Способ ускорения космического аппарата потоком заряженных частиц и устройство для его осуществления

 

Использование: в космической технике, а именно в способах и устройствах для ускорения космического аппарата КА с помощью двигателя (Д) с истекающим из него потоком заряженных частиц. Сущность: поток заряженных частиц из Д направляют под углом от 70 до 90^o к силовым линиям космического магнитного поля, посредством которого поток поворачивают, оптимально на 180^o, а затем поток улавливают воспринимающим устройством (ВУ) КА и направляют снова в Д, в котором поток дополнительно разгоняют, компенсируя его потери энергии и массы при повороте, и затем организуют его повторное истечение под тем же углом. При этом ВУ располагают от Д на расстоянии, равном диаметру дуги поворота частиц космическим магнитным полем. Поток заряженных частиц плазмы состоит из пучков электронов и ионов, у которых скорости и энергия значительно различаются, обеспечивая появление и поддержание тока в такой неизотермической плазме. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к космической технике, в частности, к способам, применяющимся для ускорения космических аппаратов потоками заряженных частиц, например, потоками ионов или электронов.

Известен способ ускорения космического аппарата (С. Д. Гришин и др. Электрические ракетные двигатели. - М. : Машиностроение, 1975, с. 60), включающий истечение рабочего тела в виде потока заряженных частиц из двигателя и создание им силы тяги на ускоряемый аппарат, например, при истечении частиц из ионного электрического двигателя.

Такой способ прост и хорошо отработан, и имеются многочисленные конструкции, реализующие этот способ.

Однако этот способ имеет малую эффективность, до 5-20% перехода кинетической энергии потока ионов в энергию космического аппарата, что вынуждает увеличивать мощность источника питания двигателя. Кроме того, здесь и расход рабочего тела достаточно велик, достигая десятков и сотен килограммов даже для межорбитальных перелетов аппаратов.

Известен способ ускорения космических аппаратов (SU, N 763523, B 64 G 1/00, 1979), включающий истечение из двигателя потока заряженных частиц и многократное прохождение потока в магнитной системе, например, между магнитными экранами двух ускоряемых аппаратов, при этом релятивистский поток ионов воздействует на магнитные поля, магнитные экраны аппаратов, создавая силу тяги и ускоряя оба аппарата в противоположные стороны.

Такой способ при многократном воздействии ионов на магнитные экраны обоих космических аппаратов позволяет добиться перехода до 80-90% кинетической энергии потока ионов в кинетическую энергию обоих аппаратов, обеспечивая высокоэффективное ускорение аппаратов и резкое снижение расхода рабочего тела двигателя.

Однако здесь необходимо использовать два ускоряемых аппарата, и одним из них является специальная разгоняющая станция большой мощности, до 10⁸-10¹⁰ Вт, так как процесс ускорения ограничивается временем такого ускорения и возможностью точного выдерживания положения этих аппаратов при больших расстояниях между ними. Здесь необходим и ускоритель релятивистских ионов соответствующей мощности, что практически превышает возможности современной ускорительной техники. Также такой способ нельзя использовать для автономных полетов космических аппаратов, что резко ограничивает возможности его применения.

Ближайшим аналогом является способ ускорения космического аппарата потоком заряженных частиц (В.П.Бурдаков, Ю.И.Данилов. Внешние ресурсы и космонавтика // М., Атомиздат, 1976, с. 207), включающий захват потока заряженных частиц воспринимающим устройством, например, магнитным диффузором, затем поступление в двигатель, в котором его ускоряют, и он истекает из двигателя, создавая силу тяги на ускоряемый аппарат.

Такой способ достаточно прост, не требует расхода рабочего тела, так как магнитный диффузор позволяет использовать внешнюю среду.

Однако для космического пространства, в том числе и около Земли, характерна низкая концентрация плазмы, поэтому для захвата больших количеств плазмы необходим мощный и тяжелый диффузор с массой до нескольких тонн и радиусом захвата до 1-100 км. Причем и здесь остается низкой эффективность перехода подведенной к потоку частиц энергии (в двигателе) в кинетическую энергию ускоряемого аппарата.

Ближайшим аналогом является также устройство для ускорения космического аппарата (В. П.Бурдаков, Ю.И.Данилов. Внешние ресурсы и космонавтика // М.: Атомиздат, 1976, с. 207), содержащее двигатель и воспринимающее устройство, например, магнитный диффузор, соединенный с источником питания.

Данное устройство обеспечивает высокоэффективный захват плазмы или потока заряженных частиц, их ускорение в двигателе и истечение с созданием силы тяги ускоряемого аппарата.

Однако из-за малой плотности захватываемого потока частиц масса диффузора достигает нескольких тонн, а также мала сила тяги и суммарный импульс, обеспечиваемый двигателем, из-за низкой эффективности перехода энергии потока частиц в кинетическую энергию ускоряемого аппарата, как и в способе, который реализуется таким устройством.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования энергии потока частиц и снижение мощности источника питания.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе ускорения космического аппарата потоком заряженных частиц, включающем захват потока заряженных частиц воспринимающим устройством, подачу потока в двигатель, ускорение посредством двигателя и организацию истечения из двигателя в заданном направлении, истечение потока из двигателя организуют в направлении под углом от 70 до 90^o к силовым линиям космического магнитного поля, посредством которого поток поворачивают оптимально на 180^o, а затем захватывают повернутый этим полем поток воспринимающим устройством и повторяют вышеуказанные операции, причем воспринимающее устройство располагают от двигателя на расстоянии, равном диаметру дуги поворота частиц космическим магнитным полем.

Истекающий из двигателя поток формируют в виде пучков электронов и ионов, в которых скорость частиц одного знака выше скорости частиц другого знака от 10 до 1000 раз, а после захвата потока воспринимающим устройством уравнивают скорости электронов и ионов.

Устройство для ускорения космического аппарата потоком заряженных частиц, содержащее двигатель и воспринимающее устройство, соединенные с источником питания, воспринимающее устройство расположено в одной плоскости с двигателем и с возможностью перемещения относительно двигателя, причем указанные двигатель и воспринимающее устройство связаны магнитами для поворота указанного потока между заданными направлениями распространения.

Указанное воспринимающее устройство выполнено в виде магнитного диффузора.

При движении потока заряженных частиц в магнитном поле каждая частица движется под действием силы Лоренца, и, например, когда вектор скорости частицы перпендикулярен к магнитным силовым линиям, частица движется по круговой орбите, по ларморовскому радиусу вокруг магнитных силовых линий. Поэтому и здесь истекающий из двигателя поток частиц, ионов или электронов описывает в космическом магнитном поле дугу без какого-либо воздействия со стороны двигателя, а только благодаря энергии космического магнитного поля, которое при этом никак не взаимодействует с двигателем или самим аппаратом. При установке воспринимающего устройства на расстоянии, равном диаметру дуги поворота частиц магнитным космическим полем, поток опишет дугу в 180^o и попадает в воспринимающее устройство, например, в магнитный диффузор, который своим магнитным полем улавливает этот повернувшийся поток и не позволяет потоку двигаться дальше и замкнуть дугу от 180 до 360^o, замкнуть круг. Причем поток от магнитного диффузора до двигателя движется по прямой линии без существенного взаимодействия с космическим магнитным полем. В двигателе поток дополнительно разгоняют до первоначальной скорости, компенсируя потери энергии потока при повороте и на ускорение космического аппарата (КА). Затем следует снова истечение потока и цикл повторяется, причем количество этих циклов определяется потерями на рассеяние частиц, на случайные пульсации магнитного поля и т.п. и может достигать 10 и более, тем самым обеспечивая соответствующее снижение расхода рабочего тела при одновременном повышении эффективности передачи кинетической энергии потока частиц ускоряемому КА. Причем использование космического магнитного поля позволяет применить многократное прохождение потока при ускорении одного самого КА. Здесь угол вектора скорости потока частиц к силовым линиям космического магнитного поля от 70 до 90^o, что соответствует небольшому дрейфу потока и вдоль силовых линий на величину, не превышающую 50% от радиуса поворота потока, тем самым упрощая определение взаимного положения двигателя и воспринимающего устройства.

Истекающий поток заряженных частиц состоит из пучков электронов и ионов, т.е. поток в целом нейтрален, так как использование чистых ионных или электронных потоков приводит к большому пространственному заряду вблизи КА, что нежелательно, а кроме того, ограничивает и силу тяги. Однако для получения направленного движения потока и возможности его поворота в космическом магнитном поле необходимо получение тока, что достигается тем, что в потоке скорость ионов выше в 10-100 раз скорости электронов, или в другом варианте - скорость электронов в 100-1000 раз больше скорости ионов, т.е. энергия электронов или ионов превышает более, чем на порядок энергию ионов или электронов соответственно. Такая неизотермическая плазма в космическом магнитном поле имеет поворот быстрых энергичных частиц под действием силы Лоренца (а в целом - сила Ампера), а медленная холодная компонента поворачивается вслед за быстрыми частицами под действием электростатических сил. После улавливания потока диффузором в воспринимающем устройстве и на начальном этапе пути к двигателю вследствие высокой концентрации плазмы происходит быстрое выравнивание скоростей ионов и электронов, и при движении такой плазмы к двигателю воздействие на нее со стороны космического магнитного поля незначительно (вследствие примерного равенства сил Лоренца на ионы и электроны), и здесь практически нет силы тяги на таком прямолинейном участке между диффузором и двигателем. Такие параметры потока частиц обеспечивают поворот потока в космическом магнитном поле при сильном воздействии этого поля на поток в пространстве вне КА при одновременно слабом воздействии поля при передаче захваченного потока на прямолинейном участке от диффузора к двигателю.

Устройство включает двигатель типа ионного ракетного (ИРД), расположенный для возможно более полного захвата потока частиц после их поворота в космическом поле. Причем двигатель расположен с возможностью перемещения относительно воспринимающего устройства типа магнитного диффузора, что позволяет варьировать скорость потока и учитывать изменение величины магнитного поля в пространстве, например, по высоте орбиты над Землей. А после захвата потока частиц диффузором поток поступает в систему магнитов для поворота потока между заданными направлениями распространения, включающую в себя 2 поворотных магнита, соединенных направляющим магнитом. При этом поток в диффузоре поступает в поворотный магнит, обеспечивающий поворот потока на 90^o к двигателю, а весь прямолинейный участок пути от диффузора до ИРД проходит внутри направляющего магнита. Причем на конце направляющего магнита установлен второй поворотный магнит - для соединения с ИРД. И использование в качестве магнитной системы двух поворотных и направляющего магнитов обеспечивает передачу практически без потерь потока от диффузора к ИРД.

На чертеже показано предложенное устройство, содержащее космический аппарат 1, к которому прикреплен двигатель 2, соединенный системой магнитов из поворотных магнитов 3 и 4 и направляющего магнита 5 с воспринимающим устройством 6, а также имеется источник питания 7.

При работе поток заряженных частиц (показан стрелкой) истекает из двигателя 2 в космическое магнитное поле (показано стрелками), под воздействием которого поворачивает по дуге в воспринимающее устройство 6, а затем следует в поворотный магнит 4, при этом происходит выравнивание скоростей частиц, и этот поток движется через направляющий магнит 5 и через поворотный магнит 3 попадает в двигатель 2, в котором с помощью энергии от источника питания 7 поток снова разгоняется и затем повторно истекает, создавая силу тяги и ускоряя космический аппарат.

Пример 1. Рассмотрим ускорение КА в магнитном поле Земли. Это поле в первом приближении является дипольным, и среднее магнитное поле, например, на высоте 1000 км имеет значение полной напряженности T = 0,28 э или T = 0,195 э на высоте 2000 км. Рассмотри ускорение КА в условиях полета на орбите высотой порядка 1000 км, а для расчетов принимаем магнитное поле вокруг КА равным T_з = 0,25 э или B_з = 2,5·10^-5 Тл. Ускорение КА осуществляют с помощью ионного РД. Принимаем исходные параметры ИРД: сила тяги R₁ = 0,5 Н, при продольной скорости ионов V_i = 100 км/с, продольной скорости электронов V_е = 10 км/с (тепловая скорость может быть и выше). При этом V_i >> V_e и T_i >> T_e, а секундный массовый расход протонов равен m_p = 5·10^-6 кг/с при абсолютном секундном расходе протонов N₁ = 3·10²¹ с^-1, что соответствует общему току I = 480 А. Такие потоки заряженных частиц создаются излучателем на основе ИРД. Форма излучателя самая различная - круглая, квадратная, прямоугольная и т.п., а сейчас наиболее отработана и технологична круглая форма. Излучатель выполнен в виде системы ионных пушек ИРД, а также установлены электроды, замедляющие ("охлаждающие") электроны. При работе пушки создают поток протонов, которые смешивают с охлажденными электронами (нейтрализация потока) и образуется поток неизотермической плазмы. В качестве источника ионов водорода используются различные конструкции пушек - газоразрядные, контактные, дуоплазматрон, все они обеспечивают среднюю плотность ионного тока до десятков-сотен А/м². Представляет большой интерес использование дуоплазматрона, при этом поток плазмы проходит через электродную систему и происходит ускорение ионов с одновременным замедлением электронов. Принимаем поток заряженных частиц из излучателя ИРД в виде круга радиусом r_и=10 м. Тогда при площади излучателя S_и = 314 м² плотность тока 1,6 А/м² на уровне современных ИРД . Поток имеет плотность H ≳ 400 = 1,6·1-^-13 кг/м³ при концентрации n_и = 10¹⁴ м^-3 = 10⁸ см^-3 и давлении P_ги = 1,6·10^-3 Н/м². При поле B_з = 2,5·10^-5 Тл магнитное давление поля Земли равно P_м = 2,5·10^-4 Н/м², и P_м < P_ги. Поэтому на выходе из излучателя происходит расширение потока (на длине порядка 15 м для данного примера) до уровня концентрации неизотермической плазмы n примерно 10⁷ см^-3, что соответствует примерному равенству P_м ρ_n P_r. После этого начинается интенсивное взаимодействие плазмы и магнитного поля Земли. Реальная картина потока плазмы сложнее из-за наличия слоев плазмы различной плотности и скорости, что увеличивает разброс параметров относительно некоторого среднего значения. Однако для оценки движения потока вполне допустимо использование средних параметров потока. Такая плазма имеет малую электропроводность (по известным данным и расчетам, здесь опущенным), на 2-5 порядков меньше электропроводности меди. Значит, при движении в магнитном поле плазма практически не вытесняет магнитные силовые линии поля Земли, и движение протонов близко к идеальному случаю движения пучка заряженных частиц в поле Земли. При работе поток неизотермической плазмы в магнитном поле Земли под действием сил Лоренца, а в целом - силы Ампера, поворачивается по дуге со средним радиусом поворота 40 м, а диаметр поворота D = 80 м. Значит, на расстоянии D = 80 м от оси излучателя ИРД расположено воспринимающее устройство в виде магнитного диффузора. Известная конструкция магнитного диффузора представляет собой кольцевой виток или несколько слоев витков катушки с радиусом r₁. Магнитное поле диффузора захватывает плазму с радиусом r_м, в дипольном приближении. Принимая r₁ = 5 м, напряженность поля диффузора на радиусе r₁ равна Н₁ = 5,4·10³ А/м или B₁ = 0,065 Тл, получаем, что радиус захвата плазмы r_м = 30 м для напряженности поля, захватывающего плазму на радиусе r_м Н_м ≃ (1,1-2) Н_з = 20-25 А/м, причем захват начинается в 15-20 м от плоскости диффузора. Отметим, что диаметр поворота D = 80 м при радиусе потока из излучателя r_и = 10 м, и D - r_и = 70 м > r_м = 30 м, а это значит, что поле диффузора практически не оказывает влияния на расширение потока плазмы из излучателя и на поворот потока магнитным полем Земли. Для радиуса с Н₁ = 5,4·10³ А/м требуемая суммарная сила тока в витке диффузора I_д = 1,35·10⁴ А. Для диффузора, пусть и с большим радиусом, с таким слабым полем применимы практически все типы магнитных конструкций и материалов, как традиционные сверхпроводники типа Nb₃Al в алюминиевой матрице и т.п., так и высокотемпературные сверхпроводники на азотном охлаждении на основе керамики, вплоть до высокоэнергетических магнитных сплавов. Итак, на повернувшийся в магнитном поле Земли поток плазмы накладывается сильное (по сравнению с земным) поле диффузора, которое захватывает и направляет поток в диффузор, где поток приобретает радиус 2-5 м. Пройдя через диффузор, плазма попадает в систему магнитов, соединяющих диффузор и двигатель - излучатель ИРД, состоящая из двух поворотных и одного направляющего магнитов. Плазма из диффузора попадает в поворотный магнит, обеспечивающий ее поворот на 90^o. Конкретная конструкция поворотного магнита может быть различной, например, в виде изогнутого соленоида, трубы, с полем примеино 8·10³ А/м и длине 10-20 м; или в виде системы миниатюрных магнитов, расположенных по изогнутой поверхности, поворачивающейся на 90^o. И после этого поворотного магнита плазма попадает в направляющий магнит, выполненный в виде длинного соленоида, соединяющего два поворотных магнита. Длина направляющего магнита l_н = 60-80 м при его радиусе 1-5 м, то есть имеет внушительные габариты. Однако слабое поле - на концах соленоида поле 6·10³ А/м, приводит к тому, что объем поля до 10⁴ м³ дает энергию поля менее 10⁶ Дж, т.е. слабый магнит. Пройдя через направляющий магнит, плазма попадает на поворотный магнит перед излучателем, конструктивно аналогичный поворотному магниту, соединенному с диффузором, и имеет одинаковые с ним характеристики. При повороте плазмы в поворотных магнитах возникает сила тяги на магниты вследствие изменения вектора количества движения плазмы, возникновения динамического давления на оба магнита, и его величина равна удвоенному количеству движения плазмы из излучателя ИРД. Тогда сила тяги подобного устройства в идеальном случае равна величине 2·R₁ = 1,0 Н. В реальных условиях из-за потерь энергии и массы сила тяги на КА равна R = (1,6-1,9)·m_iV_i = 0,8-0,9 H. Подчеркнем, что в направляющем магните из-за быстрого выравнивания скоростей протонов и электронов плазма течет без значительного воздействия со стороны магнитного поля Земли (протонный ток падает на один-три порядка). Далее плазма идет в излучатель, где ионы ускоряют до V_i = 100 км/с с добавлением потерянной части ионов (их массы) и компенсируя потери энергии ионов. На плазму налагают и электростатическое поле, замедляющее, "охлаждающее" электроны до первоначальной продольной скорости V_e << V_i. И, пройдя через ионные пушки ИРД, поток неизотермической плазмы снова истекает в космическое пространство, и цикл движения плазмы повторяется, и так повторяется многократно. Масса всех магнитов - диффузора, двух поворотных и направляющего магнитов не превышает 300 кг. Такая малая масса объясняется тем, что, несмотря на большие габариты системы, здесь применяется малое магнитное поле с небольшой энергией в сочетании с использованием плазмы малой плотности. Отметим, что применение новой высокотемпературной сверхпроводящей керамики снижает массу до 70-150 кг. Из других вспомогательных систем устройства отметим, что для первоначального запуска, старта и последующих запусков ИРД при случайной потере потока установлен аккумулятор энергии емкостью до 5·10⁴ Дж и массой 1-10 кг (конденсаторы, батарея и т.п.) Итак, истекающий из излучателя поток плазмы совершает замкнутый путь с общей длиной пути потока L_п = 250-300 м. При V_i = 100 км/с время одного цикла обращения плазмы порядка ≃ = 3·10^-3 с, при этом масса протонов на длине L_п составляет до m_p1 = 1,7·10^-8 кг/с. В идеальном случае при отсутствии потерь массы этот расход массы может вращаться длительное время при условии подвода энергии для компенсации затраченной энергии. Однако в реальных условиях наблюдаются потери ионов и поэтому необходима компенсация и потерь массы плазмы. Эти потери связаны с различными аномалиями, рекомбинацией ионов и т.д. Поэтому реальное снижение расхода ИРД - от 2 до 1000 раз. Рассмотрим динамику работы в зависимости от внешних условий. Вышеприведенный расчет соответствует высоте Н = 1000 км. Однако такой двигатель вполне применим и на более низкой орбите вплоть до высоты Н τ_n 400 км, и ограничением является высокая плотность атмосферы, что приводит к недопустимо высоким потерям энергии и рассеянию ионов потока плазмы на атомах атмосферы. Такое устройство обеспечивает возможность перемещения диффузора и направляющего магнита относительно излучателя на расстояние от 40 до 200 м. Это достигается тем, что имеется штанга, к которой крепятся отдельные витки направляющего магнита, а на одном из концов закреплен излучатель (неподвижно, жестко), и на другом конце - диффузор (с направляющим магнитом) с возможностью скольжения по штанге. При работе по команде с КА витки магнитов смещаются вдоль штанги на требуемое расстояние. Это движение осуществляется самыми различными конструкциями, например, с помощью микроэлектрических двигателей или с помощью системы тросов и т.д. Отметим, что при движении КА по орбите его траектория относительно магнитного поля Земли всегда определенна, и, установив на КА магнитомер, легко определяем соотношение векторов скорости КА и магнитного поля. Это позволяет, зная пространственное положение и вектор напряженности поля Земли, а также вектор скорости движения КА относительно поля Земли, с помощью микрокомпьютера на КА автоматически определить и подобрать взаимное расположение излучателя и диффузора, обеспечивающее улавливание потока при требуемой силе тяги. Регулирование скорости ионов до скорости V_i примерно 50 км/с (за счет уменьшения ускоряющего потенциала в ИРД и т.п.) позволяет работать и при уменьшении поля. И, объединяя уменьшение V_i в 2 раза с возможностью увеличения расстояния D до 2,5 раз (с 80 м до 200 м), получаем, что предложенный способ работает до нижнего предела поля Земли в 5 раз меньше B_з для Н = 1000 км, или B_зmin = 5·10^-6 Тл, что соответствует высоте орбиты Н = 7000 км. Значит, предложенный способ позволяет транспортировать КА с высоты 400 до 7000 км, а на этих высотах работают до 80-90% всех КА. Рассмотрим ускорение КА. Сила тяги R = 0,9 Н, и при времени ускорения τ_у = 8·10⁶ с ≃ 3 месяца, для КА с массой М = 3,4 т получаем прирост скорости Δv = 2,2 км/с. При использовании традиционных ИРД с однократным использованием рабочего тела с V = 100 км/с требуемая мощность потока E_п = 45 кВт, при этом эффективность перехода кинетической энергии тела ИРД в энергию КА имеет КПД η_к = 15-20%. При использовании предложенного способа излучатель ИРД имеет силу тяги ИРД R₁ = 0,5 Н и соответственно - мощность потока, а добавка в примерно 0,4 Н появляется благодаря возврату потока рабочего тела с помощью магнитного поля Земли назад - в диффузор. Также применение магнитного поля Земли для обеспечения многократного прохождения потока плазмы повышает КПД перехода энергии потока в энергию КА до η_к≃ 50-80%. И в такой установке мощность излучателя уменьшается в 3-6 раз, с 45 кВт до 7-15 кВт, в среднем - до 10 кВт. Это позволяет применять ИРД и энергоустановки меньшей мощности и более легкие, а также уменьшить расход рабочего тела, тем самым подобная установка на 30-40% легче традиционного ИРД.

Пример 2. Рассмотрим ускорение КА с помощью неизотермической плазмы, в которой скорость и энергия электронов выше параметров ионов, и V_e >> V_i. Конструкция магнитной системы полностью одинакова с конструкцией по примеру 1. К небольшим отличиям относится выполнение излучателя с ускорением электронов электрическим полем электродов с одновременным замедлением ионов на электродах, т. е. это плазменный источник электронов, обеспечивающий получение неизотермической плазмы с электронным током. Возможны и некоторые другие мелкие отличия в конструкции установки (не приводимые здесь). При работе двигателя на высоте Н = 1000 км все геометрические размеры и массы систем остаются теми же, что и в примере 1, при условии равенства ларморовского радиуса поворота частиц, равного 40 м, что соответствует необходимой скорости электронов V_e = 1,8·10⁵ км/с и энергии 90 кэв, что полностью реализуется современными электронными пушками. При этом сила тяги одинакова с примером 1, так как здесь осуществляется переход кинетической энергии электронов в процессе многократного воздействия на двигатель и магниты в кинетическую энергию ускоряемого КА. Отметим, что благодаря высокой скорости электронов время одного цикла излучатель-диффузор-магнитная система-излучатель на 3 порядка меньше, чем в ионной установке, и тем самым обеспечивается одинаковая средняя за 1 с сила тяги (хотя за один оборот-цикл ионная установка и дает значительно большую силу тяги). Отметим, что электроны имеют более слабое взаимодействие с внешней средой, с атомами атмосферы, поэтому принципиально электронная двигательная установка может использоваться до высоты 180-200 км. А нижний предел энергии электронов равен порядка 4 эв при скорости 1,2·10³ км/с, что в сочетании с регулированием расстояния между диффузором и излучателем позволяет работать до нижнего предела поля Земли B_зmin = 6,8·10^-8 Тл, соответствующего высоте орбиты КА с Н = 52000 км. Значит, электронная установка позволяет перемещать КА с высоты орбиты в 180-200 км до высоты порядка 50000 км с помощью изменения параметров неизотермической плазмы с электронным током в сочетании с регулированием расстояния между излучателем и диффузором. Отметим, что для электронной установки величина B_зmin всего на порядок меньше межпланетного магнитного поля, поэтому принципиально предложенный способ применим и для ускорения межпланетных КА (правда, габариты магнитной системы будут очень большими). В перспективе предложенный способ применим и для создания двигателей, работающих в магнитных полях других планет и их спутников.

Итак, предложенный способ и устройство обеспечивают высокую эффективность перехода энергии рабочего тела двигательной установки в кинетическую энергию КА с КПД до 50-80% при автономном разгоне КА. Многократное прохождение рабочего тела за счет использования энергии магнитного поля внешней среды снижает расход рабочего тела в 2-1000 раз. При этом двигательная установка имеет уменьшенную в 2-6 раз мощность источника питания и массу на 30-40% меньше по сравнению с традиционным ИРД. Предложенные способ и устройство найдут применение для создания двигателей, используемых для ускорения космических аппаратов.

Формула изобретения

1. Способ ускорения космического аппарата потоком заряженных частиц, включающий захват потока заряженных частиц воспринимающим устройством, подачу потока в двигатель, ускорение посредством двигателя и организацию истечения из двигателя в заданном направлении, отличающийся тем, что истечение потока из двигателя организуют в направлении под углом от 70 до 90^o к силовым линиям космического магнитного поля, посредством которого поток поворачивают, оптимально на 180^o, затем захватывают повернутый этим полем потока воспринимающим устройством и повторяют вышеуказанные операции, причем воспринимающее устройство располагают от двигателя на расстоянии, равном диаметру дуги поворота потока частиц космическим магнитным полем.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что истекающий из двигателя поток формируют в виде пучков электронов и ионов, в которых скорость частиц одного знака выше скорости частиц другого знака от 10 до 1000 раз, а после захвата потока воспринимающим устройством уравнивают скорости электронов и ионов.

3. Устройство для ускорения космического аппарата потоком заряженных частиц, содержащее двигатель и воспринимающее устройство, соединенные с источником питания, отличающееся тем, что воспринимающее устройство расположено в одной плоскости с двигателем и с возможностью перемещения относительно двигателя, причем указанные двигатель и воспринимающее устройство связаны магнитами для поворота указанного потока между заданными направлениями распространения.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что указанное воспринимающее устройство выполнено в виде магнитного диффузора.

РИСУНКИ

Рисунок 1