Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель

Авторы патента:

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

Владельцы патента RU 2720602:

Акционерное общество "НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МАШИНОСТРОЕНИЯ" (АО "НИИМаш") (RU)

Изобретение относится к электрореактивным двигателям импульсного действия, использующим в качестве рабочего тела жидкофазную рабочую среду. Двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком линейного типа, сформированных на цилиндрической поверхности диэлектрика, смоченного жидкофазным рабочим телом. Рабочая поверхность диэлектрика цилиндрического типа и разрядный промежуток с электродами катод и анод, установленными на изоляторе, выполнены подвижными. Возможность перемещения изолятора, содержащего катод и анод, по боковой поверхности диэлектрика цилиндрического типа, смоченного жидкофазным рабочим телом, обеспечивает изменения направления вектора тяги. 1 ил.

Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия и двигательных установок (ДУ) на их основе.

Известны импульсные плазменные электрические реактивные двигатели на твердофазном рабочем теле (ТРТ) типа фторопласт [1], [2], которые для подачи шашек ТРТ в разрядный промежуток содержат пружинные механизмы, что накладывает существенные ограничения на габариты шашек, суммарный импульс тяги и усложняет конструкцию пружинного механизма по поддержанию усилия в заданных пределах по мере выработки шашек ТРТ. Кроме того, удельные характеристики для двигателей на ТРТ эрозийного типа низкие, вследствие доминирующего газодинамического механизма ускорения плазмы.

К конструктивным особенностям таких двигателей следует отнести отсутствие возможности регулирования направления векторов тяг, что очень желательно при эксплуатации данных двигателей в составе космических аппаратов (КА). В качестве наиболее прогрессивного выхода из этой ситуации [3] предложен вариант ориентации К А двумя ДУ на ТРТ, в каждой из которой находятся по три двигателя разнесенных между собой на 90° в обеспечение управления вектором тяги по трем направлениям в секторе 180°.

Известны импульсные электрические реактивные двигатели на жидком рабочем теле (ЖРТ) [4] и вариант системы подачи ЖРТ к ним [5] которые имеют значительно лучшие массогабаритные и удельные характеристики. В качестве основы для решения проблемы обеспечения управления вектором тяги ЭРД на ЖРТ выбран вариант [6], содержащий систему подачи ЖРТ по патенту РФ №2615306, состоящий из разрядного промежутка линейного типа установленного вдоль образующей цилиндра, боковая поверхность которого смочена рабочим телом. В таком исполнении разрядный промежуток установлен между каналами подачи и отсоса рабочего тела, что минимизирует непроизводительные потери ЖРТ. Такой импульсный ЭРД с указанной системой подачи [5] выбран в качестве прототипа.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей двигателя, а именно, регулирование направления вектора тяги в широком диапазоне.

Задача решается в импульсном плазменном электрическом реактивном двигателе, состоящем из подвижной цилиндрической поверхности, системы нанесения и съема жидкого рабочего тела в виде капиллярных фитилей, разрядного промежутка линейного типа с электродами анод и катод, установленного в промежутке между фитилями вдоль образующей цилиндра. Согласно изобретению электроды анод и катод разрядного промежутка установлены на подвижном изоляторе и механически связанны с электроприводом реверсивного типа дискретного (шагового) или плавного (мотор-редуктор) действия.

На приведенной фигуре представлен импульсный ЭРД, отличительной особенностью которого является установка электродов 1 «анод-катод» разрядного промежутка на подвижный изолятор 2, который механически соединен с электроприводом 3 реверсивного типа дискретного (шагового) или плавного (мотор-редуктор) действия. Перемещение подвижного изолятора 2, содержащего электроды 1 разрядного промежутка по боковой поверхности цилиндра 4 и обеспечивает изменения направления вектора тяги импульсного ЭРД. Смачивание боковой поверхности цилиндра 4 пленкой ЖРТ обеспечивается вращением его от электропривода 5. Капиллярные фитили 6 и 7 обеспечивают нанесение и съем рабочего тела с поверхности цилиндра 4. Установка двух ДУ, содержащих по одному ЭРД предложенной схемы, на КА по аналогии с [3] даст существенный выигрыш по массогабаритным характеристикам. При этом возможна не только регулировка направления вектора тяги с угловым смещением через 90°, но и плавная, по типу круговой панорамы направления вектором тяги, что для КА будет способствовать экономии расхода рабочего тела.

Работает импульсный ЭРД предложенной схемы следующим образом:

- вначале подается электрическая команда на электропривод 5 для обеспечения вращения цилиндра 4 и смачивание его боковой поверхности пленкой ЖРТ от капиллярного фитиля 6;

- затем, в обеспечение желаемого направления вектора тяги на электропривод реверсивного типа 3 подается командный импульс заданной продолжительности и полярности для поворота изолятора, содержащего электроды 1 на требуемый угол;

- после чего, на электроды 1 подают высокое напряжение, что приводит к пробою разрядного промежутка по пленке ЖРТ и генерации продуктов истечения, создающих силовой импульс тяги в выбранном направлении. Излишки рабочего тела снимаются капиллярным фитилем 7.

Как видим, в предложенном варианте, функции трех ЭРД на ТРТ выполняет один ЭРД на ЖРТ, содержащий подвижный изолятор 2 с системой электродов 1, управление положением которых осуществляется электроприводом 3.

Предлагаемое решение позволяет экономить рабочее тело путем оптимизации положения вектора тяги для выполнения операций ориентации и стабилизации, а также коррекции орбиты микро- и наноспутников.

Источники информации

1. Электрические ракетные двигатели. Гришин С.Д, Лесков Л.В., Козлов Н.П., Машиностроение, 1975, стр. 198…208.

2. Новый этап развития абляционных импульсных плазменных двигателей в НИИ ПМЭ, Антропов Н.Н. и другие, вестник ФГУП «НПО Лавочкина», №5 за 2011 год, стр. 30…40.

3. Разработка корректирующей двигательной установки для микро КА на базе абляционного импульсного плазменного двигателя. Авиационно-космическая техника и технология, №10(57) за 2008 год. Богатый А.В., Дьяконов Г.А., Государственный НИИ прикладной механики и электродинамики.

4. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель. Патент РФ №2319039 от 04.02.2005.

5. Способ подачи рабочего тела в импульсный плазменный электрический реактивный двигатель и устройство для его осуществления. Патент РФ №2615306 от 04.04.2017.

Импульсный электрический реактивный двигатель, состоящий из подвижной цилиндрической поверхности, системы нанесения и съема жидкого рабочего тела в виде капиллярных фитилей, разрядного промежутка линейного типа с электродами анод и катод, расположенного между фитилями вдоль образующей цилиндра, отличающийся тем, что электроды анод и катод разрядного промежутка установлены на подвижном изоляторе и механически связанны с электроприводом реверсивного типа.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к полым многополостным катодам, которые могут быть использованы в плазменных ракетных двигателях, а также в технологических источниках плазмы, предназначенных для ионно- плазменной обработки материалов в вакууме либо в качестве автономно функционирующих источников плазмы.

Блок питания электроракетной двигательной установки спутника и система управления электроракетной двигательной установкой спутника // 2710121

Группа изобретений относится к блоку питания и системе управления электроракетной двигательной установкой спутника. Блок питания содержит внутренний источник электроэнергии, внешний вход, первый и второй внешний выходы, выполненные с возможностью подачи в качестве выхода первого и второго электропитания, первый и второй переключательные элементы.

Мембранный ионно-плазменный ракетный двигатель космического аппарата // 2709231

Изобретение относится к ионно-плазменному, или ионному электроракетному двигателю, используемому для управляемого ускорения летательных аппаратов в космическом вакууме.

Устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ионном двигателе // 2704523

Изобретение относится к ракетной технике, в частности к электрическим ионным двигателям, снабженным устройством для регулирования силы тяги за счет дополнительного ускорения ионов в высокочастотном поле.

Двигатель на эффекте холла и космическое транспортное средство, включающее в себя такой двигатель // 2703870

Изобретение относится к области воздушно-реактивных двигателей на эффекте Холла. Двигатель на эффекте Холла (10) размещен в стенке (22) и включает в себя магнитный контур (30) и электрическую цепь (60).

Двигатель на забортном воздухе с геликонным источником плазмы для поддержания малых космических аппаратов на низкой околоземной орбите // 2703854

Изобретение относится к космической технике, в частности к электроракетным двигательным установкам, в частности к электрическим ракетным двигателям (ЭРД) с геликонным источником плазмы, использующим в качестве рабочего тела забортную атмосферу, предназначенным, главным образом, для установки на малых летательных аппаратах.

Газоэлектрическая развязка // 2703848

Изобретение относится к плазменной технике. Газоэлектрическая развязка (ГЭР) входит в состав тракта подачи рабочего тела в газоразрядную камеру источника заряженных частиц.

Устройство и способ регулирования расхода // 2702933

Изобретение относится к области регулирования расхода текучей среды и, в частности, касается устройства (109) регулирования расхода, содержащего входную камеру (206), выходную камеру (207), множество электропроводящих капиллярных каналов (201-205), соединяющих гидравлически и параллельно входную камеру (206) и выходную камеру (207), первую и вторую электрические клеммы (208, 209), выполненные с возможностью соединения с источником электрического тока, и по меньшей мере один электрический переключатель (210a, 210b, 211a, 211b), расположенный таким образом, чтобы выборочно подсоединять один или несколько указанных капиллярных каналов (201-205) между электрическими клеммами (208, 209).

Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов // 2702709

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано в электроракетных двигателях. Плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит по меньшей мере один катод-компенсатор, разрядную систему и магнитную систему с магнитным контуром.

Система хранения и подачи иода (варианты) и способ определения расхода и оставшейся массы иода в ней // 2696832

Предложенная группа изобретений относится к области электроракетных двигателей (ЭРД), в частности к системам хранения и подачи в них рабочего тела. Система хранения и подачи иода (по первому варианту) содержит сообщенную с электроракетным двигателем трубопроводом с установленным на нем клапаном цилиндрическую емкость с иодом, снабженную со стороны, противоположной трубопроводу, загрузочным фланцем и подпружиненным относительно него поршнем, контактирующим с другой стороны с кристаллическим иодом, нагреватели, один из которых установлен в днище цилиндрической емкости, а другой - в трубки, герметично вмонтированные в цилиндрическую поверхность емкости, перпендикулярно ее оси, а также ресивер, образованный днищем цилиндрической емкости и стенками трубок, в нее введены сильфон, установленный в полости между загрузочным фланцем и поршнем, при этом одно основание сильфона герметично связано с загрузочным фланцем, а другое - с поршнем, потенциометрический датчик, неподвижно закрепленный к загрузочному фланцу, в котором выполнено сквозное отверстие, при этом приводная штанга потенциометрического датчика связана с поршнем и установлена внутри сильфона.

Ионный ракетный двигатель и способ его работы // 2724375

Изобретение относится к ракетной технике. Ионный ракетный двигатель, содержащий соединенные между собой и расположенные соосно камеру сгорания, содержащую головку с форсуночной плитой для распыла компонентов топлива и цилиндрическую часть, имеющую на плите форсунки горючего и окислителя, к которой присоединен магнитный ускоритель плазмы и далее - сверхзвуковое газодинамическое сопло с сужающейся и расширяющейся частями, по меньшей мере, один запальник, и коронирующий электрод, при этом коронирующий электрод установлен на плите во внутренней полости камеры сгорания, на коническом корпусе головки установлены постоянные магниты с осевой намагниченностью, а на цилиндрической части установлены постоянные магниты с радиальной намагниченностью, на выходе магнитного ускорителя внутри него установлен разгонный электрод, на выходном торце сопла установлен электрод-нейтрализатор, сопло выполнено с охлаждающим зазором между «холодной» и «горячей» стенками, полость зазора соединена с патрубком горючего, установленным концентрично выходному торца сопла, на форсуночной плите установлены форсунки пропеллента, а запальник выполнен в виде лазерной свечи зажигания и установлен на конической стенке головки. Магнитный ускоритель содержит установленный концентрично его корпусу ферромагнитный сердечник и несколько радиальных обмоток, к радиальным обмоткам присоединены электрических провода, в которых установлены регуляторы тока. На выходном торце расширяющейся части газодинамического сопла шарнирно, с возможностью поворота, закреплен насадка-зонд. Насадка-зонд выполнен в виде телескопических стержней. Рассмотрен способ работы ионного ракетного двигателя, включающий образование ионов и плазмы в камере сгорания путем подачи в нее горючего и окислителя их воспламенения и коронного разряда во внутренней полости камеры сгорания, при этом после возникновения коронного разряда в камеру сгорания подают пропеллент и при отключают подачу компонентов топлива и периодически включают лазерную свесу зажигания для разогрева коронирующего электрода. В качестве пропеллента может быть использован газ ксенон. Изобретение обеспечивает повышение надежности запуска и управляемости силой и вектором тяги. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.