RU2591972C1

RU2591972C1 - Electric propulsion system

Info

Publication number: RU2591972C1
Application number: RU2015123224/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Ермолаев; Юрий Александрович Новиков
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2016-07-20

Abstract

FIELD: engines.

SUBSTANCE: invention relates to electric rocket propulsion systems with electromagnetic acceleration of plasma. Electric propulsion system comprises power plant, system for storage and supply of working medium and electric jet engine. Device comprises coaxially mounted cathode, nozzle-anode and solenoid arranged outside nozzle-anode. Power plant and solenoid are connected through current leads with motor-generator. Flywheel and electric rocket engine are coaxially fixed at motor-generator shaft. Device is connected with system of storage and supply of working medium through insulating spacer and channel made inside shaft of electric motor-generator.

EFFECT: technical result is reduction of weight of power plant and higher thrust of electric rocket propulsion system.

1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигательных установок (ЭРДУ) с электромагнитным ускорением плазмы.The present invention relates to the field of electric propulsion systems (ERD) with electromagnetic plasma acceleration.

В настоящее время ЭРДУ нашли широкое применение для выполнения различных маневров и управления угловым положением космических аппаратов (КА). ЭРДУ обладают высоким удельным импульсом, что позволяет значительно снизить массу рабочего тела и увеличить маневренные возможности КА.Currently, electric propulsion systems are widely used to perform various maneuvers and control the angular position of spacecraft (SC). Electric propulsion systems have a high specific impulse, which can significantly reduce the mass of the working fluid and increase the maneuverability of the spacecraft.

Известна ЭРДУ, содержащая энергетическую установку, систему хранения и подачи рабочего тела и стационарный плазменный двигатель, содержащий камеру из диэлектрического материала, в которой размещены анод, кольцевой электромагнит и катод-нейтрализатор (Новости космонавтики, 2000 г., №3, с. 30 и 2004 г., №8, с. 49). Разгон рабочего тела осуществляется за счет электрической энергии, подводимой от энергетической установки.Known electric propulsion system containing a power plant, a storage system and a supply of the working fluid and a stationary plasma engine containing a chamber of dielectric material in which an anode, a ring electromagnet and a cathode-neutralizer are located (Cosmonautics News, 2000, No. 3, p. 30 and 2004, No. 8, p. 49). Acceleration of the working fluid is carried out due to electric energy supplied from the power plant.

Характерным недостатком ЭРДУ является большая масса энергетической установки. Это обусловлено тем, что для создания тяги ЭРДУ требуется большая электрическая мощность. Кроме того, данная двигательная установка способна генерировать очень малую тягу из-за низкой плотности рабочего тела в ускорительном канале стационарного плазменного двигателя.A characteristic disadvantage of an electric propulsion system is the large mass of the power plant. This is due to the fact that to create an electric propulsion thrust, a large electric power is required. In addition, this propulsion system is capable of generating very low thrust due to the low density of the working fluid in the accelerating channel of a stationary plasma engine.

В результате ЭРДУ имеет высокую стоимость и обеспечивает низкую оперативность выполнения маневров.As a result, the electric propulsion system is of high cost and provides low efficiency in performing maneuvers.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать ЭРДУ, содержащую энергетическую установку, систему хранения и подачи рабочего тела и электроракетный двигатель, в состав которого входят соосно установленные катод, сопло-анод и соленоид, размещенный снаружи сопла-анода (Фаворский О.Н., Фишгойт В.В., Литовский Е.И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. - М.: Высшая школа, 1978, с. 158-159).The closest in technical essence to the claimed invention should be considered an electric propulsion system containing a power plant, a storage system and a supply of a working fluid and an electric rocket engine, which includes a coaxially mounted cathode, anode anode and a solenoid located outside the anode nozzle (Favorsky O.N. ., Fishgoit VV, Litovsky EI Fundamentals of the theory of space electric propulsion systems. - M .: Higher School, 1978, p. 158-159).

Недостатком данной ЭРДУ также является большая масса энергетической установки, т.к. для создания тяги ЭРДУ требуется большая электрическая мощность.The disadvantage of this electric propulsion system is also the large mass of the power plant, as to create an electric propulsion thrust requires a large electric power.

Данная ЭРДУ может работать при высоких плотностях рабочего тела в камере двигателя, что позволяет повысить тягу. Однако значения тяги остаются небольшими из-за ограниченных возможностей подвода электрической мощности, обусловленных высокой массой энергетической установки.This engine can operate at high densities of the working fluid in the engine chamber, which allows to increase traction. However, the thrust values remain small due to the limited possibilities of supplying electric power due to the high mass of the power plant.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение массы энергетической установки и повышение тяги ЭРДУ.The task of the invention is to reduce the mass of the power plant and increase traction of the electric propulsion system.

Указанная задача решается за счет того, что энергетическая установка и соленоид соединены через тоководы с электродвигателем-генератором, на валу которого соосно закреплены маховик и электроракетный двигатель, связанный с системой хранения и подачи рабочего тела через изолирующую проставку и канал, выполненный внутри вала электродвигателя-генератора.This problem is solved due to the fact that the power plant and the solenoid are connected through current leads to an electric motor-generator, on the shaft of which a flywheel and an electric rocket motor are coaxially mounted, connected to the storage and supply system of the working fluid through an insulating spacer and a channel made inside the shaft of the electric motor-generator .

Сущность изобретения поясняется на чертеже.The invention is illustrated in the drawing.

ЭРДУ включает в себя энергетическую установку 1, систему хранения и подачи рабочего тела 2 и электроракетный двигатель, в состав которого входят соосно установленные катод 3, сопло-анод 4 и соленоид 5, размещенный снаружи сопла-анода 4. Энергетическая установка 1 и соленоид 5 соединены через тоководы 6 и 7 с электродвигателем-генератором 8. На валу 9 электродвигателя-генератора 8 закреплен маховик 10. На торцевой части вала 9 через изолирующую проставку 11 закреплены катод 3 и сопло-анод 4 электроракетного двигателя. Катод 3 имеет каналы для подачи рабочего тела и связан с системой хранения и подачи рабочего тела 2 через изолирующую проставку 11 и канал, выполненный внутри вала 9.The electric propulsion system includes a power plant 1, a storage and supply system for the working fluid 2, and an electric rocket engine, which includes a coaxially mounted cathode 3, a nozzle-anode 4, and a solenoid 5 located outside the nozzle-anode 4. The power plant 1 and the solenoid 5 are connected through the current leads 6 and 7 with the electric motor-generator 8. A flywheel 10 is mounted on the shaft 9 of the electric motor-generator 8. A cathode 3 and a nozzle-anode 4 of the electric rocket motor are fixed to the end of the shaft 9 through an insulating spacer 11. The cathode 3 has channels for supplying the working fluid and is connected to the storage and supply system of the working fluid 2 through an insulating spacer 11 and a channel made inside the shaft 9.

ЭРДУ работает следующим образом. ERD works as follows.

На пассивных участках полета КА вырабатываемый энергетической установкой 1 электрический ток I₃ через токовод 6 поступает на электродвигатель-генератор 8, который работает в режиме двигателя и раскручивает маховик 10. Благодаря этому запасается энергия, необходимая для работы электроракетного двигателя на активных участках полета.In the passive phases of the spacecraft’s flight, the electric current I ₃ generated by the power plant 1 passes through the current lead 6 to the electric motor-generator 8, which operates in the engine mode and spins the flywheel 10. This stores the energy needed to operate the electric rocket engine in the active phases of the flight.

На активных участках полета электродвигатель-генератор 8 переводится в режим генератора и через токовод 7 обеспечивает прохождение электрического тока I_с через соленоид 5. Вращение сопла-анода 4 с угловой скоростью ω в магнитном поле с индукцией В_с, создаваемом соленоидом 5, приводит к появлению в токопроводящем материале сопла-анода 4 электродвижущей силы ε, направленной от катода 3 к выходному сечению сопла-анода 4. Это приводит к возникновению разности потенциалов между катодом 3 и выходной частью сопла-анода 4. При этом изолирующая проставка 11 предотвращает распространение электрического потенциала на вал 9.In the active areas of the flight motor-generator 8 is transferred to the generator mode and tokovod through 7 allows the passage of electric current I _s through _the solenoid 5. Rotating anode-nozzles 4 with an angular velocity ω in a magnetic field _with induction B created by the solenoid 5, leads to in the conductive material of the anode nozzle 4, an electromotive force ε directed from the cathode 3 to the output section of the anode 4 nozzle. This leads to a potential difference between the cathode 3 and the output part of the anode 4 nozzle. Avka 11 prevents the spread of electric potential on the shaft 9.

Рабочее тело в электроракетный двигатель подается из системы хранения и подачи рабочего тела 2 через канал, выполненный внутри вала 9. При попадании рабочего тела в электроракетный двигатель под действием разности потенциалов между катодом 3 и выходной частью сопла-анода 4 в среде рабочего тела возникает ток разряда I_p. Осевая составляющая тока разряда I_p создает азимутальное магнитное поле с индукцией В. Взаимодействие радиальной составляющей тока разряда I_p с азимутальным магнитным полем приводит к возникновению силы Ампера, которая ускоряет плазму и создает тягу ЭРДУ.The working fluid is supplied to the electric rocket engine from the storage and supply system of the working fluid 2 through a channel made inside the shaft 9. When the working fluid enters the electric rocket engine under the action of the potential difference between the cathode 3 and the output part of the anode 4 nozzle, a discharge current occurs in the working medium I _p. The axial component of the discharge current I _p creates an azimuthal magnetic field with induction B. The interaction of the radial component of the discharge current I _p with an azimuthal magnetic field gives rise to an Ampere force that accelerates the plasma and creates an electric propulsion thrust.

В предлагаемой ЭРДУ энергетическая установка 1 используется на пассивных участках полета для раскрутки маховика 10. Длительность пассивных участков полета КА значительно превышает длительность активных участков полета. В связи с этим требуемая мощность энергетической установки 1 существенно ниже, чем в известных ЭРДУ. Благодаря этому обеспечивается значительное снижение массы энергетической установки.In the proposed electric propulsion system, the power plant 1 is used in passive flight sections for spinning the flywheel 10. The duration of the passive flights of the spacecraft significantly exceeds the duration of the active flight sections. In this regard, the required power of the power plant 1 is significantly lower than in the known electric propulsion systems. This ensures a significant reduction in the mass of the power plant.

Кроме того, в предлагаемой ЭРДУ в процессе создания тяги используется энергия, запасаемая в маховике 10. Поскольку удельная мощность маховичных накопителей на несколько порядков выше удельной мощности энергетических установок, предлагаемая ЭРДУ может создавать значительно большую тягу при одинаковых ограничениях на массу ЭРДУ.In addition, in the proposed electric propulsion system, the energy stored in the flywheel is used in the process of creating thrust 10. Since the specific power of the flywheel drives is several orders of magnitude higher than the specific power of power plants, the proposed electric propulsion system can create significantly greater thrust with the same restrictions on the mass of the electric propulsion system.

Таким образом, обеспечивается выполнение технической задачи изобретения.Thus, the technical objectives of the invention are achieved.

Claims

An electric rocket propulsion system comprising a power plant, a storage and supply system of a working fluid, and an electric rocket motor, which includes a coaxially mounted cathode, an anode nozzle and a solenoid located outside the anode nozzle, characterized in that the power plant and the solenoid are connected via current leads to an electric motor-generator, on the shaft of which a flywheel and an electric rocket motor are coaxially mounted, connected to the storage and supply system of the working fluid through an insulating spacer and a channel nenny inside the generator motor shaft.