RU2776324C1 - Ramjet relativistic engine - Google Patents

Ramjet relativistic engine Download PDF

Info

Publication number
RU2776324C1
RU2776324C1 RU2020135760A RU2020135760A RU2776324C1 RU 2776324 C1 RU2776324 C1 RU 2776324C1 RU 2020135760 A RU2020135760 A RU 2020135760A RU 2020135760 A RU2020135760 A RU 2020135760A RU 2776324 C1 RU2776324 C1 RU 2776324C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
spacecraft
protons
ion
accelerating
mla
Prior art date
Application number
RU2020135760A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Павлович Сенкевич
Original Assignee
Александр Павлович Сенкевич
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Павлович Сенкевич filed Critical Александр Павлович Сенкевич
Application granted granted Critical
Publication of RU2776324C1 publication Critical patent/RU2776324C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: space technology.
SUBSTANCE: invention relates to the power propulsion systems of spacecraft. The proposed ion-plasma reactive device contains a system for accumulation and replenishment of the working substance (hydrogen) from external sources, modules of ionization and initial acceleration of protons and a multichannel linear accelerator (MLA) for obtaining relativistic protons, made on the basis of superconducting structures. There is also a proton flow control system, of which one creates thrust during neutralization and release of protons from the MLA, and the other is used to generate energy on board the spacecraft. The MLA is mounted on a retractable telescopic structure, with the placement of accelerating MLA structures along the edge of its body. This structure, when folded (inoperable), is twisted to create artificial gravity.
EFFECT: improving the efficiency, including the achievable flight speed, of the spacecraft’s power propulsion system during interplanetary and interstellar expeditions.
1 cl, 1 dwg

Description

Для межзвездного полета на высоких скоростях требуются комбинация достаточно высокой скорости истечения с необходимой тягой (соотношение тяги двигателя и массы летательного аппарата), химические ракеты не дают скорость истечения больше 5 км/с. В работе предлагается принципиальная схема построения и концепция движения, с использование ускоренных релятивистских высокоэнергетических протонов, для создания эффективных (по расходу рабочего тела и потреблению энергии) реактивных двигателей, на базе ускоряющих сверхпроводящих структур, в которых отсутствует контакт с ускоряемым веществом, в связи, с чем системы могут действовать неограниченно долго и работать с материей ускоренной до релятивистских скоростей. Предложенная схема основана на имеющихся разработках в области ускорительной техники и систем генерации СВЧ, с учетом ограничения налагаемых законами сохранения и эффектами специальной теории относительности.Interstellar flight at high speeds requires a combination of a sufficiently high exhaust velocity with the necessary thrust (the ratio of engine thrust to the mass of the aircraft), chemical rockets do not give an exhaust velocity of more than 5 km / s. The paper proposes a schematic diagram of construction and the concept of movement, using accelerated relativistic high-energy protons, to create efficient (in terms of working fluid consumption and energy consumption) jet engines, based on accelerating superconducting structures, in which there is no contact with the accelerated substance, due to than systems can act indefinitely and work with matter accelerated to relativistic speeds. The proposed scheme is based on the existing developments in the field of accelerator technology and microwave generation systems, taking into account the limitations imposed by conservation laws and the effects of special relativity.

Формализация проблемFormalization of problems

I) Проблема связанная с временем полета - Проблема может быть решена, только если скорость полета будет близка к скорости света. И при этом возникает замечательная возможность замедления времени внутри летящего аппарата, из за релятивистских эффектов. Ограничение, которое накладывает на нас время полета, мы не можем мгновенно приобрести данную скорость, что бы ее набрать потребуется время и ускорение (а). Для длительного путешествия, человеку будет комфортно ускорение равное ускорению свободного падения на Земле a~g (9.8 м/с2).I) Flight time problem - The problem can only be solved if the flight speed is close to the speed of light. And at the same time, there is a remarkable possibility of slowing down time inside the flying apparatus, due to relativistic effects. The limitation that the flight time imposes on us is that we cannot instantly acquire a given speed, in order to gain it it will take time and acceleration (a). For a long journey, a person will be comfortable with an acceleration equal to the acceleration of free fall on Earth a~g (9.8 m/s 2 ).

II) Потоки пыли и газа - При движении КА с околосветовой скоростью протоны межзвездного газа Галактики (плотность один протон на кубический сантиметр) превратятся в пучок, направленный против направления полета КА, с энергией 10-30 МэВ и плотностью потока 109 частиц на квадратный сантиметр в секунду (на поверхности Земли интенсивность космического излучения составляет всего 0,2 частицы на квадратный сантиметр в секунду). Данный поток нужно будет собирать или отклонять так, чтобы он не мешал как экипажу, а так же общему движению КА. При быстром движение основной поток как газа/пыли будет приходить с фронта по курсу движения.II) Dust and gas flows - When the spacecraft moves at a near-light speed, the protons of the interstellar gas of the Galaxy (the density is one proton per cubic centimeter) will turn into a beam directed against the direction of the spacecraft flight, with an energy of 10-30 MeV and a flux density of 109 particles per square centimeter in second (at the surface of the Earth, the intensity of cosmic radiation is only 0.2 particles per square centimeter per second). This flow will need to be collected or deflected so that it does not interfere with both the crew and the overall movement of the spacecraft. With fast movement, the main flow as gas / dust will come from the front along the course of movement.

III) Энергетическо-массовая проблема - Если мы будем рассматривать вариант замкнутой системы, к КА, возникает циклическая проблема: «Чем больше надо ускорить тело, тем больше должно быть само исходное тело». Чтобы обойти эту проблему, мы можем рассматривать нашу систему как открытую. В которой используется не только внутренние резервы, но и внешние факторы и материю, которая находится в межзвездном пространстве. В противном случае, пропорции ускоряемой массы и то, что должно долететь до звезды, будут огромны. Предлагаю рассматривать наш КА как систему, в которой «рабочее тело» или материал для горючего, поступает из внешней среды, а импульс мы генерируем с помощью нашей энергоустановки. Основной вопрос: как получить импульс и с помощью, каких инструментов.III) Energy-mass problem - If we consider a variant of a closed system, to a spacecraft, a cyclic problem arises: "The more the body needs to be accelerated, the larger the original body itself must be." To get around this problem, we can treat our system as open. In which not only internal reserves are used, but also external factors and matter, which is located in interstellar space. Otherwise, the proportions of the accelerated mass and what has to reach the star will be enormous. I propose to consider our spacecraft as a system in which the "working fluid" or material for fuel comes from the external environment, and we generate the impulse with the help of our power plant. The main question is how to get momentum and with what tools.

Согласно принципу сохранения импульса, импульс системы остается постоянным в отсутствие внешних сил. Мы будем использовать для ускорения внутренние силы и энергию, накопленную в веществе, отдав импульс, через тело, получим импульс в противоположную сторону.According to the principle of conservation of momentum, the momentum of a system remains constant in the absence of external forces. We will use the internal forces and energy accumulated in the substance to accelerate, giving momentum through the body, we will receive an impulse in the opposite direction.

С другой стороны согласно специальной теории относительности, объекты набирают массу по мере приближения к скорости света. Ускорив тело до скорости близкой к скорости света, мы придадим ей сколь угодно большой импульс.On the other hand, according to special relativity, objects gain mass as they approach the speed of light. By accelerating the body to a speed close to the speed of light, we will give it an arbitrarily large momentum.

Релятивистское уравнение МещерскогоRelativistic Meshchersky equation

При выводе уравнения Мещерского, пригодного для случая скоростей, сравнимых со скоростью света, используется выражение для релятивистского импульса

Figure 00000001
When deriving the Meshchersky equation, suitable for the case of velocities comparable to the speed of light, the expression for the relativistic momentum is used
Figure 00000001

В результате уравнение приобретает вид:As a result, the equation takes the form:

Figure 00000002
Figure 00000002

Для случая частиц, отделяющихся со скоростью коллинеарной скорости ракеты, это уравнение сводится к следующему виду:For the case of particles separated at a velocity collinear to the velocity of the rocket, this equation reduces to the following form:

Figure 00000003
Figure 00000003

где

Figure 00000004
- скорость частиц относительно КА.where
Figure 00000004
- particle velocity relative to the spacecraft.

Для оценки параметров габаритов просчитаем зависимость массы КА, при условии, что он движется с постоянным ускорением. Из закона сохранения импульса выходит:To estimate the parameters of dimensions, we calculate the dependence of the mass of the spacecraft, provided that it moves with constant acceleration. From the law of conservation of momentum it follows:

Рк=Mк⋅Uк=Mк⋅a⋅t=Pp=Mp⋅up Р to =M to ⋅U to =M to ⋅a⋅t=P p =M p ⋅u p

где Мк - масса КА, а ускорение получаемое, uр - скорость протонов, Мр - общая масса протонного пучка, с другой стороны импульс потока протонов опишем через его ток и учтем что мы рассматриваем быстрые протоны где uр стремится к скорости света, то импульс можно записать так:where M k is the mass of the spacecraft, and the acceleration obtained, u p is the speed of protons, M p is the total mass of the proton beam, on the other hand, we describe the momentum of the proton flux through its current and take into account that we are considering fast protons where u p tends to the speed of light, then the momentum can be written as:

Figure 00000005
Figure 00000005

где Iр - суммарный ток протонов, mр0 - масса покоя протонов, qp - заряд протона, Y - гамма фактор с учетом скорости.where I p is the total current of protons, m p0 is the rest mass of protons, q p is the charge of the proton, Y is the gamma factor, taking into account the speed.

Figure 00000006
Figure 00000006

При скорости протона значительно релятивисткой uр → с и

Figure 00000007
At the speed of a proton, u p → c is significantly relativistic and
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

где Ер - энергия протонов в эВ, Ер0 вес покоя протона в эВ=938,272 МэВ вводим константуwhere E p is the energy of protons in eV, E p0 is the rest weight of the proton in eV = 938.272 MeV, we introduce a constant

Figure 00000009
Figure 00000009

Получаем простое сотношение между массой ускоряемого КА и токами испускаемых протоновWe obtain a simple relation between the mass of the accelerated spacecraft and the currents of emitted protons

Мк⋅a=Ip⋅Y⋅Sconst M to ⋅a=I p ⋅Y⋅S const

Эти эффекты возьмем за принцип построения и работы двигателя. А именно, ускорение заряженных частиц до релятивистских скоростей, в электромагнитном поле и последующем испускании.We take these effects as the principle of construction and operation of the engine. Namely, the acceleration of charged particles to relativistic speeds in an electromagnetic field and subsequent emission.

Принципы работы.Work principles.

Космический аппарат (КА) можно представить в виде большого линейного ускорителя заряженных частиц. Которые разгоняются электрическим полем и достигнув около световых скоростей, выбрасываются в виде реактивной струи. При этом масса частиц, процессе ускорение возрастает в тысячи раз. А так как укоряется малый объем частиц, расход вбрасываемого тела может быть минимальным.A spacecraft (SC) can be represented as a large linear particle accelerator. Which are accelerated by an electric field and, reaching about the speed of light, are ejected in the form of a jet stream. In this case, the mass of particles, the process of acceleration increases thousands of times. And since a small volume of particles is rooted, the flow rate of the thrown-in body can be minimal.

КА это вариант - длинного линейного ускорителя заряженных элементарных частиц, которыми могут быть и ионизированные атомы водорода и электроны. Такой принцип устройства близок, к ионным двигателям.KA is a variant of a long linear accelerator of charged elementary particles, which can be both ionized hydrogen atoms and electrons. This principle of the device is close to ion engines.

Так же можно решить еще одну из проблем скоростного звездного полета, использовать свободные межзвездные атомы водорода. По современным оценкам в пяти кубических сантиметрах межзвездного пространства содержится примерно один такой атом. Одним из возможных решений была бы защита от данных частиц при помощи электромагнитных полей. С одновременным захватом для пополнения, расходуемого для реактивного движения вещества. То есть в процессе полета будем производить ионизацию и сбор заряженных частиц с использованием в ускорителе для создания тяги.It is also possible to solve another of the problems of high-speed stellar flight, to use free interstellar hydrogen atoms. According to modern estimates, five cubic centimeters of interstellar space contains approximately one such atom. One possible solution would be to protect against these particles using electromagnetic fields. With simultaneous capture for replenishment, consumed for jet propulsion of the substance. That is, during the flight we will produce ionization and collection of charged particles using in the accelerator to create thrust.

При дальнейшем развитии технологии энерго-устройств, можно использовать собираемые атомы, в реакции термоядерного синтеза, для получения энергии для общей работы космического аппарата. И как вариант предельного развития системы, полностью замкнуть энерго-обеспечение и расходное вещество, на получаемое из внешнего пространства.With the further development of the technology of energy devices, it is possible to use the collected atoms, in a thermonuclear fusion reaction, to obtain energy for the general operation of the spacecraft. And as an option for the ultimate development of the system, completely close the energy supply and consumables to those received from external space.

Схема построенияConstruction scheme

На Фиг. 1. приведено схематическое изображение ЭРД/ИД с примером установки элементов конструкции прямоточного релятивистского двигателя:On FIG. 1. a schematic representation of the ERE/ID with an example of the installation of structural elements of a ramjet relativistic engine is shown:

1) Линейный ускоритель частиц, состоящий из многоканального ускорителя из сверхпроводящих резонаторов и систем стабилизации протонного пучка.1) Linear particle accelerator, consisting of a multichannel accelerator of superconducting cavities and proton beam stabilization systems.

2) Ядерная энергоустановка, запитывающия все оборудование и работающая в постоянном режиме.2) A nuclear power plant that feeds all equipment and operates in a constant mode.

3) Система жилых модулей, систем жизнеобеспечения и производства пищи. Размещенная в радиоционно поглощающей оболочке и накопителе водорода3) A system of residential modules, life support systems and food production. Placed in a radiation-absorbing shell and hydrogen storage

4) Пред ускорители протонов (Инжекторы и Протонные синхротроны для ускорения протонов).4) Proton pre-accelerators (Injectors and Proton synchrotrons for proton acceleration).

5) Система сбора и ионизации звездного водорода, на базе тонкого заряженного сеточного паруса и сильных магнитных систем, собирающих и сепарирующих полученные ионы для предускорителей.5) A system for collecting and ionizing stellar hydrogen, based on a thin charged mesh sail and strong magnetic systems that collect and separate the resulting ions for pre-accelerators.

Другой вариант компоновки состоит в том что комплекс линейного ускорителя может быть установлен на выдвигаемой, длиной телескопической конструкции. С размещением ускоряющих структур по кромке корпуса, выполненного из легких и прочных композитных материалов.Another layout option is that the linac complex can be installed on a retractable, long telescopic structure. With the placement of accelerating structures along the edge of the body, made of light and durable composite materials.

Это позволит им максимально полно использовать их ускоряющий потенциал и даст возможность оперативно ремонтировать и обслуживать ускорители.This will allow them to use their accelerating potential to the fullest extent and will enable them to promptly repair and service the accelerators.

Так же позволит их использовать как систему защиты от внешний электрических полей (Клетка Фарадея) - так как они выполнены из сверхпроводников они обеспечат максимальный скин-эффект. Так же они выступит защитой от заряженных пролетающих частиц, так как сильные поля внутри укорителей будут их отклонять.It will also allow them to be used as a protection system against external electric fields (Faraday Cage) - since they are made of superconductors, they will provide the maximum skin effect. They will also act as protection against charged flying particles, since strong fields inside the accelerators will deflect them.

В сложенном состоянии, будет достаточно компактен и даст возможность обеспечить искусственную гравитацию, путем раскрутки конструкции вокруг центра масс.When folded, it will be quite compact and will provide an opportunity to provide artificial gravity by spinning the structure around the center of mass.

Наиболее близкие по идеям и по направлению использования принципов патенты:The patents closest in ideas and in the direction of using the principles are:

Из наиболее близкого по типу существующего уровня техники известены аналоги и множество различных типов ионно-плазменных, или ионных электроракетных двигателей (ЭРД/ИД), содержащих контейнер (накопитель) с запасом рабочего тела, камеру ионизации рабочего тела, в частности, газоразрядную камеру, ускоритель движения катионов, нейтрализатор заряда катионов, в том числе электронами или анионами, магнитную систему для создания магнитного поля [Franklin R. Chang-Diaz, "Plasma Propulsion for Interplanetary Flight," Thin Solid Films, Vol. 506-507 (May26, 2006): 449-453 с; Электрические ракетные двигатели. -Под редакцией Ю.А. Рыжова. М.: Мир, 1964 г.; Goebel D.M., Katz I. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters. Wiley, 2008, 508 р.]. Реактивное движение может быть реализовано в устройстве с излучением электромагнитного поля (ЭМП), с выбросом массивной материи, а также совместной реализации двух этих процессов. При излучении ЭМП реактивная сила производит механическое давление на антенну, что было высказано А. Эйнштейном в 1906 году, экспериментально доказано П.Н. Лебедевым и подтверждено теоретически на основе уравнений Максвелла в рамках классической электродинамики. Для производства заметных значений ускорения силой 1 Н требуется большая мощность облучающего ЭМП, составляющая примерно 150 МВт. Основной способ увеличения тяги состоит в использовании массивного расходуемого рабочего тела (РТ). Некоторые двигатели используют предварительную сорбцию газов, накопленных в пористой матрице, с последующим небольшим нагревом и соответствующим испарением. Известны исследования и применения электротермических двигателей с нагревом нелетучего рабочего телаAnalogues and many different types of ion-plasma or ion electric rocket engines (EP/EP) containing a container (accumulator) with a supply of working fluid, an ionization chamber of the working fluid, in particular, a gas discharge chamber, an accelerator movement of cations, a charge neutralizer for cations, including electrons or anions, a magnetic system for creating a magnetic field [Franklin R. Chang-Diaz, "Plasma Propulsion for Interplanetary Flight," Thin Solid Films, Vol. 506-507 (May26, 2006): 449-453 pp.; Electric rocket engines. -Edited by Yu.A. Ryzhov. M.: Mir, 1964; Goebel D.M., Katz I. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters. Wiley, 2008, 508 rubles]. Reactive motion can be implemented in a device with electromagnetic field radiation (EMF), with the release of massive matter, as well as the joint implementation of these two processes. When emitting an EMF, the reactive force produces mechanical pressure on the antenna, which was stated by A. Einstein in 1906, experimentally proven by P.N. Lebedev and confirmed theoretically on the basis of Maxwell's equations in the framework of classical electrodynamics. To produce noticeable values of acceleration with a force of 1 N, a large power of the irradiating EMF is required, which is approximately 150 MW. The main way to increase thrust is to use a massive consumable working fluid (RT). Some engines use pre-sorption of gases accumulated in a porous matrix, followed by slight heating and subsequent evaporation. Known studies and applications of electrothermal engines with heating of a non-volatile working fluid

КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ №2/2013, с. 42-52]. В отличие от известных испарительных и химических ракетных двигателей с максимальной скоростью факела до 4000 м/с, ЭРД/ИД обеспечивают на порядок большую скорость. При использовании сжатых газов (N2, Аr, Хе, и т.д.) достигается удельная тяга, или специфический импульс (скорость факела, деленная на 10 м/с2) до 4500 с и больше в разных конфигурациях таких устройств. Ограничения по Хе - высокая стоимость и малые объемы производства газа, высокая стоимость наземных испытаний в вакуумных камерах при низких температурах, низкая воспроизводимость импульсов тяги, малая надежность включения после паузы, недостаточная достижимая длительность импульса, ограниченный ресурс работоспособности. Кроме инертных газов, в ионных двигателях в качестве расходуемых РТ используют цезий, ртуть, висмут, цинк, олово, магний, галлий, йод, тефлон, ионные жидкости, коллоидные растворы, аммиак. Тефлон (другие названия фторопласт, PTFE) в качестве твердого РТ используют в абляционном импульсном электроразрядном двигателе. Для РТ в виде расплавленного металла создана специальная конструкция с сильным электрическим полем, а в виде коллоидных растворов - конструкция электро-распылительного источника с зарядом малых капель жидкости. ЭРД/ИД с замкнутым дрейфом электронов являются основными рабочими системами работающих космических аппаратов.SPACE TECHNOLOGY AND TECHNOLOGY №2/2013, p. 42-52]. In contrast to the known evaporation and chemical rocket engines with a maximum flame speed of up to 4000 m/s, ERE/ID provide an order of magnitude higher speed. When using compressed gases (N2, Ar, Xe, etc.), a specific thrust, or specific impulse (torch speed divided by 10 m/s2) of up to 4500 s and more is achieved in various configurations of such devices. Limitations on Xe - high cost and small volumes of gas production, high cost of ground tests in vacuum chambers at low temperatures, low reproducibility of thrust pulses, low reliability of turning on after a pause, insufficient achievable pulse duration, limited service life. In addition to inert gases, cesium, mercury, bismuth, zinc, tin, magnesium, gallium, iodine, teflon, ionic liquids, colloidal solutions, and ammonia are used as consumable RT in ion engines. Teflon (other names fluoroplastic, PTFE) as a solid PT is used in an ablative pulse electric discharge motor. For RT in the form of molten metal, a special design with a strong electric field has been created, and in the form of colloidal solutions, a design of an electro-spray source with a charge of small liquid drops has been created. ERE/ID with closed electron drift are the main working systems of operating spacecraft.

Изобретение - аналог RU 2 527 267 С2 заявляет плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла, содержащий основной кольцевой канал ионизации и ускорения, имеющий открытый выходной конец, по меньшей мере, один катод, кольцевой анод, концентричный основному кольцевому каналу, трубопровод и распределитель для подачи способного к ионизации газа в канал и магнитную цепь создания магнитного поля в основном кольцевом канале.The invention - analogue of RU 2 527 267 C2 declares a plasma jet engine based on the Hall effect, containing the main annular ionization and acceleration channel, having an open output end, at least one cathode, an annular anode concentric to the main annular channel, a pipeline and a distributor for supplying able to ionize the gas into the channel and the magnetic circuit to create a magnetic field in the main annular channel.

Изобретение RU 2509 918 С2 относится к электроракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов, содержащему основной кольцевой ионизационный и ускорительный канал, образованный вокруг оси ускорителя, по меньшей мере, один полый катод, кольцеобразный анод, концентричный основному кольцевому каналу, трубку с коллектором для питания анода ионизируемым газом, и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале. Для космических полетов, где требуется высокая мощность и высокий удельный импульс, плазменные ЭРД/ИД с замкнутым дрейфом электронов в магнитном поле обладают недостатком в тепловом отношении, поскольку наружная кольцевая катушка заключает в себе провод большой длины, что приводит к высокому уровню рассеяния тепла, и в отношении массы катушки, которая также велика.The invention RU 2509 918 C2 relates to an electric rocket engine with a closed electron drift, containing a main annular ionization and accelerating channel formed around the axis of the accelerator, at least one hollow cathode, an annular anode concentric to the main annular channel, a tube with a collector for feeding the anode with an ionizable gas, and a magnetic circuit to create a magnetic field in the main annular channel. For space missions where high power and high specific impulse are required, closed-loop magnetic drift plasma EJE/IDs are thermally disadvantageous because the outer annular coil encapsulates a long wire, resulting in a high level of heat dissipation, and in relation to the mass of the coil, which is also large.

В патентах США 6208080 В1 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 С1 относится к плазменной технике и может использоваться при разработке плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения. Магнитная система выполняется таким образом, чтобы вектор индукции магнитного поля в полости кольцевого ускорительного канала имел преимущественно радиальное направление. Между анодом и катодом, которые размещаются у противоположных торцов разрядной камеры, прикладывается разрядное напряжение. В результате в кольцевом ускорительном канале создается преимущественно продольное электрическое поле. Электрический разряд зажигается в потоке газа, например, ксенона, движущегося в ускорительном канале в направлении от анода, выполняющего обычно функцию газового распределителя, к открытой торцевой части разрядной камеры. Катод-компенсатор (эмиттер электронов) установлен у среза ускорительного канала. Величина индукции магнитного поля выбирается таким образом, чтобы ионы были не замагничены, и магнитное поле слабо влияло на движение ионов в продольном направлении в полости ускорительного канала. При этом величина индукции магнитного поля должна быть достаточной для замагничивания электронов в ускорительном канале. При указанных условиях электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации рабочего газа при типичных разрядных напряжениях от 200 В до 1000 В. С целью устранения негативных явлений, связанных с существенной пространственной расходимостью ионов в ускорительном канале, применяются магнитные устройства - концентраторы пучка ионов.US Pat. Nos. 6,208,080 B1 and 5,359,258 also describe EJEs that each have four external MP coils. Another EJE with closed electron drift, known as ALT D55, contains three external coils. The invention RU 2 474 984 C1 relates to plasma technology and can be used in the development of plasma accelerators with a closed electron drift and an extended acceleration zone. The magnetic system is designed in such a way that the magnetic field induction vector in the cavity of the annular accelerating channel has a predominantly radial direction. A discharge voltage is applied between the anode and cathode, which are located at opposite ends of the discharge chamber. As a result, a predominantly longitudinal electric field is created in the annular accelerating channel. The electric discharge is ignited in a gas flow, for example, xenon, moving in the accelerating channel in the direction from the anode, which usually performs the function of a gas distributor, to the open end part of the discharge chamber. The cathode-compensator (electron emitter) is installed at the cutoff of the accelerating channel. The value of the magnetic field induction is chosen so that the ions are not magnetized, and the magnetic field has little effect on the movement of ions in the longitudinal direction in the cavity of the accelerating channel. In this case, the magnitude of the magnetic field induction should be sufficient to magnetize the electrons in the accelerating channel. Under these conditions, electrons acquire energy sufficient to ionize the working gas at typical discharge voltages from 200 V to 1000 V. In order to eliminate negative phenomena associated with a significant spatial divergence of ions in the accelerating channel, magnetic devices are used - ion beam concentrators.

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. Группа ИД - аналогов использует металлические сетки для экстракции ионов из плазмы с последующей нейтрализацией электронами. В патенте US-A-5 241 244 описан так называемый ионный двигатель малой тяги решетчатого типа. В этом устройстве газообразное топливо сначала ионизируется, затем образовавшиеся ионы вытягиваются из плазмы и ускоряются электромагнитным полем, созданным между решетками. Путем изменения полярности на решетчатой системе вместо ионов из разрядной камеры можно извлекать электроны. Путем соответствующего выбора времени экстракции ионов и электронов и/или значения напряжений на потенциальных контактах для обеих фаз извлечения можно установить поток электронов, эквивалентный ионному потоку по количеству зарядов.Patent RU 2163309 (IPC: F03H 1/00, H05H 1/54, published on February 20, 2001) describes the design of an expanded magnetic pole piece in the shape of a truncated cone, which ensures the formation of a narrowly directed stream of accelerated ions in a given direction. US Pat. No. 5,581,155 describes a Hall effect thruster. This thruster also uses an electromagnetic field to accelerate positively charged particles. The exhaust velocity in this type of thruster is about 15 km/s at a thrust density of less than 5 N/m 2 and a power of 1.3 kW. The group of ID-analogues uses metal grids for the extraction of ions from the plasma, followed by neutralization with electrons. US-A-5 241 244 describes a so-called lattice type ion thruster. In this device, the gaseous fuel is first ionized, then the resulting ions are pulled out of the plasma and accelerated by an electromagnetic field created between the gratings. By changing the polarity on the lattice system, instead of ions, electrons can be extracted from the discharge chamber. By appropriate selection of the extraction time of ions and electrons and/or the value of the potential contact voltages for both extraction phases, it is possible to establish an electron flux equivalent to the ion flux in terms of the number of charges.

Разрабатываются также перспективные двигатели на основе плазменной магнитогидродинамики (Magneto Plasma Dynamic Thruster (MPD), Variable Specific Impulse Magneto Plasma Rocket (VASIMR), Pulsed Inductive Thruster (PIT), с ионизацией индуктивно связанной плазмой (ICP), с неоднородным МП).Promising thrusters based on plasma magnetohydrodynamics (Magneto Plasma Dynamic Thruster (MPD), Variable Specific Impulse Magneto Plasma Rocket (VASIMR), Pulsed Inductive Thruster (PIT), with ionization by inductively coupled plasma (ICP), with inhomogeneous MF) are also being developed.

В патенте US В6334302 описан магнитоплазменный ракетный двигатель с переменным удельным импульсом (VASIMR). В этом двигателе используется трехступенчатый процесс подачи, разогрева и управляемого истечения плазмы из магнитной амбиполярной ловушки. Источником плазмы является геликонно-волновой генератор, а нагревателем плазмы служит циклотронный генератор. Сопло совмещено с радиально расходящимся МП, ионизированные частицы двигаются по раскручивающимся спиралям вдоль расходящихся силовых линий магнитного поля, где энергия азимутального дрейфа преобразуется в продольную энергию. Этот тип двигателя имеет скорость истечения порядка 10-30 км/с и тягу 50-1000 мН. В обычных ИД лишь небольшое количество ионов достигает системы вытягивающих решеток, тогда как преобладающая часть образовавшихся ионов рекомбинирует на стенках ионизационной камеры. Лишь те ионы, которые достигают систему вытягивающих решеток, доступны для создания тяги. Рекомбинация на стенках ионизационной камеры является наиболее значительным фактором потерь. Для обеспечения нормальной работы ионных ракетных двигателей в космических условиях необходима экстракция катионов и электронов в равных количествах, чтобы ракета не заряжалась отрицательно и не тормозила ионы во время работы ионного двигателя. Компенсация (нейтрализация) пространственного заряда пучка положительных ионов в общем случае ионно-пучковых технологий осуществляется введением в поток ионов свободных электронов и/или электроотрицательных молекул или атомов, обладающих высоким сродством к электрону и большими сечениями образования отрицательных ионов при столкновении со свободными электронами соответственно. Потоки свободных электронов и электроотрицательных молекул или атомов поддерживают такими, чтобы плотность положительного заряда пучка не превышала плотности отрицательного заряда присутствующих в нем электронов и отрицательных ионов. Магнитное поле (МП) сильно воздействует на движение электронов нейтрализатора, и значительно слабее - на движение ионов. Поэтому МП требуется преимущественно для управления процессами электронной нейтрализации.US Pat. No. B6,334,302 describes a variable specific impulse magnetoplasma rocket engine (VASIMR). This thruster uses a three-stage process of supplying, heating and controlled outflow of plasma from a magnetic ambipolar trap. The plasma source is a helicon-wave generator, and the plasma heater is a cyclotron generator. The nozzle is aligned with a radially divergent MF, ionized particles move in unwinding spirals along diverging magnetic field lines, where the azimuthal drift energy is converted into longitudinal energy. This type of engine has an exhaust velocity of the order of 10-30 km/s and a thrust of 50-1000 mN. In conventional IDs, only a small number of ions reach the system of extraction gratings, while the predominant part of the formed ions recombine on the walls of the ionization chamber. Only those ions that reach the extraction grid system are available to generate thrust. Recombination on the walls of the ionization chamber is the most significant loss factor. To ensure the normal operation of ion rocket engines in space conditions, it is necessary to extract cations and electrons in equal amounts so that the rocket is not negatively charged and does not slow down the ions during the operation of the ion engine. Compensation (neutralization) of the space charge of a beam of positive ions in the general case of ion-beam technologies is carried out by introducing free electrons and/or electronegative molecules or atoms into the ion flow, which have a high electron affinity and large cross sections for the formation of negative ions upon collision with free electrons, respectively. The flows of free electrons and electronegative molecules or atoms are maintained such that the positive charge density of the beam does not exceed the negative charge density of the electrons and negative ions present in it. The magnetic field (MF) has a strong effect on the movement of the electrons of the neutralizer, and much weaker - on the movement of ions. Therefore, MF is required mainly to control the processes of electron neutralization.

Например, по способу нейтрализации объемного заряда ионных пучков на выходе плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов (Патент RU №2312471 от 2003.12.24) установлены по меньшей мере один катод- компенсатор, а также анодный блок, содержащий магнитную систему и разрядную камеру с ускорительным каналом с зонами ионизации и ускорения, который расширяется в наружном и внутреннем радиальных направлениях.For example, according to the method of neutralizing the space charge of ion beams at the output of a plasma engine with a closed electron drift (Patent RU No. 2312471 dated 2003.12.24), at least one cathode-compensator is installed, as well as an anode block containing a magnetic system and a discharge chamber with an accelerating channel with zones of ionization and acceleration, which expands in the outer and inner radial directions.

Для ионизации газообразного топлива в патенте US-A-5 241 244 предложено одновременно использовать кондиционирующее и удерживающее магнитное поле, а также переменное электромагнитное поле на частоте электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) в магнитном поле. Подобный двигатель малой тяги описан также в патенте FR-A-2 799 576, где для ионизации газа используется магнитная индукция. В патенте US В6293090 описан плазменный радиочастотный (РЧ) двигатель малой тяги, в котором вместо использования поля ЭЦР плазма создается нижнее гибридной волной.For the ionization of gaseous fuels, US-A-5 241 244 proposes to simultaneously use a conditioning and holding magnetic field, as well as an alternating electromagnetic field at the frequency of electron cyclotron resonance (ECR) in a magnetic field. A similar thruster is also described in FR-A-2 799 576, which uses magnetic induction to ionize the gas. US Pat. No. B6,293,090 describes a radio frequency (RF) plasma thruster in which, instead of using an ECR field, the plasma is generated by a down hybrid wave.

В патенте USA 6205769 заявлены электротермические микроволновые двигатели малой тяги. Эти двигатели малой тяги основаны на нагреве газообразного топлива микроволновым полем. Нагретый газ выбрасывается через сопло, создавая тягу. Этот тип двигателя малой тяги имеет скорость истечения около 9-12 км/с и тягу от 200 до 2000 Н.US Pat. No. 6,205,769 claims electrothermal microwave thrusters. These thrusters are based on the heating of gaseous fuel by a microwave field. The heated gas is ejected through a nozzle, creating thrust. This type of thruster has an exhaust velocity of about 9-12 km/s and a thrust of 200 to 2000 N.

Изобретение RU 2543103 С2 относится к высокочастотным ионным двигателям (ВЧ ИД) с индукционным возбуждением разряда в газоразрядной камере.The invention RU 2543103 C2 relates to high-frequency ion engines (HF ID) with induction excitation of a discharge in a gas-discharge chamber.

В патенте US A3571734 газ подают в цилиндрический резонатор, который подвергают воздействию аксиальных и радиальных магнитных полей. Для ионизации газа прикладывают электромагнитное поле на частоте ЭЦР. В японских двигателях ионизация ксенона происходит в СВЧ-разряде (патент Японии JP 2856740 В2 от 09.06.1988 г.). Наряду с этими устройствами разрабатываются, производятся и эксплуатируются ИД с разрядом постоянного тока (патент РФ №2191291). ИД содержит газоразрядную камеру (ГРК), имеющую форму цилиндра с конической задней стенкой. К стенкам ГРК через изоляторы крепятся аноды. Магнитное поле создается с помощью электромагнитов, расположенных снаружи ГРК. Конфигурация магнитного поля задается тремя полюсными наконечниками. Внутри катодного полюсного наконечника расположен полый катод. Эмиттер выполнен из гексаборида лантана. Рабочее тело (ксенон) подается в ГРК через коллектор, расположенный в группе плазменного, ускоряющего и замедляющего электродов. Замедляющий электрод выполнен в виде кольца, охватывающего весь ионный пучок. Снаружи расположен катод-нейтрализатор. Согласно аналогу RU 2585340 С1, газоразрядный узел является основной частью ВЧ ИД, с помощью которой обеспечивается генерация плазмы в газообразной рабочей среде, а также извлечение и дальнейшее ускорение потока ионов. Газоразрядный узел, входящий в состав ВЧ ИД, подключается к системам подачи рабочего тела, электропитания и управления. Газоразрядный узел включает в свой состав газоразрядную камеру, устройство ввода энергии в разрядный объем камеры и электроды ионно-оптической системы, расположенные у выходного среза газоразрядной камеры. На выходе из газоразрядного узла устанавливается нейтрализатор (компенсатор) пространственного заряда генерируемого ионного потока.In US Pat. No. 3,571,734 gas is fed into a cylindrical resonator which is subjected to axial and radial magnetic fields. To ionize the gas, an electromagnetic field is applied at the ECR frequency. In Japanese engines, xenon ionization occurs in a microwave discharge (Japanese patent JP 2856740 B2 of 06/09/1988). Along with these devices, IDs with a direct current discharge are being developed, manufactured and operated (RF patent No. 2191291). ID contains a gas discharge chamber (GDC), having the shape of a cylinder with a conical rear wall. Anodes are attached to the walls of the GDC through insulators. The magnetic field is created with the help of electromagnets located outside the GDC. The magnetic field configuration is set by three pole pieces. Inside the cathode pole piece is a hollow cathode. The emitter is made of lanthanum hexaboride. The working fluid (xenon) is supplied to the GDC through a collector located in the group of plasma, accelerating and decelerating electrodes. The retarding electrode is made in the form of a ring covering the entire ion beam. Outside there is a cathode-neutralizer. According to analogue RU 2585340 C1, the gas discharge unit is the main part of the RF ID, which provides plasma generation in a gaseous working environment, 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 systems for supplying the working fluid, power supply, and control. The gas-discharge unit includes a gas-discharge chamber, a device for inputting energy into the discharge volume of the chamber, and electrodes of the ion-optical system located at the exit section of the gas-discharge chamber. A neutralizer (compensator) for the space charge of the generated ion flow is installed at the outlet of the gas-discharge unit.

Источник ионов с высокочастотным возбуждением разряда в газоразрядной камере описан в патенте GB 1214178 А (опубликован 02.12.1970). Газоразрядный узел содержит газоразрядную камеру конической формы, выполненную из кварцевого стекла. Входной патрубок камеры соединен с системой подачи рабочего газа. С внешней стороны газоразрядной камеры установлен медный индуктор, выполненный в виде спирали, охватывающей камеру. Токоподводы спирали подключены к высокочастотному источнику электропитания (ВЧ генератору). С помощью индуктора осуществляется ввод энергии в разрядный объем камеры через прозрачные для электромагнитного поля стенки камеры и возбуждение индукционного высокочастотного разряда в среде рабочего газа.An ion source with high-frequency discharge excitation in a gas-discharge chamber is described in GB 1214178 A (published 02.12.1970). The gas discharge assembly contains a conical gas discharge chamber made of quartz glass. The inlet branch pipe of the chamber is connected to the working gas supply system. On the outer side of the gas-discharge chamber, a copper inductor is installed, made in the form of a spiral enclosing the chamber. The current leads of the spiral are connected to a high-frequency power supply (HF generator). With the help of an inductor, energy is introduced into the discharge volume of the chamber through the walls of the chamber, which are transparent for the electromagnetic field, and an inductive high-frequency discharge is excited in the working gas medium.

В патенте US 8864935 В2 (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 С2 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.US Pat. No. 8,864,935 B2 (published 10/21/2014) describes a gas-discharge ion source assembly with a gas-discharge chamber, the walls of which are made of a material permeable to an electromagnetic field, in particular, quartz glass. In the patent RU 2 445 510 C2 in ERE with a magnetic field are named formally without describing sufficient design features of the device: surface contact ionizer; an ionizer capable of ablation and ionization of solid RT; a source capable of focusing radiation on the surface of a solid RT; a source capable of focusing the electron beam on the surface of a solid RT; a source of electromagnetic field with a wavelength of less than 5 mm, acting on the RT.

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 A3160566. Изобретение 2 525 442 С2 относится к плазменному генератору и также к способу управления плазменным генератором путем контроля образовавшейся в плазменном генераторе плазмы с помощью высокочастотного переменного электрического или электромагнитного поля. При применении плазменного генератора в высокочастотном ионном двигателе подаваемый в ионизационную камеру рабочий газ (рабочая текучая среда), называемый также ионным топливом, ионизируется с помощью переменного электромагнитного поля и затем для создания тяги ускоряется в электростатическом поле системы вытягивающих решеток, предусмотренной с открытой стороны ионизационной камеры. Ионизация происходит в ионизационной камере, окруженной катушкой. В катушке протекает переменный ток высокой частоты. В группе аналогов ЭРД с электронной нейтрализацией, источниками магнитного поля и различными способами ионизации различных видов РВ представлены также разные способы и устройства для ускорения частиц.US Pat. No. 4,641,060 and US Pat. No. 5,442,185 discuss plasma ECR generators in another field that are used for vacuum pumping or ion implantation. Another example of such a plasma generator is described in US A3160566. The invention 2 525 442 C2 relates to a plasma generator and also to a method for controlling a plasma generator by controlling the plasma formed in the plasma generator using a high-frequency alternating electric or electromagnetic field. When using a plasma generator in a high-frequency ion thruster, the working gas (working fluid) supplied to the ionization chamber, also called ion fuel, is ionized by an alternating electromagnetic field and then accelerated in the electrostatic field of an extraction grid system provided on the open side of the ionization chamber to create thrust. . Ionization takes place in an ionization chamber surrounded by a coil. A high frequency alternating current flows in the coil. In the group of analogs of ERE with electronic neutralization, magnetic field sources and various methods of ionization of various types of RW, there are also different methods and devices for particle acceleration.

В патенте US-A-3 425 902 магнитная ловушка с магнитными зеркалами имеет максимальную величину поля на обоих концах камеры, в которой ионизируются газы. В заявке на Европейский патент ЕР-03290712 описан подобный ракетный двигатель малой тяги с использованием тяги, создаваемой пондеромоторной магнитной силой.In US-A-3 425 902, a magnetic trap with magnetic mirrors has a maximum field strength at both ends of the chamber in which the gases are ionized. European Patent Application EP-03290712 describes a similar thruster using ponderomotive magnetic thrust.

Изобретение RU 2 411 393 С2 относится к области космического аппаратостроения и может быть использовано для ускорения устройств, движущихся в космосе в условиях высокого вакуума. Известен ионный двигатель Deep Space, использующий в качестве рабочего вещества ионы Хе, ускоренные потенциалом 400 В. Недостатком данного двигателя является использование низкого ускоряющего потенциала, что существенно ограничивает достижимую величину тяги при малых расходах эжектируемой массы. В ионном двигателе Европейского Космического Агентства DS4G ускорение ионов Хе производится потенциалом 30 кВ через последовательно размещенные четыре решетчатых электрода с тысячей миллиметровых согласованных отверстий в каждой, с общим током примерно 100 мА. Такое устройство мало пригодно для применения в условиях использования больших разностей потенциалов, так как чревато опасностью частых пробоев или быстрым разрушением ускоряющих решеток (из-за облучения их быстрыми рассеянными ионами). Необходимость малого расхода экстрагируемой массы, максимальной износостойкости источника ионов в длительных полетах при одновременном обеспечении больших значений величины тяги требует значительного увеличения скорости истечения массы, в данном случае существенного увеличения ускоряющей ионы разности потенциалов. Если принять за норму расхода массы величину тока ионов Хе порядка 200 мА, что соответствует (при эффективности использования массы 50%) расходу массы 16.5 кг за год, при ускоряющем ионы потенциале 100 кВ тяговое усилие составит 0.1 Н и удельный импульс 3.8⋅105 сек. Указанные выше токи не могут быть получены в результате отбора ионов из плазмы источника ионов через приосевое круглое отверстие (как это обычно делается) из-за ограничения, накладываемого объемным зарядом ионов. Известен и нашел техническое применение источник ионов с кольцевой разрядной камерой и с ускорением ионов до энергий в нескольких КэВ в узком промежутке между электродами с одновременной компенсацией объемного заряда ионов электронами на выходе из источника (патент US 4122347).The invention RU 2 411 393 C2 relates to the field of spacecraft and can be used to accelerate devices moving in space in high vacuum. Known ion engine Deep Space, using as a working substance Xe ions accelerated by a potential of 400 V. The disadvantage of this engine is the use of low accelerating potential, which significantly limits the achievable thrust at low flow rates of the ejected mass. In the DS4G ion thruster of the European Space Agency, Xe ions are accelerated by a potential of 30 kV through four grid electrodes placed in series with a thousand-millimeter matched holes in each, with a total current of approximately 100 mA. Such a device is hardly suitable for use in conditions of using large potential differences, since it is fraught with the danger of frequent breakdowns or rapid destruction of accelerating gratings (due to their irradiation with fast scattered ions). The need for a low consumption of the extracted mass, maximum wear resistance of the ion source in long-term flights, while providing high thrust values, requires a significant increase in the mass outflow rate, in this case, a significant increase in the potential difference accelerating the ions. If we take the Xe ion current of about 200 mA as the mass consumption rate, which corresponds (with a mass utilization efficiency of 50%) to a mass consumption of 16.5 kg per year, at an ion accelerating potential of 100 kV, the traction force will be 0.1 N and the specific impulse 3.8⋅105 sec. The currents indicated above cannot be obtained as a result of the selection of ions from the plasma of the ion source through a paraxial round hole (as is usually done) due to the limitation imposed by the space charge of the ions. An ion source with an annular discharge chamber and with acceleration of ions to energies of several keV in a narrow gap between the electrodes with simultaneous compensation of the space charge of ions by electrons at the output of the source is known and has found technical application (patent US 4122347).

В группе аналогов ЭРД с электронной нейтрализацией, источниками магнитного поля, с различными способами ионизации разных видов РТ, разными способами и устройствами для ускорения частиц представлены устройства с дополнительными электродами. Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему, включающую по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, магнитопровод, наружный и внутренний с центральным отверстием магнитные полюса, образующие рабочий межполюсный зазор с внутренней областью, простирающейся внутри ускорительного канала, и внешней областью, простирающейся за пределами выхода ускорительного канала, анод-газораспределитель рабочего газа, расположенный в донной части полости разрядной камеры, и по меньшей мере один катод-компенсатор, размещенный в центральной полости магнитной системы и содержащий активирующий электрод с центральным отверстием (патент РФ №2030134, Н05Н 1/54, F03H 1/00). В ЭРД по изобретению RU 2 426 007 С1 для улучшения плавности режима запуска за счет устранения одной из основных причин возникновения колебаний в разрядной цепи активирующий электрод катода-компенсатора выполнен дискообразной формы из магнитопроводящего материала и размещен соосно с внешней стороны на внутреннем магнитном полюсе.In the group of analogs of ERE with electronic neutralization, magnetic field sources, with different methods of ionization of different types of RT, different methods and devices for accelerating particles, devices with additional electrodes are presented. A plasma engine with a closed electron drift is known, containing a discharge chamber with outer and inner annular walls forming an accelerating channel, a magnetic system including at least one source of magnetomotive force, a magnetic circuit, external and internal magnetic poles with a central hole, forming a working interpole gap with an inner region extending inside the accelerating channel and an outer region extending beyond the exit of the accelerating channel, an anode-gas distributor of the working gas located in the bottom part of the cavity of the discharge chamber, and at least one cathode-compensator located in the central cavity of the magnetic system and containing an activating electrode with a central hole (RF patent No. 2030134, H05H 1/54, F03H 1/00). In the EJE according to the invention RU 2 426 007 C1, to improve the smoothness of the start mode by eliminating one of the main causes of oscillations in the discharge circuit, the activating electrode of the compensator cathode is made of a disk-shaped form of a magnetically conductive material and is placed coaxially from the outside on the internal magnetic pole.

В патенте RU 2682962 C1 используется имеющийся накопитель с рабочим телом в нем, реакторную камеру, подключенную к указанному накопителю, оснащенную электродами для преобразования структуры, ионизации, ускорения и нейтрализации частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля, отличающееся тем, что в области в основном между указанным накопителем и указанной реакторной камерой имеется встроенный промежуточный активный узел, содержащий источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору.Patent RU 2682962 C1 uses an existing accumulator with a working fluid in it, a reactor chamber connected to the specified accumulator, equipped with electrodes for structure transformation, ionization, acceleration and neutralization of the particles of the specified working fluid by means of an electromagnetic field, characterized in that in the area mainly between Said drive and said reactor chamber have a built-in intermediate active assembly containing an acoustic wave source connected to an activating generator.

Каждый известный аналог представляет собой ионно-плазменное электродвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата, имеющее накопитель с рабочим телом в нем, реакторную камеру, подключенную к указанному накопителю, оснащенную электродами для преобразования структуры, ионизации, ускорения и нейтрализации частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля (ЭМП). В группе аналогов ЭРД/ИД используются управляемые ионно-плазменные, электро-разрядные, лазерные, и другие подобные реакции на основе использования ЭМП. По способу перевода рабочего тела в газофазное ионизованное состояние ЭРД/ИД разделяют на 3 группы по типу генерации ЭМП: на основе разряда постоянного тока, ВЧ-разряда или СВЧ-разряда. ЭМП обладает приемлемой эффективностью на этапе ионизации, ускорения и нейтрализации частиц для ряда веществ, но не на этапе преобразования структуры, и только для ограниченного круга избранных веществ. Не реализованы более эффективные технологии, которые применяются для ускорения протонов до релятивистских скоростей.Each known analogue is an ion-plasma electric propulsion device as part of a spacecraft, having a drive with a working fluid in it, a reactor chamber connected to the specified drive, equipped with electrodes for structure transformation, ionization, acceleration and neutralization of particles of the specified working fluid by means of an electromagnetic field (EMP). In the group of ERD/ID analogs, controlled ion-plasma, electric-discharge, laser, and other similar reactions based on the use of EMF are used. According to the method of transferring the working fluid to the gas-phase ionized state, ERE/ID are divided into 3 groups according to the type of EMF generation: based on a direct current discharge, an RF discharge, or a microwave discharge. EMF has an acceptable efficiency at the stage of ionization, acceleration and neutralization of particles for a number of substances, but not at the stage of structure transformation, and only for a limited range of selected substances. More efficient technologies that are used to accelerate protons to relativistic speeds have not been implemented.

В группе аналогов можно отнести патент 2008134386/11, US 11/365,875 использующим солнечный ветер в качестве источника тяги. Электрический парус содержит множество вытянутых электропроводных компонентов (проволок), развертываемых от корпуса КА в радиальных направлениях. Электроны стекают из проволок в корпус, так что проволоки приобретают положительный потенциал относительно окружающей плазмы. Это обеспечивает взаимодействие паруса с протонами солнечного ветра и создание необходимой тяги.In the group of analogs can be attributed patent 2008134386/11, US 11/365,875 using the solar wind as a source of thrust. The electric sail contains a plurality of elongated electrically conductive components (wires) deployed from the spacecraft body in radial directions. The electrons flow from the wires into the housing, so that the wires acquire a positive potential with respect to the surrounding plasma. This ensures the interaction of the sail with the protons of the solar wind and the creation of the necessary thrust.

Все конструкции, приведенные в выше перечисленных патентах имеют сильные конструктивные отличия от предложенной модели, где основной линией идет система ускорения заряженных частиц в сверхпроводящих резонаторах с корректировкой квадрупольными магнитами по всей длине КА, и получением кинетического импульса на каждом ускоряющем модуле и с релятивистским приростом массы частиц, учитывая высокую добротность сверхпроводящих резонаторов, получаем систему с высоким КПД преобразования электрической энергии в кинетическую, системы, описанные выше используют другие методы ускорения КА с меньшей эффективностью, что не позволяют им выйти на скорости КА приближенные к скорости света.All designs given in the above patents have strong structural differences from the proposed model, where the main line is the system of accelerating charged particles in superconducting cavities with correction by quadrupole magnets along the entire length of the spacecraft, and obtaining a kinetic pulse on each accelerating module and with a relativistic increase in particle mass , taking into account the high quality factor of superconducting resonators, we obtain a system with a high efficiency of converting electrical energy into kinetic energy, the systems described above use other methods of spacecraft acceleration with less efficiency, which do not allow them to reach spacecraft speeds close to the speed of light.

Основные решаемые задачиMain tasks to be solved

1) КА имеет простой конструктов, в виде большого линейного ускорителя заряженных частиц. Которые разгоняются электрическим полем и достигнув около световых скоростей, выбрасываются в виде реактивной струи. При этом масса частиц процессе ускорение возрастает в тысячи раз. А так как укоряется малый объем частиц, расход вбрасываемого тела может быть минимальным.1) The spacecraft has a simple construct, in the form of a large linear accelerator of charged particles. Which are accelerated by an electric field and, reaching about the speed of light, are ejected in the form of a jet stream. In this case, the mass of particles in the process of acceleration increases thousands of times. And since a small volume of particles is rooted, the flow rate of the thrown-in body can be minimal.

Линейный ускоритель заряженных элементарных частиц, для своей работы может использовать вещество, собираемое из внешнего пространства, которым могут быть ионизированные атомы водорода и электроны, чем защищает внутренние структуры КА и имеет возможность пополнять запасы расходуемого материала. Что решает одну из проблем скоростного звездного полета и использует свободные межзвездные атомы водорода. По современным оценкам в пяти кубических сантиметрах межзвездного пространства содержится примерно один такой атом. Одним из возможных решений, сбора и защиты от данных частиц будет использование электромагнитных полей, создаваемых с помощью сверхпроводящих селеноидов. То есть в процессе полета будем производить ионизацию и сбор заряженных частиц с использованием в ускорителе для создания тяги для реактивного движения.A linear accelerator of charged elementary particles for its work can use a substance collected from external space, which can be ionized hydrogen atoms and electrons, which protects the internal structures of the spacecraft and has the ability to replenish consumable material. That solves one of the problems of high-speed stellar flight and uses free interstellar hydrogen atoms. According to modern estimates, five cubic centimeters of interstellar space contains approximately one such atom. One of the possible solutions to collect and protect against these particles will be the use of electromagnetic fields created using superconducting selenoid. That is, during the flight we will produce ionization and collection of charged particles using in the accelerator to create thrust for jet propulsion.

При дальнейшем развитии технологии энергоустройств, возможно использовать собираемые атомы, в реакции термоядерного синтеза, для получения энергии для общей работы КА. И как вариант предельного развития системы, полностью замкнуть энергообеспечение и расходное вещество, на получаемое из внешнего пространства.With the further development of the technology of power devices, it is possible to use the collected atoms in the thermonuclear fusion reaction to obtain energy for the general operation of the spacecraft. And as an option for the ultimate development of the system, completely close the energy supply and consumables to those received from external space.

Итоговые премущества предложенной конструкции:The final advantages of the proposed design:

Приведенная совокупность и комбинации признаков обеспечивает получение следующих технических результатов: дает возможность позволяет создание прямоточного релятивиского реактивного двигателя, имеющего простую в изготовлении конструкцию, более эффективную и надежную при эксплуатации в составе космического аппарата. Согласно предлагаемому изобретению, может быть достигнут суммарный положительный эффект в увеличении ресурса, повышении надежности, стабильности и эффективности тяговых характеристик, и эффективности использования рабочего вещества. Использование компоновки и построения согласно предлагаемому изобретению позволяетс создать аппарат для движения в дальнем космосе защищеный от внешних воздействий (радиации и межзвезного газа) и имеющий скоросные параметры позволяющие решить задачу межзвезных перелетов.The given set and combinations of features provide the following technical results: it makes it possible to create a ramjet relativistic jet engine, which has an easy-to-manufacture design, is more efficient and reliable when used as part of a spacecraft. According to the invention, a cumulative positive effect can be achieved in increasing the resource, increasing the reliability, stability and efficiency of traction characteristics, and the efficiency of using the working substance. The use of the layout and construction according to the proposed invention makes it possible to create an apparatus for movement in deep space protected from external influences (radiation and interstellar gas) and having speed parameters that allow solving the problem of interstellar flights.

Возможные минусы описаной системы: Предложеная система имеет большие габаритные размеры и для построения использует большое количество сложных и редких материалов, для эффективной работы должна быть удалена от высоко энтенсивных источников тепла.Possible disadvantages of the described system: The proposed system has large overall dimensions and uses a large number of complex and rare materials for construction; for efficient operation, it must be removed from highly intense heat sources.

Claims (1)

Ионно-плазменное энергодвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата (КА), содержащее систему накопления и пополнения вещества из внешних источников межзвездного водорода, систему хранения и модули ионизации и предварительного ускорения протонов, систему в виде многоканального линейного ускорителя протонов для реактивного движения КА на базе ускоряющих сверхпроводниковых структур, с активной системой охлаждения и системой управления потоками ионов, системы нейтрализации протонов и вывода их в космическое пространство или на модули для получения энергии, причем система линейного ускорителя установлена на выдвигаемой телескопической конструкции, с размещением ускоряющих структур по кромке ее корпуса, выполненного из легких и прочных композитных материалов, допускающей в сложенном виде при неработающем ускорителе ее закручивание вокруг центра масс для создания искусственной гравитации.Ion-plasma power propulsion jet device as part of a spacecraft (SC), containing a system for accumulating and replenishing matter from external sources of interstellar hydrogen, a storage system and modules for ionization and preliminary acceleration of protons, a system in the form of a multichannel linear proton accelerator for jet propulsion of spacecraft based on accelerating superconducting structures, with an active cooling system and an ion flow control system, a system for neutralizing protons and launching them into outer space or to modules for generating energy, moreover, the linear accelerator system is installed on a retractable telescopic structure, with accelerating structures placed along the edge of its body, made of light and durable composite materials, which, when folded, when the accelerator is not working, can be twisted around the center of mass to create artificial gravity.
RU2020135760A 2020-10-30 Ramjet relativistic engine RU2776324C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2776324C1 true RU2776324C1 (en) 2022-07-18

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210195726A1 (en) * 2019-12-12 2021-06-24 James Andrew Leskosek Linear accelerator using a stacked array of cyclotrons

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3210026A (en) * 1963-03-08 1965-10-05 Westinghouse Electric Corp Orbiting space platform
RU2004110891A (en) * 2004-04-09 2005-10-10 Владимир Степанович Никитин (RU) METHOD FOR ENERGY ACCUMULATION AND ELECTRODYNAMIC ACCUMULATOR FOR ITS IMPLEMENTATION
WO2008081480A1 (en) * 2006-12-28 2008-07-10 Fondazione Per Adroterapia Oncologica - Tera Ion acceleration system for medical and/or other applications

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3210026A (en) * 1963-03-08 1965-10-05 Westinghouse Electric Corp Orbiting space platform
RU2004110891A (en) * 2004-04-09 2005-10-10 Владимир Степанович Никитин (RU) METHOD FOR ENERGY ACCUMULATION AND ELECTRODYNAMIC ACCUMULATOR FOR ITS IMPLEMENTATION
WO2008081480A1 (en) * 2006-12-28 2008-07-10 Fondazione Per Adroterapia Oncologica - Tera Ion acceleration system for medical and/or other applications

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
А. Владимов. Тяговые системы открытого космоса. Техника молодежи, N 11, 1973. http://go2starss.narod.ru/pub/E010_TSB.html. А. В. Багров, М. А. Смирнов. Каравеллы для звездоплавателей. "Наука и Человечество 1992-1994 год". http://go2starss.narod.ru/pub/E006_KDZ.htm. Эдгар Чуэйри. Новый рассвет электрических ракет. "В мире науки", N 5, 2009, с.34-42. http://go2starss.narod.ru/pub/E025_ID.html. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210195726A1 (en) * 2019-12-12 2021-06-24 James Andrew Leskosek Linear accelerator using a stacked array of cyclotrons

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Levchenko et al. Perspectives, frontiers, and new horizons for plasma-based space electric propulsion
EP1681465B1 (en) Systems and methods for plasma propulsion
Mazouffre Electric propulsion for satellites and spacecraft: established technologies and novel approaches
US6121569A (en) Plasma jet source using an inertial electrostatic confinement discharge plasma
Ahedo Plasmas for space propulsion
US3279176A (en) Ion rocket engine
JP6023876B2 (en) Method for generating high specific thrust and moderate thrust from fusion power rocket engine
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
Rafalskyi et al. Brief review on plasma propulsion with neutralizer-free systems
US20090229240A1 (en) Hybrid plasma fuel engine rocket
WO2020023654A1 (en) Thruster device
Gilland et al. Multimegawatt electric propulsion system design considerations
KR20010032046A (en) Inertial electrostatic confinement fusion device with gate-valve pulsing
RU2776324C1 (en) Ramjet relativistic engine
Petrescu New aircraft
Loeb Recent work on radio frequency ion thrusters
Schneider et al. Particle‐in‐Cell Simulations for Ion Thrusters
Sheth Spacecraft Electric Propulsion–A review
RU2682962C1 (en) Ionic rocket engine of spacecraft
Semyonov Relativistic rocket: Dream and reality
Lyons et al. Electric propulsion concepts enabled by high power systems for space exploration
Jordan Electric propulsion: which one for my spacecraft
RU2709231C1 (en) Membrane spacecraft ion-plasma rocket engine