Плазменно-ионный ракетный двигатель
Плазменно-ионный ракетный двигатель содержит главный кольцевой канал для ионизации и ускорения, который образован стенками из изоляционного материала и который открыт на своем нижнем по течению конце, по меньшей мере, один полый катод, расположенный на внешней стороне главного кольцевого канала, вплотную к его нижней по течению части. Кольцевой анод расположен концентрично с главным кольцевым каналом и на расстоянии от открытого нижнего по течению конца. Труба и распределительный разветвленный трубопровод для подачи ионизируемого газа в кольцевой анод, а также магнитная система для создания магнитного поля в главном кольцевом канале. Магнитная система содержит радиальный первый внешний полюсный наконечник, конический второй внешний полюсный наконечник, радиальный первый внутренний полюсный наконечник, конический второй внутренний полюсный наконечник, множество внешних магнитных сердечников, окруженных внешними катушками, для соединения между собой первого и второго внешних полюсных наконечников, осевой магнитный сердечник, окруженный первой внутренней катушкой и присоединенный к первому внутреннему полюсному наконечнику, и вторую внутреннюю катушку, помещенную ниже по течению относительно внешних катушек. Двигатель снабжен установленным вдоль оси коронирующим электродом с встроенной лазерной свечой зажигания, имеющим систему охлаждение пропеллентом. 4 з.п. ф-лы, 14 ил.
Настоящее изобретение относится к плазменно-ионному ракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов, адаптированному к высоким тепловым нагрузкам. Ракетный двигатель содержит главный кольцевой канал для ионизации и ускорения, образованный деталями, изготовленными из изоляционного материала, который открыт на своем нижнем по течению конце, по меньшей мере, один полый катод, расположенный на внешней стороне главного кольцевого канала вплотную к его нижней по течению части, кольцевой анод, размещенный концентрично с главным кольцевым каналом на расстоянии от открытого нижнего по течению конца, трубу и распределительный разветвленный трубопровод для подачи в кольцевой анод ионизируемого газа, а также магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Плазменные ракетные двигатели с замкнутым дрейфом электронов, имеющие структуру, же известны (см. например из документа ЕР-А-0541309).
Ракетный двигатель такого типа содержит катод, газораспределительный разветвленный трубопровод, который образует анод, кольцевой ускорительный канал (разрядную камеру), ограничиваемый внутренними и внешними стенками, и магнитную систему, содержащую внешний полюс, внутренний полюс центрального сердечника, магнитный кожух, внутреннюю катушку и внешнюю катушку.
Кольцевой ускорительный канал расположен между внутренним магнитным экраном и внешним магнитным экраном, позволяя увеличивать градиент радиального магнитного поля в канале. Канал соединен с внешним полюсным наконечником посредством цилиндрической металлической детали.
С точки зрения теплотехники канал окружен не только магнитными экранами и, но также и тепловыми экранами, противостоящими излучению, направленному к оси и к центральной катушке, а также наружу. Единственная эффективная возможность охлаждения путем излучения тепла имеется на нижнем по течению конце канала, который открыт в пространство. В результате температура канала выше, чем она могла быть, если бы канал мог излучать через свою внешнюю боковую грань.
Известен плазменный ракетный двигатель по патенту WO 94/02738, который раскрывает плазменный ракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, в котором ускорительный канал соединяется в верхней по течению части с буферной или тормозной камерой, которая изображает вертикальную проекцию в осевом полуразрезе такой конструкции.
Плазменный ракетный двигатель содержит кольцевой главный канал для ионизации и ускорения, образуемый деталями из изоляционного материала, и открытый на своем нижнем по течению конце, по меньшей мере, один полый катод и кольцевой анод, размещенный концентрично с главным каналом. Средство подачи ионизируемого газа открывается в верхней по течению части анода через кольцевой распределительный разветвленный трубопровод. Средства предназначены для создания магнитного поля в главном канале, чтобы в главном канале создавать магнитное поле, которое является по существу радиальным и имеет градиент с максимальной индукцией на нижнем по течению конце канала. Средства создания магнитного поля содержат внешнюю катушку, окруженную магнитной защитой, внешний и внутренний полюсные наконечники, первый осевой сердечник, второй осевой сердечник, окруженный магнитной защитой и магнитным ярмом.
Тормозная камера может свободно излучать тепло в пространство и таким образом способствовать охлаждению канала. Однако тороидальная внешняя катушка противодействует охлаждению канала в части, несущей наибольшую тепловую нагрузку. Кроме того, первая внутренняя катушка должна обеспечить очень большое число ампер-витков в доступном объеме, определяемом магнитным экраном, связанным со второй осевой катушкой. Это приводит к разогреву до очень высокой температуры.
Известен плазменный ракетный двигатель по патенту РФ на изобретение №2219371, МПК F03H 1/00, опубл. 20.12.2003 г., прототип.
Этот плазменный ракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов адаптирован к высоким тепловым нагрузкам и содержащего главный кольцевой канал для ионизации и ускорения, который образован элементами, изготовленными из изоляционного материала, и который открыт на своем нижнем по течению конце, по меньшей мере один полый катод, расположенный на внешней стороне главного кольцевого канала вплотную к его нижней по течению части, кольцевой анод, концентрический с главным кольцевым каналом и расположенный на расстоянии от открытого нижнего по течению конца, трубу и распределительный разветвленный трубопровод для подачи в кольцевой анод ионизируемого газа, а также магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале, в котором согласно изобретению магнитная система содержит:
по существу радиальный первый внешний полюсный наконечник,
конический второй внешний полюсный наконечник,
по существу радиальный первый внутренний полюсный наконечник,
конический второй внутренний полюсный наконечник,
множество внешних магнитных сердечников, окруженных внешними катушками, для соединения между собой первого и второго внешних полюсных наконечников,
осевой магнитный сердечник, окруженный первой внутренней катушкой и соединенный с первым внутренним полюсным наконечником,
вторую внутреннюю катушку, помещенную ниже по течению относительно внешних катушек.
Недостатки этого двигателя низкая температура коронирующих электродов неприспособленность для многократного запуска, неуправляемость вектором тяги и перегрев плиты основания в работе.
Задачи создания изобретения повышение температуры коронирующих электродов при запуске и охлаждение плиты основания при работе.
Решение указанных задач достигнуто в плазменно-ионном ракетном двигателе, содержащем главный кольцевой канал для ионизации и ускорения, который образован стенками из изоляционного материала и который открыт на своем нижнем по течению конце, по меньшей мере, один полый катод, расположенный на внешней стороне главного кольцевого канала, вплотную к его нижней по течению части; кольцевой анод, расположенный концентрично с главным кольцевым каналом и на расстоянии от открытого нижнего по течению конца, трубу, и распределительный разветвленный трубопровод для подачи ионизируемого газа в кольцевой анод, а также магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале, при этом магнитная система содержит по существу радиальный первый внешний полюсный наконечник, конический второй внешний полюсной наконечник, радиальный первый внутренний полюсный наконечник, конический второй внутренний полюсной наконечник, множество внешних магнитных сердечников, окруженных внешними катушками, для соединения между собой первого и второго внешних полюсных наконечников, осевой магнитный сердечник, окруженный первой внутренней катушкой и присоединенный к первому внутреннему полюсному наконечнику, и вторую внутреннюю катушку, помещенную ниже по течению относительно внешних катушек, тем, что он содержит установленный вдоль оси коронирующий электрод с встроенной лазерной свечой зажигания, имеющие систему охлаждение пропеллентом.
Плазменно-ионный ракетный двигатель может содержать блок управления, блок питания и блок накачки и контроллер управления соединенный с блоком управления.
Плазменно-ионный ракетный двигатель может содержит ионно-динамический зонд в виде закрепленных на шарнирах, телескопических штырей, приводов со штоками, соединенных с каждым штырем.
Плазменно-ионный ракетный двигатель может содержит радиальные электромагниты, соединенные через регуляторы тока с блоком питания.
Плазменно-ионный ракетный двигатель может содержать датчик давления пропеллента, датчик расхода пропеллента, датчик температуры пропеллента, датчик тока разряда, и датчик тока в радиальных электромагнитах.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на чертежах фиг. 1…14, на которых:
фиг. 1 изображает вид осевого сечения первого конкретного варианта воплощения плазменно-ионного ракетного двигателя с замкнутым дрейфом электронов согласно изобретению;
фиг. 2 изображает частично обрезанный общий вид плазменно-ионного ракетного двигателя согласно изобретению;
фиг. 3 изображает общий вид центральной части плазменно-ионного ракетного двигателя изобретения с встроенными тепловыми трубами согласно изобретению;
фиг. 4 изображает общий вид и осевое сечение анода для размещения в плазменно-ионном ракетном двигателе согласно изобретению;
фиг. 5 изображает фрагментарный общий вид и вид осевого полусечения другого анода упрощенной структуры, подходящего для размещения в плазменно-ионном ракетном двигателе, согласно изобретению;
фиг. 6 изображает вертикальную проекцию полусечения кольцевой опоры канала для конкретного варианта воплощения плазменно-ионного ракетного двигателя согласно изобретению;
на фиг. 7 приведен коронирующий электрод с кольцевым постоянным магнитом и лазерной свечой зажигания,
на фиг. 8 приведен излучающий торец для боковых коронирующих электродов,
на фиг. 9 приведен вид А на фиг. 8,
на фиг. 10 приведена схема лазерной свечи зажигания,
на фиг. 11 приведена схема управления двигателем,
на фиг. 12 приведен разрез А-А,
на фиг. 13 приведена схема измерения,
на фиг.14 показана схема управления вектором тяги.
Перечень признаков, используемых в описании:
главный кольцевой канал 1,
стенка 2,
изолирующие слои 3,
нижний по течению конец 4,
полый катод 5, кольцевой анод 6,
отверстия 7,
разветвленный трубопровод 8,
труба 9,
первый внешний полюсный наконечник 10,
магнитный сердечник 11,
осевой магнитный сердечник 12,
второй внешний полюсный наконечник 13,
первый внутренний полюсный наконечник 14,
первая внутренняя катушка 15.
вторая внешняя катушка 16,
вторая внутренняя катушка 17,
радиальные ответвления 18,
второй внутренний полюсный наконечник 19,
вторая внутренняя магнитная катушка 20,
радиальные ответвления 21,
основание 22,
общая опора 23,
металлическая опора 24,
провод 25,
фланец 26,
пазы 27,
торец 28,
торец 29,
электрический провод 30,
первое кольцо 31,
второе кольцо 32,
первая опора 33,
вторая пора 34.
первая тепловая труба 35,
вторая тепловая труба 36,
круговые щели 37.
монолитная деталь 38,
изолятор 39,
электрическое соединение 40,
сплошной столб 41,
два столба 42,
экран 43,
слои материала 44,
электростатический экран 45,
внутренняя перегородка 46,
плоская плита 47,
кольцевая диафрагма 48,
хвостовая плита 49,
коническое сопло 50,
ионно-динамический зонд 51,
шарнир 52,
телескопические штыри 53,
привод 54,
шток 55,
блок управления 56,
блок питания 57,
силовые кабели 58,
контроллер управления 59,
линии измерения 60,
линия управления 61,
разгонный электрод 62,
контроллер измерения 63,
источник высокого напряжения 64,
первый провод высокого напряжения 65,
второй провод высокого напряжения 66,
заземляющий провод 67,
заземление 68,
блок накачки 69,
оптический кабель 70,
радиальные электромагниты 71,
регуляторы тока 72,
насосный агрегат 73,
привод 74,
насос пропеллента 75,
входной клапан пропеллента 76,
входная труба пропеллента 77,
трубопровод пропеллента 78,
полость пропеллента 79,
коронирующий электрод 80,
лазерная свеча зажигания 81,
стакан 82,
полость стакана 83,
микрочип-лазер 84,
металлическая втулка 85,
вакуумная металлическая трубка 86,
фокусирующая линза 87,
цилиндрический корпус 88,
торец 89,
днище 90.
резьбовой участок 91,
отверстие 92,
уплотнение 93,
заглушка 94,
осевое отверстие 95,
уплотнение 96,
гайка 97,
центральное отверстие 98,
уплотнение 99,
средство демпфирования 100,
канал пропеллента 101,
форсунка пропеллента 102,
коронирующая поверхность 103,
компенсационный электрод 104,
отводящий провод 105,
датчик давления пропеллента 106,
датчик расхода пропеллента 107,
датчик температуры пропеллента 108,
датчик тока разряда 109,
датчик тока в радиальных электромагнитах 110,
бак с маслом 111,
гидростанция 112,
трубопровод высокого давления 113,
клапан 114,
трубопровод сброса масла 115.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА В СТАТИКЕ
На фиг. 1 показан плазменно-ионный ракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов.
Плазменно-ионный ракетный двигатель содержит главный кольцевой канал 1 (фиг. 1, 2) для ионизации и ускорения, который ограничен изолирующими стенками 2. Канал 1 открыт на нижнем по течению конце 4 и в осевой плоскости сечения имеет форму усеченного конуса в верхней по течению части и цилиндрическую форму в нижней по течению части.
Полый катод 5 расположен вне главного канала 1 и наиболее предпочтительно под углом α к оси ОО ракетного двигателя, где а находится в диапазоне 15-45°.
В осевой плоскости кольцевой анод 6 имеет коническое сечение в форме усеченного конуса, который раскрывается в направлении вниз по течению.
Анод 6 может иметь щели, увеличивающие площадь его поверхности, находящуюся в контакте с плазмой. В стенке анода 6 выполнены отверстия 7 для инжекции ионизируемого газа, исходящего из распределительного разветвленного трубопровода 8 ионизируемого газа. В разветвленный трубопровод 8 ионизируемый газ подается по трубе 9.
Конкретные примеры выполнения кольцевого анода 6 описаны ниже со ссылкой на фиг. 4 и 5.
Разряд между кольцевым анодом 6 и полым катодом 5 управляется посредством распределения магнитного поля, которое определяется магнитной системой.
Магнитная система содержит первый внешний полюсный наконечник 10, который по существу является радиальным. Этот первый внешний полюсный наконечник 10 может быть плоским или слегка коническим, задавая угол е1, находящийся в диапазоне от +15 до -15° к выпускной плоскости S (фиг. 1).
Первый внешний полюсный наконечник 10 соединен посредством множества магнитных сердечников 11, окруженных внешними катушками 12, со вторым внешним полюсным наконечником 13 конической формы, которая более ярко выражена, чем слегка коническая форма первого внешнего полюсного наконечника 10. Угол е2 полураствора конуса второго внешнего полюсного наконечника 13 может находиться в диапазоне от 25 до 60°. Предпочтительно, когда внешний полюсный наконечник 13 раскрывается, совмещаясь с проходами вторых внешних катушек 16 так, чтобы снизить радиальный размер и расстояние между катушками, чтобы улучшить охлаждение посредством излучения от керамики, из которой выполнены стенки 2 канала 1.
По существу радиальный первый внутренний полюсный наконечник 135 может быть плоским или слегка коническим, образуя угол i1, находящийся в диапазоне от -15 до +15° к выпускной плоскости S (фиг. 1).
Первый внутренний полюсный наконечник 14 продлевается центральным осевым магнитным сердечником 12, окруженным первой внутренней катушкой 15. Осевой магнитный сердечник 138 сам продлевается в верхней по течению части ракетного двигателя посредством множества радиальных ответвлений 18, соединенных со вторым внутренним полюсным наконечником 19, который является верхним по течению и коническим, имея угол полураствора конуса i2, находящийся в диапазоне от 15 до 45° относительно оси ОО ракетного двигателя. В описываемом варианте воплощения конус второго внутреннего полюсного наконечника 19 обращен острием вниз по течению. Везде в настоящем описании термин "вниз по течению" означает направление к зоне, близкой к выпускной плоскости S и к открытому нижнему по течению концу 4 канала 1, в то время как термин "вверх по течению" означает направление к зоне, отдаленной от выпускной плоскости S, расположенной рядом с закрытой частью кольцевого канала 1, которая оснащена кольцевым анодом 6 и разветвленным трубопроводом 8 ионизируемого газа.
Вторая внутренняя магнитная катушка 17 помещена снаружи верхней по течению части второго внутреннего полюсного наконечника 19. Магнитное поле второй внутренней катушки 20 канализируется радиальными ответвлениями 21, помещенными в соответствии с радиальными ответвлениями 18, а также вторым внешним полюсным наконечником 13 и вторым внутренним полюсным наконечником 19. Между радиальными ответвлениями 18 и радиальными ответвлениями 21 оставлен маленький зазор, например приблизительно 1-4 мм, чтобы дополнить действие второй внутренней катушки 132.
Осевой магнитный сердечник 12 соединен с внешними магнитными сердечниками 11 посредством множества магнитных ответвлений 136, расположенных в соответствии с радиальными ответвлениями 352. Число радиальных магнитных ответвлений 18 и число радиальных ответвлений 21 равно числу внешних катушек 16, помещенных на внешних магнитных сердечниках 11.
Согласно изобретению катушки 15, 16 и 17 охлаждаются непосредственно теплопередачей через основание 22 из теплопроводного материала, причем упомянутое основание 22 также служит в качестве механической опоры для ракетного двигателя. Основание 22 предпочтительно снабжено на боковых гранях эмиссионным покрытием для улучшения излучения тепловых потерь в пространство.
Основание 22 может быть изготовлено из легкого сплава и анодировано на боковой грани, чтобы увеличить эмиссионную способность.
Основание 22 может также быть изготовлено из композиционного материала на основе углерода, покрытого на нижней по течению грани осажденным покрытием из металла, например меди, чтобы максимизировать эмиссионную способность боковых граней и минимизировать поглощательную способность нижней по течению грани, подверженной излучению от керамики канала.
Наличие массивного основания 22, которое действует и как опора конструкции, и как средство для охлаждения катушек 15…17 посредством теплопередачи, позволяет в максимально возможной степени соразмерно облегчить магнитную систему.
На фиг. 1 и 2 показано, что магнитная система имеет четыре вторых внешних катушек 16. Однако можно было бы обеспечить число вторых внешних катушек 16, отличное от четырех.
Вторые внешние катушки 16 и связанные с ними внешние магнитные сердечники 11 служат для того, чтобы создавать магнитное поле, которое канализируется частично нижним по течению и верхним по течению внешними полюсными наконечниками 10 и 13. Остальная часть магнитного поля забирается ответвлениями 1, сгруппированными вокруг осевого магнитного сердечника 12, который сам обеспечивается нижним по течению первым внутренним полюсным наконечником 14, первой осевой первой внутренней катушкой 15, верхним по течению коническим вторым полюсным наконечником 19 и второй внутренней магнитной катушкой 17.
Магнитный поток, который дает катушка 17, канализируется полюсным наконечником 19, сердечником 12, радиальными ответвлениями 21 и вторым внешним полюсным наконечником 13 таким образом, что вторая внутренняя катушка 17 не нуждается в специальном магнитном экранировании.
В настоящем изобретении стенки 2 (фиг. 1, 2, 6) из керамического материала, определяющие границы главного кольцевого канала 1, прикреплены к хвостовой части (то есть верхнему по течению концу) ракетного двигателя посредством металлической опоры 24 так, чтобы опора не оказалась препятствием для излучения с нижнего по течению участка стенки 2, которая, таким образом, может свободно излучать тепло в пространство.
Известные керамические материалы на основе нитрида бора трудно припаивать к металлам. Эта проблема может быть устранена, если используется механическое закрепление.
Например, можно обеспечить резьбу полукруглого профиля как в стенках 2, изготовленных из керамического материала, так и в металлической опоре 24. Тогда можно вставить провод 25 между стенками 2 и металлической опорой 24 так, чтобы поддерживать их вместе. Такое расположение позволяет монтировать керамические стенки 2 на металлической опоре 24, которая предварительно была установлена на элементах магнитной системы.
Металлическую опору 24 можно выполнить с помощью фланца 26 и пазов 27, направляющих штыри, позволяющие компенсировать дифференциальное расширение между металлом и керамикой, при этом также обеспечивая гибкое крепление.
В одном из вариантов также возможно использовать крепление, в котором стенки 2 ввинчиваются в металлическую опору 24 с фиксирующим штырем опоры при переворачивании, то есть при обращении внутрь цилиндрической металлической опоры 24, и имеющую отверстия для прохождения электрического провода 28 для подачи напряжения смещения анода, и трубы 126, предназначенной для подачи ионизируемого газа в разветвленный трубопровод 8.
Следует отметить, что для плазменных ракетных двигателей, диаметр которых не слишком большой, изготовление верхнего по течению внутреннего полюсного наконечника 19 в виде конуса, острие которого направлено вниз по течению, позволяет увеличить площадь контакта между катушкой 15, имеющей трапециевидное сечение, и основанием 22 (фиг. 1), при этом сохраняя большой объем для нижней по течению внутренней катушки 15 без необходимости воздействовать на положение торцов 28 и 29 соответственно полюсных наконечников 19 и 14, которые определяют то, как распределяется магнитное поле.
Использование вторых внешних катушек 16 (количество которых может быть от трех до восьми), посаженных на магнитные сердечники 11, расположенные между внешними полюсными наконечниками 10 и 13, позволяет выделяться большой части излучения, исходящего из внешней стенки главного кольцевого канала 1. Коническая форма второго внешнего полюсного наконечника 13 позволяет увеличить объем, доступный для внешних катушек 16, и увеличить телесный угол, в пределах которого происходит излучение. Конический внешний полюсный наконечник 13 также предпочтительно обеспечивается отверстиями для увеличения видимого участка керамических стенок 2, чтобы получить магнитную систему, которая является очень компактной и с большим открытым пространством, таким образом, позволяя излучению осуществляться со всех боковых граней главного кольцевого канала 1.
Основание 22 играет существенную роль в охлаждении благодаря теплопроводности общей опоры 23, катушек 15 и полюсного наконечника 19, который предпочтительно обеспечивается пазами (фиг. 2).
Однако охлаждение катушки 15, которая несет наибольшую тепловую нагрузку, может быть улучшено, используя одну или более тепловых труб. Так, на фиг. 8 показана тепловая труба 35 или 36, установленная в выемке 38 осевого магнитного сердечника 12, но не входящая в контакт с ним. Тепловая труба 35 может быть приварена или припаяна к внутренней поверхности внутренней общей опоры 23 первой внутренней катушки 15, так чтобы опора общая опора 23 была изометрической.
На фиг. 3 показана первая внутренняя катушка 15, охлаждаемая множеством тепловых труб 35, 36, присоединенных к верхнему по течению участку опоры для катушки 15 и проходящих через отверстия, выполненные в верхнем по течению внутреннем полюсном наконечнике 19.
Слои материала с очень хорошими изолирующими характеристиками, образующие экран 37, помещенный выше по течению относительно кольцевого канала 1, и слои материала 44 с очень хорошими изолирующими характеристиками, образующие экран, которые вставлены между каналом 1 и первой внутренней катушкой 15, показаны также на фиг. 1, 2. Таким образом, экраны 37 и 38 из материала с очень хорошими изолирующими характеристиками устраняют главную часть потока, излучаемого главным кольцевым каналом 1 по направлению к внутренним катушкам 15, 17 и к основанию 22. Напротив, стенки 2, определяющие границы главного кольцевого канала 1, могут свободно излучать тепло в пространство через телесный угол между полюсными наконечниками 10 и 13.
Выше по течению от кольцевого анода 6 расположен электростатический экран 39, чтобы гарантировать выполнение закона Пашена (изоляция вакуумом), способствуя также поддерживанию слоев 37 из материала с очень хорошими изолирующими характеристиками. Кроме того, на внешнюю грань внешней металлической опоры 33 может быть нанесено эмиссионное покрытие для улучшения охлаждения керамики первого и второго колец 3.
Предпочтительно, чтобы внешние катушки 16, а также первая и вторая внутренние катушки 15 и 17 были изготовлены из экранированного провода с изоляцией из неорганического материала. Провода различных витков катушек 15…17 прикрепляются твердым металлическим припоем, имеющим высокую удельную теплопроводность.
Вторые внешние катушки 16, а также первая и вторая внутренние катушки 15 и 17 последовательно соединены между собой и электрически подсоединены к полому катоду 5 и к отрицательному полюсу источника электроэнергии для разряда между анодом и катодом.
В варианте воплощения изобретения, как показано на фиг. 1, более компактное расположение получается путем использования главного кольцевого канала 1, который в осевой плоскости имеет сечение в форме усеченного конуса в верхней по течению части и цилиндрической формы в нижней по течению части. При таких обстоятельствах кольцевой анод 6 имеет в осевой плоскости сужающееся сечение в форме усеченного конуса.
Было замечено, что эффект тормозной камеры может быть получен в главном кольцевом канале 1 посредством локального увеличения плотности газа, то есть путем уменьшения сечения потока газа в направлении вверх по течению вместо его увеличения.
На фиг. 4 показан один из возможных вариантов воплощения кольцевого анода 6. Ряд круговых щелей 37, сформированных в монолитной детали 38 кольцевого анода 6, позволяет обеспечить защиту против загрязнения. Ионизируемый газ вводится по жесткой трубе 9 в разветвленный трубопровод 8, которая связана с круговыми щелями 38 через инжекционные отверстия 7. Изолятор 39 вставлен между трубой 9 и кольцевым анодом 6, который подсоединен посредством электрического соединения 40 к положительному полюсу источника электроэнергии для разряда между анодом и катодом.
Этот вариант также подходит для решения проблемы дифференциального расширения между кольцевым анодом 6 и стенками 2, которые изготавливаются из керамического материала и которые определяют границы главного топливного канала 1.
Для массивного анода, установленного на трех круглых столбах, можно найти приемлемый компромисс между высокой собственной частотой вибрации, такой, которая получается с короткими столбами, и допустимыми термомеханическими напряжениями, которые требуют, чтобы столбы были длинными.
Одно из возможных решений показано на фиг. 4. Кольцевой анод 6 поддерживается и сплошным столбом 41 с круглым сечением, и двумя столбами 42, которые были утончены, чтобы образовать гибкие пластины в форме лопастей, таким образом, достигая компромисса, который является удовлетворительным с точки зрения дифференциального теплового расширения.
На фиг. 5 показан другой возможный вариант воплощения кольцевого анода 6, помещенного в той части главного кольцевого канала 1, которая в разрезе имеет форму усеченного конуса и предназначена для ускорения плазмы. В этом случае кольцевой анод 6 имеет разветвленный трубопровод 8, оснащенный внутренними перегородками 46 и включающий нижнюю по течению плоскую плиту 47, объединяемую со стенками главного кольцевого канала 1, чтобы образовать две кольцевые диафрагмы 48. Хвостовая плита 49 насаживается на стенки 2 главного топливного канала 1, чтобы ограничить утечку газа в верхнем по течению направлении. Цилиндрические стенки с отверстиями 7 позволяют вводить ионизируемый газ в главный кольцевой канал 1.
Двигатель содержит коническое сопло 50 (сужающееся или расширяющееся), на выходном торце которого закреплен ионно-динамический зонд 51. Ионно-динамический зонд 51 закреплен на шарнирах 52 и представляет собой телескопические штыри 53, к каждому из которых присоединен привод 54 со штоком 55. Ионно-динамический зонд 51 предназначен для управления вектором тяги двигателя.
Кроме того, двигатель (фиг. 11) содержит блок управления 56 и блок питания 57, соединенные силовыми кабелями 58, а также контроллер управления 59, соединенный с исполнительным механизмом 60, линия управления 61. На входе в коническое сопло 50 установлен разгонный электрод 62.
Двигатель содержит контроллер измерения 63, источник высокого напряжения 64, первый провод высокого напряжения 65. второй провод высокого напряжения 66, заземляющий провод 67, заземление 68 и блок накачки 69, соединенный оптическим кабелем 70 с лазерной свечой зажигания 81.
Для более качественного управления вектором тяги двигателя перпендикулярно оси ОО двигателя установлены радиальные электромагниты 71, с которыми соединены регуляторы тока 72.
Двигатель содержит насосный агрегат 73 с приводом 74 и насосом пропеллента 75, входной клапан пропеллента 76 и входную трубу пропеллента 77.
Двигатель (фиг. 13) оборудован следующими датчиками;
датчик давления пропеллена 106, датчик расхода пропеллена 107, датчик температуры пропеллена 108, датчик тока разряда 109 и датчик тока в радиальных электромагнитах 110.
Система управления вектором тяга (фиг. 14) кроме радиальных электромагнитов 71 содержит бак с маслом 111, соединенный с гидростанцией 112 трубопроводом высокого давления 113, клапан 114, трубопровод сброса 115.
РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ
При запуске двигателя (фиг. 12…14) подают питание на блок управления 56, контроллер управления 59 и контроллер измерения 63.
По команде с блока управления 56 и контроллера управления 59 включают привод 74 насосного агрегата 73.
Насосный агрегат 73 (фиг. 11) приводит в действие насос пропеллента 75, который начинают подачу пропеллента в полость пропеллента 79. Включают блок накачки 69 и подают лазерный луч по оптическому кабелю 70 в лазерную свечу зажигания 81 и далее через фокусирующую линзу 80 (фиг. 2) во внутреннюю полость конического сопла 50 (фиг. 1).
Одновременно подают высокое напряжение на коронирующий электрод 80, между коронирующим электродами 18 и вторым проводом высокого напряжения 66 возникают коронные разряды и происходит ионизация продуктов в коническом сопле 50 и превращение ее в плазму и образование ионов под воздействием магнитного поля создаваемого при помощи катушек 16 и 17 (фиг. 1).
Плазма выбрасывается из конического сопла 50.
При этом энтальпия ионно-радиационной ионизированной плазмы возрастает. Источником электронов в вышеприведенных реакциях является коронный пульсирующий разряд в высокотемпературной ионизированной плазме. Горячая ионно-радиационная плазма из конического сопла 50 выходит в ионно-динамический зонд 51, где разгоняется и при необходимости (для управления вектором тяги) отклоняется.
Для управления вектором тяги ионного двигателя он содержит ионно-динамический зонд 51, который имеет телескопические стержни 53, которые могут поворачиваться вокруг шарниров 52 для управления вектором тяги. Управление летательным аппаратом осуществляется одновременно рассогласованием токов в радиальных электромагнитов 71 и поворотом телескопических стрежней 53 ионно-динамического зонда 51. С выдвинутого ионно-динамического зонда 51 стекают электрические заряды, создавая реактивную силу и вращающий момент, обеспечивающий поворот летательного средства. При работе ионно-динамического зонда 51 истекающие положительные ионы создают добавочную реактивную силу.
Отрицательные заряды с компенсационного электрода 104 по отводящему проводу 105 передаются в блок питания 57 для его зарядки.
Тяга, создаваемая ионно-динамическим зондом 51 двигателя, работающим в режиме ионного двигателя невелика, но она может действовать длительное время (несколько дней или месяцев) при небольшом расходе инертного газа - пропеллента. В связи с тем, что скорость истечения ионов и плазмы в десятки и сотни раз превышает скорость истечения продуктов сгорания (которая не превышает М=4,5), то происходит постоянное увеличение скорости полета летательного аппарата в течение длительного времени до очень больших скоростей.
Для активации процесса ионизации и образования плазмы с лазерной свечи зажигания 81 периодически подают импульсы лазерного луча на коронирующий электрод 80 для его разогрева и создания объемного коронного разряда.
Применение изобретения позволило:
- создать мощный двигатель многократного запуска с высокой экономичностью, работающий в режиме пзазменно-ионного двигателя,
- повысить надежность двигателя и его многократное включение за счет применения коронирующего электрода и охлаждаемой лазерной свечи зажигания,
- улучшить охлаждение двигателя за счет использования для охлаждения пропеллента,
- улучшить управляемость ракет за счет применения управляемых радиальных электромагнитов и установленного на разработанном двигателе ионно-динамического зонда с телескопическими стержнями, установленными на шарнирах и имеющими приводы,
- обеспечить безопасность полета за счет применения в качестве основного компонента топлива инертного газа - пропеллента.
1. Плазменно-ионный ракетный двигатель, содержащий главный кольцевой канал для ионизации и ускорения, который образован стенками из изоляционного материала и который открыт на своем нижнем по течению конце, по меньшей мере, один полый катод, расположенный на внешней стороне главного кольцевого канала, вплотную к его нижней по течению части; кольцевой анод, расположенный концентрично с главным кольцевым каналом и на расстоянии от открытого нижнего по течению конца, трубу и распределительный разветвленный трубопровод для подачи ионизируемого газа в кольцевой анод, а также магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале, при этом магнитная система содержит по существу радиальный первый внешний полюсный наконечник, конический второй внешний полюсный наконечник, радиальный первый внутренний полюсный наконечник, конический второй внутренний полюсный наконечник, множество внешних магнитных сердечников, окруженных внешними катушками, для соединения между собой первого и второго внешних полюсных наконечников, осевой магнитный сердечник, окруженный первой внутренней катушкой и присоединенный к первому внутреннему полюсному наконечнику, и вторую внутреннюю катушку, помещенную ниже по течению относительно внешних катушек, отличающийся тем, что он содержит установленный вдоль оси коронирующий электрод с встроенной лазерной свечой зажигания, имеющие систему охлаждение пропеллентом.
2. Плазменно-ионный ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит блок управления, блок питания и блок накачки и контроллер управления, соединенный с блоком управления.
3. Плазменно-ионный ракетный двигатель по п. 2, отличающийся тем, что он содержит ионно-динамический зонд в виде закрепленных на шарнирах телескопических штырей, приводов со штоками, соединенных с каждым штырем.
4. Плазменно-ионный ракетный двигатель по п. 2, отличающийся тем, что он содержит радиальные электромагниты, соединенные через регуляторы тока с блоком питания.
5. Плазменно-ионный ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит датчик давления пропеллента, датчик расхода пропеллента, датчик температуры пропеллента, датчик тока разряда и датчик тока в радиальных электромагнитах.
