RU2772169C1

RU2772169C1 - Magnetic resonance plasma engine

Info

Publication number: RU2772169C1
Application number: RU2021120213A
Authority: RU
Inventors: Иван Игоревич Грабовский; Александр Игоревич Гурьянов
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2022-05-18

Abstract

FIELD: engine technology.

SUBSTANCE: plasma engine is proposed. The engine contains solenoids located in an external core-ferromagnet, a plasma accelerator and dees, a cathode compensator, an autonomous source of low-temperature plasma, an accelerator housing, a channel for supplying the working fluid to the ionizer, gas tubes. Additionally, it contains an alternating field generator of dees. In the beam discharge window, an adjusted platform is fixed on the dees, in the slots of which a profiled electrostatic deflector is located. The solenoids are installed in the coil housings of a permanent electromagnet. At the same time, the solenoids are wound on the inserts with the preservation of annular corridor-type channels designed for the flow of the coolant. The supply channels of the coolant are located on the covers of the coils, and the discharge channels are located on the coil body. An autonomous source of low-temperature plasma additionally contains a collector electrode and an extractor electrode. When implementing the invention, the thermal power losses at the output gas channels of the plasma accelerator are reduced, the temperature of the solenoids in the external core-ferromagnet is reduced, the stability of the working fluid in the plasma accelerator is increased, the leakage of the working fluid into the plasma accelerator is excluded.

EFFECT: expansion of the range of plasma engines.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для эффективного маневрирования и коррекции орбиты малых космических аппаратов и автоматических межпланетных станций.The invention relates to devices designed for effective maneuvering and orbit correction of small spacecraft and automatic interplanetary stations.

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов RU 2702709 С1, МПК F03H 1/00, опубл. 09.10.2019 г. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит, по меньшей мере, один катод-компенсатор, разрядную систему и магнитную систему с магнитным контуром. Внешний силуэт магнитного контура выполнен эллипсообразной формы с усечением, которое образует межполюсный промежуток. Усечение магнитного контура выполнено перпендикулярно оси плазменного двигателя. Магнитный контур дополнительно неразрывно усечен с противоположной стороны относительно межполюсного промежутка. Магнитный контур вдоль оси симметрии может выполняться полым. Магнитная система может быть выполнена горообразной формы. В полости магнитной системы может быть расположен катод-компенсатор.Known plasma engine with closed electron drift RU 2702709 C1, IPC F03H 1/00, publ. October 09, 2019. A plasma engine with a closed electron drift contains at least one compensator cathode, a discharge system, and a magnetic system with a magnetic circuit. The outer silhouette of the magnetic circuit is elliptical in shape with a truncation that forms an interpolar gap. The truncation of the magnetic circuit is made perpendicular to the axis of the plasma engine. The magnetic circuit is additionally inextricably truncated on the opposite side with respect to the interpolar gap. The magnetic circuit along the axis of symmetry can be hollow. The magnetic system can be made mountain-shaped. A compensating cathode can be located in the cavity of the magnetic system.

Недостатком данной конструкции является технический предел увеличения удельного импульса двигателя.The disadvantage of this design is the technical limit of increasing the specific impulse of the engine.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является циклотронный плазменный двигатель RU 2578551 С2, МПК F03H 1/00, Н05Н 1/54, опубл. 27.03.2016 г. Двигатель содержит автономный источник низкотемпературной плазмы, систему улавливания нейтральных частиц и регенерации ионов, разделитель потоков электронов и ионов, плазменный ускоритель. Плазменный ускоритель представляет собой асинхронный циклотрон, разделенный вдоль на дуанты двумя соосными парами параллельных сеток с зазорами, создающими однородные, равные и постоянные ускоряющие электрические поля взаимно противоположного направления векторов напряженности, имеющий выходные газовые каналы плазменного ускорителя - основные переходники-ферромагнетики с соленоидами; выходные прямые газовые диэлектрические каналы двигателя, соединенные с основными переходниками через пропускные электроклапаны, а между собой - переходниками-ферромагнетиками с соленоидами. Магнитное поле внутри плазменного ускорителя создается группой соленоидов, размещенных внутри цилиндрического ферромагнетика, частью своей являющегося цилиндрической стенкой плазменного ускорителя.The closest in technical essence to the proposed device is a cyclotron plasma engine RU 2578551 C2, IPC F03H 1/00, H05H 1/54, publ. 03/27/2016 The engine contains an autonomous source of low-temperature plasma, a system for trapping neutral particles and regenerating ions, a separator for electron and ion flows, and a plasma accelerator. The plasma accelerator is an asynchronous cyclotron divided lengthwise into dees by two coaxial pairs of parallel grids with gaps that create uniform, equal and constant accelerating electric fields of mutually opposite direction of the intensity vectors, having output gas channels of the plasma accelerator - the main ferromagnetic adapters with solenoids; outlet direct gas dielectric channels of the engine, connected to the main adapters through the throughput solenoid valves, and to each other - ferromagnetic adapters with solenoids. The magnetic field inside the plasma accelerator is created by a group of solenoids placed inside a cylindrical ferromagnet, part of which is a cylindrical wall of the plasma accelerator.

Недостатками данной конструкции являются большие потери тепловой мощности на выходных газовых каналах плазменного ускорителя, высокая температура группы соленоидов во внешнем сердечнике-ферромагнетике, малая устойчивость рабочего тела в плазменном ускорителе, утечки нейтрального рабочего тела в плазменный ускоритель.The disadvantages of this design are large losses of thermal power in the output gas channels of the plasma accelerator, high temperature of the group of solenoids in the external ferromagnetic core, low stability of the working fluid in the plasma accelerator, leakage of the neutral working fluid into the plasma accelerator.

Техническим результатом изобретения является уменьшение тепловых потерь мощности па выходных газовых каналах плазменного ускорителя, снижение температуры соленоидов во внешнем сердечнике-ферромагнетике, повышение устойчивости рабочего тела в плазменном ускорителе, исключение утечек рабочего тела в плазменный ускоритель.The technical result of the invention is the reduction of thermal power losses in the output gas channels of the plasma accelerator, the decrease in the temperature of the solenoids in the external ferromagnetic core, the increase in the stability of the working fluid in the plasma accelerator, and the exclusion of leaks of the working fluid into the plasma accelerator.

Технический результат достигается тем, что плазменный двигатель, содержащий соленоиды, расположенные во внешнем сердечнике-ферромагнетике, плазменный ускоритель и дуанты, катод-компенсатор, автономный источник низкотемпературной плазмы, корпус ускорителя, канал подачи рабочего тела в ионизатор, газовые трубки, при этом дополнительно содержит генератор переменного поля дуантов, в окне сброса пучка на дуантах зафиксирована юстированная площадка, в щелях которой располагается профилированный электростатический дефлектор, соленоиды установлены в корпуса катушек постоянного электромагнита, при этом соленоиды намотаны на вкладыши с сохранением кольцевых каналов коридорного типа, предназначенных для протекания охлаждающего теплоносителя, при этом подводящие каналы теплоносителя расположены на крышках катушек, а отводящие каналы на корпусе катушки, автономный источник низкотемпературной содержит теплообменный аппарат с коридорной системой каналов соленоида сердечника-ферромагнетика;The technical result is achieved by the fact that a plasma engine containing solenoids located in an external ferromagnetic core, a plasma accelerator and dees, a compensator cathode, an autonomous source of low-temperature plasma, an accelerator housing, a channel for supplying the working fluid to the ionizer, gas tubes, while additionally contains alternating field generator of the dees, in the beam ejection window on the dees, an adjusted platform is fixed, in the slots of which there is a profiled electrostatic deflector, the solenoids are installed in the coil housings of a permanent electromagnet, while the solenoids are wound on liners with preservation of the ring channels of the corridor type, designed for the flow of the cooling coolant, while the inlet channels of the coolant are located on the covers of the coils, and the outlet channels on the body of the coil, an autonomous source of low-temperature contains a heat exchanger with an in-line system of channels of the ferromagnetic core solenoid;

В целях уменьшения тепловых потерь мощности на выходных газовых каналах плазменного ускорителя плазменный двигатель содержит профилированный электростатический дефлектор; для снижения температуры селеноидов во внешнем сердечнике-ферромагнетике плазменный двигатель дополнительно содержит конвективный теплообменный аппарат с коридорной системой каналов соленоида внешнего сердечника-ферромагнетика; с целью повышения устойчивости рабочего тела в плазменном ускорителе плазменный двигатель дополнительно содержит генератор переменного тока дуантов; в целях исключения утечек рабочего тела в плазменный ускоритель автономный источник низкотемпературной плазмы содержит электрод-коллектор и электрод-экстрактор.In order to reduce thermal power losses in the output gas channels of the plasma accelerator, the plasma engine contains a profiled electrostatic deflector; to reduce the temperature of the selenoid in the external ferromagnetic core, the plasma engine additionally contains a convective heat exchanger with an in-line system of channels of the solenoid of the external ferromagnetic core; in order to increase the stability of the working fluid in the plasma accelerator, the plasma engine additionally contains a dee alternating current generator; in order to prevent leakage of the working fluid into the plasma accelerator, the autonomous source of low-temperature plasma contains a collector electrode and an extractor electrode.

Изобретение поясняется фигурами.The invention is illustrated by figures.

Фиг. 1 - Плазменный двигатель,Fig. 1 - Plasma engine,

Фиг. 2 - Поперечный разрез плазменного двигателя в плоскости ускорения рабочего тела;Fig. 2 - Cross section of the plasma engine in the plane of the acceleration of the working fluid;

Фиг. 3 - Продольный разрез плазменного двигателя в плоскости внешнего сердечника-ферромагнетика;Fig. 3 - Longitudinal section of the plasma engine in the plane of the outer ferromagnetic core;

Фиг. 4 - Поперечный разрез автономного источника низкотемпературной плазмы плазменного двигателя.Fig. 4 - Cross section of an autonomous source of low-temperature plasma of the plasma engine.

Плазменный двигатель содержит: корпус ускорителя 1, к которому прикреплен крепежный уголок катода-компенсатора 2, а также внешний сердечник-ферромагнетик 3 через стойки сердечника ферромагнетика 4 уложенные в пазах корпуса ускорителя 1 (Фиг. 1). На оси крепежного уголка катода-компенсатора 2 установлен керамический изолятор катода-компенсатора 5 в центральной части которого зафиксирован накаляемый катод 6, а на выходном торце керамического изолятора 7 катода-компенсатора 5, приклеены текстолитовые изоляторы катода-компенсатора 5 с расположенной между ними системой фокусирующих отверстий 8 (Фиг 2). Во внешнем сердечнике-ферромагнетике 3 установлены каналы подачи рабочего тела в ионизатор 9, стянутые шайбами 10 и контрящими гайками 11 (Фиг. 3). К торцам каналов подачи рабочего тела в ионизатор 9 (Фиг. 3) подсоединены на хомуты 12 газовые трубки 13 (Фиг. 1, Фиг. 3). Корпуса катушек 14 постоянного электромагнита установлены на фиксаторах 15 при этом они отделены от внешнего сердечника-ферромагнетика тепловыми изоляторами 16, а между собой соединены стойками 17 (Фиг. 1). В корпуса катушек 14 постоянного электромагнита уложены соленоиды 18, которые намотаны на вкладыши 19 с сохранением кольцевых каналов коридорного типа 20 и выведены из корпуса катушки 14 через токовводы 21 в крышках катушек 22 постоянного электромагнита (Фиг. 3). При этом подводящие каналы 23 расположены на крышках катушек 22, а отводящие каналы 24 на корпусе катушки 14 постоянного электромагнита. Между полюсами электромагнита 25 установлены, параллельно друг другу, дуанты 26, отделенные от внешнего сердечника-ферромагнетика 3 плазменным ускорителем 27 (Фиг. 2, Фиг. 3). В ложу дуантов 28, через кольца 29 установлена рубашка охлаждения 30 (Фиг. 2). В окне сброса пучка 31 па дуантах 26 зафиксирована юстированная площадка 32, в щелях которой располагается профилированный электростатический дефлектор 33 (Фиг. 2). В ускоряющий промежуток между дуантами 26 в центральном канале установлен автономный источник низкотемпературной плазмы 34, который состыкован с каналами подачи рабочего тела в ионизатор 9 коническими диффузорами 35, вкрученными в керамические стаканы 36 (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4). Анодные питатели 37 отделены от конических диффузоров 35 текстолитовыми изоляторами 38 автономного источника низкотемпературной плазмы 34, и припаяны к кольцевым анодам 39 (Фиг. 4). В корпусах 40 автономного источника низкотемпературной плазмы 34 вклеены кольцевые аноды 41 (Фиг. 4). Между анодами 39 и 41 располагаются кольцевые катоды 42, связанные электрической цепью через изоляторы на анодных питателях 37 и формирующие межэлектродные каналы 43 для области положительного столба плазмы 44. В торце кольцевых катодов 42 и анодов 39, 41 располагается торцевой изолятор 45, на котором лежит электрод-коллектор 46, стянутый электродами-экстракторами 47 с отверстием в одном из электродов.The plasma engine contains: the body of the accelerator 1, to which the fixing bracket of the cathode-compensator 2 is attached, as well as the external core-ferromagnet 3 through the racks of the core of the ferromagnet 4 laid in the grooves of the accelerator body 1 (Fig. 1). On the axis of the fixing angle of the cathode-compensator 2, a ceramic insulator of the cathode-compensator 5 is installed in the central part of which an incandescent cathode 6 is fixed, and on the output end of the ceramic insulator 7 of the cathode-compensator 5, textolite insulators of the cathode-compensator 5 are glued with a system of focusing holes located between them 8 (FIG. 2). In the outer ferromagnetic core 3 there are channels for supplying the working fluid to the ionizer 9, tightened with washers 10 and lock nuts 11 (Fig. 3). To the ends of the channels for supplying the working fluid to the ionizer 9 (Fig. 3) are connected to the clamps 12 gas tubes 13 (Fig. 1, Fig. 3). Coil housings 14 of a permanent electromagnet are mounted on latches 15, while they are separated from the external ferromagnetic core by thermal insulators 16, and are interconnected by racks 17 (Fig. 1). Solenoids 18 are placed in the coil housings 14 of the permanent electromagnet, which are wound on inserts 19 with the preservation of annular channels of the corridor type 20 and removed from the coil housing 14 through current leads 21 in the covers of the coils 22 of the permanent electromagnet (Fig. 3). In this case, the inlet channels 23 are located on the covers of the coils 22, and the outlet channels 24 on the body of the coil 14 of the permanent electromagnet. Between the poles of the electromagnet 25, parallel to each other, dees 26 are installed, separated from the outer ferromagnetic core 3 by a plasma accelerator 27 (Fig. 2, Fig. 3). In the box of dees 28, through the rings 29, a cooling jacket 30 is installed (Fig. 2). In the beam ejection window 31 on dees 26, an adjusted platform 32 is fixed, in the slots of which a profiled electrostatic deflector 33 is located (Fig. 2). In the accelerating gap between the dees 26 in the central channel, an autonomous source of low-temperature plasma 34 is installed, which is connected to the channels for supplying the working fluid to the ionizer 9 with conical diffusers 35 screwed into ceramic cups 36 (Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4). The anode feeders 37 are separated from the conical diffusers 35 by textolite insulators 38 of an autonomous source of low-temperature plasma 34, and are soldered to the annular anodes 39 (Fig. 4). In housings 40 of an autonomous source of low-temperature plasma 34, annular anodes 41 are glued (Fig. 4). Between the anodes 39 and 41 there are ring cathodes 42 connected by an electrical circuit through insulators on the anode feeders 37 and forming interelectrode channels 43 for the region of the positive plasma column 44. - collector 46, pulled together by electrodes-extractors 47 with a hole in one of the electrodes.

Плазменный двигатель работает следующим образом. Топливо, которым выступает инертный газ - ксенон, поступает в двигатель через газовые трубки 13, а затем внутри внешнего сердечника-ферромагнетика 3 движется по каналам подачи рабочего тела в ионизатор 9 до автономного источника низкотемпературной плазмы 34, в котором через конический диффузор 35, попадает в межэлектродные каналы 43 автономного источника низкотемпературной плазмы 34. В межэлектродных каналах 43 сосредоточена разность потенциалов между кольцевым катодом 42 и кольцевыми анодами 39 и 41. При прохождении электрически нейтрального рабочего тела в межэлектродном канале 43 оно ионизируется коронирующим разрядом от электродов 42 и 39, 41. При этом выбитые электроны уходят в электрическую цепь кольцевых анодов 39, 41, а положительно заряженные ионы отталкиваются от кольцевых анодов 39, 41 и формируют область положительного столба плазмы 44 в межэлектродных каналах 43. Из области положительного столба 44 ионы отбираются электродом-коллектором 46, к которому приложен потенциал превышающий потенциал кольцевого катода 42. Таким образом, отбор плазмы в плазменный ускоритель 27 осуществляется электрическим способом. При этом утечкам нейтрального газа через межэлектродные каналы 43 препятствует область положительного столба плазмы 44. Два потока ионов, истекающих из области положительного столба плазмы 44, встречаются в центре автономного источника низкотемпературной плазмы 34 и взаимно гасят осевые компоненты скоростей, что позволяет электродам-экстракторам 47 направить встречные потоки ионов на дуанты 26 в плазменном ускорителе 27. Под действием переменного электрического поля от внешнего генератора переменного тока, приложенного к дуантам 26, и постоянного магнитного поля, сформированного соленоидами 18 во внешнем сердечнике-ферромагнетике 3 и сосредоточенного между полюсами электромагнита 25, положительно заряженные ионы ускоряются и увеличивают свой радиус обращения в плазменном ускорителе 27 до вылета через окно сброса пучка 31 в дуантах 26. Магнитное поле удерживает ионы в плазменном ускорителе 27 и заставляет их двигаться по окружности. При этом переменное электрическое поле, воздействующее на пучки ионов только в ускоряющем зазоре, увеличивает их скорость обращения и радиус. Двигаясь по разворачивающейся к периферии спирали пучки достигают необходимой скорости из-за многократного прохождения ускоряющего промежутка в резонансе, что повышает устойчивость транспортировки пучков ионов в плазменном ускорителе 27 под действием автофазировки как свойства устойчивой колебательной системы. По достижению предельного радиуса обращения пучки ионов сбрасываются через окно сброса пучка 31 благодаря юстированному на площадке 32 профилированному электростатическому дефлектору 33, под постоянным электрическим потенциалом. Это позволяет исключить каналы вывода пучка и снизить тепловые потери от работы отклоняющей системы за счет отсутствия токов для постоянных магнитных полей. Когда пучки ионов покидают магниторезонансный плазменный двигатель, часть их заряда компенсируется катодом-компенсатором 2 через систему фокусирующих отверстий 8 при постоянном градиенте потенциала. Система фокусирующих отверстий 8 направляет электронный луч на пучки ионов, и накаляемый катод 6, который создает электронное облако для луча. Для поддержания более низкой заданной температуры соленоида 18 во внешнем сердечнике-ферромагнетике 3 и сохранении величины индукции магнитного поля в плоскости ускорения рабочего тела, соленоиды 18 во внешнем сердечнике-ферромагнетике 3 охлаждаются теплоносителем через кольцевые каналы коридорного типа 20 в полостях вкладышей 19. Для интенсификации теплообмена между соленоидом 18 и теплоносителем, подводящие 23 и отводящие 24 каналы в корпусе катушки 14 и на ее крышке 22 выполнены смещенными. Для съема тепла, выделяющегося при ускорении рабочего тела в виде излучения с дуантов 26, предусмотрена рубашка охлаждения 30, с целью исключения температурных деформациям дуантов 26. Для увеличения площади теплообмена рубашка охлаждения 30 установлена в ложе 28 дуантов 26 на их внешней стороне.The plasma engine works as follows. The fuel, which is an inert gas - xenon, enters the engine through gas tubes 13, and then inside the outer ferromagnetic core 3 moves through the channels for supplying the working fluid to the ionizer 9 to an autonomous source of low-temperature plasma 34, in which, through a conical diffuser 35, it enters interelectrode channels 43 of an autonomous source of low-temperature plasma 34. The potential difference between the annular cathode 42 and annular anodes 39 and 41 is concentrated in the interelectrode channels 43. When an electrically neutral working fluid passes through the interelectrode channel 43, it is ionized by a corona discharge from electrodes 42 and 39, 41. When In this case, the knocked-out electrons go into the electrical circuit of the annular anodes 39, 41, and the positively charged ions are repelled from the annular anodes 39, 41 and form the region of the positive plasma column 44 in the interelectrode channels 43. From the region of the positive column 44, the ions are taken by the collector electrode 46, to which applied potential pr exceeding the potential of the ring cathode 42. Thus, the selection of plasma in the plasma accelerator 27 is carried out electrically. In this case, the neutral gas leakage through the interelectrode channels 43 is prevented by the area of the positive plasma column 44. counterflows of ions to the dees 26 in the plasma accelerator 27. Under the influence of an alternating electric field from an external alternator applied to the dees 26, and a constant magnetic field formed by solenoids 18 in an external ferromagnetic core 3 and concentrated between the poles of an electromagnet 25, positively charged the ions are accelerated and increase their orbital radius in the plasma accelerator 27 until they fly out through the beam ejection window 31 in the dees 26. The magnetic field keeps the ions in the plasma accelerator 27 and makes them move in a circle. In this case, an alternating electric field acting on ion beams only in the accelerating gap increases their circulation velocity and radius. Moving along the spiral that unfolds to the periphery, the beams reach the required speed due to the repeated passage of the accelerating gap at resonance, which increases the stability of the transport of ion beams in the plasma accelerator 27 under the action of autophasing as a property of a stable oscillatory system. Upon reaching the limiting radius of circulation, the ion beams are discharged through the beam discharge window 31 due to the profiled electrostatic deflector 33 adjusted on the platform 32, under a constant electric potential. This makes it possible to exclude beam extraction channels and reduce heat losses from the operation of the deflecting system due to the absence of currents for constant magnetic fields. When the ion beams leave the magnetic resonance plasma engine, part of their charge is compensated by the compensator cathode 2 through the system of focusing holes 8 at a constant potential gradient. The system of focusing holes 8 directs the electron beam to the ion beams, and the heated cathode 6, which creates an electron cloud for the beam. To maintain a lower predetermined temperature of the solenoid 18 in the external ferromagnetic core 3 and to maintain the value of the magnetic field induction in the plane of acceleration of the working fluid, the solenoids 18 in the external ferromagnetic core 3 are cooled with a coolant through the annular channels of the in-line type 20 in the cavities of the liners 19. To intensify heat transfer between the solenoid 18 and the coolant, the inlet 23 and outlet 24 channels in the body of the coil 14 and on its cover 22 are made offset. To remove the heat released during the acceleration of the working fluid in the form of radiation from the dees 26, a cooling jacket 30 is provided in order to prevent thermal deformations of the dees 26. To increase the heat exchange area, the cooling jacket 30 is installed in the bed 28 of the dees 26 on their outer side.

Claims

1. A plasma engine containing solenoids located in an external ferromagnetic core, a plasma accelerator and dees, a compensator cathode, an autonomous source of low-temperature plasma, an accelerator housing, a channel for supplying the working fluid to the ionizer, gas tubes, characterized in that it additionally contains an alternating fields of the dees, in the beam ejection window on the dees, an adjusted platform is fixed, in the slots of which a profiled electrostatic deflector is located, the solenoids are installed in the coil housings of a permanent electromagnet, while the solenoids are wound on liners with preservation of the annular channels of the in-line type, intended for the flow of the cooling coolant, while coolant inlet channels are located on the coil covers, and the outlet channels are located on the coil body, the autonomous source of low-temperature plasma additionally contains a collector electrode and an extractor electrode.

2. The plasma engine according to claim 1, characterized in that it contains a heat exchanger with an in-line system of channels of the ferromagnetic core solenoid.