Электрический ракетный двигатель

Авторы патента:

Емельянов Сергей Геннадьевич (RU)

Червяков Леонид Михайлович (RU)

Игнатенко Николай Михайлович (RU)

Черкасов Евгений Николаевич (RU)

Кобелев Николай Сергеевич (RU)

F03H1/00 - Использование плазмы для получения реактивной тяги (получение плазмы H05H 1/00)

Владельцы патента RU 2551140:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) (RU)

Изобретение относится к области создания электрических реактивных двигателей. Предлагается электрический ракетный двигатель небольшой мощности в качестве корректирующего для космического аппарата многолетнего использования с применением вместо газообразной составляющей твердого топлива в виде металла высокой плотности, преобразованного в плазменный сгусток, под действием электрического разряда. 1 ил.

Изобретение относится к области создания электрических реактивных двигателей.

Известен электрический ракетный двигатель (см. Гришин С.Д., Лесков Л.В. Электрические ракетные двигатели космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1989 г., с.163), содержащий сверхзвуковые сопла, магнитогидродинамический (МГД) ускоритель, расположенный в цилиндрической плоскости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику ЭДС, системы электропитания стационарного разряда в плазме.

Недостатком является низкая плотность, а следовательно, большой объем рабочего тела, обеспечивающего устойчивую работу двигателя при тяге, не превышающей 0,1 Н.

Известен электрический ракетный двигатель (см. патент РФ №2225533, МПК F03H 1/00, опубл. 10.03.2004), содержащий сверхзвуковые сопла, канал магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику переменной ЭДС. Это устройство снабжено импульсным высокочастотным источником напряжения, подключенным к дополнительной катушке, установленной на входе канала ускорителя, и диффузором с радиальными диэлектрическими ребрами, при этом катушка возбуждения магнитного поля подключена к источнику переменной ЭДС.

Недостатком является сложность доставки и хранения газообразного топлива, значительный его объем, а также небольшой рабочий ресурс, что практически не приемлемо для корректирующих двигателей космических аппаратов многолетнего использования.

Задачей предлагаемого изобретения является создание электрического ракетного двигателя небольшой мощности как корректирующего для космического аппарата многолетнего использования с применением вместо газообразной составляющей твердого топлива в виде металла высокой плотности, преобразованного в плазменный сгусток, под действием электрического разряда.

Технический результат достигается тем, что электрический ракетный двигатель, содержащий сверхзвуковые сопла, канал магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику ЭДС (при этом устройство снабжено импульсным высокочастотным источником напряжения, подключенным к дополнительной катушке, установленной на входе канала ускорителя, и диффузором с радиальными диэлектрическими ребрами, а катушка возбуждения магнитного поля подключена к источнику переменной ЭДС), содержит в качестве плазмообразующего вещества не газ, а твердое тело. При этом двигатель снабжен источником плазмообразующего вещества, включающим устройство подачи твердого топлива в виде проволоки из металла с высокой плотностью и электроды с фиксатором его положения.

На чертеже представлено поперечное сечение электрического ракетного двигателя.

Электрический ракетный двигатель содержит сверхзвуковые сопла 1, канал 2 магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода 3, катушку 4 возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику 5 переменной ЭДС, импульсный высокочастотный источник напряжения 6, подключенный к дополнительной катушке 7, установленной на входе в канал 2 ускорителя. Двигатель также содержит диффузор 8 с радиальными диэлектрическими ребрами 9 и источник плазмообразующего вещества 10. Источник плазмообразующего вещества 10 состоит из электродов 11 с фиксатором положения 12 твердого топлива 13 в виде проволоки из металла с высокой плотностью, а также включает устройство подачи твердого топлива 14, состоящее из бобины 15 с намотанной проволокой из металла высокой плотности и привода 16 вращения бобины 15, а также направляющего приспособления 17 для прямоточного перемещения твердого топлива 13 в источнике плазмообразующего вещества 10 и импульсного источника напряжения 18.

Электрический ракетный двигатель работает следующим образом.

Твердое топливо 13 в виде проволоки из металла с высокой плотностью из устройства подачи 14 посредством сматывания с бобины 15 при вращении привода 16 перемещается через направляющее устройство 17, где выпрямляется и прямоточно подается в источник плазмообразующего вещества 10, а при контакте с фиксатором положения 12 закрепляется на электродах 11. После этого включается система импульсного источника напряжения 18 и подается разряд между электродами 11, что способствует возникновению плазменных сгустков перед входом в сверхзвуковое сопло 1. Затем включается система, содержащая источник импульсного высокочастотного напряжения 6, который подключен к дополнительной катушке 7. Расход топлива определяется скоростью подачи проволоки, скважностью источника импульсного напряжения 18 и его мощностью.

Систему импульсного высокочастотного разряда 6 периодически включают с заданной временной скважностью, и каждое включение формирует в газовом потоке плазменный сгусток на входе канала 2 МГД ускорителя. Внешним источником переменной ЭДС создается переменный ток в катушке возбуждения 4, что порождает переменное во времени радиальное магнитное поле между полюсами коаксиального магнитопровода 3. Это генерирует вихревое электрическое поле азимутального направления. Под воздействием азимутального электрического и радиального магнитного полей из плазменных сгустков формируются самоподдерживающиеся азимутальные плазменные токовые витки (T-слои), которые, в свою очередь, действуют на газовый поток как ускоряющие поршни. После канала МГД-ускорителя ускоренный поток попадает в расширяющийся канал-диффузор 8, в котором установлены радиальные диэлектрические ребра 9. Ребра обтекаются газовым потоком, но на них разрываются электрические цепи T-слоев, что позволяет прервать электродинамическую стадию ускорения потока. В диффузоре 8, являющемся продолжением канала МГД-ускорителя, осуществляется дальнейшее ускорение газового потока за счет тепловой энергии, перешедшей из T-слоев в поток.

Предлагаемый электрический ракетный двигатель, обладая невысокой тягой, предназначен преимущественно как корректирующий периодически включаемый в работу двигатель для космических аппаратов.

Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что увеличение ресурса использования электрического реактивного двигателя как корректирующего устройства для космических аппаратов достигается путем применения, вместо газа, с известной сложностью доставки, хранения и непродолжительности использования из-за ограничений объема вмещающих резервуаров, твердого топлива в виде металла с высокой плотностью. При этом твердое топливо, например в виде проволоки, размещается в плазмообразующем устройстве между электродами и под действием импульсного напряжения испаряется, превращаясь в плазменные сгустки, разгоняемые в сверхзвуковых соплах и далее в магнитогидродинамическом ускорителе.

Кроме того, предлагаемое использование твердого топлива устраняет проблемы, связанные с доставкой и хранением газа, увеличивает полезный объем аппарата и обеспечивает практически неограниченный срок использования периодически работающего по программе корректирующего двигателя космических аппаратов.

Электрический ракетный двигатель, содержащий сверхзвуковые сопла, канал магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику ЭДС, при этом устройство снабжено импульсным высокочастотным источником напряжения, подключенным к дополнительной катушке, установленной на входе канала ускорителя, и диффузором с радиальными диэлектрическими ребрами, при этом катушка возбуждения магнитного поля подключена к источнику переменной ЭДС, отличающийся тем, что снабжен источником плазмообразующего вещества, который состоит из электродов с фиксатором положения твердого топлива в виде проволоки из металла с высокой плотностью, а также включает устройство подачи твердого топлива, состоящее из бобины с намотанной проволокой из металла высокой плотности и привода вращения бобины, а также направляющего приспособления для прямоточного перемещения твердого топлива в источнике плазмообразующего вещества и импульсного источника напряжения.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для коррекции космического аппарата (КА) с помощью электрореактивных плазменных двигателей (ЭРПД).

Ионный двигатель // 2543103

Изобретение относится к энергетике. Ионный двигатель, содержащий корпус, закрепленные жестко на наружной поверхности корпуса газоразрядную камеру и ионно-оптическую систему и катод-нейтрализатор, установленный на корпусе, при этом корпус ионного двигателя имеет торообразную форму, причем катод-нейтрализатор установлен по центральной оси корпуса, электроды ионно-оптической системы и газоразрядная камера выполнены кольцеобразной формы, при этом их внутренние поверхности по периметру жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса ионного двигателя.

Эрозионный импульсный плазменный ускоритель // 2542354

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиям и может использоваться, в частности, в качестве электроракетного двигателя. Катод (1) и два электрически изолированных анода (2, 3) образуют ускорительный канал эрозионного импульсного плазменного ускорителя (ЭИПУ).

Ускоритель плазмы // 2540140

Ускоритель плазмы предназначен для получения тяги при перемещении космических объектов и в технологии для получения композитных порошков, напыления и обработки материалов.

Плазменный двигатель на наночастицах металлов или металлоидов // 2534762

Изобретение относится к области ракетно-космической техники. Плазменный двигатель на наночастицах металлов или металлоидов содержит последовательно расположенные камеру сгорания, один вход в которую служит для ввода твердых наночастиц металла или металлоида в качестве топлива, а другой - для ввода окислителя топлива в виде водяного пара или кислорода, при смешении которых в камере возникает горение, хемоионизационные реакции окисления, дающие тепловой эффект, высокие температуры и образование нагретой плазмы, содержащей жидкие оксиды металлов или металлоидов, устройство охлаждения плазмы до температуры ниже температуры плавления полученных оксидов и образования в нагретой плазме твердых пылевых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов, электростатическое или электромагнитное разгонное устройство, которое разгоняет электростатическим или электромагнитным полем истекающую из устройства охлаждения нагретую плазму и создает высокоскоростной поток нагретой пылевой плазмы с высокоскростными отрицательно заряженными оксидами металлов или металлоидов, который истекает в окружающую среду и создает реактивную тягу двигателя.

Ионный двигатель для космического аппарата // 2533378

Группа изобретений относится к ионному двигателю (ИД) для космического аппарата и способу его эксплуатации. ИД (1) включает в себя ионизационную камеру (2) с высокочастотным генератором (4) ионизирующего электромагнитного поля.

Плазменный реактивный двигатель на основе эффекта холла // 2527267

Изобретение относится к плазменному маневровому реактивному двигателю на основе эффекта Холла, используемому для перемещения спутников с помощью электричества. Плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла содержит основной кольцевой канал ионизации и ускорения.

Катод плазменного ускорителя (варианты) // 2522702

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно, к широкому классу плазменных ускорителей (холловских, ионных, магнитоплазмодинамических и др.), использующих в своем составе катоды.

Способ ускоренных испытаний катодов плазменных двигателей и устройство для его осуществления // 2521823

Группа изобретений относится к области электрореактивных двигателей, а именно к классу плазменных ускорителей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды.

Средство для перемещения в космическом пространстве // 2520856

Изобретение относится к реактивным средствам перемещения преимущественно в свободном космическом пространстве. Предлагаемое средство перемещения содержит корпус (1), полезную нагрузку (2), систему управления и не менее одной кольцевой системы сверхпроводящих фокусирующе-отклоняющих магнитов (3).

Двигатель с замкнутым дрейфом электронов // 2554702

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей. В двигателе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем электромагнит, магнитопровод с полюсами, анод и катод-нейтрализатор, жестко связанные с магнитопроводом, и расположенную внутри него кольцевую разрядную камеру, закрепленную на фланце, подпружиненном относительно магнитопровода, фланец с закрепленной на нем кольцевой разрядной камерой соединен со стержнем, другой конец которого прикреплен к магнитопроводу, причем стержень выполнен из материала, обладающего скоростью ползучести, равной линейной скорости эрозии стенок разрядной камеры. Использование изобретения позволяет непрерывно восстанавливать геометрию подверженной катодному распылению разрядной камеры, многократно увеличивая ресурс и при этом сохраняя характеристики двигателей во все время эксплуатации. 3 ил.

Плазменный реактивный двигатель на основе эффекта холла // 2555780

Изобретение относится к плазменному реактивному двигателю на основе эффекта Холла. Двигатель содержит окружающий основную ось кольцевой выпускной канал, который имеет открытый нижний по потоку конец и ограничен внутренней стенкой и наружной стенкой, катод, магнитный контур для создания магнитного поля в канале, трубопровод для подачи способного к ионизации газа в канал. Анод, расположенный в верхнем по потоку конце канала, служит также распределителем, обеспечивающим течение способного к ионизации газа в зону ионизации канала по концентрической траектории вокруг основной оси. Распределитель совместно с внутренней и наружной стенками ограничивает в направлении снизу вверх по потоку кольцевую выходную полость, которая выходит в зону ионизации канала и кольцевую промежуточную полость. При этом выходные отверстия соединяют промежуточную полость с выходной полостью. Использование изобретения позволяет устранить закручивание вокруг оси двигателя потока ионов на выходе выпускного канала. 16 з. п. ф-лы, 11 ил.

Система хранения и подачи иода // 2557789

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей, в частности к системам хранения и подачи в них рабочего тела (иода). В системе хранения и подачи иода, содержащей снабженную нагревателем цилиндрическую емкость с иодом, которая сообщена с электроракетным двигателем трубопроводом с клапаном, на днище внутри цилиндрической емкости со стороны трубопровода установлена пористая шайба, контактирующая с кристаллическим иодом, причем цилиндрическая емкость со стороны, противоположной трубопроводу, содержит фланец и подпружиненный относительно него поршень, контактирующий с другой стороны с кристаллическим иодом, при этом нагреватель снабжен электрической изоляцией, контактирующей снаружи с днищем емкости со стороны трубопровода. Причем в системе подачи иода поршень выполнен составным в виде наружного стакана, контактирующего с цилиндром емкости, и вставленного в него внутреннего стакана, при этом днища стаканов обращены в разные стороны и между его днищами установлена пружина. Изобретение направлено на обеспечение стабильной подачи иода при любом расположении цилиндрической емкости в условиях гравитации и микрогравитации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Электроракетная двигательная установка, способ остановки электроракетного двигателя в такой установке и спутник, содержащий такую установку // 2562338

Изобретение находит использование в спутнике. Электроракетная двигательная установка содержит, по меньшей мере, один электродвигатель (10), систему питания двигателя (10), содержащую резервуар (1) высокого давления для ионизируемого газа, буферный резервуар (2) низкого давления, связанный с резервуаром (1) высокого давления с помощью клапана (5, 6), и систему трубопроводов для передачи газа от буферного резервуара (2) низкого давления к аноду (26) и катоду (40) двигателя. Буферный резервуар (2) низкого давления находится в открытом сообщении с двигателем (10). Электроракетная двигательная установка содержит средства для обнаружения того, что сила тока разряда между анодом (26) и катодом (40) ниже пороговой величины, и для отсечения напряжения разряда в результате этого обнаружения. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Система управления электрическим ракетным двигателем // 2564154

Изобретение относится к средствам управления электрическими ракетными двигателями с индукционным возбуждением разряда в газоразрядной камере. Устройство генерации ВЧ энергии содержит микроконтроллер (8), усилитель мощности (3) и источник (6) электропитания усилителя мощности. Микроконтроллер (8) выполнен с аналого-цифровым преобразователем входных управляющих сигналов, цифроаналоговым преобразователем выходных сигналов и тактовым генератором сигнала с перестраиваемой частотой. Выходы усилителя мощности (3) соединены через линию связи с устройством ввода энергии (1), которое выполнено в виде индуктора. Устройство (1) установлено с внешней стороны стенок газоразрядной камеры (2). В линию связи с устройством ввода энергии (1) включены датчики тока (4) и напряжения (5). Выходы датчиков подключены к входам фазового детектора (7) и к сигнальным входам микроконтроллера (8). Выход фазового детектора (7) подключен к сигнальному входу микроконтроллера (8). Электропитание нейтрализатора (11) пространственного заряда ионного потока и входящего в его состав термоэмиссионного катода осуществляется с помощью источников (13) и (14). Положительный полюс источника напряжения (19) и отрицательный полюс источника напряжения (17) раздельно подключены через датчики тока (25) и (26) к общему выводу системы электропитания двигателя. Расход рабочего газа, подаваемого в газоразрядную камеру и в камеру нейтрализатора, регулируется с помощью двух независимо управляемых регуляторов. Электропитание регуляторов расхода газа осуществляется с помощью управляемых источников тока. Технический результат заключается в повышении эффективности двигателя, расширении диапазона регулирования тяги при высоком удельном импульсе и повышении стабильности тяги за счет автоматического поддержания расчетных значений токов и напряжений в цепях питания узлов и блоков двигателя в процессе его длительной эксплуатации. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Двигатель на основе эффекта холла с регулируемой температурой устройства нагрева катода // 2564733

Изобретение относится к реактивному двигателю (1) на основе эффекта Холла. Двигатель содержит разрядный канал (50) с открытым, нижним по потоку концом (52), катод (100), расположенный снаружи разрядного канала (50), инжекционную систему (30) для инжекции атомов газа в разрядный канал (50), которая расположена на верхнем по потоку конце разрядного канала (50) и которая формирует анод, и нагреватель (60) для нагрева катода (100). Реактивный двигатель (1) также содержит измерительные средства (70) для измерения температуры Td нагревателя (60) и цепь регулятора (80) для регулирования температуры Td таким образом, чтобы нагреватель (60) осуществлял нагрев, только пока его температура Td меньше пороговой температуры Ts, начиная от которой возможен запуск реактивного двигателя, и прекращал нагрев сразу после достижения пороговой температуры Ts. Использование изобретение позволяет повысить срок работы катода и срок эксплуатации ракетного двигателя. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Ионный двигатель // 2565646

Изобретение относится к области электроракетных двигателей. В крупногабаритном ионном двигателе, содержащем заключенную в корпус газоразрядную камеру, включающую узел подачи рабочего тела, ионно-оптическую систему, состоящую из плазменного и ускоряющего электродов, закрепленных на наружной стенке корпуса и изолированных от него и друг от друга, и катод-нейтрализатор, закрепленный на корпусе, вдоль центральной оси корпус имеет внутреннюю стенку, образующую сквозное отверстие, в котором установлен катод-нейтрализатор. Электроды ионно-оптической системы выполнены в виде колец, внутренние периметры которых закреплены на внутренней стенке корпуса и изолированы друг от друга и от него. Причем газоразрядная камера содержит, по крайней мере, один кольцевой магнитопровод и кольцевую разрядную камеру, узел подачи рабочего тела которой выполнен в виде установленного внутри нее кольцевого анода - газораспределителя. Разрядная камера размещена внутри охватывающего ее кольцевого магнитопровода, полюса которого охватывают кольца разрядной камеры, причем магнитопровод снабжен магнитом, например соленоидальным электромагнитом. Техническим результатом предлагаемого изобретения является то, что источник ионов, выполненный по предложенной схеме с замкнутым дрейфом электронов, имеет коэффициент использования рабочего тела порядка 1. Это практически позволяет избежать обратного тока ионов на ИОС, что приведет к значительному увеличению ресурса ионного двигателя. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ создания электрореактивной тяги // 2567896

Способ создания электрореактивной тяги может быть применен в электрореактивных двигателях и источниках электроэнергии для аэрокосмических транспортных средств и аппаратов. Способ заключается в формировании потока продуктов сгорания углеводородного, химического или ядерного топлива, движущегося с заданной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока продуктов сгорания, затем поток продуктов сгорания разделяют на пучок катионов и пучок электронов, причем энергию пучка электронов преобразовывают в дополнительную электрическую мощность, направляемую на ускорение пучка катионов, который создает реактивную тягу, пропорциональную кинетической энергии ускоренного пучка. Заявленный способ повышает КПД системы электропитания, экономит топливо и другие расходные материалы, увеличивает коэффициент полезной загрузки, радиус действия и срок жизни летательного аппарата. 1 ил.

Электрореактивная двигательная установка // 2568825

Изобретение относится к двигательным установкам (ДУ) малой тяги для коррекции орбит космических аппаратов (КА). ДУ содержит размещенные друг над другом ускорители плазмы (УП) с ускоряющими электродами: катодом (3) и анодом (4), а также узлами подачи рабочего тела: шашек (7), снабженных пружинными толкателями (8). Для инициирования плазмообразующего разряда служат электроды (9) в отверстии катода (3). Между электродами (3, 4) выполнен торцевой керамический изолятор (ТКИ). С электродами связан через анодную и катодную шины (на панели (15)) блок (13) накопительных конденсаторов (14). Отвод тепла от УП осуществляется тепловыми трубами (ТТ). Испарительная часть (22) ТТ примыкает к электродам (3, 4) и ТКИ, а конденсационная часть (23) ТТ закреплена на раме крепления ДУ к корпусу КА. В окне этой рамы размещена теплонапряженная плоская стенка блока питания и управления. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и тяговой эффективности ДУ за счет улучшенной системы теплоотвода. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ формирования тяги двигателя с центральным телом и двигатель для его реализации // 2568854

Изобретение относится к области ракетных двигателей, в частности к ракетным двигателям с центральным телом с вихревым процессом горения, и может быть использовано в ракетно-космической технике. Способ формирования тяги двигателя с центральным телом, включающий подачу горючего и окислителя в камеру сгорания с созданием за центральным телом вихревой зоны, при этом в вихревую зону под давлением тангенциально подают мелкодисперсную фракцию воды или воды с добавлением органического вещества, создавая осевую закрутку смеси газов горения и, как следствие, вихревой поток холодной неравновесной пульсирующей плазмы, создавая дополнительную тягу двигателя. Предложен также двигатель с центральным телом для реализации способа, содержащий камеру сгорания и сопло, при этом на центральном теле выполнены винтовые канавки, введена емкость с водой или водой с добавлением органического вещества, сообщенная с помощью трубопровода с насосом, расположенным внутри центрального тела, который в свою очередь с помощью распределительных патрубков сообщен через коллектор с винтовыми канавками с помощью форсунок, открытые торцы которых расположены на внешней поверхности центрального тела, на торцевой плоскости которого установлены игольчатые термокатоды, обеспечивающие термоэмиссию. Изобретение обеспечивает увеличение тяги. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.