RU2594937C2

RU2594937C2 - Plasma electrical jet engine and method of creating jet thrust

Info

Publication number: RU2594937C2
Application number: RU2015100498/06A
Authority: RU
Inventors: Алексей Дмитриевич Беклемишев
Original assignee: Алексей Дмитриевич Беклемишев
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2016-08-20
Also published as: RU2015100498A

Abstract

FIELD: engines.

SUBSTANCE: invention relates to field of electric propulsion plasma engines for space-rocket equipment. Invention consists of method of creating jet thrust by means of "screw" electromagnetic plasma accelerator and engine design that implements it. Plasma in "screw" accelerator rotates in crossed longitudinal and radial electric fields, wherein magnetic field has spiral crimping, and electric field is created by electrodes, one of which is located on magnetic axis, and other one encloses plasma. Rotation is converted into acceleration along magnetic field by diamagnetic force and viscosity of plasma. Design of engine includes ionization chamber, "screw" magnetic accelerator and magnetic nozzle. Jet thrust of engine is transferred to magnetic system, while magnetic insulation reduces erosion. Structure can operate with completely ionized, weakly-ionized or recombining plasma. Specific impulse of engine can vary in wide range during operation.

EFFECT: invention can be used as engine of main spacecraft thrust for transfer maneuvering and interplanetary flights.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а более точно касается конструкции электрореактивных двигателей космических аппаратов с переменным удельным импульсом тяги в диапазоне от 500 до более 10 тыс. секунд.The invention relates to the field of rocket and space technology, and more specifically relates to the design of electric propulsion engines of spacecraft with a variable specific impulse of thrust in the range from 500 to more than 10 thousand seconds.

Из существующего уровня техники известны различные способы создания тяги и конструкции электрореактивных плазменных двигателей, в том числе с магнитной изоляцией стенок плазменного канала и с магнитным соплом, что делает их потенциально пригодными для работы с мощностями более 100 кВт в стационарном режиме. Надо отметить известный двигатель VASIMR (US 6334302 В1, опубл. 01.01.2002), в котором плазма ионизуется в продольном магнитном поле высокочастотным геликонным разрядом, затем попадает в магнитное сопло, где ионная компонента плазмы селективно нагревается в циклотронном резонансе и ускоряется диамагнитной силой, формируя реактивную струю. Изменением удельного вклада мощности в циклотронном резонансе можно добиться изменения скорости истечения плазмы и, следовательно, удельного импульса тяги. Имеются и другие конструкции с радиочастотным нагревом и магнитным соплом, например US 6293090 В1, опубл. 25.09.2001; WO 2013098505 А1, опубл. 04.07.2013). Во всех этих конструкциях используется радиочастотный нагрев замагниченной плазмы, который имеет следующий недостаток: требуется полная ионизация плазмы и достаточно высокая температура ионов. Это означает, что мощность, затраченная на ионизацию рабочего тела, расходуется бесполезно и к.п.д. двигателя с удельным импульсом менее 3000 с низкий. Кроме того, к.п.д. снижается и из-за потерь при генерации и поглощении радиоволн. Альтернативой могли бы служить конструкции двигателя с электродуговым нагревом плазмы, но в этом случае недостатком является быстрая эрозия электродов из-за большого тока разряда и недолговечность конструкции. Способ создания тяги во всех этих случаях схож и основан на преобразовании поперечного (к магнитному полю) движения замагниченных частиц плазмы в их направленное движение в магнитном сопле. Дополнительная тяга может создаваться в магнитном сопле также за счет доускорения ионов на перепаде электростатического потенциала плазмы.Various methods are known from the state of the art for creating thrust and design of electro-reactive plasma engines, including those with magnetic isolation of the walls of the plasma channel and with a magnetic nozzle, which makes them potentially suitable for operation with powers of more than 100 kW in stationary mode. It should be noted the well-known VASIMR engine (US 6334302 B1, published 01.01.2002), in which a plasma ionizes a longitudinal magnetic field by a high-frequency helicon discharge, then enters a magnetic nozzle, where the plasma ion component is selectively heated in cyclotron resonance and accelerated by diamagnetic force, forming jet stream. By changing the specific contribution of power in the cyclotron resonance, it is possible to achieve a change in the velocity of the plasma and, therefore, the specific impulse of thrust. There are other designs with radio frequency heating and a magnetic nozzle, for example US 6293090 B1, publ. 09/25/2001; WO 2013098505 A1, publ. 07/04/2013). All of these structures use radio-frequency heating of magnetized plasma, which has the following drawback: complete plasma ionization and a sufficiently high ion temperature are required. This means that the power spent on ionizing the working fluid is wasted and useless. engine with a specific impulse of less than 3000 s low. In addition, the efficiency decreases due to losses in the generation and absorption of radio waves. An alternative would be an engine design with electric arc plasma heating, but in this case, the disadvantage is the fast erosion of the electrodes due to the high discharge current and the fragility of the structure. The method of creating traction in all these cases is similar and based on the transformation of the transverse (to the magnetic field) motion of the magnetized plasma particles into their directed motion in the magnetic nozzle. Additional thrust can also be created in the magnetic nozzle due to the acceleration of ions at the difference in the electrostatic potential of the plasma.

Наиболее близок по конструкции к заявляемому изобретению магнитоплазмодинамический ускоритель МПДУ (Кубарев Ю.В. Источник газоразрядной плазмы, авторское свидетельство СССР 166974 от 04.02.63, патент RU 2472324 С2, опубл. 20.03.2012), в котором ионизация, нагрев и ускорение плазмы в осесимметричной конструкции с продольным магнитным полем и магнитным соплом происходят в сложном газовом разряде, горящем, в том числе, поперек основного магнитного поля. В этом двигателе рабочий газ подается через полый катод, находящийся на оси системы в ионизационной камере, а анодные кольца расположены на периферии, как в ионизационной камере, так и в расширяющейся части сопла. Конструкция очень простая, но из-за этого недостаточно эффективная. Поскольку автор МПДУ ссылается на сложную авторскую природу разряда, а способ создания тяги в этом случае не вполне ясен, критика основывается на законе сохранения импульса. Реактивный импульс в МПДУ может передаваться либо магнитному полю сопла (а также задней стенке через давление горячего газа), либо электродам через электрическое поле. В первом случае для увеличения удельного импульса требуется увеличение температуры плазмы и связанных с этим эрозии и потерь, поскольку по способу работы магнитное сопло подобно соплу Лаваля. А во втором случае создаваемая тяга на единицу площади сечения двигателя будет очень низкой, как в ионных двигателях. В заявляемом изобретении эти проблемы решаются включением в конструкцию между ионизационной камерой и соплом электромагнитного ускорителя плазмы, в котором магнитное поле имеет спиральную гофрировку, а плазма ускоряется без существенного нагрева с передачей импульса магнитной системе ускорителя. Автор данного изобретения предлагает назвать его «винтовым» по аналогии принципа действия с винтовым насосом. Кроме того, в отличие от МПДУ, где осевой электрод является катодом, а периферийный - анодом, в заявляемом изобретении возможна смена варианта полярности электродов с одновременной сменой знака магнитного поля, а также более тонкая регулировка с целью изменения режима работы «винтового» ускорителя и удельного импульса тяги двигателя в процессе работы.The closest in design to the claimed invention is the magnetoplasdynamic accelerator MPDU (Kubarev Yu.V. Source of gas-discharge plasma, USSR author's certificate 166974 of 04.02.63, patent RU 2472324 C2, published on 03.20.2012), in which plasma ionization, heating and acceleration axisymmetric design with a longitudinal magnetic field and a magnetic nozzle occur in a complex gas discharge, burning, including, across the main magnetic field. In this engine, the working gas is supplied through a hollow cathode located on the axis of the system in the ionization chamber, and the anode rings are located at the periphery, both in the ionization chamber and in the expanding part of the nozzle. The design is very simple, but because of this is not effective enough. Since the author of the MPDU refers to the complex author’s nature of the discharge, and the method of creating traction in this case is not entirely clear, the criticism is based on the law of conservation of momentum. The jet pulse in the MPDU can be transmitted either to the magnetic field of the nozzle (as well as to the back wall via hot gas pressure), or to the electrodes through an electric field. In the first case, an increase in the specific impulse requires an increase in the plasma temperature and the associated erosion and loss, since the magnetic nozzle is similar to the Laval nozzle in the way it works. And in the second case, the generated thrust per unit cross-sectional area of the engine will be very low, as in ion engines. In the claimed invention, these problems are solved by incorporating an electromagnetic plasma accelerator in the structure between the ionization chamber and the nozzle, in which the magnetic field has a spiral corrugation, and the plasma is accelerated without significant heating with the transfer of momentum to the magnetic system of the accelerator. The author of this invention suggests calling it “screw” by analogy with the principle of operation with a screw pump. In addition, unlike MPDU, where the axial electrode is the cathode, and the peripheral is the anode, in the claimed invention it is possible to change the polarity of the electrodes while changing the sign of the magnetic field, as well as finer adjustment to change the operating mode of the “screw” accelerator and specific engine thrust impulse during operation.

Плазменных или ионных двигателей со спиральной гофрировкой продольного магнитного поля в канале двигателя, являющейся признаком ускорителя «винтового» типа, не выявлено.Plasma or ion engines with spiral corrugation of a longitudinal magnetic field in the engine channel, which is a sign of a screw-type accelerator, were not detected.

Магнитное поле обладает винтовой гофрировкой в замкнутых тороидальных системах магнитного удержания термоядерной плазмы типа «токамак». Плазма в токамаке вращается по двум направлениям, тороидальному и полоидальному, что можно представить как комбинацию вращения в скрещенных электрическом и магнитном полях и течения вдоль силовых линий. Вращение обычно связано с самосогласованным радиальным амбиполярным электрическим полем, однако его можно существенно менять путем инжекции момента импульса с пучками частиц. Экспериментально наблюдается связь и взаимопревращения тороидальной и полоидальной компонент вращения плазмы (deGrassie J.S. "Tokamak rotation sources transport and sinks", Plasma Physics and Controlled Fusion, V. 51, 2009, p. 124047), что можно интерпретировать как аналог превращения вращения в поступательное движение плазмы в «винтовом» ускорителе.The magnetic field has helical corrugation in closed toroidal systems of magnetic confinement of a thermonuclear plasma of the “tokamak” type. The plasma in the tokamak rotates in two directions, toroidal and poloidal, which can be represented as a combination of rotation in crossed electric and magnetic fields and flow along the lines of force. The rotation is usually associated with a self-consistent radial ambipolar electric field, but it can be substantially changed by injection of the angular momentum with particle beams. Experimentally, there is a relationship and interconversion of the toroidal and poloidal components of plasma rotation (deGrassie JS "Tokamak rotation sources transport and sinks", Plasma Physics and Controlled Fusion, V. 51, 2009, p. 124047), which can be interpreted as an analog of the transformation of rotation into translational motion plasma in a “screw” accelerator.

Преобразование вращения в поступательное движение плазмы в поле со спиральной гофрировкой было ранее предложено автором в качестве способа нагнетания плазмы вдоль магнитного поля и способа улучшения продольного удержания в многопробочных линейных магнитных ловушках (A.D. Beklemishev, Fusion Science and Technology, V63 1T, 2013, p. 355).The transformation of rotation into translational motion of a plasma in a field with spiral corrugation was previously proposed by the author as a method of pumping plasma along a magnetic field and a method of improving longitudinal confinement in multi-tube linear magnetic traps (AD Beklemishev, Fusion Science and Technology, V63 1T, 2013, p. 355 )

Способа создания реактивной тяги путем ускорения вращающейся плазмы в спирально-гофрированном магнитном поле не выявлено.A method of creating reactive thrust by accelerating a rotating plasma in a spiral-corrugated magnetic field has not been identified.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание такой конструкции электрореактивного двигателя мегаваттного класса, которая была бы способна обеспечить работу с большой тягой, в режимах с изменяемым удельным импульсом реактивной струи, от 500 до 10000 секунд, с высоким к.п.д. длительное время.The task to which the claimed invention is directed is to create a megawatt-class electric jet engine design that would be able to provide high thrust operation in modes with a variable specific jet impulse from 500 to 10,000 seconds, with high efficiency . a long time.

Данная задача решается тем, что конструкция плазменного электрореактивного двигателя, предназначенного преимущественно для работы в космосе, содержит ионизационную камеру на входе для подачи и первичной ионизации рабочего тела, выпускное магнитное сопло для ускорения потока плазмы и для отрыва реактивной струи от магнитного поля, а также по меньшей мере два электрода, соединенных с внешним источником электрического тока, один из которых находится на оси ионизационной камеры, а другой выполнен в виде кольца, охватывающего поток плазмы. В отличие от ближайшего аналога, МПДУ, в заявляемой конструкции между ионизационной камерой и соплом расположен «винтовой» электромагнитный ускоритель плазмы, содержащий продольный ускорительный канал, окруженный одно- или многозаходными винтовыми обмотками с током или соленоидом с винтовыми ферромагнитными вставками, создающими в ускорительном канале продольное магнитное поле с одно- или многозаходной спиральной гофрировкой. Кроме электродов в ионизационной камере может быть расположена антенна для создания геликонного или электронно-циклотронного разряда, подключенная к отдельному высокочастотному источнику питания. Конструкция плазменного электрореактивного двигателя реализует один из вариантов способа создания реактивной тяги с помощью «винтового» ускорителя. Этот способ создания реактивной тяги, характеризуется тем, что рабочее тело в состоянии плазмы ускоряют вдоль магнитного поля в канале «винтового» ускорителя путем приведения его во вращение в скрещенных продольном магнитном и радиальном электрическом полях, причем магнитное поле создают с одно- или многозаходной спиральной гофрировкой, с постоянным или увеличивающимся в сторону ускорения плазмы шагом, а электрическое поле поддерживают с помощью электродов, соединенных с источником тока, один из которых находится на магнитной оси, а другой охватывает плазму. Это создает условия для преобразования вращения в поступательное ускорение при диамагнитном захвате плазмы в спиральные зоны пониженного магнитного поля. Темп ускорения плазмы вдоль канала, реактивную тягу и удельный импульс системы регулируют значением и полярностью приложенного к электродам напряжения, значением и знаком магнитного поля в канале ускорителя, плотностью и состоянием плазмы на входе в ускоритель.This problem is solved in that the design of a plasma electric jet engine, designed primarily for work in space, contains an ionization chamber at the inlet for supplying and primary ionization of the working fluid, an outlet magnetic nozzle for accelerating the plasma flow and for detaching the jet from the magnetic field, as well as at least two electrodes connected to an external source of electric current, one of which is located on the axis of the ionization chamber, and the other is made in the form of a ring covering the plasma flow. In contrast to the closest analogue, MPDU, in the claimed design between the ionization chamber and the nozzle there is a “screw” electromagnetic plasma accelerator containing a longitudinal accelerator channel surrounded by single or multiple winding windings with current or a solenoid with screw ferromagnetic inserts creating longitudinal in the accelerator channel magnetic field with single or multiple helical corrugation. In addition to the electrodes, an antenna can be located in the ionization chamber to create a helicon or electron-cyclotron discharge, connected to a separate high-frequency power source. The design of a plasma electric jet engine implements one of the variants of the method of creating jet thrust using a "screw" accelerator. This method of creating reactive thrust is characterized in that the working fluid in the plasma state is accelerated along the magnetic field in the channel of the “screw” accelerator by bringing it into rotation in crossed longitudinal magnetic and radial electric fields, the magnetic field being created with single or multiple helical corrugation , with a step that is constant or increasing in the direction of plasma acceleration, and the electric field is supported by electrodes connected to a current source, one of which is on the magnetic axis, and d ugoy covers plasma. This creates the conditions for the conversion of rotation into translational acceleration during diamagnetic plasma capture in the spiral zones of low magnetic field. The rate of plasma acceleration along the channel, reactive thrust, and specific impulse of the system are controlled by the value and polarity of the voltage applied to the electrodes, the value and sign of the magnetic field in the accelerator channel, and the density and state of the plasma at the entrance to the accelerator.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием и чертежом.The invention is further explained in the description and drawing.

На чертеже показана схема магнитной поверхности плазменного электрореактивного двигателя с винтовым ускорителем. Плазма из ионизационной камеры 1 поступает в канал винтового ускорителя 2, в котором с помощью внешних спиральных проводников с током и/или винтовой ферромагнитной вставки реализована спиральная гофрировка (модуляция) напряженности магнитного поля. На чертеже показан вариант однозаходной гофрировки с переменным шагом. Линия 3 иллюстрирует примерный ход силовой линии магнитного поля на магнитной поверхности, глубина серого цвета - напряженность магнитного поля. Важно, что направление силовых линий скрещивается с направлением винтовой гофрировки. Благодаря этому скрещиванию вращение плазмы в магнитном и радиальном электрическом полях приводит к ее попаданию в области сильного магнитного поля, откуда она выталкивается диамагнитными силами вдоль силовых линий. В случае слабостолкновительной плазмы будут существовать популяции ионов и электронов, запертых в локальных минимумах магнитного поля, дрейф которых в приложенном поле будет также направлен в сторону магнитного сопла. Продольная скорость появляется за счет преобразования вращения плазмы (как в шнековом насосе с неподвижным шнеком), так что электрическая мощность вкладывается в плазму посредством системы электродов 4 для поддержания радиального электрического поля и вращения плазмы. Электроды разнесены вдоль системы для уменьшения вероятности пробоев по задней стенке. Центральный электрод может быть коротким (только в ионизационной камере) или длинным (также и вдоль оси винтового ускорителя). В ионизационной камере и вдоль винтового ускорителя могут быть дополнительные электроды или антенны для обеспечения первичной ионизации рабочего тела и разнесения потенциала вдоль установки. При работе с плотной слабо-ионизованной или рекомбинирующей плазмой, обладающей низкой проводимостью вдоль силовых линий магнитного поля, целесообразно применение дополнительных кольцевых электродов, расположенных вдоль винтового ускорителя. Важной особенностью винтового ускорителя является то, что направление ускорения определяется тремя параметрами: правой или левой винтовой симметрией гофрировки и направлениями магнитного и радиального электрического полей. Поэтому возможны реализации разряда с катодом или анодом на оси системы, в зависимости от чего будут реализовываться режимы радиально узкого или радиально широкого плазменного потока. Протекание тока в плазме приводит к ее угловому ускорению, радиальному дрейфу, нагреву и ионизации. Ток, создающий вращающую силу Ампера, течет поперек сильного магнитного поля, причем его величина существенно ниже ионного тока плазмы, так что эрозия электродов мала. Равновесные скорость вращения плазмы и скорость плазменного потока пропорциональны напряжению на электродах и магнитному полю в винтовом ускорителе, т.е., варьируя магнитное поле, полярность, напряжение и расход рабочего тела, можно изменять удельный импульс двигателя в широких пределах. В заявляемой конструкции ускорение плазмы происходит главным образом в канале винтового ускорителя. Магнитное сопло 5 является необходимым элементом конструкции при работе с замагниченной плазмой, так как обеспечивает отрыв плазмы от магнитной системы в слабом поле на срезе сопла. Кроме того, оно служит для повышения к.п.д. путем преобразования остаточной тепловой энергии ионов в кинетическую и доускорения ионов за счет положительного амбиполярного электростатического потенциала плазмы. Таким образом, большая часть реактивной силы передается магнитным системам винтового ускорителя и сопла. Поскольку стенки двигателя магнитно изолированы, а достижимые радиальные перепады потенциала в сильном магнитном поле могут быть порядка нескольких киловольт, ток на электроды даже в двигателе мегаваттной мощности имеет порядок сотен ампер. Поэтому нагрев и эрозия электродов, а также соответствующие потери мощности с полностью замагниченной плазмой будут допустимыми, в пределах десятков киловатт. Первичная ионизация в ионизационной камере может сопровождаться химическим горением топлива и хемо-ионизационными процессами, что может быть эффективным при работе с относительно низким удельным импульсом, когда надо достичь большой тяги при ограниченной электрической мощности, поскольку снижает ионизационные затраты. Снижения ионизационных затрат можно достичь и при работе с плотной частично-ионизованной или рекомбинирующей плазмой. В случае если полярность напряжения на электродах выбрана так, что на оси ионизационной камеры находится анод, в отсутствие других источников ионизации самоподдерживающийся разряд сможет реализоваться только в узком прианодном слое. Чтобы этого избежать, в качестве дополнительного источника ионизации можно использовать высокочастотный геликонный или циклотронный разряд в ионизационной камере. Кроме того, наличие независимого источника ионизации и нагрева плазмы на входе в «винтовой» ускоритель создает дополнительный канал регулировки режима работы двигателя. Вообще, поскольку работа «винтового» ускорителя сильно зависит от параметров потока плазмы на входе в него, т.е. на выходе из ионизационной камеры, значительная доля управляющего воздействия на режим работы двигателя должна быть реализована через функцию ионизационной камеры.The drawing shows a diagram of the magnetic surface of a plasma electric propulsion engine with a screw accelerator. The plasma from the ionization chamber 1 enters the channel of the screw accelerator 2, in which spiral corrugation (modulation) of the magnetic field is realized using external spiral conductors with current and / or screw ferromagnetic insert. The drawing shows a variant of one-way corrugation with a variable pitch. Line 3 illustrates the approximate course of the magnetic field line on the magnetic surface, the gray color is the magnetic field strength. It is important that the direction of the lines of force is crossed with the direction of the screw corrugation. Due to this crossing, the rotation of the plasma in magnetic and radial electric fields leads to its penetration in the region of a strong magnetic field, from where it is pushed out by diamagnetic forces along the lines of force. In the case of a weakly collisional plasma, there will exist populations of ions and electrons locked in local minima of the magnetic field, the drift of which in the applied field will also be directed toward the magnetic nozzle. The longitudinal velocity appears due to the conversion of plasma rotation (as in a screw pump with a fixed screw), so that electric power is deposited into the plasma through a system of electrodes 4 to maintain a radial electric field and plasma rotation. Electrodes are spaced along the system to reduce the likelihood of breakdowns along the back wall. The central electrode can be short (only in the ionization chamber) or long (also along the axis of the screw accelerator). Additional electrodes or antennas can be in the ionization chamber and along the screw accelerator to provide primary ionization of the working fluid and potential diversity along the installation. When working with dense weakly ionized or recombining plasma, which has low conductivity along magnetic field lines, it is advisable to use additional ring electrodes located along a screw accelerator. An important feature of a screw accelerator is that the direction of acceleration is determined by three parameters: the right or left helical symmetry of the corrugation and the directions of the magnetic and radial electric fields. Therefore, it is possible to realize a discharge with a cathode or anode on the axis of the system, depending on which the regimes of radially narrow or radially wide plasma flow will be realized. The flow of current in a plasma leads to its angular acceleration, radial drift, heating, and ionization. The current creating the Ampere's rotating force flows across a strong magnetic field, and its value is significantly lower than the plasma ion current, so that the erosion of the electrodes is small. The equilibrium plasma rotation velocity and the plasma flow velocity are proportional to the voltage at the electrodes and the magnetic field in the screw accelerator, i.e., by varying the magnetic field, polarity, voltage and flow rate of the working fluid, the specific impulse of the engine can be varied over a wide range. In the claimed design, plasma acceleration occurs mainly in the channel of the screw accelerator. Magnetic nozzle 5 is a necessary structural element when working with magnetized plasma, as it provides separation of the plasma from the magnetic system in a weak field at the nozzle exit. In addition, it serves to increase the efficiency by converting the residual thermal energy of the ions into kinetic and accelerating the ions due to the positive ambipolar electrostatic potential of the plasma. Thus, most of the reactive force is transmitted to the magnetic systems of the screw accelerator and nozzle. Since the walls of the motor are magnetically insulated, and the attainable radial drops in potential in a strong magnetic field can be of the order of several kilovolts, the current to the electrodes, even in a megawatt motor, is of the order of hundreds of amperes. Therefore, heating and erosion of the electrodes, as well as the corresponding power loss with a fully magnetized plasma, will be acceptable, within tens of kilowatts. Primary ionization in the ionization chamber can be accompanied by chemical combustion of the fuel and chemo-ionization processes, which can be effective when working with a relatively low specific impulse, when it is necessary to achieve high traction with limited electric power, since it reduces ionization costs. Reduced ionization costs can be achieved when working with dense partially-ionized or recombining plasma. If the voltage polarity on the electrodes is chosen so that the anode is located on the axis of the ionization chamber, in the absence of other ionization sources, a self-sustaining discharge can be realized only in a narrow anode layer. To avoid this, a high-frequency helicon or cyclotron discharge in the ionization chamber can be used as an additional ionization source. In addition, the presence of an independent source of ionization and plasma heating at the entrance to the “screw” accelerator creates an additional channel for adjusting the engine operating mode. In general, since the operation of a “screw” accelerator strongly depends on the parameters of the plasma flow at its entrance, i.e. at the exit from the ionization chamber, a significant proportion of the control action on the engine operating mode should be implemented through the function of the ionization chamber.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является длительная стационарная работа электрореактивного двигателя мегаваттного класса с высоким к.п.д. и изменяемым в процессе работы удельным импульсом.The technical result provided by the given set of features is the long-term stationary operation of the megawatt-class electric jet engine with high efficiency and variable in the process of specific impulse.

При проектировании двигателя большой мощности (более 100кВт) на рабочем веществе с большой атомной массой для замагничивания ионов электромагнитная система должна быть рассчитана на стационарное поддержание магнитного поля порядка 1Т. Это возможно при использовании в конструкции высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Следует также учитывать возможность появления небольшого осевого момента силы, создаваемого работающим двигателем, из-за вращения плазмы реактивной струи. Для его компенсации двигатели, в частности, можно использовать попарно (с противоположными направлениями магнитного поля и спиральности гофрировки). Такая компоновка позволит также замкнуть большую часть магнитного потока от магнитной системы двигателей.When designing a high-power engine (more than 100 kW) on a working substance with a large atomic mass for magnetizing ions, the electromagnetic system must be designed to permanently maintain a magnetic field of the order of 1T. This is possible when using high-temperature superconductors (HTSC) in the design. It should also take into account the possibility of the appearance of a small axial moment of force created by a working engine due to the rotation of the jet jet plasma. To compensate for it, engines, in particular, can be used in pairs (with opposite directions of the magnetic field and helicity of the corrugation). Such an arrangement will also allow the closure of most of the magnetic flux from the magnetic system of the engines.

Изобретение может быть использовано в качестве двигателя основной тяги для межорбитального маневрирования, полетов на Луну и межпланетных полетов.The invention can be used as the main thrust engine for interorbital maneuvering, flights to the moon and interplanetary flights.

Claims

1. A plasma electric jet engine designed to operate in space, comprising an ionization chamber at the inlet for supplying and primary ionization of the working fluid, an exhaust magnetic nozzle for accelerating the plasma flow and for detaching the jet from the magnetic field, and at least two electrodes connected with an external source of electric current, one of which is located on the axis of the ionization chamber, and the other is made in the form of a ring covering the plasma flow, characterized in that between the ionization chamber and the nozzle p an electromagnetic plasma accelerator is arranged, comprising a longitudinal accelerating channel surrounded by single or multi-start helical windings with current or a solenoid with helical ferromagnetic inserts creating a longitudinal magnetic field in the accelerating channel with single or multiple helical corrugation.

2. A plasma electric jet engine with a screw accelerator according to claim 1, characterized in that in addition to the electrodes in the ionization chamber there is an antenna for creating a helicon or electron-cyclotron discharge, connected to a separate high-frequency power source.

3. A method of creating reactive thrust, characterized in that the working fluid in the plasma state is accelerated along the magnetic field in the channel of the electromagnetic accelerator by bringing it into rotation in crossed longitudinal magnetic and radial electric fields, the magnetic field being created with single or multiple helical corrugation, with a step that is constant or increasing in the direction of plasma acceleration, and the electric field is supported by electrodes connected to a current source, one of which is located on the magnetic and, the other covers the plasma, which creates the conditions for converting rotation into translational acceleration during diamagnetic plasma capture into spiral zones of low magnetic field, and the plasma acceleration rate along the channel, reactive thrust and specific impulse of the system are controlled by the value and polarity of the voltage applied to the electrodes, the value and the sign of the magnetic field in the accelerator channel, the density and state of the plasma at the entrance to the accelerator.