RU2682962C1 - Ionic rocket engine of spacecraft - Google Patents
Ionic rocket engine of spacecraft Download PDFInfo
- Publication number
- RU2682962C1 RU2682962C1 RU2018121762A RU2018121762A RU2682962C1 RU 2682962 C1 RU2682962 C1 RU 2682962C1 RU 2018121762 A RU2018121762 A RU 2018121762A RU 2018121762 A RU2018121762 A RU 2018121762A RU 2682962 C1 RU2682962 C1 RU 2682962C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working fluid
- plasma
- ion
- ionization
- reactor chamber
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 26
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims abstract description 23
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 37
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 claims description 15
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 12
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 claims description 6
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 4
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 claims description 4
- JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N carbonyl sulfide Chemical compound O=C=S JJWKPURADFRFRB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 22
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 abstract description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 11
- 230000003472 neutralizing effect Effects 0.000 abstract description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 49
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 46
- 238000000034 method Methods 0.000 description 19
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 17
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 13
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 9
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 description 7
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 6
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 6
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 6
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 5
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 5
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 5
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 5
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 3
- PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N iodine Chemical compound II PNDPGZBMCMUPRI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 3
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 3
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 3
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 2
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 2
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 2
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 2
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 230000010006 flight Effects 0.000 description 2
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 2
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 2
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000026058 directional locomotion Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- -1 droplets Substances 0.000 description 1
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 1
- 238000000752 ionisation method Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 description 1
- 229910052743 krypton Inorganic materials 0.000 description 1
- DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N krypton atom Chemical compound [Kr] DNNSSWSSYDEUBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 238000010584 magnetic trap Methods 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 239000002120 nanofilm Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 1
- 239000005445 natural material Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011017 operating method Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000000941 radioactive substance Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000000979 retarding effect Effects 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 150000004760 silicates Chemical class 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/54—Plasma accelerators
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Ракетные двигатели малой тяги используются для обеспечения движения космических летательных аппаратов, и имеют типичную скорость истечения реактивной струи от 2 км/с до более чем 50 км/с и плотность тяги менее или около 1 Н/м2 при электрической мощности до 5 кВт и более. Известно множество различных типов ионно-плазменных, или ионных электроракетных двигателей (ЭРД/ИД), содержащих контейнер (накопитель) с запасом рабочего тела, камеру ионизации рабочего тела, в частности, газоразрядную камеру, ускоритель движения катионов, нейтрализатор заряда катионов, в том числе электронами или анионами, магнитную систему для создания магнитного поля [Franklin R. Chang-Diaz, "Plasma Propulsion for Interplanetary Flight," Thin Solid Films, Vol. 506-507 (May26, 2006): 449-453 с.; Электрические ракетные двигатели. - Под редакцией Ю.А. Рыжова. М.: Мир, 1964 г.; Goebel D.M., Katz I. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters. Wiley, 2008, 508 р.]. Small thrust rocket engines are used to propel spacecraft, and have a typical jet velocity of 2 km / s to more than 50 km / s and a thrust density of less than or about 1 N / m 2 with an electric power of up to 5 kW and more . There are many different types of ion-plasma, or ion electric rocket engines (ERE / ID), containing a container (drive) with a supply of the working fluid, the ionization chamber of the working fluid, in particular, a gas discharge chamber, cation accelerator, cation charge converter, including electrons or anions, a magnetic system for creating a magnetic field [Franklin R. Chang-Diaz, "Plasma Propulsion for Interplanetary Flight," Thin Solid Films, Vol. 506-507 (May26, 2006): 449-453 p .; Electric rocket engines. - Edited by Yu.A. Ryzhova. M .: Mir, 1964; Goebel DM, Katz I. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters. Wiley, 2008, 508 p.].
Реактивное движение может быть реализовано в устройстве с излучением электромагнитного поля (ЭМП), с выбросом массивной материи, а также совместной реализации двух этих процессов. При излучении ЭМП реактивная сила производит механическое давление на антенну, что было высказано А. Эйнштейном в 1906 году, экспериментально доказано П. Н. Лебедевым и подтверждено теоретически на основе уравнений Максвелла в рамках классической электродинамики. Для производства заметных значений ускорения силой 1 Н требуется большая мощность облучающего ЭМП, составляющая примерно 150 МВт. Основной способ увеличения тяги состоит в использовании массивного расходуемого рабочего тела (РТ). Некоторые двигатели используют предварительную сорбцию газов, накопленных в пористой матрице, с последующим небольшим нагревом и соответствующим испарением. Известны исследования и применения электротермических двигателей с нагревом нелетучего рабочего тела [Патент RU 2308610. // Изобретения. 2006. № 19; Патент RU 2309293. // Изобретения. 2007. № 30; Островский В.Г., Смоленцев А.А., Соколов Б.А., Черашев Д.В. ЭЛЕКТРОРАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ДВИГАТЕЛЕЙ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ НА ИОДЕ. КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ №2/2013, с.42-52]. В отличие от известных испарительных и химических ракетных двигателей с максимальной скоростью факела до 4000 м/с, ЭРД/ИД обеспечивают на порядок большую скорость. При использовании сжатых газов (N2, Ar, Xe, и т.д.) достигается удельная тяга, или специфический импульс (скорость факела, деленная на 10 м/с2) до 4500 с и больше в разных конфигурациях таких устройств. Ограничения по Xe – высокая стоимость и малые объемы производства газа, высокая стоимость наземных испытаний в вакуумных камерах при низких температурах, низкая воспроизводимость импульсов тяги, малая надежность включения после паузы, недостаточная достижимая длительность импульса, ограниченный ресурс работоспособности. Кроме инертных газов, в ионных двигателях в качестве расходуемых РТ используют цезий, ртуть, висмут, цинк, олово, магний, галлий, йод, тефлон, ионные жидкости, коллоидные растворы, аммиак. Тефлон (другие названия фторопласт, PTFE) в качестве твердого РТ используют в абляционном импульсном электроразрядном двигателе. Для РТ в виде расплавленного металла создана специальная конструкция с сильным электрическим полем, а в виде коллоидных растворов - конструкция электро-распылительного источника с зарядом малых капель жидкости. Reactive motion can be implemented in a device with electromagnetic radiation (EMF), with the release of massive matter, as well as the joint implementation of these two processes. When EMF is emitted, the reactive force produces mechanical pressure on the antenna, which was stated by A. Einstein in 1906, experimentally proved by P.N. Lebedev and confirmed theoretically based on Maxwell's equations in the framework of classical electrodynamics. To produce appreciable acceleration values of 1 N, a large power of the irradiating EMF, approximately 150 MW, is required. The main way to increase traction is to use a massive expendable working fluid (RT). Some engines use the preliminary sorption of gases accumulated in the porous matrix, followed by a slight heating and corresponding evaporation. Known research and application of electrothermal engines with heating a non-volatile working fluid [Patent RU 2308610. // Inventions. 2006. No. 19; Patent RU 2309293. // Inventions. 2007. No. 30; Ostrovsky V.G., Smolentsev A.A., Sokolov B.A., Cherashev D.V. ELECTRIC ROCKET MOTOR INSTALLATION BASED ON MOTORS WITH CLOSED ELECTRON DRIFT ON IODINE. SPACE ENGINEERING AND TECHNOLOGY No. 2/2013, p. 42-52]. In contrast to the well-known evaporative and chemical rocket engines with a maximum torch speed of up to 4000 m / s, ERE / ID provide an order of magnitude higher speed. When using compressed gases (N 2 , Ar, Xe, etc.), specific thrust, or specific impulse (torch velocity divided by 10 m / s 2 ) up to 4500 s and more in different configurations of such devices is achieved. The Xe limitations are the high cost and small volumes of gas production, the high cost of ground tests in vacuum chambers at low temperatures, low reproducibility of traction pulses, low reliability of switching on after a pause, insufficient achievable pulse duration, limited service life. In addition to inert gases, ion engines use cesium, mercury, bismuth, zinc, tin, magnesium, gallium, iodine, teflon, ionic liquids, colloidal solutions, and ammonia as consumable RTs. Teflon (other names fluoroplastic, PTFE) as a solid RT is used in an ablation pulsed electric discharge motor. For RT in the form of molten metal, a special design with a strong electric field was created, and in the form of colloidal solutions, a design of an electro-spray source with a charge of small drops of liquid was created.
ЭРД/ИД с замкнутым дрейфом электронов являются основными рабочими системами работающих космических аппаратов. Изобретение – аналог RU 2 527 267 C2 заявляет плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла, содержащий основной кольцевой канал ионизации и ускорения, имеющий открытый выходной конец, по меньшей мере, один катод, кольцевой анод, концентричный основному кольцевому каналу, трубопровод и распределитель для подачи способного к ионизации газа в канал и магнитную цепь создания магнитного поля в основном кольцевом канале. В заявке 0900196 A1 описан ЭРД с замкнутым дрейфом электронов в магнитном поле, включает в себя наружный полюсный наконечник, который намагничивается кольцевой катушкой. В патентном документе Франции 2693770 A1 описан ЭРД с замкнутым дрейфом электронов в МП с тремя катушками, включающими кольцевую наружную катушку. Изобретение RU 2509 918 C2 относится к электроракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов, содержащему основной кольцевой ионизационный и ускорительный канал, образованный вокруг оси ускорителя, по меньшей мере, один полый катод, кольцеобразный анод, концентричный основному кольцевому каналу, трубку с коллектором для питания анода ионизируемым газом, и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале. Для космических полетов, где требуется высокая мощность и высокий удельный импульс, плазменные ЭРД/ИД с замкнутым дрейфом электронов в магнитном поле обладают недостатком в тепловом отношении, поскольку наружная кольцевая катушка заключает в себе провод большой длины, что приводит к высокому уровню рассеяния тепла, и в отношении массы катушки, которая также велика. В европейском патенте 0982976 B1 описан ЭРД, содержащий несколько наружных катушек МП, приспособленный за счет этого к высоким тепловым нагрузкам. В патентах США 6208080 B1 и 5359258 также описываются ЭРД, у каждого из которых имеются четыре наружных катушки МП. Другой ЭРД с замкнутым дрейфом электронов, известный под маркой ALT D55, содержит три наружных катушки. Изобретение RU 2 474 984 C1 относится к плазменной технике и может использоваться при разработке плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения. Магнитная система выполняется таким образом, чтобы вектор индукции магнитного поля в полости кольцевого ускорительного канала имел преимущественно радиальное направление. Между анодом и катодом, которые размещаются у противоположных торцов разрядной камеры, прикладывается разрядное напряжение. В результате в кольцевом ускорительном канале создается преимущественно продольное электрическое поле. Электрический разряд зажигается в потоке газа, например, ксенона, движущегося в ускорительном канале в направлении от анода, выполняющего обычно функцию газового распределителя, к открытой торцевой части разрядной камеры. Катод-компенсатор (эмиттер электронов) установлен у среза ускорительного канала. Величина индукции магнитного поля выбирается таким образом, чтобы ионы были не замагничены, и магнитное поле слабо влияло на движение ионов в продольном направлении в полости ускорительного канала. При этом величина индукции магнитного поля должна быть достаточной для замагничивания электронов в ускорительном канале. При указанных условиях электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации рабочего газа при типичных разрядных напряжениях от 200 В до 1000 В. С целью устранения негативных явлений, связанных с существенной пространственной расходимостью ионов в ускорительном канале, применяются магнитные устройства – концентраторы пучка ионов. В патенте RU 2163309 (МПК: F03H 1/00, Н05Н 1/54, опубликован 20.02.2001) описана конструкция расширенного магнитного полюсного наконечника в форме усеченного конуса, обеспечивающая формирование узконаправленного потока ускоренных ионов в заданном направлении. В патенте USA 5 581 155 описан ракетный двигатель малой тяги, построенный на эффекте Холла. В этом двигателе малой тяги также используется электромагнитное поле для ускорения положительно заряженных частиц. Скорость истечения в двигателе малой тяги такого типа составляет около 15 км/с при плотности тяги менее 5 Н/м2 и мощности 1,3кВт.Closed electron drift electric propulsion / propulsion systems are the main working systems of operating spacecraft. The invention is an analogue of RU 2 527 267 C2 declares a Hall effect-based plasma jet engine containing a main ring ionization and acceleration channel having an open output end, at least one cathode, a ring anode concentric to the main ring channel, a pipeline and a distributor for supply capable of ionizing gas into a channel and a magnetic circuit creating a magnetic field in the main annular channel. In the application 0900196 A1 describes the electric propulsion with a closed drift of electrons in a magnetic field, includes an external pole tip, which is magnetized by a ring coil. French patent document 2693770 A1 describes a closed-electron drift in a magnetic field drift with three coils including an outer ring coil. The invention RU 2509 918 C2 relates to an electric rocket engine with a closed electron drift, comprising a main ring ionization and accelerator channel formed around the axis of the accelerator, at least one hollow cathode, a ring-shaped anode concentric with the main ring channel, a tube with a collector for supplying an ionizable anode gas, and a magnetic circuit to create a magnetic field in the main annular channel. For space flights, where high power and high specific impulse are required, plasma ERE / ID with closed electron drift in the magnetic field have a thermal disadvantage, since the outer ring coil contains a long wire, which leads to a high level of heat dissipation, and in relation to the mass of the coil, which is also large. In European patent 0982976 B1 describes an electric propulsion device containing several external MP coils, adapted due to this to high thermal loads. US Pat. Nos. 6,208,080 B1 and 5,359,258 also disclose EREs, each of which has four external MP coils. Another closed electron drift electric propulsion jet engine, known as the ALT D55, contains three external coils. The
Группа ИД - аналогов использует металлические сетки для экстракции ионов из плазмы с последующей нейтрализацией электронами. В патенте US-A-5 241 244 описан так называемый ионный двигатель малой тяги решетчатого типа. В этом устройстве газообразное топливо сначала ионизируется, затем образовавшиеся ионы вытягиваются из плазмы и ускоряются электромагнитным полем, созданным между решетками. Путем изменения полярности на решетчатой системе вместо ионов из разрядной камеры можно извлекать электроны. Путем соответствующего выбора времени экстракции ионов и электронов и/или значения напряжений на потенциальных контактах для обеих фаз извлечения можно установить поток электронов, эквивалентный ионному потоку по количеству зарядов. The group of ID analogs uses metal grids for the extraction of ions from plasma, followed by neutralization by electrons. US-A-5,241,244 describes a so-called lattice type thruster. In this device, gaseous fuel is first ionized, then the formed ions are pulled from the plasma and accelerated by the electromagnetic field created between the gratings. By changing the polarity on the lattice system, instead of ions, electrons can be extracted from the discharge chamber. By appropriate selection of the extraction time of ions and electrons and / or the voltage values at the potential contacts for both phases of extraction, it is possible to establish an electron flux equivalent to the ion flux by the number of charges.
Разрабатываются также перспективные двигатели на основе плазменной магнитогидродинамики (Magneto Plasma Dynamic Thruster (MPD), Variable Specific Impulse Magneto Plasma Rocket (VASIMR), Pulsed Inductive Thruster (PIT), с ионизацией индуктивно связанной плазмой (ICP), с неоднородным МП). В патенте US В6334302 описан магнитоплазменный ракетный двигатель с переменным удельным импульсом (VАSIMR). В этом двигателе используется трехступенчатый процесс подачи, разогрева и управляемого истечения плазмы из магнитной амбиполярной ловушки. Источником плазмы является геликонно-волновой генератор, а нагревателем плазмы служит циклотронный генератор. Сопло совмещено с радиально расходящимся МП, ионизированные частицы двигаются по раскручивающимся спиралям вдоль расходящихся силовых линий магнитного поля, где энергия азимутального дрейфа преобразуется в продольную энергию. Этот тип двигателя имеет скорость истечения порядка 10-30 км/с и тягу 50-1000 мН. В обычных ИД лишь небольшое количество ионов достигает системы вытягивающих решеток, тогда как преобладающая часть образовавшихся ионов рекомбинирует на стенках ионизационной камеры. Лишь те ионы, которые достигают систему вытягивающих решеток, доступны для создания тяги. Рекомбинация на стенках ионизационной камеры является наиболее значительным фактором потерь.Promising engines based on plasma magnetohydrodynamics (Magneto Plasma Dynamic Thruster (MPD), Variable Specific Impulse Magneto Plasma Rocket (VASIMR), Pulsed Inductive Thruster (PIT), with inductively coupled plasma ionization (ICP), with nonuniform MP) are also being developed. US Pat. No. 6,334,302 describes a variable-momentum magnetoplasma rocket engine (VASIMR). This engine uses a three-stage process for feeding, heating and controlled outflow of plasma from a magnetic ambipolar trap. The plasma source is a helicon-wave generator, and the cyclotron generator is the plasma heater. The nozzle is aligned with a radially diverging magnetic field, ionized particles move along spinning spirals along diverging magnetic field lines, where the azimuthal drift energy is converted into longitudinal energy. This type of engine has a flow rate of about 10-30 km / s and a thrust of 50-1000 mN. In ordinary IDs, only a small amount of ions reaches the system of stretching lattices, while the predominant part of the formed ions recombines on the walls of the ionization chamber. Only those ions that reach the traction grid system are available to create traction. Recombination on the walls of the ionization chamber is the most significant loss factor.
Для обеспечения нормальной работы ионных ракетных двигателей в космических условиях необходима экстракция катионов и электронов в равных количествах, чтобы ракета не заряжалась отрицательно и не тормозила ионы во время работы ионного двигателя. Компенсация (нейтрализация) пространственного заряда пучка положительных ионов в общем случае ионно-пучковых технологий осуществляется введением в поток ионов свободных электронов и/или электроотрицательных молекул или атомов, обладающих высоким сродством к электрону и большими сечениями образования отрицательных ионов при столкновении со свободными электронами соответственно. Потоки свободных электронов и электроотрицательных молекул или атомов поддерживают такими, чтобы плотность положительного заряда пучка не превышала плотности отрицательного заряда присутствующих в нем электронов и отрицательных ионов. Магнитное поле (МП) сильно воздействует на движение электронов нейтрализатора, и значительно слабее – на движение ионов. Поэтому МП требуется преимущественно для управления процессами электронной нейтрализации. Например, по способу нейтрализации объёмного заряда ионных пучков на выходе плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов (Патент RU №2312471 от 2003.12.24) установлены по меньшей мере один катод- компенсатор, а также анодный блок, содержащий магнитную систему и разрядную камеру с ускорительным каналом с зонами ионизации и ускорения, который расширяется в наружном и внутреннем радиальных направлениях. To ensure the normal operation of ion rocket engines in space conditions, extraction of cations and electrons in equal quantities is necessary so that the rocket does not charge negatively and does not inhibit ions during operation of the ion engine. Compensation (neutralization) of the space charge of a beam of positive ions in the general case of ion-beam technologies is carried out by introducing free electrons and / or electronegative molecules or atoms into the ion flux, which have high electron affinity and large cross sections for the formation of negative ions in collisions with free electrons, respectively. The flows of free electrons and electronegative molecules or atoms are maintained such that the density of the positive charge of the beam does not exceed the density of the negative charge of the electrons and negative ions present in it. The magnetic field (MP) strongly affects the movement of the electrons of the neutralizer, and much weaker - on the movement of ions. Therefore, MP is required primarily for controlling the processes of electronic neutralization. For example, according to the method of neutralizing the space charge of ion beams at the output of a plasma engine with a closed electron drift (Patent RU No. 2312471 dated 2003.12.24), at least one cathode-compensator is installed, as well as an anode block containing a magnetic system and a discharge chamber with an accelerating channel with zones of ionization and acceleration, which expands in the outer and inner radial directions.
Для ионизации газообразного топлива в патенте US-A-5 241 244 предложено одновременно использовать кондиционирующее и удерживающее магнитное поле, а также переменное электромагнитное поле на частоте электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) в магнитном поле. Подобный двигатель малой тяги описан также в патенте FR-A-2 799 576, где для ионизации газа используется магнитная индукция. В патенте US В6293090 описан плазменный радиочастотный (РЧ) двигатель малой тяги, в котором вместо использования поля ЭЦР плазма создается нижнегибридной волной.For ionization of gaseous fuels in US-A-5 241 244, it is proposed to simultaneously use a conditioning and holding magnetic field, as well as an alternating electromagnetic field at the frequency of electron cyclotron resonance (ECR) in a magnetic field. A similar thruster is also described in patent FR-A-2 799 576, where magnetic induction is used to ionize the gas. US Pat. No. 6,293,090 describes a low frequency thrust plasma (RF) engine in which, instead of using the ECR field, the plasma is generated by a lower hybrid wave.
В патенте USA 6205769 заявлены электротермические микроволновые двигатели малой тяги. Эти двигатели малой тяги основаны на нагреве газообразного топлива микроволновым полем. Нагретый газ выбрасывается через сопло, создавая тягу. Этот тип двигателя малой тяги имеет скорость истечения около 9-12 км/с и тягу от 200 до 2000 Н.US Pat. No. 6,205,769 claims electrothermal microwave thrusters. These thrusters are based on heating a gaseous fuel with a microwave field. Heated gas is ejected through the nozzle, creating a draft. This type of thruster has a flow rate of about 9-12 km / s and a thrust of 200 to 2000 N.
Изобретение RU 2543103 C2 относится к высокочастотным ионным двигателям (ВЧ ИД) с индукционным возбуждением разряда в газоразрядной камере. В патенте US А3571734 газ подают в цилиндрический резонатор, который подвергают воздействию аксиальных и радиальных магнитных полей. Для ионизации газа прикладывают электромагнитное поле на частоте ЭЦР. В японских двигателях ионизация ксенона происходит в СВЧ-разряде (патент Японии JP 2856740 В2 от 09.06.1988 г.). Наряду с этими устройствами разрабатываются, производятся и эксплуатируются ИД с разрядом постоянного тока (патент РФ №2191291). ИД содержит газоразрядную камеру (ГРК), имеющую форму цилиндра с конической задней стенкой. К стенкам ГРК через изоляторы крепятся аноды. Магнитное поле создается с помощью электромагнитов, расположенных снаружи ГРК. Конфигурация магнитного поля задается тремя полюсными наконечниками. Внутри катодного полюсного наконечника расположен полый катод. Эмиттер выполнен из гексаборида лантана. Рабочее тело (ксенон) подается в ГРК через коллектор, расположенный в группе плазменного, ускоряющего и замедляющего электродов. Замедляющий электрод выполнен в виде кольца, охватывающего весь ионный пучок. Снаружи расположен катод-нейтрализатор. Согласно аналогу RU 2585340 C1, газоразрядный узел является основной частью ВЧ ИД, с помощью которой обеспечивается генерация плазмы в газообразной рабочей среде, а также извлечение и дальнейшее ускорение потока ионов. Газоразрядный узел, входящий в состав ВЧ ИД, подключается к системам подачи рабочего тела, электропитания и управления. Газоразрядный узел включает в свой состав газоразрядную камеру, устройство ввода энергии в разрядный объем камеры и электроды ионно-оптической системы, расположенные у выходного среза газоразрядной камеры. На выходе из газоразрядного узла устанавливается нейтрализатор (компенсатор) пространственного заряда генерируемого ионного потока. Источник ионов с высокочастотным возбуждением разряда в газоразрядной камере описан в патенте GB 1214178 A (опубликован 02.12.1970). Газоразрядный узел содержит газоразрядную камеру конической формы, выполненную из кварцевого стекла. Входной патрубок камеры соединен с системой подачи рабочего газа. С внешней стороны газоразрядной камеры установлен медный индуктор, выполненный в виде спирали, охватывающей камеру. Токоподводы спирали подключены к высокочастотному источнику электропитания (ВЧ генератору). С помощью индуктора осуществляется ввод энергии в разрядный объем камеры через прозрачные для электромагнитного поля стенки камеры и возбуждение индукционного высокочастотного разряда в среде рабочего газа. В устройствах с индукционным возбуждением электрического разряда индукторы могут размещаться в среде диэлектрика, контактирующего с газоразрядной плазмой (патент RU 2503079 C1, опубликован 27.12.2013). Индуктор выполняется в виде электропроводящей трубки, через которую прокачивается охлаждающая среда (жидкость или газ). В качестве диэлектрика, в котором устанавливается индуктор, используется кварцевое стекло или керамика. В патенте US 8864935 B2 (опубликован 21.10.2014) описан газоразрядный узел источника ионов с газоразрядной камерой, стенки которой выполнены из материала, проницаемого для электромагнитного поля, в частности из кварцевого стекла. В патенте RU 2 445 510 C2 в ЭРД с магнитным полем названы формально без описания достаточных конструктивных отличительных признаков устройства: ионизатор поверхностный контактный; ионизатор, способный подвергать абляции и ионизации твердое РТ; источник, способный фокусировать излучение на поверхности твердого РТ; источник, способный фокусировать электронный пучок на поверхности твердого РТ; источник электромагнитного поля с длиной волны менее 5 мм, действующий на РТ. В патенте US А4641060 и US А5442185 обсуждаются плазменные ЭЦР генераторы, относящиеся к другой области, которые используются для вакуумной накачки или для имплантации ионов. Еще один пример подобного плазменного генератора описан в US А3160566. Изобретение 2 525 442 C2 относится к плазменному генератору и также к способу управления плазменным генератором путем контроля образовавшейся в плазменном генераторе плазмы с помощью высокочастотного переменного электрического или электромагнитного поля. При применении плазменного генератора в высокочастотном ионном двигателе подаваемый в ионизационную камеру рабочий газ (рабочая текучая среда), называемый также ионным топливом, ионизируется с помощью переменного электромагнитного поля и затем для создания тяги ускоряется в электростатическом поле системы вытягивающих решеток, предусмотренной с открытой стороны ионизационной камеры. Ионизация происходит в ионизационной камере, окруженной катушкой. В катушке протекает переменный ток высокой частоты.The invention RU 2543103 C2 relates to high-frequency ion engines (HF ID) with induction excitation of a discharge in a gas discharge chamber. In US Pat. No. A3571734, gas is supplied to a cylindrical resonator, which is subjected to axial and radial magnetic fields. To ionize the gas, an electromagnetic field is applied at the ECR frequency. In Japanese engines, xenon ionization occurs in a microwave discharge (Japanese patent JP 2856740 B2 dated 06/09/1988). Along with these devices, IDs with a direct current discharge are developed, produced and operated (RF patent No. 2191291). The ID contains a gas discharge chamber (GRC), which has the shape of a cylinder with a conical rear wall. Anodes are attached to the walls of the GRK through insulators. The magnetic field is created using electromagnets located outside the GRK. The magnetic field configuration is set by three pole tips. Inside the cathode pole piece is a hollow cathode. The emitter is made of lanthanum hexaboride. The working fluid (xenon) is supplied to the GRK through a collector located in the group of plasma, accelerating and slowing electrodes. The retarding electrode is made in the form of a ring covering the entire ion beam. The cathode converter is located outside. According to the analogue of RU 2585340 C1, the gas-discharge unit is the main part of the RF ID, with which the plasma is generated in the gaseous working medium, as well as the extraction and further acceleration of the ion flow. The gas discharge unit, which is part of the RF ID, is connected to the supply systems of the working fluid, power supply and control. The gas discharge unit includes a gas discharge chamber, a device for introducing energy into the discharge volume of the chamber, and electrodes of the ion-optical system located at the exit section of the gas discharge chamber. At the outlet of the gas discharge unit, a neutralizer (compensator) of the space charge of the generated ion stream is installed. A source of ions with a high-frequency discharge excitation in a gas discharge chamber is described in GB 1214178 A (published 02.12.1970). The gas-discharge unit comprises a conical-shaped gas-discharge chamber made of quartz glass. The inlet of the chamber is connected to the working gas supply system. A copper inductor made in the form of a spiral covering the chamber is installed on the outside of the gas discharge chamber. The current leads of the spiral are connected to a high-frequency power source (RF generator). Using an inductor, energy is introduced into the discharge chamber volume through the chamber walls transparent to the electromagnetic field and the induction high-frequency discharge is excited in the working gas medium. In devices with induction excitation of an electric discharge, inductors can be placed in a dielectric medium in contact with a gas discharge plasma (patent RU 2503079 C1, published on December 27, 2013). The inductor is in the form of an electrically conductive tube through which a cooling medium (liquid or gas) is pumped. As the dielectric in which the inductor is installed, quartz glass or ceramic is used. US 8,864,935 B2 (published October 21, 2014) describes a gas-discharge ion source assembly with a gas-discharge chamber, the walls of which are made of a material that is permeable to an electromagnetic field, in particular, silica glass. In the
В группе аналогов ЭРД с электронной нейтрализацией, источниками магнитного поля и различными способами ионизации различных видов РВ представлены также разные способы и устройства для ускорения частиц.In the group of analogues of electric propulsion with electronic neutralization, magnetic field sources and various methods of ionization of various types of radioactive substances, various methods and devices for particle acceleration are also presented.
В патенте USА 3 571 734 газ подают в цилиндрический резонатор, который подвергают воздействию аксиальных и радиальных магнитных полей. Для ионизации газа прикладывают электромагнитное поле на частоте ЭЦР. Интенсивность магнитного поля уменьшается вдоль оси резонатора, поэтому ионизированные частицы движутся вдоль этой оси. Скорость истечения составляет около 60 км/с, однако плотность потока тяги очень низкая, обычно ниже 1,5 Н/м2. В патенте US-А-3 425 902 магнитная ловушка с магнитными зеркалами имеет максимальную величину поля на обоих концах камеры, в которой ионизируются газы. В заявке на Европейский патент ЕР-03290712 описан подобный ракетный двигатель малой тяги с использованием тяги, создаваемой пондеромоторной магнитной силой. Изобретение RU 2 411 393 C2 относится к области космического аппаратостроения и может быть использовано для ускорения устройств, движущихся в космосе в условиях высокого вакуума. Известен ионный двигатель Deep Space, использующий в качестве рабочего вещества ионы Хе, ускоренные потенциалом 400 В. Недостатком данного двигателя является использование низкого ускоряющего потенциала, что существенно ограничивает достижимую величину тяги при малых расходах эжектируемой массы. В ионном двигателе Европейского Космического Агентства DS4G ускорение ионов Xe производится потенциалом 30 кВ через последовательно размещенные четыре решетчатых электрода с тысячей миллиметровых согласованных отверстий в каждой, с общим током примерно 100 мА. Такое устройство мало пригодно для применения в условиях использования больших разностей потенциалов, так как чревато опасностью частых пробоев или быстрым разрушением ускоряющих решеток (из-за облучения их быстрыми рассеянными ионами). Необходимость малого расхода экстрагируемой массы, максимальной износостойкости источника ионов в длительных полетах при одновременном обеспечении больших значений величины тяги требует значительного увеличения скорости истечения массы, в данном случае существенного увеличения ускоряющей ионы разности потенциалов. Если принять за норму расхода массы величину тока ионов Хе порядка 200 мА, что соответствует (при эффективности использования массы 50%) расходу массы 16.5 кг за год, при ускоряющем ионы потенциале 100 кВ тяговое усилие составит 0.1 Н и удельный импульс 3.8·105 сек. Указанные выше токи не могут быть получены в результате отбора ионов из плазмы источника ионов через приосевое круглое отверстие (как это обычно делается) из-за ограничения, накладываемого объемным зарядом ионов. Известен и нашел техническое применение источник ионов с кольцевой разрядной камерой и с ускорением ионов до энергий в нескольких КэВ в узком промежутке между электродами с одновременной компенсацией объемного заряда ионов электронами на выходе из источника (патент US 4122347). In US Pat. No. 3,571,734, gas is supplied to a cylindrical resonator, which is subjected to axial and radial magnetic fields. To ionize the gas, an electromagnetic field is applied at the ECR frequency. The magnetic field intensity decreases along the axis of the resonator; therefore, ionized particles move along this axis. The outflow speed is about 60 km / s, however, the thrust flux density is very low, usually below 1.5 N / m 2 . In US-A-3 425 902, a magnetic trap with magnetic mirrors has a maximum field value at both ends of the chamber in which gases are ionized. European patent application EP-03290712 describes a similar low thrust rocket engine using thrust generated by ponderomotive magnetic force. The
В группе аналогов ЭРД с электронной нейтрализацией, источниками магнитного поля, с различными способами ионизации разных видов РТ, разными способами и устройствами для ускорения частиц представлены устройства с дополнительными электродами. Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему, включающую по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, магнитопровод, наружный и внутренний с центральным отверстием магнитные полюса, образующие рабочий межполюсный зазор с внутренней областью, простирающейся внутри ускорительного канала, и внешней областью, простирающейся за пределами выхода ускорительного канала, анод-газораспределитель рабочего газа, расположенный в донной части полости разрядной камеры, и по меньшей мере один катод-компенсатор, размещенный в центральной полости магнитной системы и содержащий поджигной электрод с центральным отверстием (патент РФ №2030134, Н05Н 1/54, F03H 1/00). В ЭРД по изобретению RU 2 426 007 C1 для улучшения плавности режима запуска за счет устранения одной из основных причин возникновения колебаний в разрядной цепи поджигной электрод катода-компенсатора выполнен дискообразной формы из магнитопроводящего материала и размещен соосно с внешней стороны на внутреннем магнитном полюсе. Изобретение RU 2 429 591 C2 заявляет вытягивание электронов из плазмы газового разряда, возможно с добавлением паров цезия, а также с дополнительной энергией, поступающей от лазерной свечи, и направленное движение вытягиваемых электронов в область нейтрализации катионов рабочего вещества. Электронный нейтрализатор в данном аналоге не определяет взаимное пространственное и временное расположение рабочего потока катионов и вытянутого пучка электронов. Другие аналоги, - USA 6195980, 6336318, 6870321, RU 2520270, 2454046, 2410567, 2287203, 2458490, 2429591, 2092983, 2168793, 2173001, 2585340, - имеют подобные недостатки и ограничения.In the group of analogues of electric propulsion with electronic neutralization, magnetic field sources, with different methods of ionization of different types of RT, different methods and devices for accelerating particles are devices with additional electrodes. Known plasma engine with a closed electron drift, containing a discharge chamber with an outer and inner ring-shaped walls forming an accelerating channel, a magnetic system comprising at least one source of magnetomotive force, a magnetic circuit, magnetic poles external and internal with a Central hole, forming a working interpolar gap with the inner region extending inside the accelerator channel, and the outer region extending beyond the outlet of the accelerator channel, the gas distribution anode a working gas heater located in the bottom of the cavity of the discharge chamber and at least one cathode-compensator located in the central cavity of the magnetic system and containing a firing electrode with a central hole (RF patent No. 2030134,
Каждый известный аналог представляет собой ионно-плазменное электродвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата, имеющее накопитель с рабочим телом в нем, реакторную камеру, подключенную к указанному накопителю, оснащенную электродами для преобразования структуры, ионизации, ускорения и нейтрализации частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля (ЭМП). В группе аналогов ЭРД/ИД используются управляемые ионно-плазменные, электро-разрядные, лазерные, и другие подобные реакции на основе использования ЭМП. По способу перевода рабочего тела в газофазное ионизованное состояние ЭРД/ИД разделяют на 3 группы по типу генерации ЭМП: на основе разряда постоянного тока, ВЧ-разряда или СВЧ-разряда. ЭМП обладает приемлемой эффективностью на этапе ионизации, ускорения и нейтрализации частиц для ряда веществ, но не на этапе преобразования структуры, и только для ограниченного круга избранных веществ. Не реализованы более эффективные технологии, в частности, акустических волн, универсальные по отношению к рабочему веществу, позволяющие осуществлять наиболее интенсивные фазовые преобразования рабочего вещества, эффективно и контролируемо изменять его структурный и зарядовый состав. В результате устройство не является универсальным по отношению к рабочим телам, способно работать только с ограниченным количеством разных типов рабочих тел, а также имеет усложненную конструкцию. Используются дорогие дефицитные инертные газы, в основном, Xe, применение которых не позволит расширить перспективы космических программ. Все расходные рабочие вещества двигателей помещаются на борт до наземного старта или во время полета в атмосфере, что сокращает массу полезного груза и повышает ее стоимость. Бортовой запас газов требует использования массивных контейнеров и дистанционно управляемых газовых распределителей высокого давления, что существенно снижает полезную нагрузку и надежность. Each known analogue is an ion-plasma electric propulsion jet device as part of a spacecraft having a storage ring with a working fluid in it, a reactor chamber connected to the storage ring, equipped with electrodes for transforming the structure, ionization, acceleration and neutralization of particles of the specified working medium by means of an electromagnetic field (EMF). In the group of ERD / ID analogues, controlled ion-plasma, electro-discharge, laser, and other similar reactions based on the use of EMF are used. By the method of transferring the working fluid to the gas-phase ionized state, the electric propulsion / ion separator is divided into 3 groups according to the type of EMF generation: based on a direct current discharge, an RF discharge, or a microwave discharge. EMF has acceptable efficiency at the stage of ionization, acceleration and neutralization of particles for a number of substances, but not at the stage of structural transformation, and only for a limited circle of selected substances. More efficient technologies, in particular, acoustic waves, which are universal with respect to the working substance, have not been implemented, allowing the most intensive phase transformations of the working substance to be carried out, and its structural and charge composition can be effectively and controlledly controlled. As a result, the device is not universal with respect to the working fluid, is able to work only with a limited number of different types of working fluid, and also has a complicated design. They use expensive scarce inert gases, mainly Xe, the use of which will not expand the prospects of space programs. All consumable working substances of the engines are placed on board before ground launch or during flight in the atmosphere, which reduces the mass of the payload and increases its cost. The on-board gas supply requires the use of massive containers and remotely controlled high-pressure gas distributors, which significantly reduces the payload and reliability.
Из-за отсутствия подходящих технологий не используются возобновляемые ресурсы, которые можно получить забором природных веществ из доступных космических тел в ходе экспедиций. Проблемы доставки и возобновления бортовых материальных ресурсов при полете в космическом пространстве ограничивают эффективность, срок службы, безопасность и надежность космических экспедиций и аппаратов, приводят к существенному повышению стоимости экспедиций.Due to the lack of suitable technologies, renewable resources are not used, which can be obtained by taking natural substances from accessible space bodies during expeditions. The problems of delivery and renewal of onboard material resources during flight in outer space limit the efficiency, service life, safety and reliability of space expeditions and vehicles, leading to a significant increase in the cost of expeditions.
Новизна предлагаемого решения основана на использовании технологий, устройств и веществ, которые ранее не использовались для получения реактивного импульса аппаратов в открытом космическом пространстве. The novelty of the proposed solution is based on the use of technologies, devices, and substances that were not previously used to obtain the reactive momentum of the devices in open space.
Известно, что наиболее высокой эффективностью и универсальностью преобразования структуры веществ, их разделения на частицы, а также ионизации, обладают акустические поля и волны (АВ), в том числе звуковые, ультразвуковые и гиперзвуковые [Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. Звуковые и ультразвуковые волны большой интенсивности. — 1966. — 519 с.; Голямина И.П., ред. / Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия. 1979. -400с.; Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М., Наука, 1981г.; Такер Дж., Рэмптон В. Гиперзвук в физике твердого тела. М.:Мир, 1975, 416 с. ; Васильев А.Н., Гайдуков Ю.П. Электромагнитное возбуждение звука в металлах. // УФН 1983. Т. 141, №3. С. 431-467.; Цыбин О.Ю. Способ получения мелкодисперсных частиц вещества в электронном вакуумном приборе. А.с.№1547596, приоритет от 1 июля 1987 года, рег. 1.11.89г.]. It is known that acoustic fields and waves (AB), including sound, ultrasound and hypersonic [Zarembo L.K., Krasilnikov V.A., possess the highest efficiency and universality of the transformation of the structure of substances, their separation into particles, as well as ionization). Introduction to nonlinear acoustics. Sound and ultrasonic waves of high intensity. - 1966. - 519 p .; Golyamina I.P., ed. / Ultrasound. Little Encyclopedia. M .: Soviet Encyclopedia. 1979. -400s .; Viktorov I.A. Sound surface waves in solids. M., Science, 1981; Tucker J., Rampton W. Hypersound in solid state physics. M.: Mir, 1975, 416 p. ; Vasiliev A.N., Gaidukov Yu.P. Electromagnetic sound excitation in metals. // UFN 1983. T. 141, No. 3. S. 431-467 .; Tsybin O.Yu. A method of obtaining fine particles of a substance in an electronic vacuum device. AS No. 1547596, priority of July 1, 1987, reg. 11/11/89].
Акустические поля и волны можно возбуждать с помощью известных устройств в твердых телах, жидкостях и газах. Устройство источника акустической волны основано на преобразовании электрической энергии в кинетическую энергию движения атомов, молекул, других частиц вещества в звуковом, ультра-, и гипер- звуковом диапазонах. Механизмы такого преобразования известны, они включают электромагнитный, электромеханический, магнитострикционный, пьезоэлектрический, магнитодинамический, десорбционный, ионно-распылительный, вибрационный и т.п. В результате осуществляются разделение веществ на микрочастицы, капли, газовые струи, измельчение твердых тел независимо от их природы, кавитационное дробление, формирование и фокусировка струйных потоков частиц, катализ физико-химических реакций, ионизация и ускорение частиц рабочего тела, в том числе диссоциативная ионизация путем разделения молекул (реакция сонохимии), десорбция со стенок, снижение потерь, происходящих из-за адсорбции и рекомбинации на стенках.Acoustic fields and waves can be excited using known devices in solids, liquids and gases. The device of an acoustic wave source is based on the conversion of electrical energy into kinetic energy of motion of atoms, molecules, other particles of matter in the sound, ultra-, and hypersonic ranges. The mechanisms of such a conversion are known, they include electromagnetic, electromechanical, magnetostrictive, piezoelectric, magnetodynamic, desorption, ion-spray, vibration, etc. As a result, substances are separated into microparticles, droplets, gas jets, grinding of solids regardless of their nature, cavitation crushing, formation and focusing of jet streams of particles, catalysis of physicochemical reactions, ionization and acceleration of particles of the working fluid, including dissociative ionization by separation of molecules (reaction of sonochemistry), desorption from the walls, reduction of losses due to adsorption and recombination on the walls.
Сущность изобретения состоит в том, что в ЭРД/ИД встроен генератор с излучателем АВ, при этом АВ может воздействовать целенаправленно на рабочее тело и на все рабочие процессы в накопителе и реакторной камере. Применение АВ позволяет существенно улучшить характеристики ЭРД/ИД, в частности, обеспечивает: The essence of the invention lies in the fact that a generator with an emitter AB is integrated in the electric propulsion / ID, while the AB can act purposefully on the working fluid and on all working processes in the storage ring and reactor chamber. The use of AB can significantly improve the characteristics of the electric propulsion / ID, in particular, it provides:
- повышенную интенсивность и разнообразие процессов фазового преобразования рабочих тел, улучшает параметры движения, снижает стоимость и сложность космического аппарата;- increased intensity and variety of processes of phase transformation of working bodies, improves motion parameters, reduces the cost and complexity of the spacecraft;
- пониженную рекомбинацию на стенках ионизационной камеры, которая в аналогах и прототипе является наиболее значительным фактором потерь;- reduced recombination on the walls of the ionization chamber, which in analogues and prototype is the most significant loss factor;
- использование на борту в качестве запасенного твердого рабочего тела не применявшиеся в аналогах растворы, металлы, сплавы, полупроводники, диэлектрики и другие вещества в различных структурных формах;- use on board as a stored solid working fluid not used in analogues solutions, metals, alloys, semiconductors, dielectrics and other substances in various structural forms;
- использование разнообразных природных естественных материалов, в том числе забираемых с космических тел в ходе экспедиций, а также изготовленных из них порошков из микрочастиц, в том числе метаматериалов и композитов. - the use of a variety of natural natural materials, including those taken from space bodies during expeditions, as well as powders made of microparticles made from them, including metamaterials and composites.
Наиболее близким к заявленному двигателю по устройству и способу функционирования является прототип: эрозионный импульсный плазменный ускоритель согласно изобретению по патенту РФ 2516011. Изобретение по патенту РФ 2516011 относится к плазменной технике и к плазменным технологиям, и может использоваться в импульсных плазменных ускорителях, применяемых, в частности, в качестве электроракетных двигателей. Между разрядными электродами установлены две диэлектрические шашки, выполненные из абляционного материала, в котором осуществляется электрический разряд. Технический результат достигается за счет равномерного испарения рабочего вещества с рабочей поверхности диэлектрических шашек. The closest to the claimed engine according to the device and method of operation is the prototype: an erosive pulsed plasma accelerator according to the invention according to the patent of the Russian Federation 2516011. The invention according to the patent of the Russian Federation 2516011 relates to plasma technology and plasma technologies, and can be used in pulsed plasma accelerators used, in particular as electric propulsion engines. Between the discharge electrodes are two dielectric checkers made of ablative material in which an electrical discharge is carried out. The technical result is achieved due to the uniform evaporation of the working substance from the working surface of the dielectric checkers.
Недостатки прототипа состоят в том, что 1) термическое испарение не обладает достаточной эффективностью фазового преобразования твердого тела, в том числе скоростью, универсальностью, хорошим кпд, что не позволяет использовать иные материалы, кроме определенных и подготовленных по специальной технологии; 2) испарительные реакции не создают направленного движения продуктов с выделенной скоростью; 3) разрядные электроды и необходимый абляционный материал на борту должны быть запасены перед полетом, подготовлены и заложены в накопитель предварительно до запуска аппарата с Земли, а при доставке на орбиту становятся дорогостоящими, дефицитными и не допускают замены; 4) происходят большие потери энергии на выделение тепла как из самого РТ, так и из нагреваемых окружающих элементов. The disadvantages of the prototype are that 1) thermal evaporation does not have sufficient efficiency of phase conversion of a solid, including speed, versatility, good efficiency, which does not allow the use of materials other than certain and prepared using special technology; 2) evaporative reactions do not create a directed movement of products at a dedicated speed; 3) discharge electrodes and the necessary ablative material on board must be stocked before flight, prepared and stored in the accumulator prior to launching the device from the Earth, and upon delivery into orbit they become expensive, scarce and do not allow replacement; 4) there are large energy losses due to heat generation both from the RT itself and from the heated surrounding elements.
Задачей настоящего изобретения является создание ионно-плазменного электродвигательного реактивного двигателя, имеющего более простую и дешевую в изготовлении конструкцию, более эффективную и надежную при эксплуатации в составе космического аппарата. Согласно предлагаемому изобретению, должен быть достигнут суммарный положительный эффект в увеличении ресурса, повышении надежности, стабильности и эффективности тяговых характеристик, эффективности использования рабочего вещества и собственно двигателя. Данная задача решена в вариантах конструкции и соответствующих способах эксплуатации ЭРД/ИД, охарактеризованных в п.п.1-9 Формулы. The objective of the present invention is to provide an ion-plasma electric propulsion jet engine having a simpler and cheaper to manufacture design, more efficient and reliable when operated as part of a spacecraft. According to the invention, the total positive effect should be achieved in increasing the resource, increasing the reliability, stability and efficiency of traction characteristics, the efficiency of use of the working substance and the engine itself. This problem is solved in the design options and the corresponding operation methods of the electric propulsion / propulsion device described in
На Фиг.1 показано схематическое изображение ЭРД/ИД с примерами установки акустических излучателей: 1- накопитель рабочего тела; 2- канал транспортировки с электродом для преобразования структуры рабочего тела; 3- акустический излучатель, подключенный к электроду в канале 2; 4- область ионизации, содержащая электроды для создания электромагнитного поля; 5- акустический излучатель, подключенный к электродам в области ионизации; 6- ускоритель ионов, содержащий электроды для создания электромагнитного поля; 7- камера выхода ионного потока из двигателя, содержащая электроды для создания электромагнитного поля и нейтрализации заряда выходящего потока; 8 - акустический излучатель, подключенный к электродам в камере выхода 7. Штрих-пунктиром показана область реакторной камеры. В случае необходимости, в камере 7 может быть создано магнитное поле для управления движением электронов. Указанные на Фиг.1 канал транспортировки 2 с электродом для преобразования структуры рабочего тела и акустический излучатель 3, подключенный к электроду в канале 2, образуют встроенный промежуточный активный узел, содержащий источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору. Подобные активные узлы составляют акустические излучатели 5, 8. Активирующий генератор передает энергию на акустические излучатели 3, 5, 8, при этом находится независимо в реакторной камере или вне ее. Figure 1 shows a schematic representation of the electric propulsion / ID with examples of installation of acoustic emitters: 1 - drive working fluid; 2- transportation channel with an electrode for transforming the structure of the working fluid; 3 - an acoustic emitter connected to the electrode in
Согласно п.1 Формулы, задача решается следующим образом: в область, находящуюся в основном между накопителем и реакторной камерой, встроен промежуточный активный узел, содержащий источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору. Недостатки прототипа устранены в данном изобретении за счет интенсификации процессов, происходящих в поле волны акустического облучателя. According to
Согласно п.2 Формулы, реакторная камера подключена более чем к одному указанному накопителю различных указанных рабочих тел, причем имеется не менее одного указанного промежуточного активного узла, содержащего источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору, становится возможным создавать в реакторной камере в газовой фазе наиболее выгодную композицию различных рабочих тел. According to
Согласно п.3 Формулы, промежуточный активный узел в области в основном между накопителем и реакторной камерой содержит более, чем один источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору, становится возможным создавать одновременно несколько видов акустических волн, в том числе на разных частотах для обеспечения требуемых резонансов.According to
Согласно п.4 Формулы, хотя бы один электрод в реакторной камере изготовлен из рабочего тела, что позволит заменять электроды во время экспедиции обитаемого аппарата, изменять их форму для выбора оптимального режима в текущей обстановке. According to
Согласно п.п.5-6 Формулы, принципиальную новизну имеют предлагаемые технологии переработки природных материалов космических тел in-situ с помощью акустических технологий. Рабочее тело может быть изготовлено, например, ультразвуковыми технологиями или ионным фрезерованием из натуральных природных материалов, принадлежащих космическим телам в их естественном виде. Электроды также могут быть изготовлены из твердых растворов, металла, углерода, кремния, другого твердого тела, в том числе из отходов бортовой деятельности, космического «мусора», природных материалов космических тел в том числе с использованием аддитивных технологий (3D принтеры). Наиболее распространенные природные сырьевые материалы включают в себя твердотельный планетный или астероидный реголит (слой почвы), а также скалы, почвы, лед, и другие вещества, состоящие из кислорода, силикатов и металлов. В случае применения акустических технологий обработки, имеющиеся на поверхности космических тел природные материалы, обеспечивают достаточно широкий набор возможностей. According to paragraphs 5-6 of the Formula, the proposed technologies for processing natural materials of space bodies in situ using acoustic technologies have a fundamental novelty. The working fluid can be made, for example, by ultrasonic technology or by ion milling from natural materials belonging to cosmic bodies in their natural form. The electrodes can also be made of solid solutions, metal, carbon, silicon, another solid, including waste from on-board activities, space "debris", natural materials of space bodies, including using additive technologies (3D printers). The most common natural raw materials include solid-state planetary or asteroid regolith (soil layer), as well as rocks, soils, ice, and other substances consisting of oxygen, silicates and metals. In the case of applying acoustic processing technologies, natural materials available on the surface of space bodies provide a fairly wide range of possibilities.
Согласно п.7 Формулы, из природных материалов может быть приготовлен порошок, состоящий из микрочастиц. Такие частицы размером менее 1-10 мкм, составляющие рабочее тело, могут быть на следующем этапе в реакторной камере преобразованы в ускоренный нейтральный или ионизованный поток, обеспечивающий реактивный импульс движения.According to
Согласно п.8 Формулы, встроенный промежуточный активный узел, содержащий источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору, расположен преимущественно в области ионизации. Акустическая волна ускоряет реакцию ионизации, что позволяет использовать частицы факела с более высокой скоростью, повышая тем самым импульс движения космического аппарата. According to
Согласно п.9 Формулы, встроенный промежуточный активный узел, содержащий источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору, расположен преимущественно в области нейтрализации. Акустическая волна ускоряет реакцию эмиссии электронов, и, соответственно, нейтрализации, что позволяет использовать частицы факела с более высокой скоростью, повышая тем самым импульс движения. According to claim 9 of the Formula, a built-in intermediate active unit containing an acoustic wave source connected to an activating generator is located mainly in the neutralization region. An acoustic wave accelerates the reaction of electron emission, and, accordingly, neutralization, which allows the use of torch particles at a higher speed, thereby increasing the momentum of movement.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.
Устройство по п.п.1-7 Формулы работает как двухэтапный ионно-плазменный двигатель. При включении генератора акустическая волна действует на рабочее тело, поступающее в реакторную камеру, производит или интенсифицирует его преобразование в газофазный поток частиц, усиливает ионизацию с образованием положительных (или отрицательных) ионов. The device according to
На первом этапе в реакторной камере нейтральные частицы рабочего тела в поле акустической волны приобретают направленную скорость, и формируемый поток направляется дальше на второй этап. Значение скорости определяется заданным размером частиц и акустическим давлением. Предварительная фокусировка нейтральных частиц упрощает дальнейшие процедуры ионизации и ускорения. Возможна совмещенная с первым этапом ионизация в поле акустической волны. Например, при использовании адсорбции рабочего тела (газа, жидкости, частиц твердого тела) на поверхности ультразвукового или гиперзвукового излучателя инициируются, как варианты: десорбция положительно ионизованных атомов; диссоциативная ионизация молекул и десорбция разделенных катионов/анионов; передача механического импульса микрочастицам с одновременной их туннельной ионизацией. At the first stage, in the reactor chamber, neutral particles of the working fluid in the field of the acoustic wave acquire a directed velocity, and the generated flow is directed further to the second stage. The speed value is determined by a given particle size and acoustic pressure. Pre-focusing neutral particles simplifies further ionization and acceleration procedures. The ionization combined with the first stage in the field of an acoustic wave is possible. For example, when using the adsorption of a working fluid (gas, liquid, solid particles) on the surface of an ultrasonic or hypersonic emitter, the following are initiated as options: desorption of positively ionized atoms; dissociative ionization of molecules and desorption of separated cations / anions; transmission of a mechanical impulse to microparticles with their simultaneous tunneling ionization.
Устройство по п.8 Формулы работает как форсированный ионно-плазменный двигатель. При включении генератора акустическая волна действует на рабочее тело, поступившее в реакторную камеру в газовой фазе, в области ионизации, тем самым ускоряет процессы ионизации, повышает зарядовое состояние, увеличивает скорость факела и удельный импульс двигателя. The device according to
Например, создается эффект ультразвуковой кавитации в плотном потоке частиц, вызывающий разделение зарядов. For example, the effect of ultrasonic cavitation in a dense stream of particles is created, which causes the separation of charges.
Устройство по п.9 Формулы работает как форсированный ионно-плазменный двигатель. При включении генератора ультразвуковая акустическая волна действует на ионный поток и на источник нейтрализующих частиц, ускоряет тем самым процессы нейтрализации, увеличивает скорость факела и удельный импульс двигателя. The device according to claim 9 of the Formula works as a forced ion-plasma engine. When the generator is turned on, the ultrasonic acoustic wave acts on the ion flux and on the source of neutralizing particles, thereby accelerating the processes of neutralization, increasing the speed of the flame and the specific impulse of the engine.
Например, происходит возрастание поверхностной температуры и усиление термоэмиссии катода при возбуждении ультразвуковой акустической волны на его поверхности. For example, there is an increase in surface temperature and an increase in thermal emission of the cathode upon excitation of an ultrasonic acoustic wave on its surface.
Рассмотрим конкретные примеры реализации устройства и его режимов с каждым типом рабочего тела. При использовании атомного (водород, азот, ксенон, криптон и т.п.) или молекулярного газа (метан, этан, другие углеводороды), находящегося в сжатом виде в накопителе, в канале транспортировки на поверхности твердотельного электрода возбуждается ультразвуковая волна на частотах 10 – 50 кГц мощностью 10-100 Вт. Температура газа при этом повышается на 100 – 1000 градусов Кельвина и более в объеме до 1-10 см3, что существенно увеличивает вероятность ионизации и снижает потери частиц, не испытавших ионизации и последующего ускорения. Запасенная масса рабочего тела расходуется более экономно, выигрыш в ее использовании для создания импульса движения может составить до 10-20 %. Consider specific examples of the implementation of the device and its modes with each type of working fluid. When using atomic (hydrogen, nitrogen, xenon, krypton, etc.) or molecular gas (methane, ethane, other hydrocarbons), which is compressed in the storage medium, an ultrasonic wave is excited in the transport channel on the surface of the solid-state electrode at frequencies of 10 - 50 kHz with a power of 10-100 watts. In this case, the gas temperature rises by 100 - 1000 degrees Kelvin or more in volume up to 1-10 cm 3 , which significantly increases the probability of ionization and reduces the loss of particles that have not experienced ionization and subsequent acceleration. The stored mass of the working fluid is spent more economically, the gain in its use to create a momentum of movement can be up to 10-20%.
При использовании рабочего тела в виде жидкости, например, спиртов, кетонов, эфиров и т.п. веществ, в канале транспортировки в молекулярной пленке на поверхности твердотельного электрода в объеме 0,1-0,2 см3 возбуждается ультра или гиперзвуковая волна на частотах 0,1 – 10 МГц мощностью 1-100 Вт. Происходят быстрый рост акустического давления и температуры в пленке молекул жидкости на поверхности электрода, интенсивное испарение, быстрая десорбция и поверхностная ионизация, в частности, в соответствии с формулами Саха-Ленгмюра, а также диссоциативная ионизация. Жидкость трансформируется в парогазовую фазу, при определенных условиях содержащую большую долю заряженных частиц. Такая кинетическая парогазовая плазма может быть эффективно ускорена электрическим полем в том числе без дополнительной ионизации. When using the working fluid in the form of a liquid, for example, alcohols, ketones, esters, etc. substances in the transport channel in a molecular film on the surface of the solid-state electrode in a volume of 0.1-0.2 cm 3 is excited by an ultra or hypersonic wave at frequencies of 0.1 - 10 MHz with a power of 1-100 watts. There is a rapid increase in acoustic pressure and temperature in the film of liquid molecules on the electrode surface, intense evaporation, rapid desorption and surface ionization, in particular, in accordance with the Saha-Langmuir formulas, as well as dissociative ionization. The liquid transforms into the vapor-gas phase, which under certain conditions contains a large fraction of charged particles. Such a kinetic vapor-gas plasma can be effectively accelerated by an electric field, including without additional ionization.
При использовании твердого рабочего тела, например, в виде кристаллического вещества (иод, твердые углеводороды), в канале транспортировки возбуждается ультра или гиперзвуковая волна на частотах 1 – 100 МГц мощностью 1-200 Вт, которая вызывает быстрое разрушение и диспергирование поверхностного слоя, его преобразование в плазму наночастиц, в том числе ионизованных, подготовленных для дальнейшего ускорения. При использовании иных твердых веществ, например, природных (реголиты, базальты, другие минералы) в виде микро- и нано- порошков, в объеме порошка возбуждается звуковая волна на частотах 1-10 кГц мощностью 0,1-10 кВт, что создает факел ускоренных и частично ионизованных микрочастиц, которые могут быть ускорены электрическим полем. When using a solid working fluid, for example, in the form of a crystalline substance (iodine, solid hydrocarbons), an ultra or hypersonic wave is excited in the transport channel at frequencies of 1 - 100 MHz with a power of 1-200 W, which causes rapid destruction and dispersion of the surface layer, its transformation into the plasma of nanoparticles, including ionized ones, prepared for further acceleration. When using other solid substances, for example, natural ones (regoliths, basalts, other minerals) in the form of micro- and nano-powders, a sound wave is excited in the bulk of the powder at frequencies of 1-10 kHz with a power of 0.1-10 kW, which creates an accelerated torch and partially ionized microparticles, which can be accelerated by an electric field.
В камере ионизации и в камере нейтрализации акустическая волна обеспечивает рост температуры, увеличение длины пробега и, следовательно, вероятности ионизации/нейтрализации частиц парогазовой плазмы. In the ionization chamber and in the neutralization chamber, an acoustic wave provides an increase in temperature, an increase in the mean free path, and, consequently, the probability of ionization / neutralization of particles of vapor-gas plasma.
В случае жидких и твердых рабочих тел полезная масса увеличена за счет исключения массивного контейнерного накопителя сжатого газа. Расход электрической энергии на возбуждение акустических волн составляет не более 5-10 % от полных затрат бортовой энергии и перекрывается положительным эффектом эксплуатации двигателя. In the case of liquid and solid working fluids, the useful mass is increased due to the exclusion of a massive container storage of compressed gas. The consumption of electric energy for the excitation of acoustic waves is not more than 5-10% of the total cost of on-board energy and is blocked by the positive effect of engine operation.
Суммарный положительный эффект от применения вариантов конструкции и способов эксплуатации согласно предлагаемому изобретению заключается в увеличении ресурса, повышении надежности, стабильности и эффективности тяговых характеристик, эффективности использования рабочего вещества и собственно двигателя.The total positive effect of the use of design options and operating methods according to the invention is to increase the resource, increase the reliability, stability and efficiency of traction characteristics, the efficiency of use of the working substance and the engine itself.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018121762A RU2682962C1 (en) | 2018-06-14 | 2018-06-14 | Ionic rocket engine of spacecraft |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018121762A RU2682962C1 (en) | 2018-06-14 | 2018-06-14 | Ionic rocket engine of spacecraft |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2682962C1 true RU2682962C1 (en) | 2019-03-25 |
Family
ID=65858633
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018121762A RU2682962C1 (en) | 2018-06-14 | 2018-06-14 | Ionic rocket engine of spacecraft |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2682962C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU205174U1 (en) * | 2020-12-09 | 2021-06-29 | Хаджи-Мурат Хасанович Байсиев | Electric rocket engine for acceleration and trajectory correction of spacecraft |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4548033A (en) * | 1983-06-22 | 1985-10-22 | Cann Gordon L | Spacecraft optimized arc rocket |
| US5475354A (en) * | 1993-06-21 | 1995-12-12 | Societe Europeenne De Propulsion | Plasma accelerator of short length with closed electron drift |
| RU2516011C1 (en) * | 2012-11-08 | 2014-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Eroding pulse plasma accelerator |
| RU2619389C2 (en) * | 2012-02-06 | 2017-05-15 | Снекма | Engine on the hall effect |
-
2018
- 2018-06-14 RU RU2018121762A patent/RU2682962C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4548033A (en) * | 1983-06-22 | 1985-10-22 | Cann Gordon L | Spacecraft optimized arc rocket |
| US5475354A (en) * | 1993-06-21 | 1995-12-12 | Societe Europeenne De Propulsion | Plasma accelerator of short length with closed electron drift |
| RU2619389C2 (en) * | 2012-02-06 | 2017-05-15 | Снекма | Engine on the hall effect |
| RU2516011C1 (en) * | 2012-11-08 | 2014-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" | Eroding pulse plasma accelerator |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU205174U1 (en) * | 2020-12-09 | 2021-06-29 | Хаджи-Мурат Хасанович Байсиев | Electric rocket engine for acceleration and trajectory correction of spacecraft |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Levchenko et al. | Perspectives, frontiers, and new horizons for plasma-based space electric propulsion | |
| Levchenko et al. | Space micropropulsion systems for Cubesats and small satellites: From proximate targets to furthermost frontiers | |
| US6334302B1 (en) | Variable specific impulse magnetoplasma rocket engine | |
| US6121569A (en) | Plasma jet source using an inertial electrostatic confinement discharge plasma | |
| EP1640608B1 (en) | Spacecraft thruster | |
| US3279176A (en) | Ion rocket engine | |
| EP3369294B1 (en) | Plasma accelerator with modulated thrust and space born vehicle with the same | |
| Loeb et al. | Design of high-power high-specific impulse RF-ion thruster | |
| US20130327015A1 (en) | Dual use hydrazine propulsion thruster system | |
| US20130067883A1 (en) | Spacecraft thruster | |
| KR20000070131A (en) | Method and apparatus for producing complex carbon molecules | |
| RU2682962C1 (en) | Ionic rocket engine of spacecraft | |
| JP2013137024A (en) | Thruster, system therefor, and propulsion generating method | |
| RU2635951C1 (en) | Method for creating electric propulsion thrust | |
| Sheth | Spacecraft Electric Propulsion–A review | |
| RU2709231C1 (en) | Membrane spacecraft ion-plasma rocket engine | |
| RU2776324C1 (en) | Ramjet relativistic engine | |
| US10863612B2 (en) | System for generating a plasma jet of metal ions | |
| Jordan | Electric propulsion: which one for my spacecraft | |
| RU2791084C1 (en) | Plasma jet engine using plasma flowing through a magnetic nozzle heated by powerful electromagnetic radiation to create thrust, and a method for creating jet thrust | |
| RU2614906C1 (en) | Direct flow electric propulsion engine | |
| RU2534762C1 (en) | Metal or metalloid nanoparticles plasmajet | |
| RU2072447C1 (en) | Method of producing thrust in electrical rocket engine | |
| Kolbeck et al. | A vacuum arc thruster with ablatable anode | |
| Miley et al. | A novel IEC propulsion unit for satellite applications |