RU2764496C1 - Magnetoplasma electric jet engine - Google Patents
Magnetoplasma electric jet engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2764496C1 RU2764496C1 RU2021111284A RU2021111284A RU2764496C1 RU 2764496 C1 RU2764496 C1 RU 2764496C1 RU 2021111284 A RU2021111284 A RU 2021111284A RU 2021111284 A RU2021111284 A RU 2021111284A RU 2764496 C1 RU2764496 C1 RU 2764496C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wire
- coils
- engine
- radio frequency
- axis
- 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 космической технике, точнее к электрореактивным двигателям, и может быть использовано в космических аппаратах.The invention relates to space technology, more specifically to electric jet engines, and can be used in spacecraft.
Известные плазменные электрореактивные двигатели, описанные в литературе (например, Двигательные установки космических летательных аппаратов, ч. 2, Электроракетные двигатели и двигательные установки на их основе, под ред. проф. В.В. Синявского, СПб., ВКА им. А.Ф. Можайского, 2015 г., с. 131) включают в себя рабочее тело, ионизатор и ускоритель заряженных частиц, как правило, с магнитной системой. В качестве рабочего тела в основном используются инертные газы - ксенон, криптон, аргон, а также легкоионизируемые щелочные металлы - цезий, литий, натрий.Known plasma electric propulsion engines described in the literature (for example, Propulsion systems for spacecraft,
Возможно также использование в качестве рабочих тел жидкостей или твердых тел, например, металлов, в том числе железа. Известен, например, плазменный двигатель на наночастицах металлов или металлоидов (патент RU 2534762 С1, МПК: F03H 1/00 (2006.01), опубл. 10.12.2014, бюл. №34).It is also possible to use liquids or solids, for example, metals, including iron, as working bodies. Known, for example, a plasma engine on nanoparticles of metals or metalloids (patent RU 2534762 C1, IPC:
Подача металлического рабочего тела в двигатель может быть организована с помощью разных устройств, в частности так, как в плазмотроне по полезной модели RU 190460 U1, МПК: Н05Н 1/24 (2006.01), опубл. 01.07.2019, бюл. №19. В нем предлагается устройство подачи плавящейся присадочной проволоки с катушки в камеру дугового разряда.The supply of a metal working fluid to the engine can be organized using different devices, in particular, as in the plasma torch according to the utility model RU 190460 U1, IPC:
Наиболее близким к предлагаемому двигателю является магнитоплазменный безэлектродный ракетный двигатель VASIMR (US 6334302 Bl, F02K 99/00 (2006.01); F03H 1/00 (2006.01); Н05 В 6/10 (2006.01); опубл. 01.01.2002), принятый за прототип.Closest to the proposed engine is a magnetoplasma electrodeless rocket engine VASIMR (US 6334302 Bl, F02K 99/00 (2006.01);
Двигатель содержит последовательно расположенные емкость для хранения газообразного или сжиженного рабочего тела - аргона, устройства для подачи рабочего тела, радиочастотный (РЧ) излучатель для ионизации рабочего тела и образования плазмы, второй РЧ излучатель, предназначенный для селективного нагрева ионной составляющей плазмы на частоте ионного циклотронного резонанса. Каждый РЧ излучатель соединен со своим РЧ генератором, который преобразует энергию постоянного тока в энергию РЧ колебаний. Кроме того, в состав двигателя входит магнитная система, состоящая из нескольких соосных кольцевых магнитов, формирующих аксиальное магнитное поле внутри двигателя и расширяющееся магнитное поле («магнитное сопло») на выходе из двигателя. Аксиальное магнитное поле служит для удержания плазмы вблизи оси двигателя и предотвращения ее контакта со стенками двигателя, а «магнитное сопло» служит для формирования осевой составляющей скорости заряженных частиц - ионов и электронов, и, таким образом, для создания тяги двигателя. Описанный магнитоплазменный двигатель часто называется также геликонный двигатель, поскольку ввод энергии в электронную составляющую плазмы и ионизация рабочего тела первым РЧ излучателем производится на одной из резонансных частот собственных колебаний замагниченной плазмы - геликонов.The engine contains a container for storing a gaseous or liquefied working fluid - argon, a device for supplying the working fluid, a radio frequency (RF) emitter for ionization of the working fluid and plasma formation, a second RF emitter designed for selective heating of the ion component of the plasma at the frequency of ion cyclotron resonance. . Each RF emitter is connected to its own RF generator, which converts DC energy into RF oscillation energy. In addition, the engine includes a magnetic system consisting of several coaxial ring magnets that form an axial magnetic field inside the engine and an expanding magnetic field (“magnetic nozzle”) at the exit of the engine. The axial magnetic field serves to keep the plasma near the axis of the engine and prevent its contact with the walls of the engine, and the "magnetic nozzle" serves to form the axial component of the velocity of charged particles - ions and electrons, and thus to create engine thrust. The described magnetoplasma engine is often also called a helicon engine, since the input of energy into the electronic component of the plasma and the ionization of the working fluid by the first RF emitter is carried out at one of the resonant frequencies of the natural oscillations of the magnetized plasma - helicons.
Имеются и другие конструкции с радиочастотным нагревом и магнитным соплом, например US 6293090 В1, опубл. 25.09.2001; WO 2013098505 А1, опубл. 04.07.2013, RU 2330181 С2, опубл 27.07.2008). В двигателе может использоваться один РЧ излучатель вместо двух для ввода энергии только в электронную составляющую плазмы. В этом случае ускорение ионов производится в образующемся при истечении электронов амбивалентном электрическом поле. Такой двигатель принято называть мини-геликонным.There are other designs with RF heating and a magnetic nozzle, for example US 6293090 B1, publ. 09/25/2001; WO 2013098505 A1, publ. July 4, 2013, RU 2330181 C2, published on July 27, 2008). The engine can use one RF emitter instead of two to inject energy only into the electronic component of the plasma. In this case, the ions are accelerated in the ambivalent electric field formed during the outflow of electrons. Such an engine is commonly called a mini-helicon.
Недостатком всех этих устройств является использование магнитной системы, масса которой составляет основную часть массы двигателя, и которая при этом не выполняет других функций, кроме создания магнитного поля.The disadvantage of all these devices is the use of a magnetic system, the mass of which makes up the bulk of the mass of the engine, and which does not perform other functions than creating a magnetic field.
Задача изобретения состоит в устранении указанного недостатка.The objective of the invention is to eliminate this disadvantage.
Техническим результатом изобретения является снижение массы двигателя за счет выполнения рабочим телом также функций магнитной системы.The technical result of the invention is to reduce the mass of the engine due to the performance of the working fluid also functions of the magnetic system.
Технический результат достигается тем, что в магнитоплазменном электрореактивном двигателе, содержащем хотя бы по одному кольцевому магниту и радиочастотной антенне, подключенной к генератору радиочастотного излучения, рабочее тело в виде проволоки и хотя бы одну катушку для ее хранения, а также направляющие элементы и устройство подачи проволоки, катушки с намотанной на них проволокой размещены на внешней поверхности корпуса на подшипниках и ось вращения катушек совмещена с осью двигателя, а проволока и катушки выполнены из ферромагнитных материалов, совместно намагничены перед применением в направлении, параллельном оси двигателя, и использованы в качестве постоянных кольцевых магнитов, при этом устройство подачи проволоки выполнено с возможностью совместной подачи проволоки со всех катушек с регулируемой скоростью в зависимости от мощности радиочастотного излучения.The technical result is achieved by the fact that in a magnetoplasma electric jet engine containing at least one ring magnet and a radio frequency antenna connected to a radio frequency radiation generator, the working fluid is in the form of a wire and at least one coil for storing it, as well as guide elements and a wire feeder , coils with wire wound on them are placed on the outer surface of the housing on bearings and the axis of rotation of the coils is aligned with the axis of the motor, and the wire and coils are made of ferromagnetic materials, jointly magnetized before use in a direction parallel to the motor axis, and used as permanent ring magnets wherein the wire feeder is configured to co-feed the wire from all spools at a controlled speed depending on the power of the radio frequency radiation.
Сущность изобретения поясняется конструктивной схемой.The essence of the invention is illustrated by a constructive diagram.
Двигатель включает в себя ферромагнитную проволоку 1, направляющие 2, одну или несколько катушек 3, вращающихся с помощью подшипников 4 вокруг корпуса 5, одну или несколько РЧ-антенн 6 и устройство подачи проволоки 7. Все элементы двигателя крепятся на корпусе 5, который может быть выполнен в виде обечайки или стержневой рамы из немагнитного материала. Катушки 3 с проволокой 1 устанавливаются на корпусе 5 с возможностью их замены после израсходования запаса проволоки. РЧ антенны 6 размещены внутри корпуса 5 соосно с ним (на схеме приведен вариант мини-геликонного двигателя с одной РЧ антенной) и соединены каждая со своим генератором РЧ излучения (на схеме не показаны). Направляющие 2 также крепятся на корпусе 5 так, чтобы обеспечить беспрепятственное сматывание проволоки 1 с катушек 3 и подачу ее в двигатель. Устройство подачи проволоки 7 в простейшем случае может представлять собой два ролика с электрическим приводом (на схеме не показан). На роликах выполнены канавки по количеству одновременно подаваемых проволок.The engine includes a
Двигатель работает следующим образом.The engine works as follows.
Перед запуском космического аппарата или перед новым циклом работы рабочее тело, которое представляет собой проволоку 1 из ферромагнитного материала, плотно наматывается на катушки 3, также выполненные из ферромагнитного материала. Полностью намотанные катушки подвергаются намагничиванию в направлении оси катушек, после чего они становятся постоянными магнитами. Затем катушки устанавливаются на корпус 5 двигателя на подшипниках 4 так, что оси вращения катушек совпадают с осью двигателя. Внешние концы проволок со всех катушек заправляются в двигатель через направляющие 2 и устройство подачи проволоки 7. Катушки 3 создают внутри двигателя продольное магнитное поле, а на концах корпуса 5 - расширяющееся магнитное поле. После включения электропитания устройство подачи проволоки 7 подает с заданной скоростью проволоку одновременно со всех катушек 3 через направляющие 2 внутрь первой (или единственной в ускоряющем тракте) РЧ антенны 6. Катушки 3 при этом вращаются вокруг корпуса 5 двигателя на подшипниках 4. Антенна 6 питается от генератора РЧ излучения (на схеме не показан). Скорость подачи проволок задается системой управления (на схеме не показана) двигателя или космического аппарата в зависимости от мощности РЧ излучения. При работе РЧ-антенны 6 происходит нагрев до температуры порядка (1300-1550)°С и плавление концов проволок 1 и образование на концах капель расплавленного металла, которые удерживаются силой поверхностного натяжения жидкого металла. С поверхности каждой капли происходит испарение материала и ионизация образовавшегося газа электронным ударом. Первая по ходу тракта РЧ-антенна работает на одной из геликонных плазменных частот (порядка 10-15 МГц) и предназначена в основном для ускорения электронной компоненты плазмы. Кроме этого, часть РЧ энергии расходуется на нагрев, плавление и испарение материала проволоки. В варианте мини-геликонного двигателя эта антенна единственная. В полном варианте геликонного двигателя за первой устанавливается вторая РЧ-антенна, работающая на частоте ионного циклотронного резонанса (порядка 5-10 МГц) и предназначенная для ускорения ионной компоненты плазмы. Под действием РЧ излучения заряженные частицы, вращающиеся вокруг силовых линий магнитного поля, увеличивают свою скорость и радиус вращения. Тяга двигателя возникает при прохождении ускоренных заряженных частиц через «магнитное сопло» (на схеме силовые линии не показаны), т.е. через область расходящихся силовых линий магнитного поля. В этой области сила Лоренца, действующая на частицы перпендикулярно силовым линиям, приобретает осевую составляющую, а частицы - осевую составляющую своей скорости.Before launching the spacecraft or before a new cycle of operation, the working fluid, which is a
В процессе работы двигателя происходит расход проволоки и индукция магнитного поля снижается, однако в составе двигательной установки могут быть и другие, немагнитные катушки с проволокой. В этом случае целесообразно сначала расходовать проволоку с немагнитных катушек, а затем с магнитных, при этом индукция будет достаточной почти до полного израсходования рабочего тела. Кроме того, корпуса катушек 3 также являются постоянными магнитами, и они не расходуются при работе. После полного израсходования проволоки катушки заменяются на новые. Для плотной намотки на катушку проволока может иметь квадратное сечение. Длина и диаметр катушек выбираются из условия обеспечения потребной конфигурации магнитного поля, однако желательно, чтобы длина проволоки на всех катушках была одинакова.During the operation of the engine, the wire is consumed and the magnetic field induction decreases, however, other, non-magnetic coils with wire can be included in the propulsion system. In this case, it is advisable to first use the wire from non-magnetic coils, and then from magnetic ones, while the induction will be sufficient almost until the working fluid is completely used up. In addition, the
В качестве ферромагнитного материала проволоки и катушки могут использоваться, например, магнитотвердая сталь (ГОСТ 24897-81), т.е. сплав железа и (1,2-1,5)% углерода, или сплав неодим-железо-бор Nd2Fe14B (ГОСТ Р 52956-2008). В последнем случае индукция магнитного поля на оси двигателя может достигать 0,5 Тл. Температуры плавления всех этих сплавов лежат в диапазоне (1300-1550)°С. Корпус двигателя, направляющие и устройство подачи проволоки могут быть изготовлены из немагнитной стали, например, 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72), РЧ антенна - из серебра (ГОСТ 6836-2002) или меди (ГОСТ 434-78). В качестве радиочастотной антенны используют полувитковый излучатель, а в качестве генератора радиочастотного излучения - магнетрон.For example, hard magnetic steel (GOST 24897-81) can be used as a ferromagnetic material for wires and coils; an alloy of iron and (1.2-1.5)% carbon, or an alloy of neodymium-iron-boron Nd 2 Fe 14 B (GOST R 52956-2008). In the latter case, the magnetic field induction on the motor axis can reach 0.5 T. The melting points of all these alloys lie in the range (1300-1550)°C. The motor housing, guides and wire feeder can be made of non-magnetic steel, for example, 12X18H10T (GOST 5632-72), RF antenna - from silver (GOST 6836-2002) or copper (GOST 434-78). A half-turn radiator is used as a radio frequency antenna, and a magnetron is used as a radio frequency radiation generator.
Оценки показывают, что при электрической полезной мощности двигателя 200 кВт в геликонном варианте (как в прототипе) скорость истечения плазмы составляет 35 км/с, тяга 7 Н, скорость подачи стальной проволоки сечением 1,5×1,5 мм составляет 11 мм/с, расход стали составляет 0,2 г/с, расход мощности на нагрев проволоки составляет 0,1%, на плавление 0,7%, на испарение 1%, на ионизацию 2% и на ускорение ионов 96% от полезной затраченной мощности. Для обеспечения потребной скорости испарения металла с поверхности расплавленных капель суммарная площадь поверхности капель металла на концах проволок должна быть равна 700 мм2. Если таких капель две, радиус каждой должен составлять 5,3 мм.Estimates show that with an electric useful power of the engine of 200 kW in the helicon version (as in the prototype), the plasma outflow speed is 35 km/s, the thrust is 7 N, the steel wire feed speed with a cross section of 1.5 × 1.5 mm is 11 mm/s , steel consumption is 0.2 g / s, power consumption for heating the wire is 0.1%, for melting 0.7%, for
Применение сплавов железа в качестве рабочего тела электрореактивных двигателей имеет два преимущества перед аргоном, применяемом в прототипе. Атомная масса железа (56 а.е.м) больше, чем у аргона (40 а.е.м.), а значит, тяга двигателя при работе на железе на 18% выше, чем при работе на аргоне при той же электрической мощности двигателя. Кроме того, железо является распространенным элементом в космосе, в том числе на Луне, и это позволяет рассматривать Луну в качестве сырьевой и промышленной базы космонавтики.The use of iron alloys as the working fluid of electric jet engines has two advantages over argon used in the prototype. The atomic mass of iron (56 a.m.u.) is greater than that of argon (40 a.m.u.), which means that the engine thrust when operating on iron is 18% higher than when operating on argon at the same electric power engine. In addition, iron is a common element in space, including on the Moon, and this allows us to consider the Moon as a raw material and industrial base for astronautics.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021111284A RU2764496C1 (en) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | Magnetoplasma electric jet engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021111284A RU2764496C1 (en) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | Magnetoplasma electric jet engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2764496C1 true RU2764496C1 (en) | 2022-01-17 |
Family
ID=80040535
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021111284A RU2764496C1 (en) | 2021-04-20 | 2021-04-20 | Magnetoplasma electric jet engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2764496C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2791084C1 (en) * | 2022-07-05 | 2023-03-02 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | 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 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1994002738A1 (en) * | 1992-07-15 | 1994-02-03 | Societe Europeenne De Propulsion | Fixed plasma motor |
US6334302B1 (en) * | 1999-06-28 | 2002-01-01 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Variable specific impulse magnetoplasma rocket engine |
RU2468543C1 (en) * | 2011-08-01 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Method for organisation of working process in chamber of laser rocket engine, and laser rocket engine |
RU2618636C2 (en) * | 2015-09-22 | 2017-05-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Electrical rocket engine |
-
2021
- 2021-04-20 RU RU2021111284A patent/RU2764496C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1994002738A1 (en) * | 1992-07-15 | 1994-02-03 | Societe Europeenne De Propulsion | Fixed plasma motor |
US6334302B1 (en) * | 1999-06-28 | 2002-01-01 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Variable specific impulse magnetoplasma rocket engine |
RU2468543C1 (en) * | 2011-08-01 | 2012-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Method for organisation of working process in chamber of laser rocket engine, and laser rocket engine |
RU2618636C2 (en) * | 2015-09-22 | 2017-05-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Electrical rocket engine |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2791084C1 (en) * | 2022-07-05 | 2023-03-02 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | 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 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6334302B1 (en) | Variable specific impulse magnetoplasma rocket engine | |
JP3609407B2 (en) | Short plasma accelerator with closed electron drift | |
EP1640608B1 (en) | Spacecraft thruster | |
US5241244A (en) | Cyclotron resonance ion engine | |
US6215124B1 (en) | Multistage ion accelerators with closed electron drift | |
US11781536B2 (en) | Ignition process for narrow channel hall thruster | |
US20130067883A1 (en) | Spacecraft thruster | |
JP2005060841A (en) | Cathodic sputtering apparatus | |
CN110469474B (en) | Radio frequency plasma source for microsatellite | |
WO2020117354A2 (en) | Optimized rf-sourced gridded ion thruster and components | |
JP2018525557A (en) | Hall effect propulsion machine usable at high altitude | |
JP2009085206A (en) | Charged particle emission device and ion engine | |
RU2764496C1 (en) | Magnetoplasma electric jet engine | |
JP2018156846A (en) | Ion source and ion beam generating method | |
US10961989B2 (en) | Ion thruster with external plasma discharge | |
US3388291A (en) | Annular magnetic hall current accelerator | |
JP4294867B2 (en) | Magnetic flux formation in an ion accelerator using closed electron drift. | |
US2960614A (en) | Electric jet-forming apparatus | |
US10131453B2 (en) | Hall effect thruster and a space vehicle including such a thruster | |
US5506405A (en) | Excitation atomic beam source | |
JP7439357B2 (en) | arc evaporation source | |
JP2018503774A5 (en) | ||
Petzoldt et al. | Target injection methods for inertial fusion energy | |
RU2776324C1 (en) | Ramjet relativistic engine | |
RO134720A2 (en) | Radio-frequency plasma source for applications in spatial propulsion of small-size satellites |