RU219935U1 - Коаксиальный импульсный плазменный ракетный двигатель с магнитной катушкой - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электрическим ракетным двигателям, а именно к импульсным плазменным ракетным двигателям, применяемым на космических аппаратах. Техническим результатом является снижение массы и габаритов двигателя, а также повышение эффективности использования рабочего тела. Это достигается за счет использования толстостенной диэлектрической трубки, на торцах которой находятся электроды, подключенные к конденсаторной батарее. На одном из электродов - катоде - размещается свеча зажигания, служащая для инициации разряда между электродами двигателя по внутренней поверхности диэлектрической трубы. Второй электрод - анод -выполнен таким образом, чтобы сквозь него из канала диэлектрической трубы наружу двигателя могла выходить плазма. Кроме того, двигатель включает в себя магнитную катушку, намотанную поверх диэлектрической трубы и последовательно с электродами подключенную к конденсаторной батарее. В результате введение катушки позволяет снизить массу и габариты двигателя и увеличить продолжительность электрического разряда, позволяя более полно использовать рабочее тело.

Description

Полезная модель относится к электрическим ракетным двигателям, а именно к импульсным плазменным ракетным двигателям, и может быть использована в космонавтике для обеспечения ориентации и/или коррекции орбиты космических аппаратов.

Известен двигатель, описанный в патенте [1] и состоящий из толстостенной диэлектрической трубы, анода, выполненного в виде проходящего сквозь продольное отверстие трубы стержня, и катода, выполненного в виде кольца, расположенного вокруг одного из торцов трубы. Катод и анод подключены к импульсной конденсаторной батарее, а для инициации разряда используется импульс высокого напряжения наносекундной длительности.

Наиболее близким по конструкции и принятым в качестве прототипа является импульсный плазменный двигатель, примененный на автоматической межпланетной станции «Зонд-2», включающий в себя толстостенную диэлектрическую трубу, на торцах которой находятся электроды - катод и анод, подключенные к импульсной конденсаторной батарее, в центре одного из электродов - катода - размещается свеча зажигания, второй электрод - анод - выполнен в виде разделенных промежутками металлических стержней. Свеча зажигания инициирует разряд между электродами двигателя по внутренней поверхности диэлектрической трубы, далее наружу двигателя плазма выходит сквозь анод из канала диэлектрической трубы. Устройство и принцип работы данного двигателя описаны в статье [2].

Недостатками описанных выше конструкций являются относительно крупные габариты и масса, а также малая эффективность расхода рабочего тела. Как известно из работы [3], основным фактором, препятствующим уменьшению массы и габаритов импульсных плазменных ракетных двигателей, является необходимость использования громоздких импульсных конденсаторных батарей для создания большого разрядного тока. В работах [3] и [4] указывается, что снижение емкости конденсаторной батареи либо величины разрядного тока приводит к снижению эффективности разгона рабочего тела в двигателе. Кроме того, из работы [5] известно, что значительная, до 80%, доля рабочего тела покидает подобные двигатели уже после окончания электрического разряда, что приводит к низкой эффективности использования запаса рабочего тела. Увеличение продолжительности электрического разряда, что необходимо для решения этой проблемы, при сохранении большой величины разрядного тока требует повышения емкости конденсаторной батареи, а значит ее массы и габаритов.

Технический результат состоит в снижении массы и габаритов двигателя, а также повышении эффективности использования рабочего тела.

Для реализации указанного технического результата предложен коаксиальный импульсный плазменный ракетный двигатель с магнитной катушкой. Двигатель включает в себя толстостенную диэлектрическую трубу, на торцах которой находятся электроды - катод и анод, подключенные к конденсаторной батарее, в центре катода размещена свеча зажигания, анод выполнен таким образом, чтобы сквозь него из канала диэлектрической трубы наружу двигателя могла выходить плазма. Кроме того, двигатель включает в себя магнитную катушку, намотанную поверх диэлектрической трубы и последовательно с электродами подключенную к конденсаторной батарее.

Индуктивное сопротивление катушки, включенной последовательно с электродами двигателя, ограничивает разрядный ток, позволяя применять компактные конденсаторы с высокой плотностью энергии, не рассчитанные на работу с большими токами, а значит снизить массу и габариты двигателя. При этом магнитное поле катушки создает на выходе двигателя магнитное сопло, которое позволяет обеспечить эффективный разгон рабочего тела даже при относительно низких разрядных токах. Кроме того, самоиндукция магнитной катушки увеличивает продолжительность электрического разряда, позволяя более полно использовать рабочее тело.

Пример конкретной реализации устройства, за исключением конденсаторной батареи, представлен на фиг. 1.

Коаксиальный импульсный плазменный ракетный двигатель с магнитной катушкой включает в себя толстостенную диэлектрическую трубку 1, сделанную, например, из фторопласта или полиформальдегида, на торцах которой находятся электроды 2 и 3, подключенные к конденсаторной батарее. На одном из электродов - катоде 2 - размещается свеча зажигания 4, служащая для инициации разряда между электродами двигателя по внутренней поверхности диэлектрической трубы. Второй электрод - анод 3 - выполнен в виде разделенных промежутками металлических стержней, чтобы сквозь него из канала диэлектрической трубы наружу двигателя могла выходить плазма. Вокруг диэлектрической трубы наматывается магнитная катушка 5, подключенная к конденсаторной батарее двигателя последовательно с электродами, а именно между анодом и положительным выходом конденсаторной батареи.

Устройство работает следующим образом:

конденсаторная батарея двигателя заряжается до высокого напряжения;

по окончании зарядки конденсаторной батареи высоковольтный импульс небольшой мощности подается на свечу зажигания 4;

маломощный электрический разряд в свече зажигания приводит к образованию свободных электронов, которые инициируют электрический разряд по внутренней поверхности диэлектрической трубы 1 между электродами - анодом 3 и катодом 2;

ток электрического разряда протекает через магнитную катушку 5, в результате чего она создает магнитное поле, формирующее магнитное сопло на выходе двигателя. Одновременно своим индуктивным сопротивлением катушка 5 ограничивает разрядный ток, не позволяя ему превысить максимально допустимое для конденсаторной батареи значение;

под действием электрического разряда тонкий слой диэлектрика преобразуется из твердого состояния в газообразное, а затем ионизируется, превращаясь в плазму, и нагревается разрядным током;

разогретая плазма через анод 3 с высокой скоростью истекает из двигателя и попадает в область магнитного сопла, создаваемого магнитной катушкой 5, где происходит дополнительное ускорение плазмы за счет использования ее тепловой энергии;

истечение плазмы из двигателя в одном направлении, согласно третьему закону Ньютона, приводит к созданию тяги, направленной в противоположном направлении.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет с достаточной эффективностью создавать тягу за счет расхода электрической энергии и массы входящего в конструкцию диэлектрика, при этом сохраняя малые габариты и массу благодаря использованию не рассчитанных на высокие разрядные токи конденсаторных батарей с высокой удельной энергоемкостью.

Литература

1. Вершинин Ю.Н., Емлин Р.В., Ильичев Д.С., Потабачный Л.А., Кириллов С.А., Казанкин Ф.А., Импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле, RU 2146776 С1.

2. Щепетилов В.А., Разработка электрореактивных двигателей в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2017, т. 40, вып.2.

3. Богатый А.В., Дьяконов Г.А., Нечаев И.Л. и др. Перспективы улучшения массогабаритных характеристик абляционных импульсных плазменных двигателей // Вопросы электромеханики труды ВНИИЭМ. - Т. 133. - 2013.

4. Дьяконов Г.А., Любинская Н.В., Семенихин С.А. Хрусталев М.М. Абляционный импульсный плазменный двигатель для малоразмерных космических аппаратов // Труды МАИ. - №73. - 2014.

5. Богатый А.В., Дьяконов Г.А., Семенихин С.А. Исследования механизмов возникновения паразитного расхода рабочего тела при работе абляционного импульсного плазменного двигателя // Космические исследования. - том 57. - №5. - 2019.

Claims (2)

1. Коаксиальный импульсный плазменный ракетный двигатель с магнитной катушкой, включающий конденсаторную батарею, толстостенную диэлектрическую трубу, являющуюся твёрдым рабочим веществом, два электрода – катод и анод, расположенные на торцах трубы, причём анод выполнен таким образом, чтобы сквозь него из канала диэлектрической трубы могла выходить плазма, свечу зажигания, расположенную на катоде, отличающийся тем, что содержит магнитную катушку, расположенную вокруг диэлектрической трубы и последовательно электрически соединённую с конденсаторной батареей и электродами, а именно между анодом и положительным выходом конденсаторной батареи.

2. Коаксиальный импульсный плазменный ракетный двигатель с магнитной катушкой по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическая труба выполнена из полиформальдегида.