RU2709231C1 - Membrane spacecraft ion-plasma rocket engine - Google Patents
Membrane spacecraft ion-plasma rocket engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2709231C1 RU2709231C1 RU2018142412A RU2018142412A RU2709231C1 RU 2709231 C1 RU2709231 C1 RU 2709231C1 RU 2018142412 A RU2018142412 A RU 2018142412A RU 2018142412 A RU2018142412 A RU 2018142412A RU 2709231 C1 RU2709231 C1 RU 2709231C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- working fluid
- microporous membrane
- ion
- membrane
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ионно-плазменному, или ионному электроракетному двигателю, используемому для управляемого ускорения летательных аппаратов в космическом вакууме, в том числе орбитальных спутников. Подобно аналогам, реактивную тягу создают посредством факела ускоренных частиц, получаемых из рабочего тела с помощью электрической энергии, создаваемой потоком фотонов, падающих на бортовые фотоэлементы. В отличие от известных ионно-плазменных электроракетных двигателей, заявляемое устройство содержит газопроницаемую микропористую мембрану, сквозь которую проходит поток нейтральных частиц рабочего тела. Это позволяет производить многоструйную поверхностную заряженную плазму, распределенную вблизи поверхности мембраны, обращенной в область ускорения ионов. В результате повышается экономичность использования рабочего тела, увеличиваются скорость и площадь поперечного сечения ионного факела, время эксплуатации и скорость движения, снижается стоимость и сложность устройства. Новизна предлагаемого решения основана на использовании мембранных технологий, которые ранее не использовались для получения реактивного импульса космического аппарата.The invention relates to an ion-plasma, or ion electric rocket engine used for controlled acceleration of aircraft in space vacuum, including orbiting satellites. Like counterparts, reactive thrust is created by means of a torch of accelerated particles obtained from the working fluid with the help of electrical energy created by the flow of photons incident on the onboard solar cells. Unlike the known ion-plasma electric rocket engines, the claimed device contains a gas-permeable microporous membrane through which a stream of neutral particles of the working fluid passes. This makes it possible to produce a multi-jet surface charged plasma distributed near the surface of the membrane facing the ion acceleration region. As a result, the efficiency of use of the working fluid is increased, the speed and cross-sectional area of the ion plume are increased, the operating time and speed of movement, the cost and complexity of the device are reduced. The novelty of the proposed solution is based on the use of membrane technologies that have not previously been used to obtain a jet impulse of a spacecraft.
Известны различные типы ионно-плазменных, или ионных электроракетных двигателей (ЭРД/ИД) для обеспечения движения космических летательных аппаратов. 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 достигается плотность тяги до 1 Н/м2, скорость истечения реактивной струи от 2 км/с до более чем 50 км/с при электрической мощности до 5 кВт и более. [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.].There are various types of ion-plasma, or ion electric rocket engines (ERE / ID) for the movement of spacecraft. 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, thrust density is achieved up to 1 N / m 2 , jet stream outflow speed from 2 km / s to more than 50 km / s with electric power up to 5 kW and more. [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.].
Каждый известный аналог представляет собой ионно-плазменное электродвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата, имеющее накопитель с рабочим телом в нем, реакторную камеру, в частности, газоразрядную камеру, подключенную к указанному накопителю, оснащенную электродами для преобразования структуры, ионизации, ускорения и нейтрализации частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля (ЭМП), систему для создания магнитного поля. Основным рабочим газом из возможных (N2, Ar, Xe, и т.д.) служит Xe, что эффективно, но имеет большие ограничения, к которым относятся высокая стоимость и малые объемы производства газа, высокая стоимость наземных испытаний в вакуумных камерах при низких температурах, недостаток природных ресурсов для дальнейшего развития космических двигателей. Кроме инертных газов, в качестве расходуемых РТ испытывают 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, или ионных растворов - конструкция электро-распылительного источника с зарядом малых капель жидкости. 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, in particular, a gas discharge chamber connected to said storage ring, equipped with electrodes for transforming the structure, ionizing, accelerating and neutralizing particles the specified working fluid through an electromagnetic field (EMF), a system for creating a magnetic field. The main working gas of the possible ones (N 2 , Ar, Xe, etc.) is Xe, which is effective, but has great limitations, which include the high cost and low volumes of gas production, the high cost of ground tests in vacuum chambers at low temperatures, lack of natural resources for the further development of space engines. In addition to inert gases, cesium, mercury, bismuth, zinc, tin, magnesium, gallium, iodine, teflon, ionic liquids, colloidal solutions, and ammonia are tested 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 or ionic solutions, a design of an electro-spray source with a charge of small drops of liquid was created.
В устройствах-аналогах предлагаемого изобретения из частиц РТ создается объемная плазма, из которой экстрагируются ионы, в том числе с помощью перегородок с отверстиями. Подобные перегородки не используются в канале транспортировки нейтральных частиц РТ на участке до получения плазмы. Для зарядовой нейтрализации экстрагированных ионов после их ускорения и, соответственно, получения импульса отдачи, используют термоэмиссионные источники электронов. In analog devices of the present invention, a bulk plasma is created from particles of RT from which ions are extracted, including using partitions with holes. Such partitions are not used in the channel for transporting neutral particles of RT in the area until the plasma is obtained. For charge neutralization of extracted ions after their acceleration and, accordingly, obtaining a recoil momentum, thermionic electron sources are used.
Аналоги в виде ЭРД/ИД с объемной ионизацией газа и замкнутым холловским дрейфом электронов являются основными системами работающих космических аппаратов. Аналог RU 2 527 267 C2 есть ионно-плазменный реактивный двигатель с нейтрализующей электронной плазмой 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. 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. Катод-компенсатор (эмиттер электронов) установлен у среза ускорительного канала. 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 1,3 кВт.Analogs in the form of ERE / ID with volumetric gas ionization and closed Hall electron drift are the main systems of operating spacecraft. The analogue of
Недостатком холловских аналогов является взаимодействие объемной плазмы с диэлектрическим покрытием стенок и эрозией последних, что снижает срок службы и надежность. Частично этот недостаток преодолен в двигателе с анодным слоем, но возникают ограничения из-за рекомбинации объемной плазмы на металлических стенках. A drawback of Hall counterparts is the interaction of bulk plasma with a dielectric coating of the walls and erosion of the latter, which reduces the service life and reliability. This drawback is partially overcome in an anode-layer engine, but limitations arise due to the recombination of bulk plasma on metal walls.
В патенте US В6293090 описан плазменный радиочастотный (РЧ) двигатель малой тяги, в котором объемная плазма создается нижнегибридной волной. 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 создает скорость факела около 9-12 км/с и тягу от 200 до 2000 Н. 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 электронного циклотронного резонанса (ЭЦР). В японских двигателях ионизация ксенона происходит в СВЧ-разряде (патент Японии JP 2856740 В2 от 09.06.1988 г.). 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. Источник ионов с высокочастотным возбуждением разряда описан в патенте GB 1214178 A (опубликован 02.12.1970). С внешней стороны газоразрядной камеры установлен медный индуктор, выполненный в виде спирали, охватывающей камеру, выполненную из кварцевого стекла. 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. устройство с индукционным возбуждением электрического разряда (патент RU 2503079 C1, опубликован 27.12.2013). Разрабатываются также 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 объемной 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 объемной 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 факела 10-30 км/с и тягу 50-1000 мН.US Pat. No. 6,293,090 describes a plasma radio frequency (RF) thruster in which a bulk plasma is generated by a lower hybrid wave. 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 engine creates a torch speed of about 9-12 km / s and a thrust from 200 to 2000 N. The invention RU 2543103 C2 relates to high-frequency ion engines (HF ID) with induction discharge 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 frequency of electron cyclotron resonance (ECR). In Japanese engines, xenon ionization occurs in a microwave discharge (Japanese patent JP 2856740 B2 dated 06/09/1988). 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. A source of ions with a high-frequency discharge excitation is described in GB 1214178 A (published 02.12.1970). A copper inductor made in the form of a spiral covering a chamber made of quartz glass is installed on the outside of the discharge chamber. 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
Принципиальным негативным ограничением аналогов является действие объемного заряда ионов, экранирующее электрическое поле и снижающее его возможности для ионизации и ускорения. The principal negative limitation of analogues is the action of the space charge of ions, which shields the electric field and reduces its ability to ionize and accelerate.
В аналогах реализуется воздействие ВЧ и РЧ ЭМП на вещество в газовой или жидкой фазе, но не используется активирование процессов ионизации и генерации распределенной поверхностной плазмы при воздействии на электроны в скин-слое твердого тела. In analogs, the effect of RF and RF EMF on a substance in the gas or liquid phase is realized, but the activation of the processes of ionization and generation of a distributed surface plasma is not used when the electrons in the skin layer of a solid are acted upon.
В группе аналогов с рабочим телом в виде ионной жидкости или жидкого металла использован набор капилляров или острий в количестве от единиц до сотни, где каждый капилляр или острие работает при локально большом объемном заряде. Этот подход не обеспечивает принципиального снижения указанных выше ограничивающих эффектов. In the group of analogues with a working fluid in the form of an ionic liquid or liquid metal, a set of capillaries or spikes was used in an amount from units to hundreds, where each capillary or spike works with a locally large space charge. This approach does not fundamentally reduce the above limiting effects.
В группе аналогов ЭРД/ИД для преодоления принципиальных ограничений поля объемного заряда уменьшают плотность тока путем разделения общего ионного потока на набор парциальных струй, имеющих уменьшенное поперечное сечение. В них для ускорения ионов используют сетки и маски с согласованными макроскопическими отверстиями. Группа ИД – аналогов, в которых общий ионный поток разделяется на парциальные потоки, использует металлические сетки и решетки для экстракции ионов из объемной газоразрядной 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, создается объемная плазма, затем образовавшиеся ионы вытягиваются из плазмы и ускоряются электромагнитным полем, созданным между решетками. В патенте US 6318069 «Ion thruster having grids made of oriented pyrolytic graphite» предложено выполнять сетки трехэлектродного ионного двигателя из пиролитического графита.In the group of ERD / ID analogues, to overcome the fundamental limitations of the space charge field, the current density is reduced by dividing the total ion flux into a set of partial jets having a reduced cross section. They use meshes and masks with matched macroscopic holes to accelerate ions. The group of IDs - analogues, in which the total ion flux is divided into partial fluxes, uses metal grids and lattices to extract ions from a bulk gas-discharge 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, bulk plasma is created, then the formed ions are pulled from the plasma and accelerated by the electromagnetic field created between the gratings. In patent US 6318069 "Ion thruster having grids made of oriented pyrolytic graphite" it is proposed to make the grid of a three-electrode ion engine of pyrolytic graphite.
Общим недостатком сеточных аналогов является взаимодействие объемной плазмы с электропроводящими стенками, сетками и решетками. 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, на сетках и решетках является наиболее значительным фактором потерь. Решетки, сетки и маски вызывают увеличение тепловой и токовой нагрузки на электроды. Ионное и плазменное распыление вызывает деградацию катодов, сеток и решеток, что сокращает срок службы.A common drawback of grid analogues is the interaction of bulk plasma with electrically conductive walls, grids, and gratings. Only a small number 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, on grids and gratings is the most significant loss factor. Lattices, nets and masks cause an increase in thermal and current loads on the electrodes. Ion and plasma sputtering causes degradation of cathodes, grids and gratings, which shortens the life of the cathode.
Аналогом является устройство для ускорения потока заряженных частиц [патент на изобретение РФ №2104411], содержащее плазменный источник (газоразрядную камеру) и многолучевую ионно-оптическую систему, имеющую, по крайней мере, три электрода последовательно расположенных на удалении друг от друга, причем первый электрод (экранный) является торцевой стенкой газоразрядной камеры и заряжен положительно. Второй, ускоряющий электрод, заряжен отрицательно. Для улучшения структуры ионного потока после ускоряющего электрода устанавливают третий - замедляющий электрод, подтормаживающий наиболее быстрые ионы. Формирование многолучевого потока осуществляется за счет того, что в электродах ионно-оптической системы выполнена совокупность отдельных соосных отверстий для пролета индивидуальных ионных пучков.An analogue is a device for accelerating the flow of charged particles [patent for the invention of the Russian Federation No. 2104411], containing a plasma source (gas discharge chamber) and a multi-beam ion-optical system having at least three electrodes in series located at a distance from each other, the first electrode (screen) is the end wall of the gas discharge chamber and is positively charged. The second accelerating electrode is negatively charged. To improve the structure of the ion flux, after the accelerating electrode, a third slowing electrode is installed, which slows down the fastest ions. The formation of a multipath flux is due to the fact that the electrodes of the ion-optical system have a set of separate coaxial holes for the passage of individual ion beams.
Известно устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ракетном двигателе (патент на изобретение US 4838021, МПК: F03H 1/00), содержащее ионизационную камеру и ионно-оптическую систему с двумя электродами (экранный и ускоряющий), между которыми прикладывают постоянную ускоряющую разность потенциалов. Модуляцию тока многолучевого ионного потока осуществляют за счет импульсной модуляции тока разряда в ионизационной камере.A device is known for creating an adjustable traction force in an electric rocket engine (patent US 4838021, IPC:
Наиболее близким аналогом, - прототипом, - является двигатель DS4G Европейского Космического Агентства [Feam D.G. "The use of ion thruster for orbit raising // J. Brit. Interplan. Soc. V.33, 1980-PP 129-137].The closest analogue, the prototype, is the DS4G engine of the European Space Agency [Feam D.G. "The use of ion thruster for orbit raising // J. Brit. Interplan. Soc. V.33, 1980-PP 129-137].
Согласно прототипу, перегородки с набором отверстий отсутствуют в канале транспортировки рабочего тела на участке до образования плазмы. Отличительной особенностью аналогов и прототипа является наличие перегородки с отверстиями, установленной в области между плазмой и участком ускорения ионов. Производится ускорение ионов, экстрагированных из плазмы через указанную перегородку с отверстиями. Дальнейшее ускорение экстрагированных ионов в прототипе производится через последовательно размещенные четыре решетчатых электрода с тысячей миллиметровых по диаметру согласованных по положению отверстий в каждой, с общим током примерно 100 мА. К точности согласования отверстий предъявляются высокие требования на этапах изготовления и дальнейшей эксплуатации. Недостатки аналогов и прототипа с макроскопическими отверстиями в перегородках состоят в том, что плазма проходит сквозь отверстия в перегородках, разрушая стенки указанных отверстий. Перегородки установлены на участке после образования плазмы в реакторной камере, поэтому имеется разрушительный контакт перегородки с плазмой. На участке ускорения ионов из-за высокой разности потенциалов возникают пробои и быстрые разрушения ускоряющих решеток, нарушение согласования и деградация из-за тепловой нагрузки и ионного распыления. Наибольшее количество парциальных потоков в прототипе достигается 102, что недостаточно для эффективной работы устройства. Максимум эффективности требует разделения полного ионного тока на наибольшее возможное количество парциальных потоков, распределенных по наибольшей возможной площади источника, что сложно выполнить при наличии контакта перегородки с плазмой. Другим недостатком аналогов и прототипа является также то, что в них не используется активирование процессов ионизации и генерации распределенной поверхностной заряженной плазмы, в том числе при электромагнитном облучении, а также при воздействии на электроны в скин-слое твердого тела подложки. Эффект такого воздействия, выражающийся в ионизации и десорбции, известен, и может быть эффективно использован [Мишин М.В., Цыбин О.Ю. / Десорбция ионов с поверхности металла при индуцировании импульса скин-тока. //Письма в ЖТФ, том 22, вып.4, 26 февраля 1996г., С. 21-24; Цыбин О.Ю., Цыбин Ю.О., Кравец Н.М./ Десорбция ионов при воздействии импульсов поверхностного тока на металлические и полупроводниковые образцы в вакууме. //Известия АН, Серия физическая, т.66, №8, 2002. с.1293-1206; Цыбин О.Ю. Зависимости от типа подложки и давления при электродинамической десорбции/ионизации. Вакуумная техника и технология Т.21, №1, 2011, стр. 17-20.].According to the prototype, partitions with a set of holes are absent in the transport channel of the working fluid in the area until the plasma is formed. A distinctive feature of analogues and prototype is the presence of a partition with holes installed in the region between the plasma and the ion acceleration site. The acceleration of ions extracted from plasma through the specified partition with holes. Further acceleration of the extracted ions in the prototype is carried out through successively placed four lattice electrodes with a thousand millimeter in diameter aligned according to the position of the holes in each, with a total current of approximately 100 mA. To the accuracy of matching holes are high requirements at the stages of manufacturing and further operation. The disadvantages of analogues and prototype with macroscopic holes in the partitions are that the plasma passes through the holes in the partitions, destroying the walls of these holes. Partitions are installed on the site after the formation of plasma in the reactor chamber, therefore, there is a destructive contact between the partition and the plasma. In the ion acceleration region, due to the high potential difference, breakdowns and rapid destruction of accelerating gratings, violation of coordination, and degradation due to heat load and ion sputtering occur. The largest number of partial streams in the prototype is achieved 10 2 that is not enough for the effective operation of the device. The maximum efficiency requires the separation of the total ion current into the largest possible number of partial streams distributed over the largest possible area of the source, which is difficult to accomplish if there is contact between the septum and the plasma. Another disadvantage of the analogues and the prototype is that they do not use the activation of ionization processes and the generation of distributed surface charged plasma, including during electromagnetic radiation, as well as when the electrons in the skin layer of a solid body of the substrate are exposed to. The effect of such an effect, expressed in ionization and desorption, is known and can be effectively used [Mishin MV, Tsybin O.Yu. Desorption of ions from a metal surface upon induction of a skin current pulse. // Letters to the ZhTF, volume 22,
Задачей настоящего изобретения является создание ионно-плазменного электродвигательного реактивного двигателя, имеющего более простую и дешевую в изготовлении конструкцию, более экономичную, в целом эффективную и надежную при эксплуатации в составе космического аппарата. Согласно предлагаемому изобретению, достигается суммарный положительный эффект в увеличении ресурса, повышении надежности, стабильности и эффективности тяговых характеристик, эффективности использования рабочего вещества и собственно двигателя. The present invention is the creation of an ion-plasma electric propulsion jet engine having a simpler and cheaper to manufacture design, more economical, generally efficient and reliable when used as part of a spacecraft. According to the invention, the overall positive effect is 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.
Отличительная сущность изобретения состоит в том, что в нем для формирования потока РТ используется перегородка, установленная в канале транспортировки рабочего тела на участке от накопителя до области образования плазмы, причем указанная перегородка выполнена в виде газопроницаемой микропористой мембраны (ЭГММ). Известны ЭГММ, изготавливаемые по особым технологиям в виде диэлектрических, металлических и металлокерамических пластин [М. Мулдер, Введение в мембранную технологию, М.: Мир, 1999 г., 513с., Свитцов А.А., Введение в мембранные технологии, М.: ДеЛи принт, 2007, 280 с., М. Т. Брик, Энциклопедия мембран в двух томах, "Киево-Могилёвская академия" 2005 год - 660 стр., а также патенты РФ 2644640, 2285748, 2501597, 2523464, 2060805, 2504429, 2474466 и др.]. Пластины обычно имеют размеры поверхности порядка 1-10 см и более, макроскопическую толщину 1-5 мм и более, суммарную площадь пор от единиц до 50-80 процентов, поры различной длины и диаметра от субмкм до N=10-100 мкм. Такие ЭГММ имеют аномально высокую плотность газопропускающих микропор и за счет этого уникальные свойства по взаимодействию с потоками газа и пара, обладают высокими прочностью, стабильностью свойств, электропроводностью, химической инертностью, большим сроком службы. Достоинством металлических мембран является однородность структуры и, как следствие, размеров пор. Газопроницаемость капиллярно-пористых мембран линейно возрастает с увеличением перепада давления между входной и выходной поверхностями. Это позволяет регулировать расход рабочего тела в широком диапазоне значений. The distinctive essence of the invention lies in the fact that it uses a baffle installed in the transport channel of the working fluid in the area from the storage ring to the plasma formation region, in which the baffle is made in the form of a gas permeable microporous membrane (EGMM). Known EGMM, manufactured by special technologies in the form of dielectric, metal and cermet plates [M. Mulder, Introduction to Membrane Technology, M .: Mir, 1999, 513 pp., A. Svitsov, Introduction to Membrane Technologies, M .: DeLi Print, 2007, 280 pp., MT Brick, Membrane Encyclopedia in two volumes, “Kiev-Mogilev Academy” 2005 - 660 pages, as well as Russian patents 2644640, 2285748, 2501597, 2523464, 2060805, 2504429, 2474466, etc.]. Plates usually have surface sizes of the order of 1-10 cm or more, macroscopic thicknesses of 1-5 mm or more, the total pore area is from units to 50-80 percent, pores of various lengths and diameters from submkm to N = 10-100 microns. Such EGMMs have an abnormally high density of gas-passing micropores and, due to this, unique properties in interaction with gas and vapor flows, have high strength, stability of properties, electrical conductivity, chemical inertness, and long service life. The advantage of metal membranes is the uniformity of the structure and, as a consequence, the pore size. The gas permeability of capillary-porous membranes increases linearly with increasing pressure drop between the inlet and outlet surfaces. This allows you to adjust the flow rate of the working fluid in a wide range of values.
Заявляемое устройство содержит ЭГММ, сквозь которую в реакторную камеру направляется парогазовый поток рабочего тела, падающий на входную поверхность, обращенную к накопителю. Это позволяет производить контролируемый распределенный поток рабочего газа, выходящий из микропор мембраны на ее выходную поверхность, обращенную в реакторную камеру, и создавать на развитой выходной поверхности распределенную поверхностную заряженную (не нейтральную) плазму. Благодаря применению ЭГММ, достигается компромисс увеличения плазменной поверхности при сохранении типичного поперечного сечения парциального потока. За счет микроскопического размера поры проходящие через нее каждая нейтральная частица взаимодействует со стенками мембраны с вероятностью, близкой к единице. Наибольшее достижимое количество парциальных потоков на поверхности площадью 1-10 см2 достигается N=104-106, что значительно выше, чем в прототипе, и не получается применением иных известных конструкций. При таком высоком значении N плотность тока в парциальном потоке снижается, становятся возможны ионизация электрическим полем, усиленным на микронеоднородностях ЭГММ, в том числе диссоциативная, и ускорение образованных ионов непосредственно от поверхности. The inventive device contains an EGMM, through which the vapor-gas flow of the working fluid is directed into the reactor chamber, incident on the input surface facing the drive. This makes it possible to produce a controlled distributed flow of working gas emerging from the micropores of the membrane onto its outlet surface facing the reactor chamber, and to create a distributed surface charged (non-neutral) plasma on the developed outlet surface. Thanks to the use of EGMMs, a compromise is achieved on increasing the plasma surface while maintaining a typical partial flow cross section. Due to the microscopic size of the pores passing through it, each neutral particle interacts with the walls of the membrane with a probability close to unity. The largest achievable number of partial flows on a surface with an area of 1-10 cm 2 is achieved N = 10 4 -10 6 , which is significantly higher than in the prototype, and cannot be obtained using other known designs. With such a high value of N, the current density in the partial flow decreases, ionization by an electric field amplified by EHMM microinhomogeneities, including dissociative, and acceleration of the formed ions directly from the surface become possible.
Как вариант, устройство содержит генератор электромагнитной волны, воздействующей на мембрану. В ЭРД/ИД встроен генератор с излучателем высокочастотной (1-10 МГц и выше, в том числе в ультрафиолетовом диапазоне длин волн) электромагнитной волны (ЭМВ), при этом ЭМВ может воздействовать целенаправленно на ЭГММ, рабочее тело и на рабочие процессы в реакторной камере. В ЭРД/ИД ЭГММ позволяют пропускать требуемую часть парогазового потока, равномерно распределять эту часть потока по развитой выходной поверхности, отражать заданную его часть обратно в накопитель. Допускают подключение постоянных и переменных электрических токов. Alternatively, the device comprises an electromagnetic wave generator acting on the membrane. A generator with an emitter of a high-frequency (1-10 MHz and higher, including in the ultraviolet wavelength range) electromagnetic wave (EMW) is built into the electric propulsion generator / ID, while the EMW can target the EGMM, working fluid, and working processes in the reactor chamber . In ERE / ID EGMM allow you to pass the required part of the gas-vapor stream, to evenly distribute this part of the stream over the developed output surface, to reflect a given part of it back to the drive. Allow connection of constant and alternating electric currents.
Применение ЭГММ позволяет существенно улучшить характеристики ЭРД/ИД, и, в частности, обеспечивает: The use of EGMM can significantly improve the characteristics of the electric propulsion / ID, and, in particular, provides:
- снижение негативных эффектов объемного заряда;- reduction of the negative effects of space charge;
-увеличение площади поперечного сечения ионного факела без потери плотности тока;-increasing the cross-sectional area of the ion plume without loss of current density;
- повышение вероятности ионизации каждой частицы и зарядового коэффициента потока;- increasing the probability of ionization of each particle and the charge coefficient of the flow;
-повышенную интенсивность и разнообразие процессов фазового преобразования рабочих тел, в том числе снижение энергозатрат на ионизацию; -increased intensity and variety of processes of phase transformation of working fluids, including reduced energy costs for ionization;
- 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;
- исключает или снижает ионное распыление элементов конструкции;- eliminates or reduces ion sputtering of structural elements;
- использование на борту в качестве запасенного твердого рабочего тела не применявшиеся в аналогах газы, растворы, пар и другие вещества в различных структурных формах. - the use on board as a stored solid working fluid of gases, solutions, steam and other substances not used in the analogues in various structural forms.
Поставленная задача изобретения решена в вариантах конструкции и соответствующих способах эксплуатации ЭРД/ИД, охарактеризованных в п.п.1-7 Формулы. Ионно-плазменное электродвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата имеет накопитель с расходуемым рабочим телом в нем, реакторную камеру, соединенную каналом транспортировки рабочего тела с указанным накопителем, оснащенную электродами для ионизации, ускорения и нейтрализации частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля. Недостатки прототипа устранены в данном изобретении путем оптимизации процессов в канале транспортировки и в реакторной камере за счет введения ЭГММ, а также ее активирования с помощью ЭВ. The object of the invention is solved in the design options and the corresponding operation methods of the electric propulsion / ID described in items 1-7 of the Formula. The ion-plasma electromotive reactive device as part of the spacecraft has a drive with a consumable working fluid in it, a reactor chamber connected to the transport channel of the working fluid with the specified drive, equipped with electrodes for ionizing, accelerating and neutralizing particles of the specified working fluid through an electromagnetic field. The disadvantages of the prototype are eliminated in this invention by optimizing the processes in the transportation channel and in the reactor chamber due to the introduction of EGMM, as well as its activation using EV.
На Фиг.1. приведено схематическое изображение ЭРД/ИД с примером установки элементов конструкции: 1- накопитель рабочего тела; 2- канал транспортировки; 3- перегородка в виде электропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны; 4 – генератор электромагнитной волны с выходным трактом, подключенным к перегородке 3; 5- область поверхностной ионизации и плазмы; 6- область ускорения, содержащая электроды для создания электромагнитного поля; 7- камера выхода ионного потока из двигателя, содержащая электроды для создания электромагнитного поля и нейтрализации заряда выходящего потока. Штрих-пунктиром показана область реакторной камеры. In figure 1. A schematic representation of the electric propulsion / electronic device with an example of the installation of structural elements is given: 1- drive of the working fluid; 2- transportation channel; 3 - a partition in the form of an electrically conductive gas-permeable microporous membrane; 4 - electromagnetic wave generator with an output path connected to the
На Фиг.2. показана на примерах форма выходной поверхности мембраны. 8- дисковая; 9 – кольцевая; 10 – кольцевая комбинированная; 11- полосовая; 12- полосовая комбинированная.Figure 2. shown in the examples is the shape of the outlet surface of the membrane. 8-disk; 9 - ring; 10 - ring combined; 11-way; 12-way combined.
Согласно п.1 Формулы, задача решается следующим образом: в указанном канале транспортировки в области в основном между указанным накопителем 1 (Фиг.1) и указанной реакторной камерой имеется встроенная перегородка 3 (Фиг.1), толщина которой h в направлении вдоль указанного канала много меньше поперечного размера H указанного канала, h<<H, выполненная в виде электропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны, в основном перекрывающей указанный канал 2 (Фиг.1), причем суммарная площадь поперечного сечения s микропор значительно меньше поперечной площади S указанного канала, s<<S. According to
Путем энергетического воздействия на рабочее тело в накопителе, формируется в канале транспортировки поток атомных, молекулярных, кластерных, малых и микрочастиц рабочего тела, причем размер данных частиц много меньше размера пор указанной мембраны. В отличие от известных аналогов и прототипа, в которых осуществляют электромагнитное преобразование частиц рабочего тела в объемную плазму, а затем экстрагируют ионы из плазмы через перегородку с отверстиями, в предлагаемом устройстве с помощью мембраны 3 (Фиг.1) в канале транспортировки на участке до образования плазмы при прохождении через поры мембраны осуществляются разделение потока частиц нейтрального рабочего вещества на парциальные парогазовые струи, формирование и фокусировка струйных потоков частиц, катализ физико-химических реакций, ионизация и ускорение частиц рабочего тела в области 5 (Фиг.1), в том числе ионизация электрическим полем, усиленным на микронеоднородностях мембраны, диссоциативная ионизация путем фрагментации молекул, десорбция со стенок, снижение потерь, происходящих из-за адсорбции и рекомбинации на стенках. Становится возможным создавать в реакторной камере в газовой фазе наиболее выгодную композицию различных рабочих тел. При минимальной заданной плотности ионного тока и плотности тяги площадь факела можно существенно увеличивать, и пропорционально увеличивать полную тягу. Кроме того, при увеличении площади факела (Фиг.2, от простой дисковой формы мембраны 8 переход к увеличенным по площади кольцевой 9 и полосовой 10) возможно дополнительное увеличение ускоряющего напряжения без возрастания частоты пробоев в ускоряющем зазоре. Размер поры ЭГММ в среднем значительно больше, на один-два порядка и выше, наибольшего размера частиц рабочего тела в канале транспортировки. Использование ЭГММ позволяет регулировать расход рабочего тела в широком диапазоне значений не менее трех порядков от предельно малых до наибольших, 
Согласно п.2 Формулы, указанная электропроводящая газопроницаемая микропористая мембрана подключена в виде согласованной нагрузки в выходной тракт генератора (4, Фиг.1) электромагнитной волны. Выходной тракт генератора 4 оканчивается трансформатором типа волны, в котором вторичным элементом является мембрана 3 (Фиг.1). According to
Согласно п.3 Формулы, указанная электропроводящая газопроницаемая микропористая мембрана 3 (Фиг.1) подключена более чем к одному генератору 4 (Фиг.1) электромагнитной волны. За счет этого можно осуществлять в одном двигателе различные режимы передачи и ионизации рабочего тела или разных рабочих тел.According to
Согласно п.4 Формулы, имеется более, чем один указанный канал транспортировки 2 (Фиг.1) рабочего тела в указанную реакторную камеру, каждый из которых содержит перегородку 3 (Фиг.1) в виде указанной электропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны. Становится возможным использовать одно рабочее тело из накопителя 1 (Фиг.1) по определенной программе во времени, или варьировать подачу разных рабочих тел из разных накопителей на поверхность единой мембраны 3 (Фиг.1), или разных мембран. According to
Согласно п.5 Формулы, указанная электропроводящая газопроницаемая микропористая мембрана изготовлена из указанного расходуемого рабочего тела.According to claim 5 of the Formula, said electrically conductive gas-permeable microporous membrane is made of said sacrificial working fluid.
Дополнительный ресурс тяги получается особенно ценным в том случае, когда рабочее тело изготовлено из природных материалов космических тел, доступных в космических экспедициях. При использовании твердого рабочего тела для изготовления мембраны доступны технологии, в которых материалы на начальном этапе подвергаются ионному распылению или термическому испарению с последующей конденсацией полученного пара. Подобные технологии с конденсацией не исключаются и для рабочих тел, используемых в двигателе в виде жидкостей или газов. Исходные материалы для приготовления рабочего тела и мембраны могут быть представлены также композитами, например, в виде соединенных (спрессованных, спеченных и т.п.) различных природных или синтезированных веществ. An additional thrust resource is especially valuable in the case when the working fluid is made of natural materials of space bodies available in space expeditions. When using a solid working fluid for the manufacture of the membrane, technologies are available in which the materials are initially subjected to ion sputtering or thermal evaporation followed by condensation of the resulting vapor. Similar technologies with condensation are not excluded for working fluids used in the engine in the form of liquids or gases. The starting materials for the preparation of the working fluid and the membrane can also be represented by composites, for example, in the form of combined (compressed, sintered, etc.) various natural or synthesized substances.
Согласно п.6, Формулы, электропроводящая газопроницаемая микропористая мембрана имеет со стороны реакторной камеры поверхностное покрытие, изготовленное в виде неэлектропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны, что позволит повысить коэффициент ионизации в потоке прошедших частиц рабочего тела. According to claim 6, of the Formula, the electrically conductive gas-permeable microporous membrane has a surface coating on the side of the reactor chamber made in the form of a non-electrically conductive gas-permeable microporous membrane, which will increase the ionization coefficient in the flow of transmitted particles of the working fluid.
Согласно п.7 Формулы, указанная газопроницаемая микропористая мембрана изготовлена из диэлектрического материала, что позволяет усилить ионизацию, обеспечивая нейтрализацию факела за счет попеременной экстракции катионов и анионов. According to
Работу предлагаемого устройства рассмотрим на конкретных примерах реализации конструкции и рабочих режимов. The work of the proposed device will consider specific examples of the implementation of the design and operating modes.
При переводе в рабочее состояние осуществляют энергетическое воздействие, например, нагрев, на рабочее тело в накопителе, формируют в канале транспортировки поток нейтральных атомных, молекулярных, кластерных, малых или микрочастиц рабочего тела.When transferred to a working state, an energetic effect is carried out, for example, heating, on the working fluid in the drive, a stream of neutral atomic, molecular, cluster, small or microparticles of the working fluid is formed in the transport channel.
Устройство по п.1 Формулы работает как двухэтапный ионно-плазменный двигатель. На первом этапе поток нейтральных частиц рабочего тела из накопителя 1 (Фиг.1) в канале транспортировки 2 падает на входную поверхность мембраны 3 и частично от нее отражается. Часть нейтральных частиц попадает в микропоры и передается по ним к выходной поверхности. При использовании атомарного (азот, ксенон, криптон и т.п.) или молекулярного газа (метан, этан, другие углеводороды), находящегося в сжатом виде в накопителе, в микропорах ЭГММ и в распределенном виде на выходной поверхности повышается концентрация частиц заданного химического типа. На выходной поверхности частицы попадают на краях пор в сильное электрическое поле, приложенное для ионизации и ускорения ионов. Ионизация происходит по нескольким сценариям: а) под действием автоэлектронов, в том числе горячих электронов, на границе микронеоднородностей выходной поверхности мембраны; б) поверхностная в соответствии с формулами Саха-Ленгмюра за счет электронных обменов; в) диссоциативная ионизация по схеме 
Устройство по п.2 Формулы работает как форсированный ионно-плазменный двигатель. Например, на выходе генератора 4 установлен трансформатор типа волны в виде кольцевого индуктора, внутри которого установлена мембрана, связанная с первичной цепью взаимной индуктивностью. При включении генератора 4 электромагнитная волна действует на поверхность ЭГММ, генерирует скин-ток и горячие электроны в зоне проводимости, воздействующие изнутри на указанную поверхность. Это воздействие интенсифицирует возрастание поверхностной температуры электронов и атомной решетки мембраны, поверхностную ионизацию с образованием положительных (или отрицательных) ионов, диссоциативную ионизацию молекул. The device according to
Устройство по п.3 Формулы работает как форсированный ионно-плазменный двигатель, в котором более, чем один генератор 4 подключен к одной мембране, осуществляются переключение режимов работы, управление суперпозицией скин-токов во времени и в пространстве, тем самым повышается эффективность плазмообразования, особенно при использовании в одном устройстве разных рабочих тел. Например, рабочие тела представлены молекулярными газами, паром жидкостей или твердого тела. Когда на выходной поверхности мембраны возбуждается высокочастотный скин-ток, генерирующий горячие электроны в зоне проводимости мембраны, происходят быстрый рост температуры в пленке молекул конденсированного пара на поверхности электрода, интенсивное испарение, быстрая десорбция и ионизация. Например, при использовании рабочего тела в виде атомарных или молекулярных газов, жидкости, например, спиртов, кетонов, эфиров и т.п. веществ, 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. При подаче газа или пара, фрагментирующего на катионы и анионы, ускорение одновременно с нейтрализацией обеспечивается подачей переменных напряжений ускорения. В общем канале ускорения на выходе из реакторной камеры катионы и анионы чередуются во времени и обеспечивают непрерывную тягу, а суммарный средний заряд факела, состоящего из последовательности пакетов катионов и анионов, равен нулю.The device according to
В соответствии с п.4 Формулы в конструкции имеется более чем один канал транспортировки рабочего тела, подключенный к одному или к более, чем одному накопителю рабочего тела. Соответственно, имеются более, чем одна мембрана, или разные участки одной ЭГММ, находящиеся в разных условиях генерации плазм. В частности, комбинированные конструкции типа показанных на Фиг.2 (10,12) допускают одновременную генерацию ионных потоков разного знака, увеличивающую суммарную тягу при одновременной нейтрализации факела. Например, генерацию катионов на внутренней мембране и анионов на периферийной приведет к уменьшению углового раскрыва диаграммы направленности факела. Кроме того, выигрыш в увеличении тяги и сужении диаграммы направленности сопровождается значительным снижением массы и повышением надежности двигателя за счет исключения системы электронной нейтрализации. In accordance with
Согласно п.5 Формулы, мембрана может быть изготовлена из композитных материалов, которые могут обеспечивать добавки в рабочее тело или полностью его создавать в процессах ионного распыления или термического испарения. According to paragraph 5 of the Formula, the membrane can be made of composite materials that can provide additives to the working fluid or completely create it in the processes of ion sputtering or thermal evaporation.
Согласно п.6 Формулы, электропроводящая газопроницаемая микропористая мембрана имеет со стороны реакторной камеры поверхностное покрытие, изготовленное в виде неэлектропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны. При воздействии электромагнитным полем на поверхность неэлектропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны, на данной поверхности возникает поверхностный разряд, который производит ионизацию частиц рабочего тела, поступающих сквозь поры обеих мембран в рабочую камеру. According to claim 6, the electrically conductive gas-permeable microporous membrane has a surface coating on the side of the reactor chamber made in the form of a non-conductive gas-permeable microporous membrane. When an electromagnetic field acts on the surface of a non-conductive gas-permeable microporous membrane, a surface discharge occurs on this surface, which ionizes the particles of the working fluid passing through the pores of both membranes into the working chamber.
Согласно п.7 Формулы, указанная газопроницаемая микропористая мембрана изготовлена из диэлектрического материала. При воздействии электромагнитным полем на поверхность диэлектрической газопроницаемой микропористой мембраны, на данной поверхности возникает поверхностный разряд, который производит двухполярную ионизацию частиц рабочего тела, поступающих сквозь поры мембраны в рабочую камеру. Приложение переменного по знаку ускоряющего напряжения создает периодическую экстракцию попеременно катионов и анионов, при которой создается постоянный импульс тяги, факел частиц в среднем нейтральный, а средний потенциал мембраны равен нулю. According to
Суммарный положительный эффект от применения вариантов конструкции и способов эксплуатации согласно предлагаемому изобретению заключается в исключении дорогих дефицитных инертных газов, применение которых не позволяет расширить перспективы космических программ; увеличении ресурса, повышении надежности, стабильности и эффективности тяговых характеристик, эффективности использования рабочего вещества и собственно двигателя. Преодолеваются общие недостатки ЭРД/ИД: низкая воспроизводимость импульсов тяги, малая надежность включения после паузы, недостаточная достижимая длительность импульса, ограниченный ресурс работоспособности.The total positive effect of the use of design options and operating methods according to the invention consists in the exclusion of expensive scarce inert gases, the use of which does not allow to expand the prospects of space programs; increase the resource, increase the reliability, stability and efficiency of traction characteristics, the efficiency of use of the working substance and the engine itself. The general shortcomings of the electric propulsion / ID are overcome: low reproducibility of traction pulses, low reliability of switching on after a pause, insufficient achievable pulse duration, limited service life.
Claims (7)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018142412A RU2709231C1 (en) | 2018-12-01 | 2018-12-01 | Membrane spacecraft ion-plasma rocket engine |
| PCT/RU2019/000869 WO2020111978A2 (en) | 2018-12-01 | 2019-11-29 | Diaphragm ion-plasma rocket engine for a spacecraft |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018142412A RU2709231C1 (en) | 2018-12-01 | 2018-12-01 | Membrane spacecraft ion-plasma rocket engine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2709231C1 true RU2709231C1 (en) | 2019-12-17 |
Family
ID=69006911
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018142412A RU2709231C1 (en) | 2018-12-01 | 2018-12-01 | Membrane spacecraft ion-plasma rocket engine |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2709231C1 (en) |
| WO (1) | WO2020111978A2 (en) |
Families Citing this family (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 (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2243408C2 (en) * | 1998-08-06 | 2004-12-27 | Даймлеркрайслер Эйроспейс Аг | Electrostatic engine |
| US8864935B2 (en) * | 2006-12-27 | 2014-10-21 | Novellus Systems, Inc. | Plasma generator apparatus |
| RU2543103C2 (en) * | 2013-06-24 | 2015-02-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Ion engine |
-
2018
- 2018-12-01 RU RU2018142412A patent/RU2709231C1/en active
-
2019
- 2019-11-29 WO PCT/RU2019/000869 patent/WO2020111978A2/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2243408C2 (en) * | 1998-08-06 | 2004-12-27 | Даймлеркрайслер Эйроспейс Аг | Electrostatic engine |
| US8864935B2 (en) * | 2006-12-27 | 2014-10-21 | Novellus Systems, Inc. | Plasma generator apparatus |
| RU2543103C2 (en) * | 2013-06-24 | 2015-02-27 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Ion engine |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Feam D.G., The use of ion thruster for orbit raising // J. Brit. Interplan. Soc. V.33, 1980-PP 129-137. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2020111978A2 (en) | 2020-06-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Mazouffre et al. | Development and experimental characterization of a wall-less Hall thruster | |
| Ahedo | Plasmas for space propulsion | |
| US3279176A (en) | Ion rocket engine | |
| Rafalskyi et al. | Brief review on plasma propulsion with neutralizer-free systems | |
| EP1640608B1 (en) | Spacecraft thruster | |
| Polk et al. | A theoretical analysis of vacuum arc thruster and vacuum arc ion thruster performance | |
| KR102635775B1 (en) | Grid ion thruster with integrated solid propellant | |
| Aanesland et al. | Electric propulsion using ion-ion plasmas | |
| 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-IonThruster | |
| WO2011088335A1 (en) | Electric propulsion apparatus | |
| Jarrige et al. | Characterization of a coaxial ECR plasma thruster | |
| US4559477A (en) | Three chamber negative ion source | |
| US20130327015A1 (en) | Dual use hydrazine propulsion thruster system | |
| Jarrige et al. | Performance comparison of an ECR plasma thruster using argon and xenon as propellant gas | |
| US11781536B2 (en) | Ignition process for narrow channel hall thruster | |
| CN112160884A (en) | Integrated radio frequency ion propulsion device | |
| Conde et al. | Supersonic plasma beams with controlled speed generated by the alternative low power hybrid ion engine (ALPHIE) for space propulsion | |
| RU2709231C1 (en) | Membrane spacecraft ion-plasma rocket engine | |
| US4466242A (en) | Ring-cusp ion thruster with shell anode | |
| JP4409846B2 (en) | High frequency electron source | |
| RU2635951C1 (en) | Method for creating electric propulsion thrust | |
| US8635850B1 (en) | Ion electric propulsion unit | |
| JP6529059B1 (en) | Electron beam irradiation system | |
| RU2682962C1 (en) | Ionic rocket engine of spacecraft |