоугольные вырезы - выходные отверстия плазменного ускорителя.2. The cyclotron plasma engine according to claim 1, characterized in that the solenoids (electromagnetic coils) are serially connected and entirely placed inside the ferromagnet, which is a common core external to them, and with respect to the plasma accelerator, a cylindrical tube, the inner radius of which is the internal radius of the working wall of the plasma accelerator, in which, according to the number of main directions for creating thrust, there are rectangular cutouts - the outlet openings of the plasma accelerator. 3. Циклотронный плазменный двигатель по п.2, отличающийся тем, что отношение длины соленоидов и внешнего для них сердечника-ферромагнетика к высоте рабочего цилиндра плазменного ускорителя равно 5:1. 3. The cyclotron plasma engine according to claim 2, characterized in that the ratio of the length of the solenoids and the outer core of the ferromagnet to the height of the working cylinder of the plasma accelerator is 5: 1.
RU2012125490/06A 2012-06-19 2012-06-19 Cyclotron plasma engine RU2517004C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012125490/06A RU2517004C2 (en) 2012-06-19 2012-06-19 Cyclotron plasma engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012125490/06A RU2517004C2 (en) 2012-06-19 2012-06-19 Cyclotron plasma engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012125490A RU2012125490A (en) 2013-12-27
RU2517004C2 true RU2517004C2 (en) 2014-05-27

Family

ID=49785796

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012125490/06A RU2517004C2 (en) 2012-06-19 2012-06-19 Cyclotron plasma engine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2517004C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2602468C1 (en) * 2015-05-26 2016-11-20 Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" Electric propulsion engine (versions)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2046210C1 (en) * 1992-10-05 1995-10-20 Игорь Глебович Богданов Electric rocket engine
US6334302B1 (en) * 1999-06-28 2002-01-01 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Variable specific impulse magnetoplasma rocket engine
RU2445510C2 (en) * 2004-09-22 2012-03-20 Элвинг Ллс Low-thrust rocket engine for space vehicle

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2046210C1 (en) * 1992-10-05 1995-10-20 Игорь Глебович Богданов Electric rocket engine
US6334302B1 (en) * 1999-06-28 2002-01-01 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Variable specific impulse magnetoplasma rocket engine
RU2445510C2 (en) * 2004-09-22 2012-03-20 Элвинг Ллс Low-thrust rocket engine for space vehicle

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2602468C1 (en) * 2015-05-26 2016-11-20 Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" Electric propulsion engine (versions)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012125490A (en) 2013-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11365016B2 (en) Electrodeless plasma thruster
JP5295423B2 (en) Hall thruster, spacecraft and propulsion method
CN105407621B (en) A kind of compact D D accelerators for neutron production
WO2007008234A4 (en) Charged particle thrust engine
US20040212331A1 (en) Radio frequency focused interdigital linear accelerator
US11325727B2 (en) Converging/diverging magnetic nozzle
RU2741401C1 (en) Module with multichannel plasma propulsion system for small spacecraft
CN112727720A (en) Electrodeless plasma thruster based on rotating magnetic field acceleration
RU2517004C2 (en) Cyclotron plasma engine
RU2578551C2 (en) Cyclotron plasma engine
CN113309680A (en) Radial gradient periodic magnetic field plasma propeller
CN111622911A (en) Helical wave opening system electrostatic ion thruster
RU139030U1 (en) ION-PLASMA ENGINE
RU2411067C1 (en) Method of isotope separation and device to this end
US3973926A (en) Process and equipment for the magnetic separation of isotopes
CN111306024B (en) Microwave ion propulsion unit based on lateral wall cusped magnetic field
Chen Analysis of energy balance in a helicon coupled to an inertial electrostatic confinement device
Yavuz et al. Prototype design and manufacturing method of an 8 cm diameter RF ion thruster
CN103945632B (en) The using method of angle speed continuously adjustable plasma jet source and this jet source
RU2527898C1 (en) Low-output stationary plasma engine
Sudnikov et al. Helical mirror concept exploration: Design and status
Oliphant Bakerian Lecture: The acceleration of protons to energies above 10 GeV
RU2764823C1 (en) Bidirectional wave plasma engine for a space vehicle
RU2736311C1 (en) Device for charged particles retention
US20240120122A1 (en) Separation apparatus for high-level nuclear waste

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190620