RU2757304C2

RU2757304C2 - Pulsed plasma coaxial rocket engine on a liquid working body

Info

Publication number: RU2757304C2
Application number: RU2019137141A
Authority: RU
Inventors: Леонид Юрьевич Яшнов; Леонид Алексеевич Потабачный
Original assignee: Акционерное общество "НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ" (АО "НИИМаш")
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2019-11-19
Publication date: 2021-10-13
Also published as: RU2019137141A3; RU2019137141A

Abstract

FIELD: rocket science.

SUBSTANCE: invention relates to plasma rocket engines with a liquid working body. The engine consists of a coaxial discharge chamber with an external cylindrical anode, a head with a central cathode connected to a pulse voltage source, a storage and supply system for a liquid working body with a valve and a wick. According to the invention, the engine has a head made in the form of a profiled disk made of ferroelectric, in a central through hole of which, on the side of the supply of the working body, a shut-off valve is installed, and in a larger diameter hole, on the side of the discharge chamber, a wick made of porous ceramics is installed, partially recessed in the central lining of a discharge capacitor, which is an internal fixed cathode. On the end part of a guide sleeve, on the side of the discharge chamber, a seat of a supply valve of the working body is made, and in an annular groove in the center of the outer surface of the ferroelectric head, the second, outer lining of the discharge capacitor is made.

EFFECT: when implementing the invention, increased reliability and a longer service life are achieved due to the absence of high thermal loads from arc discharges, a decrease in the amplitude of discharge currents from thousands of amperes to tens of amperes.

1 cl, 1 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к области электроракетных двигателей, более конкретно к импульсным плазменным электроракетным двигателям.The claimed invention relates to the field of electric propulsion, more specifically to pulse plasma electric propulsion.

Известна схема импульсного плазменного двигателя (ИПД), работающего на жидком рабочем теле (Advanced Plasma (Propulsion) Concepts at IRS, G. Herdrich, U. Bauder, A. Boxberger, R. A. Gabrielli, M. Lau, D. Petkow, M. Pfeiffer, C. Syring, S. Fasoulas, ADVANCES IN APPLIED PLASMA SCIENCE, Vol. 8, 2011, ISAPS'11, Hakone, стр. 2, фиг. 5), в которой имеется бак для хранения жидкого рабочего тела, линия импульсной подачи ЖРТ с отсечным клапаном, элемент подачи ЖРТ в разрядную камеру, представляющий собой фитиль или пористый керамический элемент и саму разрядную камеру с катодом и анодом, соединенными с высоковольтным источником питания и разрядным конденсатором через блок управления.Known scheme of a pulsed plasma engine (SPD) operating on a liquid working fluid (Advanced Plasma (Propulsion) Concepts at IRS, G. Herdrich, U. Bauder, A. Boxberger, RA Gabrielli, M. Lau, D. Petkow, M. Pfeiffer , C. Syring, S. Fasoulas, ADVANCES IN APPLIED PLASMA SCIENCE, Vol. 8, 2011, ISAPS'11, Hakone, p. 2, fig. 5), in which there is a tank for storing a liquid working medium, a pulse supply line for liquid iron with a shut-off valve, an element for supplying liquid fuel to the discharge chamber, which is a wick or a porous ceramic element and the discharge chamber itself with a cathode and anode connected to a high-voltage power source and a discharge capacitor through a control unit.

Кроме того, известен ИПД, работающий на воде с разрядными электродами, где первоначальная ионизация воды с капиллярной поверхности испарителя производится отдельным электродом игнайтером. Образовавшаяся порция ионизированного пара радиально впрыскивается в основную камеру ИПД и инициирует основной дуговой разряд между разрядными электродами. Собственное магнитное поле основного разрядного тока разгоняет образовавшуюся плазму, создавая эффективную реактивную тягу (INVESTIGATION OF THRUST MECHANISMS IN A WATER FED PULSED PLASMA THRUSTER DISSERTATION, Carsten A. Scharlemann The Ohio State University, 2003, стр. 47, 49, фиг. 5.4., 5.5.). Существенным недостатком таких двигателей является то, что в них используется дуговой разряд, где импульсные токи достигают тысячи Ампер, а накопительные электрические конденсаторы составляют существенную массу и объем от всей двигательной установки. Для обеспечения общего теплового режима и допустимых зарядных токов для накопительных конденсаторов частота генерируемых разрядов таких ИПД не превышает единиц Герц.In addition, there is a known SPD operating on water with discharge electrodes, where the initial ionization of water from the capillary surface of the evaporator is performed by a separate igniter electrode. The formed portion of ionized vapor is radially injected into the main SPD chamber and initiates the main arc discharge between the discharge electrodes. The intrinsic magnetic field of the main discharge current accelerates the resulting plasma, creating an effective reactive thrust (INVESTIGATION OF THRUST MECHANISMS IN A WATER FED PULSED PLASMA THRUSTER DISSERTATION, Carsten A. Scharlemann The Ohio State University, 2003, pp. 47, 49, Fig. 5.4., 5.5.). A significant disadvantage of such motors is that they use an arc discharge, where pulse currents reach thousands of Amperes, and storage electric capacitors make up a significant mass and volume of the entire propulsion system. To ensure the general thermal regime and permissible charging currents for storage capacitors, the frequency of the generated discharges of such SPD does not exceed units of Hertz.

Предлагаемый импульсный плазменный коаксиальный ракетный двигатель, работающий на жидком рабочем теле, состоит из коаксиальной разрядной камеры с внешним цилиндрическим анодом, головки с центральным катодом, подключенных к источнику импульсного напряжения, системы хранения и подачи жидкого рабочего тела с клапаном и фитилем. Согласно изобретению головка двигателя выполнена в виде профилированного диска из сегнетодиэлектрика в центральном сквозном отверстии которой, со стороны подачи рабочего тела, установлен запорный клапан, а со стороны разрядной камеры, в отверстии большего диметра, расположена испарительная камера, из центра которой выходит стержень центрального катода, являющийся штоком привода клапана, в испарительной камере установлен фитиль из пористой керамики, частично утопленный в центральной цилиндрической обкладке разрядного конденсатора, являющейся внутренним неподвижным катодом. На торцовой части направляющей втулки штока, со стороны разрядной камеры, выполнено седло клапана подачи рабочего тела, а в кольцевой канавке по центру внешней поверхности сегнетодиэлектрической головки выполнена вторая, наружная, обкладка разрядного конденсатора.The proposed pulsed plasma coaxial rocket engine operating on a liquid working medium consists of a coaxial discharge chamber with an external cylindrical anode, a head with a central cathode connected to a pulse voltage source, a storage and supply system for a liquid working medium with a valve and a wick. According to the invention, the engine head is made in the form of a profiled disc made of ferroelectric dielectric in the central through hole of which, on the side of the working fluid supply, a shut-off valve is installed, and on the side of the discharge chamber, in the hole of a larger diameter, there is an evaporation chamber, from the center of which the central cathode rod comes out, which is the valve drive rod, a porous ceramic wick is installed in the evaporation chamber, partially recessed in the central cylindrical plate of the discharge capacitor, which is an internal fixed cathode. On the end part of the rod guide sleeve, on the side of the discharge chamber, a valve seat for the working fluid supply is made, and in the annular groove along the center of the outer surface of the ferroelectric head, a second, outer plate of the discharge capacitor is made.

Функциональная схема предлагаемого двигателя приведена на рисунке.The functional diagram of the proposed engine is shown in the figure.

Двигатель состоит из сегнетодиэлектрической головки 1, внешнего цилиндрического анода 2, наружной обкладки разрядного конденсатора 3, корпуса двигателя 4. В корпусе размещена катушка электромагнитного привода 5, якорь привода 6, эластичная разделительная мембрана 7. Якорь 6 закреплен на штоке привода клапана 8, являющемся центральным катодом, на котором установлена тарелка газовой заслонки 9. Фитиль 10 установлен во внутреннем катоде (внутренней обкладке разрядного конденсатора) 11. Герметичность клапанной пары обеспечивает запорное кольцо 12, контактирующее в закрытом положении с торцевым участком направляющей шлицевой втулки 13. Запорная пружина 14 обеспечивает необходимое усилие прижатия запорного кольца 12 к седлу на торцевом участке втулки 13. Высоковольтный блок 15 обеспечивает подачу импульсного напряжения на разрядный промежуток между катодом 11 и анодом 2.The engine consists of a ferroelectric head 1, an external cylindrical anode 2, an external plate of a discharge capacitor 3, a motor housing 4. The housing contains a coil of an electromagnetic drive 5, an armature of a drive 6, an elastic separating diaphragm 7. Anchor 6 is fixed on the valve drive rod 8, which is central cathode, on which the plate of the gas damper is installed 9. The wick 10 is installed in the inner cathode (the inner lining of the discharge capacitor) 11. The tightness of the valve pair is provided by the locking ring 12, which contacts in the closed position with the end section of the guide spline sleeve 13. The locking spring 14 provides the required force pressing the locking ring 12 to the saddle at the end section of the sleeve 13. The high-voltage unit 15 provides a pulse voltage supply to the discharge gap between the cathode 11 and the anode 2.

Буквами обозначены разрядная камера А, испарительная камера В и расходная камера С.The letters designate discharge chamber A, evaporation chamber B, and flow chamber C.

Для сообщения расходной камеры С с испарительной камерой В предусмотрены отверстия 16 в якоре 6, шлицы 17 во втулке 13 и отверстия 18 в донышке внутреннего катода 11.To communicate the flow chamber C with the evaporation chamber B, holes 16 are provided in the armature 6, slots 17 in the sleeve 13 and holes 18 in the bottom of the inner cathode 11.

В начале запуска на двигатель подается управляющее напряжение включения жидкостного запорного клапана. Электромагнитный привод с катушкой 5 притягивает якорь 6, преодолевая усилие пружины 14 и перемещая шток 8, открывает запорную пару 12, 13 отсечного клапана. Под действием избыточного давления газа через эластичную мембрану 7 жидкость из расходной камеры С поступает через отверстия 16 в якоре 6, шлицы 17 втулки 13, открытую запорную пару клапана и отверстия 18 в донышке внутреннего катода 11 на фитиль 10 и затем в испарительную камеру В. Одновременно с этим тарелка 9 газовой заслонки, на центральном катоде - штоке привода клапана 8, отходит от торцевой поверхности головки 1 и испарительная камера В соединяется с основной разрядной камерой А. После этого по командам управляющих импульсов длительностью от 0,5 до 2 мс в высоковольтном блоке формируются импульсы однополярного напряжения с амплитудой более 10 кВ, которые поступают в разрядную цепь двигателя, параллельно на обкладки разрядного конденсатора 3,11 (через катод 8) и разрядные электроды анод 2 и катод 11, возникающий периодический электрический разряд в испарительной камере, с торца внутреннего катода 11, нагревает и ионизирует пары воды у поверхности фитиля 10, которые выбрасываются из испарительной камеры В через зазор между газовой заслонкой 9 и головкой 1 в основную разрядную камеру А, где под действием основного разряда из паров воды образуется окончательная масса плазмы, а собственное магнитное поле радиальных токов между внешним анодом 2 и центральным катодом 8 вместе с термодинамическими силами ускоряет образовавшуюся плазму в аксиальном направлении, создавая реактивную тягу двигателя.At the start of starting, the engine is supplied with a control voltage to turn on the liquid shutoff valve. An electromagnetic drive with a coil 5 attracts the armature 6, overcoming the force of the spring 14 and moving the stem 8, opens the shut-off pair 12, 13 of the shut-off valve. Under the action of excess gas pressure through the elastic membrane 7, the liquid from the flow chamber C flows through the holes 16 in the armature 6, the slots 17 of the sleeve 13, the open shut-off pair of the valve and holes 18 in the bottom of the inner cathode 11 to the wick 10 and then into the evaporation chamber B. At the same time with this, the plate 9 of the gas damper, on the central cathode - the valve drive rod 8, departs from the end surface of the head 1 and the evaporation chamber B is connected to the main discharge chamber A. After that, according to the commands of control pulses with a duration of 0.5 to 2 ms in the high-voltage unit pulses of unipolar voltage with an amplitude of more than 10 kV are formed, which are fed into the discharge circuit of the motor, in parallel to the plates of the discharge capacitor 3,11 (through cathode 8) and discharge electrodes anode 2 and cathode 11, a periodic electric discharge arising in the evaporation chamber, from the end of the internal cathode 11, heats and ionizes water vapor at the surface of the wick 10, which are emitted from the evaporation chamber B through the gap between the gas damper 9 and the head 1 into the main discharge chamber A, where the final mass of the plasma is formed under the action of the main discharge from water vapor, and the intrinsic magnetic field of radial currents between the external anode 2 and the central cathode 8 together with thermodynamic forces accelerates the resulting plasma in the axial direction, creating a jet thrust of the engine.

Основной режим работы на жидком рабочем теле предлагаемого импульсного плазменного двигателя реализуется на частотах разрядов от десятков до сотен Герц, сериями от двадцати и более импульсов.The main mode of operation on a liquid working medium of the proposed pulsed plasma engine is realized at discharge frequencies from tens to hundreds of Hertz, in series of twenty or more pulses.

В предлагаемом импульсном плазменном двигателе при эксплуатации возможна реализация «сухого режима», когда генерирующие тяговый импульс разряды происходят без включения жидкостного клапана. Рабочим телом в этом случае становятся только материалы самой сегнетодиэлектрической головки - титанат бария и металлы разрядных электродов. На таком режиме двигателя будет получена абсолютно высокая готовность в создании тяговых импульсов, однако при этом средняя тяга будет меньше примерно в 10 раз, чем тяга на режиме с жидким рабочим телом.In the proposed pulsed plasma engine during operation, it is possible to implement a "dry mode", when the discharges generating a thrust impulse occur without turning on the liquid valve. In this case, only the materials of the ferroelectric head itself - barium titanate and the metals of the discharge electrodes - become the working fluid. In this engine mode, an absolutely high readiness for generating thrust impulses will be obtained, however, the average thrust will be approximately 10 times less than the thrust in the regime with a liquid working fluid.

В высоковольтном блоке в качестве высоковольтного преобразователя и первичного накопителя электрической энергии используются катушки по схеме и с характеристиками близкими к искровым катушкам, применяемым в двигателях внутреннего сгорания.In the high-voltage unit, coils are used as a high-voltage converter and primary storage of electrical energy according to the scheme and with characteristics close to the spark coils used in internal combustion engines.

Возможна реализация данного импульсного плазменного двигателя в широком диапазоне массогабаритных параметров, для микро и нано космических аппаратов различного назначения.It is possible to implement this pulsed plasma engine in a wide range of weight and size parameters for micro and nano spacecraft for various purposes.

Преимущества по сравнению с существующими аналогами:Advantages over existing analogues:

- Меньшие массогабаритные параметры двигательной установки за счет отсутствия отдельных накопительных конденсаторов большой емкости.- Smaller weight and size parameters of the propulsion system due to the absence of separate high-capacity storage capacitors.

- Простота схемной и конструкторской реализации, меньшая стоимость изготовления.- Simplicity of circuit and design implementation, lower manufacturing cost.

- Повышенная надежность и больший ресурс за счет отсутствия высоких тепловых нагрузок от дуговых разрядов, снижение амплитуды разрядных токов с тысяч Ампер до десятков Ампер.- Increased reliability and longer service life due to the absence of high thermal loads from arc discharges, reducing the amplitude of discharge currents from thousands of Amperes to tens of Amperes.

- Простота реализации двухрежимной работы, как на жидком, так и на твердом рабочем теле.- Ease of implementation of dual-mode operation, both on a liquid and on a solid working medium.

Claims

A pulsed plasma coaxial rocket engine operating on a liquid working medium, consisting of a coaxial discharge chamber with an external cylindrical anode, a head with a central cathode connected to a pulse voltage source, a storage and supply system for a liquid working medium with a valve and a wick, characterized in that the head the engine is made in the form of a profiled disk made of ferroelectric material in the central through hole of which, on the side of the working fluid supply, a shut-off valve is installed, and on the side of the discharge chamber, in the hole of a larger diameter, there is an evaporation chamber, from the center of which the central cathode rod emerges, which is the drive rod valve, a porous ceramic wick is installed in the evaporation chamber, partially recessed in the central cylindrical plate of the discharge capacitor, which is an internal stationary cathode, on the end part of the stem guide sleeve, on the side of the discharge chamber, a feed valve seat is made and the working fluid, and in the annular groove in the center of the outer surface of the ferroelectric head, the second, outer, plate of the discharge capacitor is made.