RU2567896C2

RU2567896C2 - Electric reactive thrust development

Info

Publication number: RU2567896C2
Application number: RU2013125958/06A
Authority: RU
Inventors: Богдан Николаевич Казьмин; Иван Васильевич Трифанов; Людмила Ивановна Оборина; Дмитрий Ринатович Рыжов; Екатерина Дмитриевна Дубова
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2015-11-10
Also published as: RU2013125958A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: claimed method can be used in electric jet engines and electric power sources for aerospace craft and carriers. Claimed method consists in forming of combustion products of hydrocarbon, chemical or nuclear fuel flow moving at preset velocity in magnetic field with induction vector perpendicular to combustion products flow velocity vector. Combustion products flow is, then, split in the beam of cations and that of electrons. Note here that the energy of electron beam is transformed in electric power to be used for acceleration of the beam of cations. The latter develops the jet thrust proportional to accelerated energy of accelerated beam.

EFFECT: higher efficiency of supply system, fuel saving, higher efficiency of payload, longer life of spacecraft.

1 dwg

Description

Изобретение относится к аэрокосмической технике и может быть применено в электрореактивных двигателях и источниках электроэнергии для аэрокосмических транспортных средств и аппаратов.The invention relates to aerospace engineering and can be used in electric propulsion engines and power sources for aerospace vehicles and apparatuses.

Известны плазменно-ионные двигатели («Ионный двигатель», патент ФРГ №682150; «Электрореактивная двигательная установка», патент RU2024785; «Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель», патент RU 2397363), содержащие ионизаторы рабочего тела, формирователи плазмы, ускорители заряженных частиц, поток которых создает реактивную тягу, движущую транспортное средство. Двигатели такого типа имеют следующие недостатки. Им требуются источники электроэнергии большой мощности и большие запасы топлива, так как они расходуют электроэнергию на ионизацию рабочего тела, получение плазмы, ускорение заряженных частиц, кроме того, они расходуют рабочее тело, запасы которого на борту весьма ограничены. Все это снижает КПД, коэффициент полезной нагрузки, ограничивает радиус действия транспортного средства и время жизни аэрокосмического аппарата.Known plasma-ion engines ("Ionic engine", the patent of Germany No. 682150; "Electric propulsion system", patent RU2024785; "Plasma-ion combined air-jet engine", patent RU 2397363) containing ionizers of the working fluid, plasma shapers, accelerators charged particles, the flow of which creates a jet propulsion, driving a vehicle. Engines of this type have the following disadvantages. They need high-power sources of energy and large fuel reserves, since they consume electricity to ionize the working fluid, produce plasma, and accelerate charged particles, and they also use the working fluid, whose reserves are very limited on board. All this reduces the efficiency, payload coefficient, limits the radius of the vehicle and the lifetime of the aerospace vehicle.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ, реализуемый в двигательной установке для пилотируемой марсианской экспедиции (сборник тезисов докладов, СибГАУ, «Актуальные проблемы авиации и космонавтики», 2009, т.1, с.60-61), в которой сжигают углеводородное, химическое или ядерное топливо, создавая поток продуктов сгорания, движущийся с определенной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока, и магнитогидродинамическим (МГД) способом ускоряют поток нейтральной плазмы продуктов сгорания, создавая реактивную тягу, пропорциональную скорости выходящего из сопла потока газов.The prototype of the invention is a method implemented in a propulsion system for a manned Martian expedition (collection of abstracts, SibSAU, “Actual problems of aviation and astronautics”, 2009, v. 1, pp. 60-61), in which hydrocarbon, chemical or nuclear are burned fuel, creating a flow of combustion products moving at a certain speed in a magnetic field, the induction vector of which is orthogonal to the flow velocity vector, and in a magnetohydrodynamic (MHD) way accelerate the flow of neutral plasma of combustion products creating reactive thrust proportional to the speed of the gas stream exiting the nozzle.

Недостатком прототипа являются существенные затраты электроэнергии на ионизацию электрическим разрядом продуктов сгорания и образование потока нейтральной плазмы, а также на создание источниками ЭДС электрического тока в нейтральной плазме для МГД-ускорения.The disadvantage of the prototype is the significant cost of electricity for ionization by an electric discharge of the combustion products and the formation of a neutral plasma flow, as well as the creation of EMF sources of electric current in a neutral plasma for MHD acceleration.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение непроизводительных затрат электроэнергии на ионизацию электрическим разрядом продуктов сгорания, а также на создание источниками ЭДС электрического тока в нейтральной плазме.The objective of the invention is the elimination of unproductive energy costs for ionization by electric discharge of combustion products, as well as the creation of emf sources of electric current in a neutral plasma.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе создания электрореактивной тяги, заключающемся в формировании потока продуктов сгорания углеводородного, химического или ядерного топлива, движущегося с заданной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока продуктов сгорания, согласно изобретению поток продуктов сгорания разделяют на пучок катионов и пучок электронов, причем энергию пучка электронов преобразуют в дополнительную электрическую мощность, направляемую на ускорение пучка катионов, который создает реактивную тягу, пропорциональную кинетической энергии ускоренного пучка.The problem is solved in that in the known method of creating electro-reactive traction, which consists in the formation of a flow of combustion products of hydrocarbon, chemical or nuclear fuel moving at a given speed in a magnetic field, the induction vector of which is orthogonal to the velocity vector of the flow of combustion products, according to the invention, the flow of combustion products is divided to a cation beam and an electron beam, and the energy of the electron beam is converted into additional electric power directed to the acceleration of cations, which creates reactive thrust proportional to the kinetic energy of the accelerated beam.

Схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на чертеже.A diagram of a device that implements the proposed method is presented in the drawing.

Устройство содержит систему сжигания соответствующего топлива 1, агрегат формирования потока продуктов сгорания 2 с каналом 3 продуктов сгорания, индуктор магнитного поля 4, канал катионов продуктов сгорания 5, электроускоритель 6 катионов, сопло 7, мембрану электронов 8, которая пропускает через себя электроны, практически не снижая электропроводимость материала электрода, и задерживает нейтральные частицы, катионы и анионы продуктов сгорания, снижая рассеяние электронов практически до нуля; аксиальный анод 9, канал пучка электронов 10, преобразователь энергии пучка электронов в электрическую мощность 11, бортовую систему электропитания 12.The device contains a system for burning the corresponding fuel 1, an aggregate for generating a flow of combustion products 2 with a channel 3 of combustion products, an inductor of a magnetic field 4, a channel of cations of combustion products 5, an electric accelerator 6 of cations, a nozzle 7, an electron membrane 8 that passes electrons through it, practically no reducing the electrical conductivity of the electrode material, and delays neutral particles, cations and anions of the combustion products, reducing electron scattering to almost zero; axial anode 9, electron beam channel 10, electron beam energy converter into electrical power 11, on-board power supply system 12.

Работает данное устройство по предлагаемому способу следующим образом. Из бортовой системы электропитания 12 подают напряжение холостого хода в индуктор 4, электрический ускоритель 6, аксиальный анод 9 и преобразователь 11. Топливо (углеводородное, химическое или ядерное) сжигают в системе 1. При помощи агрегата 2 формируют поток продуктов сгорания с температурой 2000-3000 K при давлении порядка 2·10⁶ Па, который движется в канале 3 со скоростью ν_nc порядка 20 км/с и входит в магнитное поле индуктора 4, вектор магнитной индукции B которого ортогонален вектору скорости ν_nc. Кроме того на газовый поток продуктов сгорания воздействуют резонансным СВЧ излучением (показанным на фигуре в виде спиральных траекторий). В поле индуктора 4 под действием силы Лоренца (F_Л =q_i[νxB], где q_i - заряд электрона или катиона с учетом его знака) происходит разделение потока продуктов сгорания на электроны и катионы, движущиеся в противоположных направлениях. Под действием электрического поля ускорителя 6 в канале 5 образуется пучок катионов, движущихся со скоростью ν_к, ускоряясь электрическим полем ускорителя 6 до скорости ν_ку. Под действием электрического поля аксиального анода 9, ускоряющего электроны, проходящие через мембрану 8, которая пропускает через себя электроны и не пропускает через себя анионы, катионы и нейтральные частицы продуктов сгорания, рассеивающие электроны, образуется пучок электронов, движущихся в канале 10 со скоростью ν_eу. Масса катионов m_k в 10⁴-10⁵ раз больше массы электронов m_е, поэтому кинетическая энергия катионов больше кинетической энергии электронов, радиус траектории движения катионов r_к≈10² м больше радиуса траектории движения электронов r_е≈10^-2 м, а частота ротации электронов f_e≈10⁵ Гц больше частоты ротации катионов в m_k/m_e раз, и вектор скорости ν_ey в (m_k/m_e)^½ раз больше, чем вектор скорости ν_ку , и соответственно электрическая мощность ускоренного пучка электронов в (ν_ey./ν_ку)² или в m_k/m_e раз больше, чем электрическая мощность ускоренного пучка катионов, согласно расчетам [Яворский Б.М. и др. Курс физики. T.2. Электричество и магнетизм. - М.: Высшая школа, 1964, с.275-287]. Выделение пучка электронов практически не уменьшает кинетическую энергию потока продуктов сгорания, но электрическая мощность пучка электронов в m_k/m_e раз больше, чем у пучка катионов, поэтому энергию электронного пучка превращают в электрическую мощность в преобразователе 11 путем двухполупериодного преобразования конвекционного тока и энергии электронного пучка в электрическую мощность, которое осуществляется следующим образом [см. Экспериментальная проверка перехода энергии взаимодействия электронной плазмы в электромагнитный процесс для создания электроэнергетической технологии. «Альтернативная энергетика и экология». Международный научный журнал, №11, 2012, с 87-91].This device works by the proposed method as follows. From the on-board power supply system 12, the open circuit voltage is supplied to the inductor 4, the electric accelerator 6, the axial anode 9 and the converter 11. The fuel (hydrocarbon, chemical or nuclear) is burned in the system 1. Using the unit 2, a stream of combustion products with a temperature of 2000-3000 is formed K at a pressure of the order of 2 · 10 ⁶ Pa, which moves in channel 3 with a speed ν _{nc of the} order of 20 km / s and enters the magnetic field of inductor 4, the magnetic induction vector B of which is orthogonal to the velocity vector ν _nc . In addition, the gas stream of the combustion products is affected by resonant microwave radiation (shown in the figure in the form of spiral trajectories). In the field of inductor 4 under the action of the Lorentz force (F _Л = q _i [νxB], where q _i is the charge of an electron or cation, taking into account its sign), the flow of combustion products is divided into electrons and cations moving in opposite directions. Under the action of the electric field of accelerator 6, a beam of cations is formed in channel 5, moving at a speed of ν _k , accelerated by the electric field of accelerator 6 to a speed of ν _ku. Under the influence of the electric field of the axial anode 9, which accelerates the electrons passing through the membrane 8, which passes electrons through itself and does not pass through anions, cations and neutral particles of combustion products, scattering electrons, a beam of electrons is formed, moving in channel 10 with a speed ν _eу . Mass m _k cations of 10 ⁴ -10 ⁵ times the mass m of electrons _e, so the kinetic energy of the cations more kinetic energy of the electrons, the radius r of the trajectory of motion of the cations _to ≈10 ² m greater than the radius of the trajectory of the electrons _e r ≈10 ^-2 m, and the electron rotation frequency f _e ≈10 ⁵ Hz is larger than the cation rotation frequency by m _k / m _e times, and the velocity vector ν _ey is (m _k / m _e ) ^½ times larger than the velocity vector ν _ku , and, accordingly, the electric power of the accelerated beam electrons (ν _ey ./ν _ky) ² or m _k / m _e times larger than the electric power to the accelerated beam thiones, according to calculations [Jaworski BM and other physics course. T.2. Electricity and magnetism. - M.: Higher School, 1964, p.275-287]. The selection of the electron beam practically does not reduce the kinetic energy of the flow of combustion products, but the electric power of the electron beam is m _k / m _e times greater than that of the cation beam, therefore, the energy of the electron beam is converted into electric power in the converter 11 by two-half-conversion of convection current and electron energy beam into electric power, which is as follows [see Experimental verification of the transition of the interaction energy of an electron plasma into an electromagnetic process to create an electric power technology. "Alternative energy and ecology." International Scientific Journal, No. 11, 2012, with 87-91].

Под действием положительной полуволны напряжения рабочей частоты бортовой системы электропитания 12 в преобразователе 11 конвекционный ток электронного пучка 10 переходит в ток проводимости, создавая соответствующую мощность, равную произведению силы тока на рабочее напряжение, которую используют для создания дополнительной электрореактивной тяги и трансформируют в бортовую систему электропитания 12 для электроснабжения других систем летательного аппарата. При смене полярности полуволны напряжения преобразование конвекционного тока электронного пучка 10 происходит в другом плече симметричного трансформатора преобразователя 11. Электроны пучка 10, совершив работу в электрической цепи преобразователя 11 по созданию электрической мощности, через среднюю точку симметричного трансформатора преобразователя 11, соединенную с массой аппарата, заряжают отрицательно электропроводящее сопло 7, в котором происходит рекомбинация ускоренных катионов продуктов сгорания, вылетающих из сопла, создающих дополнительную электроракетную тягу.Under the influence of a positive half-wave of the voltage of the operating frequency of the on-board power supply system 12 in the converter 11, the convection current of the electron beam 10 passes into the conduction current, creating the corresponding power equal to the product of the current strength by the working voltage, which is used to create additional electro-reactive traction and is transformed into the on-board power supply system 12 for powering other aircraft systems. When changing the polarity of the half-wave voltage, the convection current of the electron beam 10 occurs in the other arm of the symmetric transformer of the transducer 11. The electrons of the beam 10, having performed work in the electric circuit of the transducer 11 to create electric power, are charged through the midpoint of the symmetric transformer of the transducer 11 connected to the mass of the apparatus negatively conductive nozzle 7, in which the recombination of accelerated cations of the combustion products emanating from the nozzle, creating additional electric propulsion.

За счет полученной дополнительной электрической мощности ускоряют пучок катионов путем подачи необходимого напряжения с преобразователя 11 на электрический ускоритель 6 и аксиальный анод 9. Получив ускорение, катионы входят в отрицательно заряженное электронами сопло 7, соприкасаясь с ним, получают с поверхности сопла электроны, рекомбинируясь (становясь) нейтральными частицами, и вылетая из сопел, создают реактивную тягу, пропорциональную средней скорости ускоренного пучка катионов, рекомбинируемых в нейтральные частицы. Due to the obtained additional electric power, the cation beam is accelerated by supplying the necessary voltage from the converter 11 to the electric accelerator 6 and the axial anode 9. Having received the acceleration, the cations enter the nozzle 7 negatively charged by electrons, coming into contact with it, they get electrons from the nozzle surface, recombining (becoming ) by neutral particles, and flying out of the nozzles, create reactive thrust proportional to the average speed of the accelerated beam of cations recombined into neutral particles.

Изменением напряжения преобразователя 11 регулируют скорость катионов ν_ку, электрически управляя электрореактивной тягой. Не использованную на электрореактивную тягу электрическую мощность, получаемую из электронного пучка, трансформируют в бортовую систему электропитания 12 для электроснабжения других систем космического аппарата.By changing the voltage of the Converter 11 regulate the speed of the cations ν _ku , electrically controlling the electroreactive traction. The electric power not used for electric thrust, obtained from the electron beam, is transformed into an on-board power supply system 12 for powering other spacecraft systems.

В предлагаемом способе не затрачивается электроэнергия на ионизацию продуктов сгорания электрическим разрядом и на создание источниками ЭДС электрического тока в нейтральной плазме, как в прототипе, поэтому повышается КПД системы электропитания, экономится топливо и другие расходные материалы, увеличивается коэффициент полезной загрузки, радиус действия и срок жизни аппарата.In the proposed method, electricity is not expended on ionization of the combustion products by electric discharge and on creating an electric current in a neutral plasma by the emf sources, as in the prototype, therefore, the efficiency of the power supply system is increased, fuel and other consumables are saved, the payload coefficient, radius of action and lifetime are increased apparatus.

Claims

A method of creating an electro-reactive traction, which consists in forming a flow of products of combustion of hydrocarbon, chemical or nuclear fuel moving at a given speed in a magnetic field, the induction vector of which is orthogonal to the velocity vector of the stream of combustion products, characterized in that the stream of combustion products is separated into a cation beam and an electron beam moreover, the energy of the electron beam is converted into additional electric power directed to accelerate the beam of cations, which creates reactive traction.