Прямоточный релятивистский двигатель

Изобретение относится к энергодвигательным системам космических аппаратов (КА). Предложенное ионно-плазменное реактивное устройство содержит систему накопления и пополнения рабочего вещества (водорода) из внешних источников, модули ионизации и начального ускорения протонов и многоканальный линейный ускоритель (МЛУ) для получения релятивистских протонов, выполненный на базе сверхпроводящих структур. Имеется также система управления потоками протонов, из которых один создает тягу при нейтрализации и выбросе протонов из МЛУ, а другой используется для получения энергии на борту КА. МЛУ установлен на выдвижной телескопической конструкции, с размещением ускоряющих структур МЛУ по кромке ее корпуса. Эта конструкция в сложенном виде (в нерабочем состоянии) закручивается для создания искусственной тяжести. Технический результат направлен на повышение эффективности, в том числе достижимой скорости полета, энергодвигательной системы КА в ходе межпланетных и межзвездных экспедиций. 1 ил.

 

Для межзвездного полета на высоких скоростях требуются комбинация достаточно высокой скорости истечения с необходимой тягой (соотношение тяги двигателя и массы летательного аппарата), химические ракеты не дают скорость истечения больше 5 км/с. В работе предлагается принципиальная схема построения и концепция движения, с использование ускоренных релятивистских высокоэнергетических протонов, для создания эффективных (по расходу рабочего тела и потреблению энергии) реактивных двигателей, на базе ускоряющих сверхпроводящих структур, в которых отсутствует контакт с ускоряемым веществом, в связи, с чем системы могут действовать неограниченно долго и работать с материей ускоренной до релятивистских скоростей. Предложенная схема основана на имеющихся разработках в области ускорительной техники и систем генерации СВЧ, с учетом ограничения налагаемых законами сохранения и эффектами специальной теории относительности.

Формализация проблем

I) Проблема связанная с временем полета - Проблема может быть решена, только если скорость полета будет близка к скорости света. И при этом возникает замечательная возможность замедления времени внутри летящего аппарата, из за релятивистских эффектов. Ограничение, которое накладывает на нас время полета, мы не можем мгновенно приобрести данную скорость, что бы ее набрать потребуется время и ускорение (а). Для длительного путешествия, человеку будет комфортно ускорение равное ускорению свободного падения на Земле a~g (9.8 м/с²).

II) Потоки пыли и газа - При движении КА с околосветовой скоростью протоны межзвездного газа Галактики (плотность один протон на кубический сантиметр) превратятся в пучок, направленный против направления полета КА, с энергией 10-30 МэВ и плотностью потока 109 частиц на квадратный сантиметр в секунду (на поверхности Земли интенсивность космического излучения составляет всего 0,2 частицы на квадратный сантиметр в секунду). Данный поток нужно будет собирать или отклонять так, чтобы он не мешал как экипажу, а так же общему движению КА. При быстром движение основной поток как газа/пыли будет приходить с фронта по курсу движения.

III) Энергетическо-массовая проблема - Если мы будем рассматривать вариант замкнутой системы, к КА, возникает циклическая проблема: «Чем больше надо ускорить тело, тем больше должно быть само исходное тело». Чтобы обойти эту проблему, мы можем рассматривать нашу систему как открытую. В которой используется не только внутренние резервы, но и внешние факторы и материю, которая находится в межзвездном пространстве. В противном случае, пропорции ускоряемой массы и то, что должно долететь до звезды, будут огромны. Предлагаю рассматривать наш КА как систему, в которой «рабочее тело» или материал для горючего, поступает из внешней среды, а импульс мы генерируем с помощью нашей энергоустановки. Основной вопрос: как получить импульс и с помощью, каких инструментов.

Согласно принципу сохранения импульса, импульс системы остается постоянным в отсутствие внешних сил. Мы будем использовать для ускорения внутренние силы и энергию, накопленную в веществе, отдав импульс, через тело, получим импульс в противоположную сторону.

С другой стороны согласно специальной теории относительности, объекты набирают массу по мере приближения к скорости света. Ускорив тело до скорости близкой к скорости света, мы придадим ей сколь угодно большой импульс.

Релятивистское уравнение Мещерского

При выводе уравнения Мещерского, пригодного для случая скоростей, сравнимых со скоростью света, используется выражение для релятивистского импульса

В результате уравнение приобретает вид:

Для случая частиц, отделяющихся со скоростью коллинеарной скорости ракеты, это уравнение сводится к следующему виду:

где - скорость частиц относительно КА.

Для оценки параметров габаритов просчитаем зависимость массы КА, при условии, что он движется с постоянным ускорением. Из закона сохранения импульса выходит:

Р_к=M_к⋅U_к=M_к⋅a⋅t=P_p=M_p⋅u_p

где М_к - масса КА, а ускорение получаемое, u_р - скорость протонов, М_р - общая масса протонного пучка, с другой стороны импульс потока протонов опишем через его ток и учтем что мы рассматриваем быстрые протоны где u_р стремится к скорости света, то импульс можно записать так:

где I_р - суммарный ток протонов, m_р0 - масса покоя протонов, q_p - заряд протона, Y - гамма фактор с учетом скорости.

При скорости протона значительно релятивисткой u_р → с и

где Е_р - энергия протонов в эВ, Е_р0 вес покоя протона в эВ=938,272 МэВ вводим константу

Получаем простое сотношение между массой ускоряемого КА и токами испускаемых протонов

М_к⋅a=I_p⋅Y⋅S_const

Эти эффекты возьмем за принцип построения и работы двигателя. А именно, ускорение заряженных частиц до релятивистских скоростей, в электромагнитном поле и последующем испускании.

Принципы работы.

Космический аппарат (КА) можно представить в виде большого линейного ускорителя заряженных частиц. Которые разгоняются электрическим полем и достигнув около световых скоростей, выбрасываются в виде реактивной струи. При этом масса частиц, процессе ускорение возрастает в тысячи раз. А так как укоряется малый объем частиц, расход вбрасываемого тела может быть минимальным.

КА это вариант - длинного линейного ускорителя заряженных элементарных частиц, которыми могут быть и ионизированные атомы водорода и электроны. Такой принцип устройства близок, к ионным двигателям.

Так же можно решить еще одну из проблем скоростного звездного полета, использовать свободные межзвездные атомы водорода. По современным оценкам в пяти кубических сантиметрах межзвездного пространства содержится примерно один такой атом. Одним из возможных решений была бы защита от данных частиц при помощи электромагнитных полей. С одновременным захватом для пополнения, расходуемого для реактивного движения вещества. То есть в процессе полета будем производить ионизацию и сбор заряженных частиц с использованием в ускорителе для создания тяги.

При дальнейшем развитии технологии энерго-устройств, можно использовать собираемые атомы, в реакции термоядерного синтеза, для получения энергии для общей работы космического аппарата. И как вариант предельного развития системы, полностью замкнуть энерго-обеспечение и расходное вещество, на получаемое из внешнего пространства.

Схема построения

На Фиг. 1. приведено схематическое изображение ЭРД/ИД с примером установки элементов конструкции прямоточного релятивистского двигателя:

1) Линейный ускоритель частиц, состоящий из многоканального ускорителя из сверхпроводящих резонаторов и систем стабилизации протонного пучка.

2) Ядерная энергоустановка, запитывающия все оборудование и работающая в постоянном режиме.

3) Система жилых модулей, систем жизнеобеспечения и производства пищи. Размещенная в радиоционно поглощающей оболочке и накопителе водорода

4) Пред ускорители протонов (Инжекторы и Протонные синхротроны для ускорения протонов).

5) Система сбора и ионизации звездного водорода, на базе тонкого заряженного сеточного паруса и сильных магнитных систем, собирающих и сепарирующих полученные ионы для предускорителей.

Другой вариант компоновки состоит в том что комплекс линейного ускорителя может быть установлен на выдвигаемой, длиной телескопической конструкции. С размещением ускоряющих структур по кромке корпуса, выполненного из легких и прочных композитных материалов.

Это позволит им максимально полно использовать их ускоряющий потенциал и даст возможность оперативно ремонтировать и обслуживать ускорители.

Так же позволит их использовать как систему защиты от внешний электрических полей (Клетка Фарадея) - так как они выполнены из сверхпроводников они обеспечат максимальный скин-эффект. Так же они выступит защитой от заряженных пролетающих частиц, так как сильные поля внутри укорителей будут их отклонять.

В сложенном состоянии, будет достаточно компактен и даст возможность обеспечить искусственную гравитацию, путем раскрутки конструкции вокруг центра масс.

Наиболее близкие по идеям и по направлению использования принципов патенты:

Из наиболее близкого по типу существующего уровня техники известены аналоги и множество различных типов ионно-плазменных, или ионных электроракетных двигателей (ЭРД/ИД), содержащих контейнер (накопитель) с запасом рабочего тела, камеру ионизации рабочего тела, в частности, газоразрядную камеру, ускоритель движения катионов, нейтрализатор заряда катионов, в том числе электронами или анионами, магнитную систему для создания магнитного поля [Franklin R. Chang-Diaz, "Plasma Propulsion for Interplanetary Flight," Thin Solid Films, Vol. 506-507 (May26, 2006): 449-453 с; Электрические ракетные двигатели. -Под редакцией Ю.А. Рыжова. М.: Мир, 1964 г.; Goebel D.M., Katz I. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters. Wiley, 2008, 508 р.]. Реактивное движение может быть реализовано в устройстве с излучением электромагнитного поля (ЭМП), с выбросом массивной материи, а также совместной реализации двух этих процессов. При излучении ЭМП реактивная сила производит механическое давление на антенну, что было высказано А. Эйнштейном в 1906 году, экспериментально доказано П.Н. Лебедевым и подтверждено теоретически на основе уравнений Максвелла в рамках классической электродинамики. Для производства заметных значений ускорения силой 1 Н требуется большая мощность облучающего ЭМП, составляющая примерно 150 МВт. Основной способ увеличения тяги состоит в использовании массивного расходуемого рабочего тела (РТ). Некоторые двигатели используют предварительную сорбцию газов, накопленных в пористой матрице, с последующим небольшим нагревом и соответствующим испарением. Известны исследования и применения электротермических двигателей с нагревом нелетучего рабочего тела

КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ №2/2013, с. 42-52]. В отличие от известных испарительных и химических ракетных двигателей с максимальной скоростью факела до 4000 м/с, ЭРД/ИД обеспечивают на порядок большую скорость. При использовании сжатых газов (N2, Аr, Хе, и т.д.) достигается удельная тяга, или специфический импульс (скорость факела, деленная на 10 м/с2) до 4500 с и больше в разных конфигурациях таких устройств. Ограничения по Хе - высокая стоимость и малые объемы производства газа, высокая стоимость наземных испытаний в вакуумных камерах при низких температурах, низкая воспроизводимость импульсов тяги, малая надежность включения после паузы, недостаточная достижимая длительность импульса, ограниченный ресурс работоспособности. Кроме инертных газов, в ионных двигателях в качестве расходуемых РТ используют цезий, ртуть, висмут, цинк, олово, магний, галлий, йод, тефлон, ионные жидкости, коллоидные растворы, аммиак. Тефлон (другие названия фторопласт, PTFE) в качестве твердого РТ используют в абляционном импульсном электроразрядном двигателе. Для РТ в виде расплавленного металла создана специальная конструкция с сильным электрическим полем, а в виде коллоидных растворов - конструкция электро-распылительного источника с зарядом малых капель жидкости. ЭРД/ИД с замкнутым дрейфом электронов являются основными рабочими системами работающих космических аппаратов.

Изобретение - аналог RU 2 527 267 С2 заявляет плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла, содержащий основной кольцевой канал ионизации и ускорения, имеющий открытый выходной конец, по меньшей мере, один катод, кольцевой анод, концентричный основному кольцевому каналу, трубопровод и распределитель для подачи способного к ионизации газа в канал и магнитную цепь создания магнитного поля в основном кольцевом канале.

Изобретение RU 2509 918 С2 относится к электроракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов, содержащему основной кольцевой ионизационный и ускорительный канал, образованный вокруг оси ускорителя, по меньшей мере, один полый катод, кольцеобразный анод, концентричный основному кольцевому каналу, трубку с коллектором для питания анода ионизируемым газом, и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале. Для космических полетов, где требуется высокая мощность и высокий удельный импульс, плазменные ЭРД/ИД с замкнутым дрейфом электронов в магнитном поле обладают недостатком в тепловом отношении, поскольку наружная кольцевая катушка заключает в себе провод большой длины, что приводит к высокому уровню рассеяния тепла, и в отношении массы катушки, которая также велика.

В патентах США 6208080 В1 и 5359258 также описываются ЭРД, у каждого из которых имеются четыре наружных катушки МП. Другой ЭРД с замкнутым дрейфом электронов, известный под маркой ALT D55, содержит три наружных катушки. Изобретение RU 2 474 984 С1 относится к плазменной технике и может использоваться при разработке плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения. Магнитная система выполняется таким образом, чтобы вектор индукции магнитного поля в полости кольцевого ускорительного канала имел преимущественно радиальное направление. Между анодом и катодом, которые размещаются у противоположных торцов разрядной камеры, прикладывается разрядное напряжение. В результате в кольцевом ускорительном канале создается преимущественно продольное электрическое поле. Электрический разряд зажигается в потоке газа, например, ксенона, движущегося в ускорительном канале в направлении от анода, выполняющего обычно функцию газового распределителя, к открытой торцевой части разрядной камеры. Катод-компенсатор (эмиттер электронов) установлен у среза ускорительного канала. Величина индукции магнитного поля выбирается таким образом, чтобы ионы были не замагничены, и магнитное поле слабо влияло на движение ионов в продольном направлении в полости ускорительного канала. При этом величина индукции магнитного поля должна быть достаточной для замагничивания электронов в ускорительном канале. При указанных условиях электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации рабочего газа при типичных разрядных напряжениях от 200 В до 1000 В. С целью устранения негативных явлений, связанных с существенной пространственной расходимостью ионов в ускорительном канале, применяются магнитные устройства - концентраторы пучка ионов.

В патенте RU 2163309 (МПК: F03H 1/00, Н05Н 1/54, опубликован 20.02.2001) описана конструкция расширенного магнитного полюсного наконечника в форме усеченного конуса, обеспечивающая формирование узконаправленного потока ускоренных ионов в заданном направлении. В патенте USA 5 581 155 описан ракетный двигатель малой тяги, построенный на эффекте Холла. В этом двигателе малой тяги также используется электромагнитное поле для ускорения положительно заряженных частиц. Скорость истечения в двигателе малой тяги такого типа составляет около 15 км/с при плотности тяги менее 5 Н/м² и мощности 1,3 кВт. Группа ИД - аналогов использует металлические сетки для экстракции ионов из плазмы с последующей нейтрализацией электронами. В патенте US-A-5 241 244 описан так называемый ионный двигатель малой тяги решетчатого типа. В этом устройстве газообразное топливо сначала ионизируется, затем образовавшиеся ионы вытягиваются из плазмы и ускоряются электромагнитным полем, созданным между решетками. Путем изменения полярности на решетчатой системе вместо ионов из разрядной камеры можно извлекать электроны. Путем соответствующего выбора времени экстракции ионов и электронов и/или значения напряжений на потенциальных контактах для обеих фаз извлечения можно установить поток электронов, эквивалентный ионному потоку по количеству зарядов.

Разрабатываются также перспективные двигатели на основе плазменной магнитогидродинамики (Magneto Plasma Dynamic Thruster (MPD), Variable Specific Impulse Magneto Plasma Rocket (VASIMR), Pulsed Inductive Thruster (PIT), с ионизацией индуктивно связанной плазмой (ICP), с неоднородным МП).

В патенте US В6334302 описан магнитоплазменный ракетный двигатель с переменным удельным импульсом (VASIMR). В этом двигателе используется трехступенчатый процесс подачи, разогрева и управляемого истечения плазмы из магнитной амбиполярной ловушки. Источником плазмы является геликонно-волновой генератор, а нагревателем плазмы служит циклотронный генератор. Сопло совмещено с радиально расходящимся МП, ионизированные частицы двигаются по раскручивающимся спиралям вдоль расходящихся силовых линий магнитного поля, где энергия азимутального дрейфа преобразуется в продольную энергию. Этот тип двигателя имеет скорость истечения порядка 10-30 км/с и тягу 50-1000 мН. В обычных ИД лишь небольшое количество ионов достигает системы вытягивающих решеток, тогда как преобладающая часть образовавшихся ионов рекомбинирует на стенках ионизационной камеры. Лишь те ионы, которые достигают систему вытягивающих решеток, доступны для создания тяги. Рекомбинация на стенках ионизационной камеры является наиболее значительным фактором потерь. Для обеспечения нормальной работы ионных ракетных двигателей в космических условиях необходима экстракция катионов и электронов в равных количествах, чтобы ракета не заряжалась отрицательно и не тормозила ионы во время работы ионного двигателя. Компенсация (нейтрализация) пространственного заряда пучка положительных ионов в общем случае ионно-пучковых технологий осуществляется введением в поток ионов свободных электронов и/или электроотрицательных молекул или атомов, обладающих высоким сродством к электрону и большими сечениями образования отрицательных ионов при столкновении со свободными электронами соответственно. Потоки свободных электронов и электроотрицательных молекул или атомов поддерживают такими, чтобы плотность положительного заряда пучка не превышала плотности отрицательного заряда присутствующих в нем электронов и отрицательных ионов. Магнитное поле (МП) сильно воздействует на движение электронов нейтрализатора, и значительно слабее - на движение ионов. Поэтому МП требуется преимущественно для управления процессами электронной нейтрализации.

Например, по способу нейтрализации объемного заряда ионных пучков на выходе плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов (Патент RU №2312471 от 2003.12.24) установлены по меньшей мере один катод- компенсатор, а также анодный блок, содержащий магнитную систему и разрядную камеру с ускорительным каналом с зонами ионизации и ускорения, который расширяется в наружном и внутреннем радиальных направлениях.

Для ионизации газообразного топлива в патенте US-A-5 241 244 предложено одновременно использовать кондиционирующее и удерживающее магнитное поле, а также переменное электромагнитное поле на частоте электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) в магнитном поле. Подобный двигатель малой тяги описан также в патенте FR-A-2 799 576, где для ионизации газа используется магнитная индукция. В патенте US В6293090 описан плазменный радиочастотный (РЧ) двигатель малой тяги, в котором вместо использования поля ЭЦР плазма создается нижнее гибридной волной.

В патенте USA 6205769 заявлены электротермические микроволновые двигатели малой тяги. Эти двигатели малой тяги основаны на нагреве газообразного топлива микроволновым полем. Нагретый газ выбрасывается через сопло, создавая тягу. Этот тип двигателя малой тяги имеет скорость истечения около 9-12 км/с и тягу от 200 до 2000 Н.

Изобретение RU 2543103 С2 относится к высокочастотным ионным двигателям (ВЧ ИД) с индукционным возбуждением разряда в газоразрядной камере.

В патенте US A3571734 газ подают в цилиндрический резонатор, который подвергают воздействию аксиальных и радиальных магнитных полей. Для ионизации газа прикладывают электромагнитное поле на частоте ЭЦР. В японских двигателях ионизация ксенона происходит в СВЧ-разряде (патент Японии JP 2856740 В2 от 09.06.1988 г.). Наряду с этими устройствами разрабатываются, производятся и эксплуатируются ИД с разрядом постоянного тока (патент РФ №2191291). ИД содержит газоразрядную камеру (ГРК), имеющую форму цилиндра с конической задней стенкой. К стенкам ГРК через изоляторы крепятся аноды. Магнитное поле создается с помощью электромагнитов, расположенных снаружи ГРК. Конфигурация магнитного поля задается тремя полюсными наконечниками. Внутри катодного полюсного наконечника расположен полый катод. Эмиттер выполнен из гексаборида лантана. Рабочее тело (ксенон) подается в ГРК через коллектор, расположенный в группе плазменного, ускоряющего и замедляющего электродов. Замедляющий электрод выполнен в виде кольца, охватывающего весь ионный пучок. Снаружи расположен катод-нейтрализатор. Согласно аналогу RU 2585340 С1, газоразрядный узел является основной частью ВЧ ИД, с помощью которой обеспечивается генерация плазмы в газообразной рабочей среде, а также извлечение и дальнейшее ускорение потока ионов. Газоразрядный узел, входящий в состав ВЧ ИД, подключается к системам подачи рабочего тела, электропитания и управления. Газоразрядный узел включает в свой состав газоразрядную камеру, устройство ввода энергии в разрядный объем камеры и электроды ионно-оптической системы, расположенные у выходного среза газоразрядной камеры. На выходе из газоразрядного узла устанавливается нейтрализатор (компенсатор) пространственного заряда генерируемого ионного потока.

Источник ионов с высокочастотным возбуждением разряда в газоразрядной камере описан в патенте GB 1214178 А (опубликован 02.12.1970). Газоразрядный узел содержит газоразрядную камеру конической формы, выполненную из кварцевого стекла. Входной патрубок камеры соединен с системой подачи рабочего газа. С внешней стороны газоразрядной камеры установлен медный индуктор, выполненный в виде спирали, охватывающей камеру. Токоподводы спирали подключены к высокочастотному источнику электропитания (ВЧ генератору). С помощью индуктора осуществляется ввод энергии в разрядный объем камеры через прозрачные для электромагнитного поля стенки камеры и возбуждение индукционного высокочастотного разряда в среде рабочего газа.

В патенте US 8864935 В2 (опубликован 21.10.2014) описан газоразрядный узел источника ионов с газоразрядной камерой, стенки которой выполнены из материала, проницаемого для электромагнитного поля, в частности из кварцевого стекла. В патенте RU 2 445 510 С2 в ЭРД с магнитным полем названы формально без описания достаточных конструктивных отличительных признаков устройства: ионизатор поверхностный контактный; ионизатор, способный подвергать абляции и ионизации твердое РТ; источник, способный фокусировать излучение на поверхности твердого РТ; источник, способный фокусировать электронный пучок на поверхности твердого РТ; источник электромагнитного поля с длиной волны менее 5 мм, действующий на РТ.

В патенте US А4641060 и US А5442185 обсуждаются плазменные ЭЦР генераторы, относящиеся к другой области, которые используются для вакуумной накачки или для имплантации ионов. Еще один пример подобного плазменного генератора описан в US A3160566. Изобретение 2 525 442 С2 относится к плазменному генератору и также к способу управления плазменным генератором путем контроля образовавшейся в плазменном генераторе плазмы с помощью высокочастотного переменного электрического или электромагнитного поля. При применении плазменного генератора в высокочастотном ионном двигателе подаваемый в ионизационную камеру рабочий газ (рабочая текучая среда), называемый также ионным топливом, ионизируется с помощью переменного электромагнитного поля и затем для создания тяги ускоряется в электростатическом поле системы вытягивающих решеток, предусмотренной с открытой стороны ионизационной камеры. Ионизация происходит в ионизационной камере, окруженной катушкой. В катушке протекает переменный ток высокой частоты. В группе аналогов ЭРД с электронной нейтрализацией, источниками магнитного поля и различными способами ионизации различных видов РВ представлены также разные способы и устройства для ускорения частиц.

В патенте US-A-3 425 902 магнитная ловушка с магнитными зеркалами имеет максимальную величину поля на обоих концах камеры, в которой ионизируются газы. В заявке на Европейский патент ЕР-03290712 описан подобный ракетный двигатель малой тяги с использованием тяги, создаваемой пондеромоторной магнитной силой.

Изобретение RU 2 411 393 С2 относится к области космического аппаратостроения и может быть использовано для ускорения устройств, движущихся в космосе в условиях высокого вакуума. Известен ионный двигатель Deep Space, использующий в качестве рабочего вещества ионы Хе, ускоренные потенциалом 400 В. Недостатком данного двигателя является использование низкого ускоряющего потенциала, что существенно ограничивает достижимую величину тяги при малых расходах эжектируемой массы. В ионном двигателе Европейского Космического Агентства DS4G ускорение ионов Хе производится потенциалом 30 кВ через последовательно размещенные четыре решетчатых электрода с тысячей миллиметровых согласованных отверстий в каждой, с общим током примерно 100 мА. Такое устройство мало пригодно для применения в условиях использования больших разностей потенциалов, так как чревато опасностью частых пробоев или быстрым разрушением ускоряющих решеток (из-за облучения их быстрыми рассеянными ионами). Необходимость малого расхода экстрагируемой массы, максимальной износостойкости источника ионов в длительных полетах при одновременном обеспечении больших значений величины тяги требует значительного увеличения скорости истечения массы, в данном случае существенного увеличения ускоряющей ионы разности потенциалов. Если принять за норму расхода массы величину тока ионов Хе порядка 200 мА, что соответствует (при эффективности использования массы 50%) расходу массы 16.5 кг за год, при ускоряющем ионы потенциале 100 кВ тяговое усилие составит 0.1 Н и удельный импульс 3.8⋅105 сек. Указанные выше токи не могут быть получены в результате отбора ионов из плазмы источника ионов через приосевое круглое отверстие (как это обычно делается) из-за ограничения, накладываемого объемным зарядом ионов. Известен и нашел техническое применение источник ионов с кольцевой разрядной камерой и с ускорением ионов до энергий в нескольких КэВ в узком промежутке между электродами с одновременной компенсацией объемного заряда ионов электронами на выходе из источника (патент US 4122347).

В группе аналогов ЭРД с электронной нейтрализацией, источниками магнитного поля, с различными способами ионизации разных видов РТ, разными способами и устройствами для ускорения частиц представлены устройства с дополнительными электродами. Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему, включающую по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, магнитопровод, наружный и внутренний с центральным отверстием магнитные полюса, образующие рабочий межполюсный зазор с внутренней областью, простирающейся внутри ускорительного канала, и внешней областью, простирающейся за пределами выхода ускорительного канала, анод-газораспределитель рабочего газа, расположенный в донной части полости разрядной камеры, и по меньшей мере один катод-компенсатор, размещенный в центральной полости магнитной системы и содержащий активирующий электрод с центральным отверстием (патент РФ №2030134, Н05Н 1/54, F03H 1/00). В ЭРД по изобретению RU 2 426 007 С1 для улучшения плавности режима запуска за счет устранения одной из основных причин возникновения колебаний в разрядной цепи активирующий электрод катода-компенсатора выполнен дискообразной формы из магнитопроводящего материала и размещен соосно с внешней стороны на внутреннем магнитном полюсе.

В патенте RU 2682962 C1 используется имеющийся накопитель с рабочим телом в нем, реакторную камеру, подключенную к указанному накопителю, оснащенную электродами для преобразования структуры, ионизации, ускорения и нейтрализации частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля, отличающееся тем, что в области в основном между указанным накопителем и указанной реакторной камерой имеется встроенный промежуточный активный узел, содержащий источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору.

Каждый известный аналог представляет собой ионно-плазменное электродвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата, имеющее накопитель с рабочим телом в нем, реакторную камеру, подключенную к указанному накопителю, оснащенную электродами для преобразования структуры, ионизации, ускорения и нейтрализации частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля (ЭМП). В группе аналогов ЭРД/ИД используются управляемые ионно-плазменные, электро-разрядные, лазерные, и другие подобные реакции на основе использования ЭМП. По способу перевода рабочего тела в газофазное ионизованное состояние ЭРД/ИД разделяют на 3 группы по типу генерации ЭМП: на основе разряда постоянного тока, ВЧ-разряда или СВЧ-разряда. ЭМП обладает приемлемой эффективностью на этапе ионизации, ускорения и нейтрализации частиц для ряда веществ, но не на этапе преобразования структуры, и только для ограниченного круга избранных веществ. Не реализованы более эффективные технологии, которые применяются для ускорения протонов до релятивистских скоростей.

В группе аналогов можно отнести патент 2008134386/11, US 11/365,875 использующим солнечный ветер в качестве источника тяги. Электрический парус содержит множество вытянутых электропроводных компонентов (проволок), развертываемых от корпуса КА в радиальных направлениях. Электроны стекают из проволок в корпус, так что проволоки приобретают положительный потенциал относительно окружающей плазмы. Это обеспечивает взаимодействие паруса с протонами солнечного ветра и создание необходимой тяги.

Все конструкции, приведенные в выше перечисленных патентах имеют сильные конструктивные отличия от предложенной модели, где основной линией идет система ускорения заряженных частиц в сверхпроводящих резонаторах с корректировкой квадрупольными магнитами по всей длине КА, и получением кинетического импульса на каждом ускоряющем модуле и с релятивистским приростом массы частиц, учитывая высокую добротность сверхпроводящих резонаторов, получаем систему с высоким КПД преобразования электрической энергии в кинетическую, системы, описанные выше используют другие методы ускорения КА с меньшей эффективностью, что не позволяют им выйти на скорости КА приближенные к скорости света.

Основные решаемые задачи

1) КА имеет простой конструктов, в виде большого линейного ускорителя заряженных частиц. Которые разгоняются электрическим полем и достигнув около световых скоростей, выбрасываются в виде реактивной струи. При этом масса частиц процессе ускорение возрастает в тысячи раз. А так как укоряется малый объем частиц, расход вбрасываемого тела может быть минимальным.

Линейный ускоритель заряженных элементарных частиц, для своей работы может использовать вещество, собираемое из внешнего пространства, которым могут быть ионизированные атомы водорода и электроны, чем защищает внутренние структуры КА и имеет возможность пополнять запасы расходуемого материала. Что решает одну из проблем скоростного звездного полета и использует свободные межзвездные атомы водорода. По современным оценкам в пяти кубических сантиметрах межзвездного пространства содержится примерно один такой атом. Одним из возможных решений, сбора и защиты от данных частиц будет использование электромагнитных полей, создаваемых с помощью сверхпроводящих селеноидов. То есть в процессе полета будем производить ионизацию и сбор заряженных частиц с использованием в ускорителе для создания тяги для реактивного движения.

При дальнейшем развитии технологии энергоустройств, возможно использовать собираемые атомы, в реакции термоядерного синтеза, для получения энергии для общей работы КА. И как вариант предельного развития системы, полностью замкнуть энергообеспечение и расходное вещество, на получаемое из внешнего пространства.

Итоговые премущества предложенной конструкции:

Приведенная совокупность и комбинации признаков обеспечивает получение следующих технических результатов: дает возможность позволяет создание прямоточного релятивиского реактивного двигателя, имеющего простую в изготовлении конструкцию, более эффективную и надежную при эксплуатации в составе космического аппарата. Согласно предлагаемому изобретению, может быть достигнут суммарный положительный эффект в увеличении ресурса, повышении надежности, стабильности и эффективности тяговых характеристик, и эффективности использования рабочего вещества. Использование компоновки и построения согласно предлагаемому изобретению позволяетс создать аппарат для движения в дальнем космосе защищеный от внешних воздействий (радиации и межзвезного газа) и имеющий скоросные параметры позволяющие решить задачу межзвезных перелетов.

Возможные минусы описаной системы: Предложеная система имеет большие габаритные размеры и для построения использует большое количество сложных и редких материалов, для эффективной работы должна быть удалена от высоко энтенсивных источников тепла.

Ионно-плазменное энергодвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата (КА), содержащее систему накопления и пополнения вещества из внешних источников межзвездного водорода, систему хранения и модули ионизации и предварительного ускорения протонов, систему в виде многоканального линейного ускорителя протонов для реактивного движения КА на базе ускоряющих сверхпроводниковых структур, с активной системой охлаждения и системой управления потоками ионов, системы нейтрализации протонов и вывода их в космическое пространство или на модули для получения энергии, причем система линейного ускорителя установлена на выдвигаемой телескопической конструкции, с размещением ускоряющих структур по кромке ее корпуса, выполненного из легких и прочных композитных материалов, допускающей в сложенном виде при неработающем ускорителе ее закручивание вокруг центра масс для создания искусственной гравитации.