RU2791084C1

RU2791084C1 - Plasma jet engine using plasma flowing through a magnetic nozzle heated by powerful electromagnetic radiation to create thrust, and a method for creating jet thrust

Info

Publication number: RU2791084C1
Application number: RU2022118365A
Authority: RU
Inventors: Илья Сергеевич Абрамов; Сергей Владимирович Голубев; Егор Дмитриевич Господчиков; Сергей Сергеевич Выбин; Иван Владимирович Изотов; Елена Михайловна Киселева; Вадим Александрович Скалыга; Александр Геннадиевич Шалашов
Filing date: 2022-07-05
Publication date: 2023-03-02

Abstract

FIELD: jet engines.

SUBSTANCE: invention relates to methods for creating jet thrust based on electrodeless plasma magnetohydrodynamics. In the proposed method, radiation of the microwave range of wavelengths is used under ECR conditions in a collisionless mode, whereas the radiation energy is transferred to the energy of electrons transverse to the magnetic field, and in the output magnetic nozzle such a spatial distribution of the magnetic field is created that provides adiabatic expansion of the plasma flow, which creates the conditions for the transition of the transverse energy of electrons to the longitudinal one, and effective acceleration of plasma ions occurs due to the ambipolar field of charge separation. The developed device uses a microwave radiation source, a quasi-optical electrodynamic system that directs radiation to a zone where ECR conditions are met and electrons are heated in a collisionless mode, the implementation of which is ensured by selecting the operating conditions of the gas puffing system.

EFFECT: increasing the efficiency of using the operating medium in jet engines by increasing its flow rate.

6 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения, а именно к способам создания реактивной тяги на основе безэлектродной плазменной магнитогидродинамики, и может быть использовано для управляемого перемещения аппаратов в космическом вакууме, в том числе орбитальных спутников.The invention relates to the field of rocket engine building, and in particular to methods for creating jet thrust based on electrodeless plasma magnetohydrodynamics, and can be used for controlled movement of vehicles in space vacuum, including orbiting satellites.

В настоящее время корректировка орбит искусственных спутников Земли в основном обеспечивается за счет плазменных ионных двигателей малой тяги, в которых для создания реактивной силы используются ускоренные ионы. Принцип действия таких двигателей основан на формировании плазмы за счет ионизации рабочего вещества, извлечении из плазмы ионов и формировании реактивной тяги за счет их ускорения электростатическими полями. По способу перевода рабочего тела в ионизованное состояние двигатели разделяют на три группы: на основе разряда постоянного тока, ВЧ разряда и СВЧ разряда, в частности с использованием ионно-циклотронного или электронно-циклотронного резонанса. Для экстракции и ускорения ионов используются различные системы ускоряющих электродов и системы компенсации ионных пучков. Энергия вылетающих ионов 2-1300 эВ (скорость 2-60 км/с), удельный импульс 200-6000 с, тяга 0,01-100 мН. Такие типы двигателей и способы создания тяги описаны в следующих работах [1-11].At present, the correction of the orbits of artificial satellites of the Earth is mainly provided by low-thrust plasma ion thrusters, in which accelerated ions are used to create a reactive force. The principle of operation of such engines is based on the formation of plasma due to the ionization of the working substance, the extraction of ions from the plasma and the formation of jet thrust due to their acceleration by electrostatic fields. According to the method of transferring the working fluid to an ionized state, the engines are divided into three groups: based on a direct current discharge, an RF discharge and a microwave discharge, in particular, using ion-cyclotron or electron-cyclotron resonance. Various systems of accelerating electrodes and ion beam compensation systems are used to extract and accelerate ions. The energy of the emitted ions is 2-1300 eV (speed 2-60 km/s), specific impulse 200-6000 s, thrust 0.01-100 mN. Such types of engines and methods for creating thrust are described in the following works [1-11].

Наиболее перспективными с точки зрения увеличения эффективности ускорения и использования рабочего вещества представляются безэлектродные двигатели на основе плазменной магнитогидродинамики, поскольку именно они могут обеспечить наибольшую скорость вытекания рабочего вещества. Двигатель такого рода описан в работах [12, 13]. В них обсуждается возможность использования для создания тяги вытекающей через магнитное сопло неравновесной плазмы, которая формируется в открытой магнитной ловушке за счет электронно-циклотронного нагрева электронов микроволновым излучением. При этом реализуется столкновительный режим нагрева с изотропным распределением электронов по энергии.Electrodeless motors based on plasma magnetohydrodynamics seem to be the most promising in terms of increasing the efficiency of acceleration and use of the working substance, since they can provide the highest speed of outflow of the working substance. An engine of this kind is described in [12, 13]. They discuss the possibility of using nonequilibrium plasma flowing through a magnetic nozzle, which is formed in an open magnetic trap due to electron-cyclotron heating of electrons by microwave radiation, to create thrust. In this case, a collisional heating regime with an isotropic distribution of electrons in energy is realized.

Другой, более продвинутой и наиболее яркой разработкой двигателя на основе плазменной магнитогидродинамики представляется самый мощный на сегодняшний день двигатель VASIMR, описанный в [14], см. также [15]. В этом двигателе используется трехступенчатый процесс подачи, разогрева и управляемого истечения плазмы из открытой осесимметричной магнитной ловушки с пробочной конфигурацией магнитного поля. Увеличенная напряженность магнитного поля в одной из крайних пробок обеспечивает преимущественное вытекание плазмы через выходную пробку - магнитное сопло. В магнитном сопле ионы двигаются по раскручивающимся спиралям вдоль расходящихся силовых линий магнитного поля, где их энергия преобразуется в энергию продольного движения, обеспечивая реактивную тягу. Для создания и нагрева плазмы используют мощное электромагнитное излучение ВЧ диапазона. В первой секции магнитной ловушки под действием ВЧ излучения поддерживается геликонный разряд, плазма которого перетекает во вторую секцию, где в условиях ионно-циклотронного резонанса происходит нагрев ионов. Этот тип двигателя имеет скорость истечения плазмы 50-300 км/с (удельный импульс 5000-30000 с) и тягу до 5,4 Н. Именно это устройство и способ создания реактивной тяги в данном двигателе выбраны в качестве прототипа.Another, more advanced and most striking development of the engine based on plasma magnetohydrodynamics is the most powerful VASIMR engine to date, described in [14], see also [15]. This thruster uses a three-stage process of supplying, heating and controlled outflow of plasma from an open axisymmetric magnetic trap with a mirror configuration of the magnetic field. The increased strength of the magnetic field in one of the extreme mirrors provides a preferential outflow of plasma through the outlet plug - the magnetic nozzle. In the magnetic nozzle, the ions move in unwinding spirals along the diverging magnetic field lines, where their energy is converted into the energy of longitudinal motion, providing jet thrust. To create and heat the plasma, powerful electromagnetic radiation of the high-frequency range is used. In the first section of the magnetic trap, under the action of RF radiation, a helicon discharge is maintained, the plasma of which flows into the second section, where ions are heated under conditions of ion-cyclotron resonance. This type of engine has a plasma flow velocity of 50-300 km/s (specific impulse 5000-30000 s) and a thrust of up to 5.4 N. It is this device and method for creating jet thrust in this engine that was chosen as a prototype.

Задачей, на решение которой направлены разработанные способ и устройство, является дальнейшее повышение эффективности использования рабочего вещества в реактивных двигателях за счет увеличения скорости его вытекания.The task to be solved by the developed method and device is to further increase the efficiency of the use of the working substance in jet engines by increasing the rate of its outflow.

Технический результат в части способа достигается за счет того, что разработанный способ создания реактивной тяги, как и способ-прототип, включает безэлектродное формирование вытекающей через магнитное сопло плазмы, создание и нагрев которой осуществляется электромагнитным излучением. Новым в разработанном способе является то, что используют излучение микроволнового диапазона длин волн в условиях электронно-циклотронного резонанса в бесстолкновительном режиме, при этом энергия излучения передается в поперечную по отношению к магнитному полю энергию электронов, а в выходном магнитном сопле создают такое пространственное распределение магнитного поля, которое обеспечивает адиабатическое расширение потока плазмы, чем создают условия для перехода поперечной энергии электронов в продольную, а эффективное ускорение ионов плазмы происходит за счет амбиполярного поля разделения зарядов.The technical result in terms of the method is achieved due to the fact that the developed method for creating jet thrust, as well as the prototype method, includes electrodeless formation of plasma flowing through a magnetic nozzle, the creation and heating of which is carried out by electromagnetic radiation. What is new in the developed method is that the radiation of the microwave range of wavelengths is used under conditions of electron cyclotron resonance in the collisionless mode, while the radiation energy is transferred into the electron energy transverse to the magnetic field, and such a spatial distribution of the magnetic field is created in the output magnetic nozzle , which provides an adiabatic expansion of the plasma flow, which creates conditions for the transition of the transverse energy of electrons to longitudinal, and the effective acceleration of plasma ions occurs due to the ambipolar field of charge separation.

Технический результат в части устройства в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что безэлектродный плазменный реактивный двигатель состоит из магнитной системы, включающей магнитную ловушку и выходное магнитное сопло и обеспечивающей вытекание плазмы преимущественно в одну сторону, системы напуска газа в магнитную ловушку, источника электромагнитного излучения, обеспечивающего эффективную генерацию и нагрев плазмы, системы согласования и ввода электромагнитного излучения в плазму. При этом выходное магнитное сопло обеспечивает адиабатическое расширение потока плазмы и ускорение ионов. Новым в предлагаемом устройстве является то, что в качестве источника электромагнитного излучения используется источник излучения микроволнового диапазона, а в качестве системы его согласования и ввода в плазму используется квазиоптическая электродинамическая система, направляющая излучение в зону, где выполняются условия электронно-циклотронного резонанса и происходит нагрев электронов в бесстолкновительном режиме, реализация которого обеспечивается подбором условий работы системы напуска газа.The technical result in terms of the device in the proposed invention is achieved due to the fact that the electrodeless plasma jet engine consists of a magnetic system that includes a magnetic trap and an output magnetic nozzle and provides plasma flow mainly in one direction, a system for injecting gas into a magnetic trap, a source of electromagnetic radiation, providing efficient generation and heating of the plasma, systems for matching and input of electromagnetic radiation into the plasma. In this case, the output magnetic nozzle provides adiabatic expansion of the plasma flow and acceleration of ions. What is new in the proposed device is that a microwave radiation source is used as a source of electromagnetic radiation, and a quasi-optical electrodynamic system is used as a system for its matching and input into the plasma, directing radiation into the zone where the conditions of electron-cyclotron resonance are met and electrons are heated in a collisionless mode, the implementation of which is ensured by selecting the operating conditions of the gas puffing system.

В частном случае реализации устройства магнитная ловушка является осесимметричной с пробочной конфигурацией магнитного поля, распределение напряженности которого вдоль оси магнитной ловушки обеспечивает преимущественное вытекание плазмы через выходную пробку, которая вместе с, по крайней мере, одной дополнительной магнитной катушкой формирует выходное магнитное сопло, в котором за счет амбиполярного поля разделения зарядов происходит ускорение ионов.In a particular case of the implementation of the device, the magnetic trap is axisymmetric with a mirror configuration of the magnetic field, the distribution of the strength of which along the axis of the magnetic trap ensures the predominant outflow of plasma through the output mirror, which, together with at least one additional magnetic coil, forms an output magnetic nozzle in which due to the ambipolar field of charge separation, the ions are accelerated.

Во втором частном случае реализация заявленного устройства магнитная ловушка является осесимметричной с пробочной конфигурацией магнитного поля, при этом величина магнитного поля в пробках одинакова, что обеспечивает вытекание плазмы из пробок в противоположные направления симметрично, а каждая пробка вместе со своей соответственно первой и второй дополнительными системами магнитных катушек формирует соответственно выходное магнитное сопло и второе выходное магнитное сопло. Причем обе дополнительные системы магнитных катушек сконструированы таким образом, что обеспечивается поворот потока плазмы на 90 градусов к оси магнитной ловушки, при этом потоки плазмы, выходящие из выходного магнитного сопла и второго выходного магнитного сопла, сонаправлены.In the second particular case, the implementation of the claimed device, the magnetic trap is axisymmetric with a mirror configuration of the magnetic field, while the magnitude of the magnetic field in the mirrors is the same, which ensures the outflow of plasma from the mirrors in opposite directions symmetrically, and each mirror, together with its first and second additional systems of magnetic coils forms respectively the output magnetic nozzle and the second output magnetic nozzle. Moreover, both additional systems of magnetic coils are designed in such a way that the plasma flow is rotated by 90 degrees to the axis of the magnetic trap, while the plasma flows emerging from the output magnetic nozzle and the second output magnetic nozzle are co-directed.

В третьем частном случае реализация устройства магнитная ловушка состоит из магнитной катушки, которая вместе с, по крайней мере, одной дополнительной магнитной катушкой образует выходное магнитное сопло, величина и пространственное распределение магнитного поля в котором подобраны таким образом, что существует зона, где в условиях электронно-циклотронного резонанса в бесстолкновительном режиме происходит эффективное поглощение электронами плазмы энергии микроволнового излучения, причем удержание плазмы обеспечивается амбиполярным полем разделения зарядов.In the third particular case, the implementation of the device, the magnetic trap consists of a magnetic coil, which, together with at least one additional magnetic coil, forms an output magnetic nozzle, the magnitude and spatial distribution of the magnetic field in which are selected in such a way that there is a zone where, under conditions of electronic -cyclotron resonance in the collisionless mode, the electrons of the plasma efficiently absorb the energy of microwave radiation, and the confinement of the plasma is provided by the ambipolar field of charge separation.

В четвертом частном случае реализация устройства магнитная ловушка состоит из магнитной катушки, которая вместе с соответственно первой и второй дополнительными системами магнитных катушек формирует соответственно выходное магнитное сопло и второе выходное магнитное сопло, причем обе дополнительные системы магнитных катушек сконструированы таким образом, что обеспечивается поворот потока плазмы на 90 градусов к оси магнитной ловушки, при этом потоки плазмы, вытекающие из выходного магнитного сопла и второго выходного магнитного сопла, сонаправлены. При этом величина и пространственное распределение магнитного поля выходного магнитного сопла и второго выходного магнитного сопла подобраны таким образом, что существуют зоны, где в условиях электронно-циклотронного резонанса в бесстолкновительном режиме происходит эффективное поглощение электронами плазмы энергии микроволнового излучения, причем удержание плазмы обеспечивается амбиполярным полем разделения зарядов в каждом из сопел.In the fourth particular case, the implementation of the device, the magnetic trap consists of a magnetic coil, which, together with the first and second additional systems of magnetic coils, respectively, forms an output magnetic nozzle and a second output magnetic nozzle, respectively, both additional systems of magnetic coils are designed in such a way that rotation of the plasma flow is ensured. 90 degrees to the axis of the magnetic trap, while the plasma flows flowing from the output magnetic nozzle and the second output magnetic nozzle are co-directed. In this case, the magnitude and spatial distribution of the magnetic field of the output magnetic nozzle and the second output magnetic nozzle are chosen in such a way that there are zones where, under conditions of electron cyclotron resonance in the collisionless mode, effective absorption of microwave radiation energy by plasma electrons occurs, and plasma confinement is provided by the ambipolar separation field charges in each of the nozzles.

Изобретение поясняется следующими фигурами.The invention is illustrated by the following figures.

На фиг.1 показана схема безэлектродного плазменного реактивного двигателя по п. 3 формулы.Figure 1 shows a diagram of an electrodeless plasma jet engine according to claim 3 of the formula.

На фиг.2 показана схема безэлектродного плазменного реактивного двигателя по п. 4 формулы.Figure 2 shows a diagram of an electrodeless plasma jet engine according to claim 4 of the formula.

На фиг.3 показана схема безэлектродного плазменного реактивного двигателя по п. 5 формулы.Figure 3 shows a diagram of an electrodeless plasma jet engine according to claim 5 of the formula.

На фиг.4 показана схема безэлектродного плазменного реактивного двигателя по п. 6 формулы.Figure 4 shows a diagram of an electrodeless plasma jet engine according to claim 6 of the formula.

Основное отличие разработанного изобретения от прототипа связано со способом передачи энергии от источника электромагнитного излучения ионам плазмы. В прототипе нагрев ионов осуществляется ВЧ излучением в условиях ионно-циклотронного резонанса, а в предлагаемом способе используется электромагнитное излучение с более высокой частотой (излучение микроволнового диапазона длин волн), что позволяет нагревать электроны плазмы в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР). Причем в устройстве реализуются условия для бесстолкновительного режима нагрева электронов плазмы, а формирование квазиоптического пучка электромагнитных волн и подача его в магнитную систему осуществляют с помощью квазиоптической электродинамической системы [16]. В этом режиме энергия микроволнового излучения передается в основном в поперечную по отношению к направлению магнитного поля компоненту энергии электронов, а функция распределения электронов по энергиям имеет рад особенностей. В бесстолкновительном режиме ЭЦР нагрева прозрачной плазмы достаточно мощным микроволновым излучением в магнитной ловушке передача энергии электронам в условиях эффективного согласования происходит до тех пор, пока электроны за счет релятивистского увеличения массы не выйдут из ЭЦР резонанса. Таким образом, функция распределения электронов имеет предельную энергию (эта энергия может достигать величины на уровне 500 кэВ), а затем резко спадает [17, 18]. Вылет энергичных электронов из магнитной ловушки в бесстолкновительном режиме осуществляют за счет диффузии электронов в конус потерь при взаимодействии с микроволновым излучением (СВЧ диффузия в конус потерь) [19, 18]. Затем при адиабатическом расширении такой плазмы в сопле со специальным распределением магнитного поля происходит трансформация поперечной энергии электронов в продольную, а за счет поля разделения зарядов происходит ускорение ионов. В стационарном случае при непрерывном режиме нагрева плазмы микроволновым излучением и постоянной скорости напуска газа в магнитную ловушку устанавливается стационарный режим течения, в котором на выходе из сопла реализуется квазинейтральный поток плазмы с одинаковыми скоростями электронов и ионов. При этом между областями нагрева и областью квазинейтрального течения образуется перепад потенциала, обеспечивающий торможение электронов и соответствующее ускорение ионов. В таком режиме величина установившегося потенциала определяется предельной энергией электронов, а в результате вся вложенная в электроны плазмы энергия переходит в кинетическую энергию ионов (при равных скоростях кинетическая энергия электронов пренебрежимо мала), таким образом формируют поток плазмы, в котором ионы имеют энергию на уровне 500 кэВ. Отметим, что в двигателе такого типа с неравновесным бесстолкновительным ЭЦР разрядом в качестве рабочего вещества целесообразно использовать водород, это обеспечивает образование плазмы с высокой, близкой к 100%, степенью ионизации. При этом, естественно, в отличие от случая с тяжелыми газами в такой плазме нет потерь, связанных с возбуждением и высвечиванием электронных степеней свободы атомов и ионов - основного канала потерь энергии в неравновесной плазме.The main difference between the developed invention and the prototype is related to the method of transferring energy from a source of electromagnetic radiation to plasma ions. In the prototype, the ions are heated by RF radiation under ion cyclotron resonance conditions, and the proposed method uses electromagnetic radiation with a higher frequency (radiation of the microwave wavelength range), which allows heating plasma electrons under electron cyclotron resonance (ECR) conditions. Moreover, the conditions for the collisionless mode of heating of plasma electrons are realized in the device, and the formation of a quasi-optical beam of electromagnetic waves and its supply to the magnetic system is carried out using a quasi-optical electrodynamic system [16]. In this mode, the energy of microwave radiation is transferred mainly to the electron energy component transverse with respect to the direction of the magnetic field, and the electron energy distribution function has a number of features. In the collisionless regime of ECR heating of a transparent plasma by sufficiently powerful microwave radiation in a magnetic trap, energy is transferred to electrons under conditions of effective matching until the electrons leave the ECR resonance due to a relativistic increase in mass. Thus, the electron distribution function has a limiting energy (this energy can reach a level of 500 keV) and then drops sharply [17, 18]. The escape of energetic electrons from a magnetic trap in a collisionless mode is carried out due to the diffusion of electrons into the loss cone when interacting with microwave radiation (microwave diffusion into the loss cone) [19, 18]. Then, during the adiabatic expansion of such a plasma in a nozzle with a special distribution of the magnetic field, the transverse energy of the electrons is transformed into a longitudinal one, and the ions are accelerated due to the charge separation field. In the stationary case, with a continuous regime of plasma heating by microwave radiation and a constant rate of gas puffing into the magnetic trap, a stationary flow regime is established, in which a quasi-neutral plasma flow with the same electron and ion velocities is realized at the nozzle outlet. In this case, a potential difference is formed between the heating regions and the quasi-neutral flow region, which ensures the deceleration of electrons and the corresponding acceleration of ions. In this mode, the value of the steady-state potential is determined by the limiting energy of the electrons, and as a result, all the energy deposited in the plasma electrons is converted into the kinetic energy of the ions (at equal velocities, the kinetic energy of the electrons is negligibly small), thus forming a plasma flow in which the ions have an energy of 500 keV. Note that in an engine of this type with a nonequilibrium collisionless ECR discharge, it is expedient to use hydrogen as a working substance, which ensures the formation of a plasma with a high degree of ionization close to 100%. In this case, naturally, in contrast to the case with heavy gases, in such a plasma there are no losses associated with the excitation and emission of the electronic degrees of freedom of atoms and ions - the main energy loss channel in a nonequilibrium plasma.

Разработанный безэлектродный плазменный реактивный двигатель состоит из магнитной системы, включающей магнитную ловушку 1 и выходное магнитное сопло 2, обеспечивающей вытекание потока 3 плазмы 4 преимущественно в одну сторону. Также двигатель включает систему напуска газа 5 в магнитную ловушку 1, источник излучения микроволнового диапазона и квазиоптическую электродинамическую систему 6 согласования и ввода его в плазму 4. Система 6 направляет излучение в зоны 7, где выполняются условия электронно-циклотронного резонанса, и происходит нагрев электронов плазмы 4 в бесстолкновительном режиме, реализация которого обеспечивается подбором условий работы системы напуска газа 5. При этом конструкция выходного магнитного сопла 2 обеспечивает адиабатическое расширение потока 3 плазмы 4 и ускорение ионов.The developed electrodeless plasma jet engine consists of a magnetic system, including a magnetic trap 1 and an output magnetic nozzle 2, which ensures the outflow of the plasma flow 3 4 mainly in one direction. Also, the engine includes a system for injecting gas 5 into a magnetic trap 1, a microwave radiation source and a quasi-optical electrodynamic system 6 for matching and introducing it into plasma 4. System 6 directs radiation into zones 7, where the conditions of electron-cyclotron resonance are met, and plasma electrons are heated 4 in a collisionless mode, the implementation of which is ensured by selecting the operating conditions of the gas puffing system 5. In this case, the design of the output magnetic nozzle 2 provides an adiabatic expansion of the plasma flow 3 4 and acceleration of ions.

В первом частном случае реализации заявленного устройства по п. 3 формулы (см. фиг.1) магнитная ловушка 1 является открытой осесимметричной магнитной ловушкой с пробочной конфигурацией магнитного поля 8. В наиболее простом случае магнитная ловушка 1 представляет собой пробкотрон, образованный двумя магнитными катушками 9, 10. Увеличенная напряженность магнитного поля 8 в одной из пробок (первая катушка 9) обеспечивает преимущественное вытекание плазмы 4 через выходную пробку (вторая катушка 10). Вторая магнитная катушка 10 вместе с дополнительной магнитной катушкой 11 формирует выходное магнитное сопло 2, в котором пространственное распределение магнитного поля 8 обеспечивает адиабатическое расширение неравновесной плазмы 4.In the first particular case of the implementation of the claimed device according to claim 3 of the formula (see figure 1), the magnetic trap 1 is an open axisymmetric magnetic trap with a mirror configuration of the magnetic field 8. In the simplest case, the magnetic trap 1 is a mirror coil formed by two magnetic coils 9 , 10. The increased strength of the magnetic field 8 in one of the plugs (the first coil 9) ensures that the plasma 4 preferentially flows out through the outlet plug (the second coil 10). The second magnetic coil 10, together with the additional magnetic coil 11, forms the output magnetic nozzle 2, in which the spatial distribution of the magnetic field 8 ensures the adiabatic expansion of the nonequilibrium plasma 4.

Создание и нагрев плазмы 4 в магнитной ловушке 1 осуществляют мощным излучением микроволнового диапазона длин волн. За счет использования квазиоптической электродинамической системы 6 и специальной системы напуска газа 5 обеспечивают бесстолкновительный режим нагрева электронов плазмы 4 в условиях электронно-циклотронного резонанса. При этом поддерживают такой режим нагрева, который позволяет создавать стационарный поток 3 неравновесной плазмы 4 в выходное магнитное сопло 2. Пространственное распределение магнитного поля 8 в выходном магнитном сопле 2 обеспечивает адиабатическое расширение потока 3 плазмы 4, чем создают условия для перехода поперечной энергии электронов в продольную, а эффективное ускорение ионов плазмы 4 происходит за счет амбиполярного поля разделения зарядов.The creation and heating of the plasma 4 in the magnetic trap 1 is carried out by powerful microwave radiation. Due to the use of a quasi-optical electrodynamic system 6 and a special gas puffing system 5, a collisionless mode of heating of plasma electrons 4 is provided under conditions of electron cyclotron resonance. At the same time, such a heating mode is maintained that allows you to create a stationary flow 3 of non-equilibrium plasma 4 into the output magnetic nozzle 2. The spatial distribution of the magnetic field 8 in the output magnetic nozzle 2 provides an adiabatic expansion of the plasma flow 3 4, which creates conditions for the transition of the transverse energy of electrons into longitudinal , and the effective acceleration of plasma ions 4 occurs due to the ambipolar field of charge separation.

Во втором частном случае реализации разработанного устройства по п. 4 формулы (см. фиг.2) предлагается организовать вытекание плазмы 4 из магнитной ловушки 1 симметрично в противоположные направления. Для этого реализуется равная напряженность магнитного поля 8 в пробках 12 и 13. Каждая пробка 12 и 13 магнитной ловушки 1 вместе со своей соответственно первой и второй дополнительными системами магнитных катушек 14, 15 формирует соответственно выходное магнитное сопло 2 и второе выходное магнитное сопло 16. Обе дополнительные системы магнитных катушек 14 и 15 сконструированы таким образом, что обеспечивается поворот потока 3 плазмы 4 на 90 градусов к оси магнитной ловушки 1. При этом потоки 3 плазмы 4, выходящие из выходного магнитного сопла 2 и второго выходного магнитного сопла 16, сонаправлены. Организация такого симметричного потока 3 из магнитной ловушки 1 позволяет избежать потерь плазмы 4 (пусть и небольших) по сравнению с использованием магнитной ловушки 1, описанной в первом частном случае реализации устройства, то есть через пробку (первая катушка 9) с увеличенной напряженностью магнитного поля 8.In the second particular case of the implementation of the developed device according to claim 4 of the formula (see figure 2), it is proposed to organize the outflow of plasma 4 from the magnetic trap 1 symmetrically in opposite directions. For this, an equal magnetic field strength 8 is realized in tubes 12 and 13. Each tube 12 and 13 of the magnetic trap 1, together with its first and second additional systems of magnetic coils 14, 15, respectively, forms an output magnetic nozzle 2 and a second output magnetic nozzle 16. Both additional systems of magnetic coils 14 and 15 are designed in such a way that rotation of the plasma flow 3 4 by 90 degrees to the axis of the magnetic trap 1 is provided. In this case, the plasma flows 3 4 coming out of the output magnetic nozzle 2 and the second output magnetic nozzle 16 are co-directed. The organization of such a symmetrical flow 3 from the magnetic trap 1 makes it possible to avoid plasma losses 4 (albeit small) in comparison with the use of the magnetic trap 1 described in the first particular case of the implementation of the device, that is, through a plug (the first coil 9) with an increased magnetic field strength 8 .

В третьем частном случае реализации разработанного устройства по п. 5 формулы (см. фиг.3) в качестве магнитной ловушки 1 используется магнитная катушка 17, которая вместе с, по крайней мере, одной дополнительной магнитной катушкой 11 образует выходное магнитное сопло 2. При этом удержание плазмы 4 обеспечивается амбиполярным полем разделения зарядов и неоднородным полем выходного магнитного сопла 2, а величина и пространственное распределение магнитного поля 8 в выходном магнитном сопле 2 подбирается таким образом, чтобы существовала зона 7, где в условиях электронно-циклотронного резонанса при многократном прохождении этой зоны 7 электронами при их осцилляциях в амбиполярной ловушке в бесстолкновительном режиме происходит эффективное поглощение электронами плазмы 4 микроволновой энергии. Причем формируется существенно анизотропная функция распределения электронов по энергии с преобладанием поперечной, по отношению к магнитному полю 8, энергии электронов, которая при адиабатическом расширении плазмы 4 в магнитном сопле 2 переходит в продольную, а ускорение ионов обеспечивается амбиполярным полем разделения зарядов. Отличительной особенностью такой конструкции двигателя является возможность образования и нагрева плазмы 4 непосредственно в магнитодинамическом сопле. При этом эффективность нагрева электронов несколько падает, зато пропадают проблемы с доставкой энергичных бесстолкновительных электронов в конус потерь. Использование такой описанной магнитной системы, в которой продольное удержание плазмы 4 обеспечивается амбиполярным полем, позволяет существенно упростить и удешевить конструкцию.In the third particular case of the implementation of the developed device according to claim 5 of the formula (see figure 3), a magnetic coil 17 is used as a magnetic trap 1, which, together with at least one additional magnetic coil 11, forms an output magnetic nozzle 2. In this case confinement of plasma 4 is provided by the ambipolar field of charge separation and the inhomogeneous field of the output magnetic nozzle 2, and the magnitude and spatial distribution of the magnetic field 8 in the output magnetic nozzle 2 is selected in such a way that zone 7 exists, where, under the conditions of electron cyclotron resonance, with repeated passage of this zone As electrons oscillate in an ambipolar trap in the collisionless regime, electrons of the plasma 4 effectively absorb microwave energy. Moreover, a substantially anisotropic electron energy distribution function is formed with a predominance of the transverse, with respect to the magnetic field 8, electron energy, which, with the adiabatic expansion of the plasma 4 in the magnetic nozzle 2, turns into a longitudinal one, and the acceleration of the ions is provided by the ambipolar charge separation field. A distinctive feature of this engine design is the possibility of the formation and heating of plasma 4 directly in the magnetodynamic nozzle. In this case, the electron heating efficiency decreases somewhat, but the problems with the delivery of energetic collisionless electrons to the loss cone disappear. The use of such a described magnetic system, in which the longitudinal confinement of the plasma 4 is provided by an ambipolar field, makes it possible to significantly simplify and reduce the cost of the design.

В четвертом частном случае реализации разработанного устройства по п. 6 формулы (см. фиг.4) магнитная ловушка 1 состоит из магнитной катушки 17, которая вместе с соответственно первой и второй дополнительными системами 14 и 15 магнитных катушек формирует соответственно выходное магнитное сопло 2 и второе выходное магнитное сопло 16. Таким образом, вытекание плазмы 4 из магнитной катушки 17 происходит в противоположные направления, а затем за счет систем 14 и 15 дополнительных магнитных катушек, каждый поток 3 плазмы 4 поворачивается под углом 90 градусов к оси магнитной катушки 17, обеспечивая тем самым направленное в одну сторону адиабатическое расширение плазмы 4 в каждом из выходных магнитных сопел 2 и 16, при котором происходит ускорение ионов. Такая магнитная система позволяет более эффективно использовать рабочее вещество, поскольку позволяет избежать потерь плазмы 4, к тому же упрощается и удешевляется конструкция.In the fourth particular case of the implementation of the developed device according to claim 6 of the formula (see Fig.4), the magnetic trap 1 consists of a magnetic coil 17, which, together with the first and second additional systems 14 and 15 of the magnetic coils, respectively, forms the output magnetic nozzle 2 and the second output magnetic nozzle 16. Thus, the outflow of plasma 4 from the magnetic coil 17 occurs in opposite directions, and then due to the systems 14 and 15 of additional magnetic coils, each stream 3 of the plasma 4 rotates at an angle of 90 degrees to the axis of the magnetic coil 17, thereby the most unidirectional adiabatic expansion of the plasma 4 in each of the output magnetic nozzles 2 and 16, in which the ions are accelerated. Such a magnetic system makes it possible to use the working substance more efficiently, since it avoids the loss of plasma 4, and the design is also simplified and cheaper.

Предложенные способ создания реактивной тяги и плазменный реактивный двигатель, в основу работы которого положен этот способ, позволяют при использовании микроволнового излучения с мощностью как в прототипе поддерживать стационарный поток 3 неравновесной водородной плазмы 4 в выходное магнитное сопло 2 апертурой 1 см с поперечной энергией электронов до 500 кэВ и плотностью на уровне 10¹² см^-3 и, соответственно, обеспечить истечение ионов со скоростями порядка 7000 км/с. При тяге в десять раз меньше, чем в прототипе, но остающейся на уровне современных электростатических ионных двигателей (ВНТ-200, SPT-50M и др.), данный двигатель обеспечивает стократно меньший расход рабочего вещества. В качестве источника излучения микроволнового диапазона можно использовать гиротроны с частотой излучения на уровне 50 ГГц с мощностью непрерывной генерации 200 кВт, КПД которых достигает 65%.The proposed method for creating jet thrust and a plasma jet engine, which is based on this method, allow using microwave radiation with a power as in the prototype to maintain a stationary flow 3 of non-equilibrium hydrogen plasma 4 into the output magnetic nozzle 2 with an aperture of 1 cm with a transverse electron energy of up to 500 keV and a density at the level of 10 ¹² cm ^-3 and, accordingly, ensure the outflow of ions with velocities of the order of 7000 km/s. With thrust ten times less than in the prototype, but remaining at the level of modern electrostatic ion engines (VNT-200, SPT-50M, etc.), this engine provides a hundred times less consumption of the working substance. Gyrotrons with a radiation frequency of 50 GHz with a continuous generation power of 200 kW, the efficiency of which reaches 65%, can be used as a microwave radiation source.

В качестве еще одного примера реализации разработанных устройства и способа можно предложить двигатель с малой тягой, в котором в качестве источников электромагнитного излучения используются менее мощные (до 10 кВт), но более эффективные (КПД на уровне 90%) генераторы с меньшей частотой излучения (порядка 5 ГГц) - магнетроны. Такие источники позволяют поддерживать стационарный поток 3 неравновесной водородной плазмы 4 в выходное магнитное сопло 2 апертурой 10 см с поперечной энергией электронов на уровне 500 кэВ и плотностью на уровне 10⁹ см^-3 и, соответственно, обеспечить истечение ионов со скоростями порядка 7000 км/с. Двигатель такого типа обеспечивает сравнимую с рядом используемых и экспериментальных электростатических ионных двигателей (BIT-3, MiXi, S-iEPS и др.) тягу порядка 1 мН, но обладает по сравнению с ними большей мощностью. За счет этого обеспечивается более высокая скорость истечения ионов (для используемых ионных двигателей типично 20-50 км/с) и, вследствие этого, также до ста раз меньший расход рабочего вещества. Отметим, что в рассматриваемом случае требования к величине напряженности магнитного поля в ловушке существенно облегчаются - для используемой частоты 5 ГГц напряженность магнитного поля, обеспечивающего нагрев электронов в ловушке в условиях электронно-циклотронного резонанса, снижается по сравнению с предыдущим примером с 2 Тл до 0,2 Тл.As another example of the implementation of the developed device and method, we can offer a low-thrust engine, in which less powerful (up to 10 kW), but more efficient (90% efficiency) generators with a lower radiation frequency (of the order 5 GHz) - magnetrons. Such sources make it possible to maintain a stationary flow 3 of non-equilibrium hydrogen plasma 4 into the output magnetic nozzle 2 with an aperture of 10 cm with a transverse electron energy of 500 keV and a density of 10 ⁹ cm ^-3 and, accordingly, to ensure the outflow of ions with velocities of the order of 7000 km/s . An engine of this type provides a thrust of the order of 1 mN comparable to a number of used and experimental electrostatic ion engines (BIT-3, MiXi, S-iEPS, etc.), but has a higher power compared to them. This ensures a higher ion outflow velocity (typically 20-50 km/s for the ion thrusters used) and, consequently, also up to a hundred times lower consumption of the working substance. Note that in the case under consideration, the requirements for the magnitude of the magnetic field strength in the trap are significantly simplified - for the used frequency of 5 GHz, the magnetic field strength, which ensures heating of electrons in the trap under conditions of electron cyclotron resonance, decreases compared to the previous example from 2 T to 0, 2 T

Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют значительно повысить эффективность использования рабочего вещества в реактивных двигателях за счет увеличения скорости его вытекания.Thus, the proposed method and device can significantly improve the efficiency of the use of the working substance in jet engines by increasing the rate of its outflow.

Источники информации:Information sources:

1. Dillon O'Reilly, Georg Herdrich, Darren F. Kavanagh «Electric Propulsion Methods for Small Satellites: A Review», section 3 - Electrostatic, Aerospace 8, 22, 2021;1. Dillon O'Reilly, Georg Herdrich, Darren F. Kavanagh "Electric Propulsion Methods for Small Satellites: A Review", section 3 - Electrostatic, Aerospace 8, 22, 2021;

2. Goebel D.M., Katz I. «Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters», Wiley, 2008;2. Goebel D.M., Katz I. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters, Wiley, 2008;

3. Гришин С.Д., Лесков Л.В., «Электрические ракетные двигатели космических аппаратов» - М: Машиностроение, 1989;3. Grishin S.D., Leskov L.V., "Electric rocket engines of space vehicles" - M: Mashinostroenie, 1989;

4. «Электрические ракетные двигатели» под редакцией Ю.А. Рыжова, М.: Мир, 1964; 4. "Electric rocket engines" edited by Yu.A. Ryzhova, M.: Mir, 1964;

5. Горшков О.А. «Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов», М - Машиностроение, 2008;5. Gorshkov O.A. "Hall and ion plasma engines for space vehicles", M - Mashinostroenie, 2008;

6. Хэмфрис Д. «Ракетные двигатели и управляемые снаряды», 1958;6. Humphreys D. "Rocket engines and guided projectiles", 1958;

7. Патент US 5241244 «Cyclotron resonance ion engine», опубл. 31.08.1993 г., МПК F03H 1/00, H01J 27/16, H01J 27/18, Н05Н 001/16;7. Patent US 5241244 "Cyclotron resonance ion engine", publ. 08/31/1993, IPC F03H 1/00, H01J 27/16, H01J 27/18, H05H 001/16;

8. Патент FR 2799576 «Radio frequency thruster motor ion source having discharge chamber tapered towards gas inlet end and acceleration grid covering open end with high frequency coil whole zone surrounding», опубл. 15.10.2004 г., МПК F03H 1/00, H01J 27/16, H01J 33/02, H05H 1/18;8. Patent FR 2799576 "Radio frequency thruster motor ion source having discharge chamber tapered towards gas inlet end and acceleration grid covering open end with high frequency coil whole zone surrounding", publ. 10/15/2004, IPC F03H 1/00, H01J 27/16, H01J 33/02, H05H 1/18;

9. Патент US 6293090 «Моге efficient RF plasma electric thruster», опубл. 25.09.2001 г., МПК F03H1/00, H05H1/00;9. Patent US 6293090 "Can efficient RF plasma electric thruster", publ. September 25, 2001, IPC F03H1/00, H05H1/00;

10. Патент US 3571734 «Method of production, acceleration and interaction of charged-particle beams and device for the execution of said mefhod», опубл. 23.03.1971 г., МПК H05H1/00, H05H1/54, H05H1/16, H05H1/18;10. Patent US 3571734 "Method of production, acceleration and interaction of charged-particle beams and device for the execution of said mefhod", publ. 03/23/1971, IPC H05H1/00, H05H1/54, H05H1/16, H05H1/18;

11. I. Levchenko, S. Xu, S. Mazouffre, D. Lev, D. Pedrini, D. Goebel, L. Garrigues, F. Taccogna, K. Bazaka «Perspectives, frontiers, and new horizons for plasma-based space electric propulsion», Phys. Plasmas 27, 020601, 2020; doi: 10.1063/1.5109141;11. I. Levchenko, S. Xu, S. Mazouffre, D. Lev, D. Pedrini, D. Goebel, L. Garrigues, F. Taccogna, K. Bazaka “Perspectives, frontiers, and new horizons for plasma-based space electric propulsion, Phys. Plasmas 27, 020601, 2020; doi: 10.1063/1.5109141;

12. S.N. Bathgate, M.M.M. Bilek, D.R. McKenzie, «Electrodeless plasma thrusters for spacecraft: a review», Plasma Science and Technology 19(8), 083001, 2017;12.S.N. Bathgate, M.M.M. Bilek, D.R. McKenzie, "Electrodeless plasma thrusters for spacecraft: a review", Plasma Science and Technology 19(8), 083001, 2017;

13. S. Peterschmitt, D. Packan, «Impact of the Microwave Coupling Structure on an Electron-Cyclotron Resonance Thruster», Journal of Propulsion and Power 37(6), 806-815, 2021;13. S. Peterschmitt, D. Packan, "Impact of the Microwave Coupling Structure on an Electron-Cyclotron Resonance Thruster", Journal of Propulsion and Power 37(6), 806-815, 2021;

14. Патент US 6334302 «Variable specific impulse magnetoplasma rocket engine», опубл. 01.01.2002 г., МПК F03H1/0093, H05B6/10;14. Patent US 6334302 "Variable specific impulse magnetoplasma rocket engine", publ. January 1, 2002, IPC F03H1/0093, H05B6/10;

15. Franklin R. Chang-Diaz, «Plasma Propulsion for Interplanetary Flight)), Thin Solid Films, Vol.506-507, 2006;15. Franklin R. Chang-Diaz, "Plasma Propulsion for Interplanetary Flight)", Thin Solid Films, Vol.506-507, 2006;

16. Патент RU 2480858 «Сильноточный источник многозарядных ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке», опубл. 27.01.2013 г., МПК H01J27/16, Н05Н1/46;16. Patent RU 2480858 "High-current source of multiply charged ions based on electron-cyclotron resonant discharge plasma held in an open magnetic trap", publ. January 27, 2013, IPC H01J27/16, H05H1/46;

17. S.V. Golubev, I.V. Izotov, D.A. Mansfeld, V.E. Semenov, «Experimental electron energy distribution function investigation at initial stage of electron cyclotron resonance discharge», Rev. Sci. Instrum. 83, 02B504, 2012, doi: 10.1063/1.3673012;17.S.V. Golubev, I.V. Izotov, D.A. Mansfeld, V.E. Semenov, "Experimental electron energy distribution function investigation at initial stage of electron cyclotron resonance discharge", Rev. sci. Instrum. 83, 02B504, 2012, doi: 10.1063/1.3673012;

18. I.V. Izotov, A.G. Shalashov, V.A. Skalyga, E.D. Gospodchikov, O. Tarvainen, V.E. Mironov, H. Koivisto, R. Kronholm, V. Toivanen, B. Bhaskar «The role of radio frequency scattering in high-energy electron losses from minimum-B ECR ion source» Plasma Physics and Controlled Fusion Plasma Phys. Control. Fusion, 63, 2021 045007 (13pp), doi.org/10.1088/1361-6587/abddf0;18.I.V. Izotov, A.G. Shalashov, V.A. Skalyga, E.D. Gospodchikov, O. Tarvainen, V.E. Mironov, H. Koivisto, R. Kronholm, V. Toivanen, B. Bhaskar “The role of radio frequency scattering in high-energy electron losses from minimum-B ECR ion source” Plasma Physics and Controlled Fusion Plasma Phys. control. Fusion, 63, 2021 045007 (13pp), doi.org/10.1088/1361-6587/abddf0;

19. С.В. Голубев, В.Г. Зорин, И.В. Плотников, С.В. Разин, Е.В. Суворов, М.Д. Токман, «ЭЦР-пробой разреженного газа в прямой магнитной ловушке при продольном вводе СВЧ-излучения», Физика плазмы, т.22, №11, с. 1007-1011, 1996.19. S.V. Golubev, V.G. Zorin, I.V. Plotnikov, S.V. Razin, E.V. Suvorov, M.D. Tokman, "ECR breakdown of a rarefied gas in a direct magnetic trap with a longitudinal input of microwave radiation", Plasma Physics, vol. 22, no. 11, p. 1007-1011, 1996.

Claims

1. A method for creating jet thrust, including electrodeless formation of plasma flowing through a magnetic nozzle, the creation and heating of which is carried out by electromagnetic radiation, characterized in that microwave radiation is used under conditions of electron cyclotron resonance in a collisionless mode, while the radiation energy is transferred to the energy of electrons transverse to the magnetic field, and in the output magnetic nozzle such a spatial distribution of the magnetic field is created that provides adiabatic expansion of the plasma flow, which creates conditions for the transition of the transverse energy of electrons to longitudinal, and the effective acceleration of plasma ions occurs due to the ambipolar separation field charges.

2. Electrodeless plasma jet engine, consisting of a magnetic system that includes a magnetic trap and an output magnetic nozzle and ensures plasma outflow mainly in one direction, a gas puffing system into a magnetic trap, an electromagnetic radiation source that provides efficient generation and heating of plasma, a matching and input system electromagnetic radiation into the plasma, while the output magnetic nozzle provides adiabatic expansion of the plasma flow and acceleration of ions, characterized in that a microwave radiation source is used as a source of electromagnetic radiation, and a quasi-optical electrodynamic system is used as a system for its matching and input into the plasma, guiding radiation into the zone where the conditions of electron-cyclotron resonance are satisfied and electrons are heated in a collisionless mode, the implementation of which is ensured by selecting the operating conditions of the gas puffing system.

3. An electrodeless plasma jet engine according to claim 2, characterized in that the magnetic trap is axisymmetric with a mirror configuration of the magnetic field, the distribution of the strength of which along the axis of the magnetic trap ensures that the plasma predominantly flows out through the output plug, which, together with at least one additional forms an output magnetic nozzle with a magnetic coil, in which ions are accelerated due to the ambipolar field of charge separation.

4. An electrodeless plasma jet engine according to claim 2, characterized in that the magnetic trap is axisymmetric with a mirror configuration of the magnetic field, while the magnitude of the magnetic field in the mirrors is the same, which ensures the outflow of plasma from the mirrors in opposite directions symmetrically, and each mirror, together with with its first and second additional systems of magnetic coils, respectively, forms an output magnetic nozzle and a second output magnetic nozzle, and both additional systems of magnetic coils are designed in such a way that the plasma flow is rotated by 90 degrees to the axis of the magnetic trap, while the plasma flows emerging from the output magnetic nozzle and the second output magnetic nozzle are co-directed.

5. An electrodeless plasma jet engine according to claim 2, characterized in that the magnetic trap consists of a magnetic coil, which, together with at least one additional magnetic coil, forms an output magnetic nozzle, the magnitude and spatial distribution of the magnetic field in which are selected in this way that there is a zone where, under the conditions of electron cyclotron resonance in the collisionless mode, the energy of microwave radiation is effectively absorbed by plasma electrons, and plasma confinement is provided by an ambipolar charge separation field.

6. An electrodeless plasma jet engine according to claim 2, characterized in that the magnetic trap consists of a magnetic coil, which, together with the first and second additional systems of magnetic coils, respectively, forms the output magnetic nozzle and the second output magnetic nozzle, respectively, and both additional systems of magnetic coils are designed in such a way that the rotation of the plasma flow by 90 degrees to the axis of the magnetic trap is ensured, while the plasma flows flowing from the output magnetic nozzle and the second output magnetic nozzle are co-directed, while the magnitude and spatial distribution of the magnetic field of the output magnetic nozzle and the second output magnetic the nozzles are selected in such a way that there are zones where, under conditions of electron cyclotron resonance in the collisionless mode, the energy of microwave radiation is effectively absorbed by the plasma electrons, and plasma confinement is provided by the ambipolar separation field shots in each of the nozzles.