Генератор электрического тока на потоке плазмы

Изобретение относится к области электротехники, в частности к генератору электрического тока, работающему на потоке плазмы, и может быть использовано для получения электрического тока и питания им систем и агрегатов спускаемых аппаратов космических кораблей. Генератор электрического тока на потоке плазмы содержит корпус, с одной стороны которого выполнено основное отверстие, а с обратной стороны - дополнительное сквозное отверстие, соосное основному. Между поверхностями основного и дополнительного отверстий перпендикулярно им в корпусе выполнена кольцевая полка. В основное отверстие установлена по посадке полая трубка, контактирующая с кольцевой полкой. Внутри к полой трубке ребрами крепится цилиндрический резонатор, с одной стороны которого, противоположной кольцевой полке корпуса, выполнено глухое осевое отверстие, соосное основному отверстию корпуса. Соосно основному отверстию корпуса перед резонатором с зазором установлено сопло, выполненное заодно с конфузором и снабженное цилиндрической направляющей, которая контактирует с полой трубкой. Поверх полой трубки установлена катушка, подсоединенная к средствам коммутации с потребителями. Полая трубка с резонатором и ребрами, сопло и корпус выполнены из диэлектрического жаростойкого термоизолирующего материала. Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы устройства. 2 ил.

 

Изобретение относится к устройствам, преобразующим энергию потока плазмы в электрическую энергию, и может быть использовано для получения электрического тока и питания им систем и агрегатов спускаемых аппаратов космических кораблей.

Известен генератор на потоке плазмы - нагреватель воды [1], содержащий устройство для создания нестационарного (пульсирующего) потока плазмы (газоразрядную лампу - полую трубку из диэлектрического материала, имеющую электроды), расположенное в емкости с нагреваемой водой, а также генератор нестационарного (импульсного) тока, соединенный с электродами устройства для создания в лампе нестационарного (пульсирующего) потока плазмы.

Такой генератор на потоке плазмы - нагреватель воды обладает высоким значением кпд, однако для его работы необходим внешний генератор нестационарного (импульсного) тока, который представляет собой сложный электронный агрегат для обеспечения импульсного режима работы газоразрядной лампы, обладающий как собственной вероятностью безотказной работы, так и собственной массой, что сужает область его применения из-за снижения надежности.

Для управления рулевыми и тормозными поверхностями спускаемых аппаратов космических кораблей требуется источник энергии, который, как правило, обладает значительной массой и который приходится выводить на орбиту. С другой стороны, спускаемые аппараты космических кораблей при вхождении с космической скоростью в верхний разряженный слой атмосферы, состоящий из заряженных частиц (ионосфера), по существу, окружены потоком плазмы, но этот поток является большей частью стационарным. Поэтому было бы полезно иметь генератор электрического тока, преобразующий энергию потока плазмы (например, потока огня или потока заряженных частиц) в электрическую энергию без помощи внешнего генератора нестационарного (импульсного) тока.

Автору известен также генератор Гартмана [2], предназначенный для преобразования набегающего стационарного сверхзвукового газового потока в нестационарный, сопровождаемый колебаниями скачков уплотнения и излучением мощных акустических волн, однако применение его в генераторах электрического тока на потоке плазмы автору не известно.

В качестве прототипа выбран генератор электрического тока на потоке плазмы - конвектор Шоулдерса [3], содержащий разрядную полую трубку из диэлектрического материала, на одном конце которой установлен электрод-излучатель с тонким острием, а на другом конце - электрод-мишень с плоским торцом, при этом поверх внешней поверхности вакуумной полой трубки установлена катушка, выводные провода которой замкнуты на нагрузку, а излучатель и мишень соединены с генератором нестационарного (импульсного) тока, при этом в разрядной полой трубке между излучателем и мишенью генерируется нестационарный (пульсирующий) поток плазмы.

Такой генератор электрического тока на потоке плазмы обладает еще более высоким значением кпд, однако для его работы также необходим внешний генератор нестационарного (импульсного) тока, что по этой же причине сужает область его применения в космической технике из-за снижения надежности и стремления уменьшить массу, выводимую на орбиту.

Задачей изобретения является получение возможности выработки генератором электрического тока на потоке плазмы электрической энергии без помощи внешнего генератора нестационарного (импульсного) тока.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и снижение массы устройства.

Технический результат достигается тем, что в известном генераторе электрического тока на потоке плазмы, содержащем полую трубку из диэлектрического материала, на внешней поверхности которой установлена катушка с выводными проводами, в отличие от прототипа в него введены сопло и резонатор, при этом резонатор выполнен цилиндрической формы и соосно размещен внутри полой трубки, а полая трубка с резонатором и сопло, выполненное заодно с конфузором и снабженное цилиндрической направляющей со стороны конфузора, соосно установлены по посадке в основном отверстии корпуса, выполненном с одной стороны корпуса, при этом с обратной стороны корпуса выполнено сквозное дополнительное отверстие с диаметром, меньшим основного отверстия, и соосное с ним, причем между поверхностями основного и дополнительного отверстий перпендикулярно им в зоне корпуса, противоположной соплу, выполнена кольцевая полка, при этом резонатор с помощью одного и более ребер соединен с внутренней поверхностью полой трубки, а оба конца резонатора выполнены обтекаемой формы, причем с одного конца резонатора, размещенного перед соплом с зазором, выполнено соосное продольной оси резонатора глухое осевое отверстие, при этом полая трубка одним своим торцом контактирует с кольцевой полкой корпуса, а другим - с торцом цилиндрической направляющей сопла, жестко закрепленного в корпусе, внешняя поверхность которого с обоих его концов выполнена обтекаемой формы, при этом диаметр дополнительного отверстия корпуса равен диаметру внутренней поверхности полой трубки, а на поверхности основного отверстия корпуса в зоне, ограниченной плоскостями, перпендикулярными оси основного отверстия корпуса и проходящими через концы цилиндрической части резонатора, выполнена цилиндрическая кольцевая полость, с обоих концов снабженная сквозными радиальными отверстиями, оси которых лежат в одной плоскости, причем в цилиндрической кольцевой полости корпуса размещена катушка, каждый из двух выводных проводов которой размещен в соответствующем сквозном радиальном отверстии в корпусе и подсоединен к средствам коммутации с потребителями, а полая трубка с резонатором и ребрами, сопло и корпус выполнены из жаростойкого термоизолирующего материала.

В таком генераторе электрического тока на потоке плазмы стационарный поток заряженных частиц (плазма), обтекающий спускаемый аппарат космического корабля, улавливается конфузором и направляется в слабо сужающееся сопло, после которого поток затормаживается в глухом осевом отверстии резонатора. После выхода из глухого осевого отверстия резонатора поток приобретает нестационарный (пульсирующий) характер. Этот нестационарный (пульсирующий) поток плазмы, протекающий между полой трубкой и резонатором, наводит в катушке переменную электродвижущую силу, в результате чего при замыкании выводных проводов катушки на нагрузку в ней течет переменный ток. Таким образом, для работы заявляемого генератора электрического тока на потоке плазмы не требуется внешний генератор нестационарного (импульсного) тока, в результате чего повышается надежность устройства и снижается его масса. Это позволяет использовать его в космической технике, например для преобразования энергии, окружающей космические корабли и их спускаемые аппараты на начальных участках траектории спуска, в электрическую энергию, которая может использоваться, в том числе для питания их приводных устройств рулевых и тормозных поверхностей.

Совокупность всех указанных существенных признаков генератора электрического тока на потоке плазмы позволяет ему вырабатывать электрическую энергию без применения внешнего генератора нестационарного (импульсного) тока, в результате чего повышается надежность устройства и уменьшается его масса.

Так как заявленная совокупность существенных признаков позволяет решить поставленную задачу, то заявленный генератор электрического тока на потоке плазмы соответствуют критерию "изобретательский уровень".

Осуществление заявленного генератора электрического тока на потоке плазмы иллюстрируется с помощью конструкционной схемы, приведенной на фиг.1 и 2.

На фиг.1 изображен общий вид генератора электрического тока на потоке плазмы, разрез.

На фиг.2 изображено сечение генератора электрического тока на потоке плазмы в плоскости, перпендикулярной его оси в зоне перед креплением резонатора ребрами к полой трубке.

Генератор электрического тока на потоке плазмы содержит корпус 1, который для исключения возникновения паразитных вихрей и скачков уплотнения предпочтительно выполнять цилиндрической формы. Внешняя поверхность корпуса 1 с обоих концов выполнена обтекаемой формы, что также необходимо для предотвращения возникновений скачков уплотнения спереди и сзади генератора электрического тока на потоке плазмы при обтекании его потоком плазмы. В корпусе 1 выполнены основное отверстие 2, соосное с ним сквозное дополнительное отверстие 10 с диаметром меньше, чем у основного, и кольцевая полка 9, поверхность которой перпендикулярна поверхностям основного отверстия 2 и дополнительного отверстия 10. В основное отверстие 2 корпуса 1 по посадке последовательно установлены полая трубка 3 с резонатором 4 внутри и сопло 6 с помощью цилиндрической направляющей 8. Выполнение диаметра дополнительного отверстия 10 в корпусе 1 с диаметром, меньшим, чем у основного отверстия 2, необходимо для того, чтобы плоскость кольцевой полки 9 была обращена в сторону полой трубки 3. Сопло 6 выполнено заодно с конфузором 7 и со стороны конфузора 7 имеет цилиндрическую направляющую 8.

Выполнение сопла 6 заодно с конфузором 7 диктуется необходимостью увеличения количества захватываемых заряженных частиц для увеличения плотности заряда при движении спускаемого аппарата в разряженном слое атмосферы и оптимизации количества деталей заявляемого генератора электрического тока на потоке плазмы. Один торец полой трубки 3 контактирует с кольцевой полкой 9 корпуса 1, а другой ее торец контактирует с цилиндрической направляющей 8 сопла 6. При этом сопло 6 для обеспечения прочности и устойчивости конструкции устройства жестко крепится к корпусу 1 (например, путем совместного сверления и установки шкантов из того же материала). Резонатор 4 для исключения возникновения паразитных скачков уплотнения, так же как и корпус 1, выполнен цилиндрической формы и с обоих его концов имеет обтекаемую форму, что необходимо для предотвращения возникновения скачков уплотнения потока, приводящих к дополнительному сопротивлению течению потока пульсирующей плазмы. Между соплом 6 и резонатором 4 имеется зазор 15, значение которого, как и другие параметры, для минимального давления на входе, определяется выражениями, приведенными, например, в [3]. В резонаторе 4 со стороны, обращенной к соплу 6, выполнено глухое, соосное с соплом 6 осевое отверстие 13, обращенное в сторону сопла 6. Резонатор 4 с помощью одного и более ребер 5 крепится к полой трубке 3, чем обеспечивается их соосность, а также свободный выход нестационарного плазменного потока из устройства.

Для того чтобы не создавать лишнего сопротивления движущемуся в зазоре 16 между внутренней поверхностью полой трубки 3 и цилиндрической частью 14 резонатора 4 потоку плазмы, предпочтительно, чтобы площадь проходного сечения зазора 16 между полой трубкой 3 и цилиндрической частью 14 резонатора 4 была равна и более площади проходного сечения зазора 15 между соплом 6 и резонатором 4. На поверхности основного отверстия 2 корпуса 1 в зоне, ограниченной плоскостями, перпендикулярными оси корпуса 1 и проходящими через концы цилиндрической части 14 резонатора 4, выполнена цилиндрическая кольцевая полость 11, с обоих концов снабженная сквозными радиальными отверстиями 17 и 18, оси которых лежат в одной плоскости. Это необходимо для минимизации величины заглубления корпуса 1 в корпус спускаемого аппарата и гарантированного свободного входа набегающего потока в конфузор 7 сопла 6 при этом. В цилиндрической кольцевой полости 11 корпуса 1 размещена катушка 12, установленная на внешней поверхности полой трубки 3. Корпус 1 необходим для защиты катушки 12 от воздействия потока плазмы, обтекающего плазменный генератор электрического тока с его внешней стороны. Выводной провод 19 катушки 12 проходит через сквозное радиальное отверстие 19 в корпусе 1, а выводной провод 20 катушки 12 проходит через сквозное радиальное отверстие 20 в корпусе 1. Выводные провода 19 и 20 катушки 12 подсоединяются к средствам коммутации с потребителями 21, которые могут быть выполнены в виде электрических соединителей, контактов, клемм и т.п.

Цилиндрический корпус 1, сопло 6, резонатор 4 с ребрами 5 и полая трубка 3 должны быть выполнены из жаростойкого термоизолирующего материала, что необходимо для защиты катушки 12 от термического и механического воздействий со стороны потока горячей плазмы, а материал полой трубки 3 должен быть к тому же еще и диэлектрическим. Таким материалом может быть, например, материал, применяемый для изготовления защитных плиток корпуса орбитального корабля многоразового использования "Буран".

Диаметр сквозного дополнительного отверстия 10 должен быть равен диаметру внутренней поверхности полой трубки 3, в которой размещен резонатор 4. Это необходимо для исключения возникновения дополнительного местного сопротивления потоку пульсирующей плазмы в генераторе.

Принцип работы заявляемого генератора электрического тока на потоке плазмы состоит в следующем.

Стационарный поток заряженных частиц (плазма), обтекающий спускаемый аппарат космического корабля улавливается конфузором 7 и направляется в слабо сужающееся сопло 6, где он повышает свою плотность заряда и приобретает турбулентный характер, а после прохождения сопла 6 тормозится в глухом осевом отверстии 13, выполненном в резонаторе 4. После прохождения зазора 15 между соплом 6 и резонатором 4 турбулентный поток заряженных частиц (плазма) приобретает нестационарный (пульсирующий) характер. Этот нестационарный (пульсирующий) поток, протекающий между внутренней поверхностью полой трубки 3 и поверхностью цилиндрической части 14 резонатора 4, наводит в катушке 12 переменную электродвижущую силу, в результате чего при замыкании выводных проводов 19 и 20 катушки 12 на нагрузку в ней течет переменный ток.

Благодаря простоте конструкции и дешевизне заявляемый генератор электрического тока на потоке плазмы может являться одноразовым устройством, сгорающим в плотных слоях атмосферы. При этом по мере его выхода из строя на спускаемом аппарате могут задействоваться другие источники электрической и других энергий, обеспечивающие управляемость спускаемого аппарата на дальнейшем участке траектории его спуска.

Литература

1. Патент RU 2124681.

2. Генератор Гартмана. Физическая энциклопедия/ Гл. ред. А.М.Прохоров. Ред. кол. Д.И.Алексеев, А.М.Балдин, А.М.Бонч-Бруевич, А.С.Боровик-Романов и др. М.: Сов. Энциклопедия, 1988. Т.1, стр.418-419.

3. Патент US 5018180 - прототип.

Генератор электрического тока на потоке плазмы, содержащий полую трубку из диэлектрического материала, на внешней поверхности которой установлена катушка с выводными проводами, отличающийся тем, что в него введены сопло и резонатор, при этом резонатор выполнен цилиндрической формы и соосно размещен внутри полой трубки, а полая трубка с резонатором и сопло, выполненное заодно с конфузором и снабженное цилиндрической направляющей со стороны конфузора, соосно установлены по посадке в основном отверстии корпуса, выполненном с одной стороны корпуса, при этом с обратной стороны корпуса выполнено сквозное дополнительное отверстие с диаметром меньшим основного отверстия и соосное ему, причем между поверхностями основного и дополнительного отверстий перпендикулярно им в зоне корпуса, противоположной соплу, выполнена кольцевая полка, при этом резонатор с помощью одного и более ребер соединен с внутренней поверхностью полой трубки, а оба конца резонатора выполнены обтекаемой формы, причем с одного конца резонатора, размещенного перед соплом с зазором, выполнено соосное продольной оси резонатора глухое осевое отверстие, при этом полая трубка одним своим торцем контактирует с кольцевой полкой корпуса, а другим своим торцем контактирует с торцем цилиндрической направляющей сопла, жестко закрепленного в корпусе, внешняя поверхность которого с обоих его концов выполнена обтекаемой формы, при этом диаметр дополнительного отверстия корпуса равен диаметру внутренней поверхности полой трубки, а на поверхности основного отверстия корпуса в зоне, ограниченной плоскостями, перпендикулярными оси основного отверстия корпуса и проходящими через концы цилиндрической части резонатора, выполнена цилиндрическая кольцевая полость, с обоих концов снабженная сквозными радиальными отверстиями, оси которых лежат в одной плоскости, причем в цилиндрической кольцевой полости корпуса размещена катушка, каждый из двух выводных проводов которой размещен в соответствующем сквозном радиальном отверстии в корпусе и подсоединен к средствам коммутации с потребителями, а полая трубка с резонатором и ребрами, сопло и корпус выполнены из жаростойкого термоизолирующего материала.