RU2614906C1 - Direct flow electric propulsion engine - Google Patents
Direct flow electric propulsion engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2614906C1 RU2614906C1 RU2016112914A RU2016112914A RU2614906C1 RU 2614906 C1 RU2614906 C1 RU 2614906C1 RU 2016112914 A RU2016112914 A RU 2016112914A RU 2016112914 A RU2016112914 A RU 2016112914A RU 2614906 C1 RU2614906 C1 RU 2614906C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- direct
- inductor
- flow channel
- ion
- turns
- Prior art date
Links
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 27
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims abstract description 11
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 28
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 claims description 11
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 abstract description 60
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 58
- 230000004907 flux Effects 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- WTEAUPHBFHTFIX-UHFFFAOYSA-N 1,1,2,2,2-pentafluoroethyl-[2-(1,1,2,2,2-pentafluoroethylphosphanyl)ethyl]phosphane Chemical compound FC(F)(F)C(F)(F)PCCPC(F)(F)C(F)(F)F WTEAUPHBFHTFIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 4
- 230000000979 retarding effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 73
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 45
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 17
- 238000013461 design Methods 0.000 description 10
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 3
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 2
- 238000000752 ionisation method Methods 0.000 description 2
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000026058 directional locomotion Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000010006 flight Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000010584 magnetic trap Methods 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электрореактивным двигателям прямоточного типа (ПЭРД), в которых в качестве рабочего вещества используется газообразная окружающая среда. Двигатели данного типа планируется применять в составе двигательных установок (ДУ), предназначенных для управления движением низкоорбитальных космических аппаратов (НКА). Функции ДУ с ПЭРД включают компенсацию аэродинамического торможения НКА в атмосфере планет и коррекцию орбиты НКА.The invention relates to direct-flow type electric propulsion engines (PERD), in which a gaseous environment is used as a working substance. Engines of this type are planned to be used as part of propulsion systems (DU) designed to control the movement of low-orbit spacecraft (NSC). The functions of the remote control with PERD include the compensation of aerodynamic drag of the spacecraft in the atmosphere of the planets and the correction of the orbit of the spacecraft.
Эффективная работа космических аппаратов дистанционного зондирования Земли осуществляется на орбитах от 180 км до 280 км. На данных высотах орбит концентрация газов остаточной атмосферы составляет от 1015 м-3 до 1017 м-3. Наличие остаточной атмосферы на рабочих орбитах НКА обуславливает действие на него достаточно большой силы аэродинамического сопротивления, что приводит к торможению и быстрому снижению высоты орбиты НКА. Срок активного существования НКА на указанных высотах орбит составляет от нескольких дней до нескольких месяцев. Для увеличения длительности активного существования НКА необходимо компенсировать силу аэродинамического сопротивления окружающей среды и снижение орбиты НКА, вызванное аэродинамическим сопротивлением. Такая компенсация обеспечивается за счет приращения скорости НКА импульсами реактивной тяги, создаваемыми с помощью корректирующей двигательной установки (КДУ). В качестве двигателей КДУ могут применяться ПЭРД, конструкция которых предусматривает возможность забора газообразной окружающей среды в качестве рабочего вещества реактивного двигателя. Для гарантированного поддержания НКА на заданной расчетной высоте рабочей орбиты тяга КДУ должна быть не менее максимальной величины силы аэродинамического сопротивления, действующей в условиях наибольшей интенсивности солнечной и геомагнитной активности.The effective work of spacecraft for remote sensing of the Earth is carried out in orbits from 180 km to 280 km. At these altitudes of the orbits, the concentration of gases of the residual atmosphere is from 10 15 m -3 to 10 17 m -3 . The presence of residual atmosphere in the working orbits of the spacecraft determines the effect on it of a sufficiently large force of aerodynamic drag, which leads to inhibition and a rapid decrease in the height of the orbit of the spacecraft. The period of active existence of the spacecraft at the indicated altitudes of the orbits is from several days to several months. To increase the duration of the active existence of the spacecraft, it is necessary to compensate for the strength of the aerodynamic resistance of the environment and the decrease in the orbit of the spacecraft caused by aerodynamic drag. Such compensation is provided due to the increment of the speed of the spacecraft by impulses of jet propulsion created by means of a corrective propulsion system (KDU). As engines KDU can be used PERD, the design of which provides for the possibility of intake of a gaseous environment as a working substance of a jet engine. In order to guarantee the maintenance of the spacecraft at a given calculated altitude of the working orbit, the thrust of the KDU should be not less than the maximum value of the aerodynamic drag force acting under conditions of the highest intensity of solar and geomagnetic activity.
Известны различные типы электрореактивных двигателей, предлагаемых для применения в составе КДУ НКА. Так, например, в патенте US 7306189B2 (опубл. 11.12.2007) описана конструкция ПЭРД открытого типа с забором газообразного рабочего вещества из окружающей среды (остаточной атмосферы Земли). ПЭРД содержит открытую (пространственно неограниченную) камеру ионизации газообразного вещества, находящегося в окружающем пространстве.Various types of electric propulsion engines are known for use as part of the NDU KDU. So, for example, in the patent US 7306189B2 (publ. 11/12/2007) describes the design of open-type PRE with the intake of a gaseous working substance from the environment (residual Earth’s atmosphere). PERD contains an open (spatially unlimited) ionization chamber of a gaseous substance located in the surrounding space.
Ионизация осуществляется за счет воздействия внешнего электромагнитного поля на газообразное рабочее вещество, например путем применения высокочастотного электромагнитного поля. Образовавшиеся ионы ускоряются с помощью электростатической системы ускорения, представляющей собой ионно-оптическую систему с двумя сеточными электродами. Электроды подключаются к разнополярным выходам источника напряжения: первый по направлению ускорения ионов электрод находится под положительным потенциалом и выполняет функцию эмиссионного электрода, второй электрод находится под отрицательным потенциалом и выполняет функцию ускоряющего электрода. За электродами электростатической системы ускорения ионов установлен источник электронов, с помощью которого обеспечивается нейтрализация пространственного заряда ускоренного потока ионов. Двигатель содержит систему генерации электромагнитного поля и устройство ввода энергии в пространственную область ионизации. Данный двигатель обладает низкой эффективностью использования газообразного рабочего тела и энергии для создания реактивной тяги из-за существенного рассеяния заряженных частиц в пространственной области, расположенной перед эмиссионным электродом. При неупорядоченном движении заряженных частиц в пространственно неограниченной области ионизации большая часть частиц не участвует в процессе направленного электростатического ускорения ионов, т.е. не используется для создания реактивной тяги.Ionization is carried out due to the influence of an external electromagnetic field on a gaseous working substance, for example, by applying a high-frequency electromagnetic field. The resulting ions are accelerated using an electrostatic acceleration system, which is an ion-optical system with two grid electrodes. The electrodes are connected to the bipolar outputs of the voltage source: the first electrode in the direction of ion acceleration is at a positive potential and acts as an emission electrode, the second electrode is at a negative potential and acts as an accelerating electrode. Behind the electrodes of the electrostatic ion acceleration system, an electron source is installed, which helps to neutralize the space charge of the accelerated ion flow. The engine contains an electromagnetic field generation system and an energy input device into the spatial ionization region. This engine has a low efficiency of using a gaseous working fluid and energy to create reactive thrust due to the significant scattering of charged particles in the spatial region located in front of the emission electrode. In the disordered motion of charged particles in a spatially unlimited ionization region, most of the particles do not participate in the process of directed electrostatic acceleration of ions, i.e. not used to create jet thrust.
В патенте US 7581380B2 (опубл. 01.09.2009) описана конструкция ПЭРД с проточной камерой, имеющей цилиндрическую форму. Входное отверстие камеры закрыто сетчатым экранирующим электродом. Внутренняя часть корпуса камеры выполнена из электропроводящего материала. В осевой части камеры установлен внутренний электрод с острийными эмиттерами электронов. Внутренний электрод электрически изолирован от проводящих стенок камеры. В выходной части камеры установлена электростатическая система ускорения ионов, состоящая из эмиссионного и ускоряющего сеточных электродов. За выходным отверстием проточной камеры ПЭРД размещен катод-нейтрализатор пространственного заряда, обеспечивающий эмиссию электронов с заданной плотностью тока в ускоряемый поток ионов.In the patent US 7581380B2 (publ. 09/01/2009) describes the design of the engine with a flow chamber having a cylindrical shape. The camera inlet is covered by a mesh shielding electrode. The inside of the camera body is made of electrically conductive material. In the axial part of the chamber there is an internal electrode with pointed electron emitters. The inner electrode is electrically isolated from the conductive walls of the chamber. An electrostatic ion acceleration system consisting of emission and accelerating grid electrodes is installed in the output part of the chamber. A cathode-space-charge neutralizer is located behind the exit chamber of the PIRD flow chamber, which ensures the emission of electrons with a given current density into the accelerated ion flow.
При работе ПЭРД набегающий разреженный газовый поток попадает в камеру ионизации через экранирующий сетчатый электрод и ионизируется при столкновении с электронами, эмитируемыми с внутреннего электрода. Образовавшиеся ионы затем ускоряются электростатическим полем, создаваемым сетчатыми электродами ионно-оптической системы. Пространственный заряд ускоренного ионного потока компенсируется (нейтрализуется) электронами, эмитируемыми внешним катодом-нейтрализатором. Рассматриваемая конструкция ПЭРД не предусматривает использование технических средств, обеспечивающих торможение и изменение направления движения атомарного рабочего вещества, что необходимо для последующей эффективной ионизации и ускорения ионов рабочего вещества.During the operation of the internal combustion engine, the incident rarefied gas stream enters the ionization chamber through a screened electrode and is ionized in collision with electrons emitted from the internal electrode. The formed ions are then accelerated by the electrostatic field created by the mesh electrodes of the ion-optical system. The space charge of the accelerated ion flux is compensated (neutralized) by electrons emitted by an external cathode-converter. The considered design of the engine does not involve the use of technical means that ensure braking and changing the direction of motion of the atomic working substance, which is necessary for subsequent effective ionization and acceleration of the working substance ions.
В патентной заявке EP 2853737 A1 (опубл. 01.04.2015) раскрыта конструкция ПЭРД, в состав которого входит профилированное газозаборное устройство, имеющее форму плавно сужающегося осесимметричного канала. Газозаборное устройство используется с целью сбора газообразного вещества из окружающей среды (остаточной атмосферы) и увеличения его плотности на входе в камеру ионизации. Процесс ионизации газообразного вещества осуществляется в высокочастотном разряде. Нагрев образовавшейся плазмы происходит при реализации условий ионного циклотронного резонанса. Данные условия реализуются при одновременном создании внешнего магнитного поля и вводе в разрядный объем высокочастотной электромагнитной энергии. Ускорение потока плазмы осуществляется в результате квазиадиабатического расширения ионизованного рабочего вещества в магнитном поле за срезом магнитной ловушки. Истекающий из камеры ПЭРД ускоренный ионный поток скомпенсирован по заряду и обладает высокой кинетической энергией. Однако такой ПЭРД имеет достаточно сложную конструкцию вследствие использования сложной магнитной системы, требующей, как правило, применение криогенной системы охлаждения, и средств генерации и ввода в разрядный объем высокочастотной электромагнитной энергии. Кроме того, требуются существенные затраты энергии на ионизацию рабочего вещества с целью реализации условий ионно-циклотронного резонанса. В этом случае величина удельного импульса двигателя имеет существенные ограничения. При использовании сужающегося газозаборного устройства увеличивается сила аэродинамического сопротивления окружающей среды.In the patent application EP 2853737 A1 (publ. 04/01/2015) disclosed the design of the engine, which includes a profiled gas intake device in the form of a smoothly tapering axisymmetric channel. A gas intake device is used to collect gaseous matter from the environment (residual atmosphere) and increase its density at the entrance to the ionization chamber. The process of ionization of a gaseous substance is carried out in a high-frequency discharge. Heating of the resulting plasma occurs when the ion cyclotron resonance conditions are realized. These conditions are realized while simultaneously creating an external magnetic field and introducing high-frequency electromagnetic energy into the discharge volume. The plasma flow is accelerated as a result of quasi-adiabatic expansion of the ionized working substance in a magnetic field behind a cut of a magnetic trap. The accelerated ion flux emanating from the PERD chamber is compensated for by charge and has a high kinetic energy. However, such a PERD has a rather complicated design due to the use of a complex magnetic system, which requires, as a rule, the use of a cryogenic cooling system, and means of generating and introducing high-frequency electromagnetic energy into the discharge volume. In addition, significant energy is required for the ionization of the working substance in order to implement the conditions of ion cyclotron resonance. In this case, the magnitude of the specific impulse of the engine has significant limitations. When using a tapering gas intake device, the strength of the aerodynamic resistance of the environment increases.
Наиболее близким аналогом изобретения является ПЭРД, описанный в патенте US 6834492 B2 (опубл. 28.12.2004). Данный ПЭРД может применяться для управления движением НКА в составе КДУ. Двигатель содержит корпус с кольцевым осесимметричным прямоточным каналом, на выходе из которого может быть установлен один или несколько нейтрализаторов пространственного заряда ускоряемого ионного потока. На входе в прямоточный канал расположено газозаборное устройство с экранирующим электродом, в котором выполнены каналы, ориентированные параллельно оси симметрии прямоточного канала. Во входной части газозаборного устройства установлено центральное тело, образующее сужающийся проточный канал для предварительного сжатия набегающего газового потока и повышения концентрации рабочего вещества в камере ионизации и ускорения ионов.The closest analogue of the invention is PERD, described in patent US 6834492 B2 (publ. 28.12.2004). This PERD can be used to control the motion of the spacecraft as part of the CDU. The engine comprises a housing with an annular axisymmetric direct-flow channel, at the output of which one or more space charge neutralizers of the accelerated ion flow can be installed. At the entrance to the direct-flow channel there is a gas intake device with a shielding electrode, in which channels are made, oriented parallel to the axis of symmetry of the direct-flow channel. A central body is installed in the input part of the gas intake device, which forms a narrowing flow channel for preliminary compression of the incoming gas flow and increase in the concentration of the working substance in the ionization chamber and ion acceleration.
В прямоточном канале двигателя расположена входная камера, в которой за счет отражения от стенок камеры и взаимных столкновений происходит изменение направления движения и величины скорости частиц рабочего вещества в набегающем газовом потоке. После предварительного преобразования (хаотизации) набегающего потока газообразное рабочее вещество поступает в камеру ионизации и ускорения ионов. Ионизация и ускорение ионов рабочего вещества осуществляются в разряде, горящем в скрещенных электрическом и магнитном полях. Магнитная система двигателя содержит наружный и внутренний магнитопроводы и источники магнитодвижущей силы, выполненные в виде электромагнитных катушек намагничивания, которые установлены на наружном и внутреннем магнитопроводах. Ввод электромагнитной энергии в камеру ионизации и ускорения ионов обеспечивается с помощью электродов и электромагнитных катушек намагничивания, подключенных к системе электропитания.An inlet chamber is located in the direct-flow channel of the engine, in which, due to reflection from the chamber walls and mutual collisions, a change in the direction of motion and the velocity of the particles of the working substance in the incoming gas flow occur. After preliminary conversion (chaotization) of the incident flow, the gaseous working substance enters the ionization and ion acceleration chamber. Ionization and acceleration of the ions of the working substance are carried out in a discharge burning in crossed electric and magnetic fields. The magnetic system of the engine contains an external and internal magnetic circuit and sources of magnetomotive force, made in the form of electromagnetic magnetization coils, which are installed on the external and internal magnetic circuits. The input of electromagnetic energy into the ionization and ion acceleration chamber is ensured by electrodes and electromagnetic magnetization coils connected to the power supply system.
Рассматриваемый ПЭРД хотя и содержит входную камеру, где может осуществляться термализация частиц (хаотизация и выравнивание скоростей частиц), но его конструкция не обеспечивает в полной мере эффективное использование газообразного рабочего вещества остаточной атмосферы из-за того, что камера ионизации и ускорения ионов не отделена от входной камеры. При данном выполнении не исключается возможность ухода нейтральных частиц, обладающих высокой кинетической энергией, из камеры ионизации в обратном направлении - во входную камеру.Although the considered PIRD contains an inlet chamber where particles can be thermalized (randomization and particle velocity equalization), its design does not fully ensure the efficient use of the gaseous working substance of the residual atmosphere due to the fact that the ionization and ion acceleration chamber is not separated from input camera. With this embodiment, the possibility of the escape of neutral particles with high kinetic energy from the ionization chamber in the opposite direction to the inlet chamber is not ruled out.
Использование в ПЭРД электрического разряда, горящего в скрещенных электрическом и магнитном полях, приводит к необходимости применения сужающегося входного канала газозаборного устройства для увеличения плотности газообразного рабочего вещества. В этом случае, как и в других двигателях-аналогах, за счет увеличения лобового сопротивления устройства увеличивается сила аэродинамического сопротивления, действующая на ПЭРД. При действии перечисленных выше факторов для повышения вероятности ионизации нейтральных частиц в набегающем потоке требуется увеличение длины прямоточного канала, учитывая, что скорость частиц на входе в прямоточный канал равна скорости движения НКА на рабочей орбите. Из-за недостаточной плотности газообразного рабочего вещества и низкой вероятности ионизации нейтральных частиц, что является следствием высокой скорости и преимущественного направления движения частиц вдоль прямоточного канала, снижается эффективность использования рабочего вещества, отбираемого из остаточной атмосферы планеты, и, соответственно, величина удельного импульса двигателя.The use of an electric discharge burning in crossed electric and magnetic fields in PERD leads to the necessity of using a tapering inlet channel of the gas intake device to increase the density of the gaseous working substance. In this case, as in other analog engines, due to an increase in the frontal drag of the device, the aerodynamic drag force acting on the engine is increased. Under the action of the above factors, to increase the probability of ionization of neutral particles in the incoming flow, an increase in the length of the direct-flow channel is required, given that the particle velocity at the entrance to the direct-flow channel is equal to the speed of the spacecraft in the working orbit. Due to the insufficient density of the gaseous working substance and the low probability of ionization of neutral particles, which is a consequence of the high speed and the preferred direction of movement of particles along the direct-flow channel, the efficiency of use of the working substance taken from the residual atmosphere of the planet, and, accordingly, the specific impulse of the engine, is reduced.
Изобретение направлено на повышение концентрации частиц газообразного рабочего вещества на входе в камеру ионизации за счет снижения скорости частиц и перераспределения (хаотизации) направлений движения частиц в прямоточном канале. Техническая проблема, связанная с необходимостью повышения концентрации частиц рабочего вещества в разрядном объеме, решается с помощью изобретения без использования таких известных технических приемов, как увеличение длины прямоточного канала и использование профилированного сужающегося канала, что существенно влияет на массогабаритные и аэродинамические характеристики двигателя. В этом случае можно уменьшить продольный габаритный размер двигателя и снизить его аэродинамическое сопротивление. Кроме того, повышается эффективность использования газообразного рабочего вещества, отбираемого из окружающей среды (остаточной атмосферы), и, как следствие, увеличивается удельный импульс двигателя.The invention is aimed at increasing the concentration of particles of a gaseous working substance at the entrance to the ionization chamber by reducing the particle velocity and redistributing (randomizing) the directions of particle motion in the direct-flow channel. The technical problem associated with the need to increase the concentration of particles of the working substance in the discharge volume is solved using the invention without the use of such well-known techniques as increasing the length of the direct-flow channel and the use of a profiled tapering channel, which significantly affects the weight and aerodynamic characteristics of the engine. In this case, it is possible to reduce the longitudinal overall dimension of the engine and reduce its aerodynamic drag. In addition, the efficiency of using a gaseous working substance taken from the environment (residual atmosphere) is increased, and, as a result, the specific impulse of the engine increases.
Указанные выше технические результаты достигаются при использовании ПЭРД, предназначенного для управления движением НКА. Двигатель содержит корпус с осесимметричным прямоточным каналом. В состав ПЭРД входит по меньшей мере один нейтрализатор пространственного заряда. На входе в прямоточный канал установлено газозаборное устройство. Проточные каналы газозаборного устройства ориентированы параллельно оси симметрии прямоточного канала. В прямоточном канале двигателя от газозаборного устройства до выходного отверстия последовательно расположены входная камера и камера ионизации и ускорения ионов с устройством ввода электромагнитной энергии в разрядный объем.The above technical results are achieved when using the engine, designed to control the motion of the spacecraft. The engine contains a housing with an axisymmetric ramjet. The composition of the engine includes at least one space charge neutralizer. At the entrance to the direct-flow channel, a gas intake device is installed. The flow channels of the gas intake device are oriented parallel to the axis of symmetry of the direct-flow channel. An inlet chamber and an ionization and ion acceleration chamber with a device for introducing electromagnetic energy into the discharge volume are sequentially arranged in the direct-flow channel of the engine from the gas intake device to the outlet.
Согласно изобретению прямоточный канал двигателя выполняется в форме цилиндра. В качестве устройства ввода электромагнитной энергии используется индуктор, имеющий форму спирали. Данный тип ПЭРД относится к высокочастотным ионным двигателям с индукционным возбуждением электрического разряда в газовой среде. Индуктор устанавливается в полости прямоточного канала. Витки индуктора расположены вдоль поверхности вращения, соосной прямоточному каналу. Площадь поперечного сечения поверхности вращения увеличивается в направлении от газозаборного устройства к электродам ионно-оптической системы. На внешнюю поверхность витков индуктора нанесено проницаемое для электромагнитного поля изолирующее диэлектрическое покрытие. Камера ионизации и ускорения ионов включает в свой состав ионно-оптическую систему, содержащую эмиссионный, ускоряющий и замедляющий электроды. Ионно-оптическая система, обеспечивающая ускорение ионов, устанавливается в выходном отверстии прямоточного канала.According to the invention, the direct-flow channel of the engine is in the form of a cylinder. As an electromagnetic energy input device, an inductor having the shape of a spiral is used. This type of PERD refers to high-frequency ion engines with induction excitation of an electric discharge in a gaseous medium. The inductor is installed in the cavity of the direct-flow channel. The turns of the inductor are located along the surface of rotation, coaxial to the direct-flow channel. The cross-sectional area of the surface of rotation increases in the direction from the gas intake device to the electrodes of the ion-optical system. An insulating dielectric coating permeable to the electromagnetic field is applied to the outer surface of the turns of the inductor. The ionization and ion acceleration chamber includes an ion-optical system containing emission, accelerating and slowing-down electrodes. An ion-optical system that provides ion acceleration is installed in the outlet of the direct-flow channel.
Данное выполнение ПЭРД позволяет изменить направление движения и скорость нейтральных частиц, поступающих во входную камеру через газозаборное устройство. Дальнейшее изменение скорости и направления движения частиц происходит при прохождении каналов, образованных поверхностями близлежащих витков индуктора. В результате перед входом в разрядный объем происходит торможение направленного высокоскоростного набегающего потока. Вследствие торможения частиц и их хаотизации в прямоточном канале двигателя обеспечивается термализация частиц рабочего вещества и повышается их концентрация до уровня 1017-1018 м-3, необходимого для устойчивого горения высокочастотного индукционного разряда и, соответственно, для поддержания расчетного рабочего режима работы ПЭРД. Данный эффект достигается без использования сужающихся входных каналов газозаборного устройства, применение которых приводит к увеличению аэродинамического сопротивления ПЭРД. За счет повышения концентрации частиц рабочего вещества в области ионизации и снижения их скорости в осевом направлении повышается эффективность использования рабочего вещества и удельный импульс двигателя.This embodiment of the engine makes it possible to change the direction of motion and the speed of neutral particles entering the inlet chamber through a gas intake device. A further change in the velocity and direction of motion of the particles occurs with the passage of channels formed by the surfaces of nearby turns of the inductor. As a result, before entering the discharge volume, the directional high-speed free flow is braked. Due to the deceleration of particles and their randomization in the direct-flow channel of the engine, the particles of the working substance are thermalized and their concentration increases to the level of 10 17 -10 18 m -3 , which is necessary for stable combustion of a high-frequency induction discharge and, accordingly, to maintain the calculated operating mode of operation of the engine. This effect is achieved without the use of narrowing input channels of the gas intake device, the use of which leads to an increase in the aerodynamic drag of the engine. By increasing the concentration of particles of the working substance in the field of ionization and reducing their speed in the axial direction, the efficiency of use of the working substance and the specific impulse of the engine are increased.
Витки индуктора располагаются вдоль поверхности вращения, образующая которой может иметь прямолинейную или криволинейную форму. Существенными условиями являются также соосность поверхности вращения прямоточному каналу и увеличение площади ее поперечного сечения в направлении от газозаборного устройства к электродам ионно-оптической системы. При выполнении данных условий частицы рабочего вещества концентрируются в области горения высокочастотного индукционного разряда. В частности, витки индуктора могут быть расположены вдоль конической поверхности, вершина которой обращена к газозаборному устройству, а основание - к электродам ионно-оптической системы. Оптимальные значения угла при вершине конической поверхности составляют от 60° до 120°. В другом варианте конструкции витки индуктора могут быть расположены вдоль сферической поверхности шарового сегмента, вершина которого обращена к газозаборному устройству, а плоское основание - к электродам ионно-оптической системы.The turns of the inductor are located along the surface of rotation, the generatrix of which can have a rectilinear or curvilinear shape. Essential conditions are also the alignment of the surface of rotation of the direct-flow channel and the increase in its cross-sectional area in the direction from the gas intake device to the electrodes of the ion-optical system. Under these conditions, the particles of the working substance are concentrated in the combustion region of the high-frequency induction discharge. In particular, the turns of the inductor can be located along a conical surface, the top of which faces the gas intake device, and the base - to the electrodes of the ion-optical system. The optimal angle at the apex of the conical surface is from 60 ° to 120 °. In another embodiment, the inductor turns can be located along the spherical surface of the spherical segment, the top of which faces the gas intake device, and the flat base - to the electrodes of the ion-optical system.
Поперечное сечение витков индуктора может иметь форму круга. Однако предпочтительной формой выполнения сечения витков индуктора является овальная форма, в частности витки могут иметь поперечное сечение в форме эллипса. В случае использования витков индуктора овальной формы между поверхностями близлежащих витков образуются протяженные каналы, по которым частицы рабочего вещества направляются в область ионизации. Оптимальные значения угла наклона большой оси овала (сечения витков индуктора) по отношению к оси симметрии прямоточного канала составляют от 15° до 45°.The cross section of the turns of the inductor may be in the form of a circle. However, the preferred embodiment of the cross section of the turns of the inductor is oval, in particular, the turns can have a cross section in the form of an ellipse. In the case of using oval-shaped inductor coils between the surfaces of nearby coils, extended channels are formed through which particles of the working substance are directed to the ionization region. The optimal values of the angle of inclination of the major axis of the oval (cross section of the turns of the inductor) with respect to the axis of symmetry of the direct-flow channel are from 15 ° to 45 °.
Индуктор может быть выполнен в виде ленты со скругленными торцевыми частями. В этом случае боковые поверхности ленты ориентируются под острым углом по отношению к оси симметрии прямоточного канала в направлении к электродам ионно-оптической системы. Оптимальные значения угла наклона боковых поверхностей ленты по отношению к оси симметрии прямоточного канала составляют от 15° до 45°.The inductor can be made in the form of a tape with rounded end parts. In this case, the lateral surfaces of the tape are oriented at an acute angle with respect to the axis of symmetry of the direct-flow channel towards the electrodes of the ion-optical system. The optimal values of the angle of inclination of the side surfaces of the tape with respect to the axis of symmetry of the direct-flow channel are from 15 ° to 45 °.
Для повышения степени термализации частиц рабочего вещества в полости входной камеры могут использоваться кольцевые отражатели, которые устанавливаются вдоль цилиндрической поверхности стенки входной камеры. Кольцевые отражатели образуют со стенкой входной камеры глухие каналы, ориентированные в направлении к оси симметрии прямоточного канала.To increase the degree of thermalization of the particles of the working substance in the cavity of the inlet chamber, ring reflectors can be used that are installed along the cylindrical surface of the wall of the inlet chamber. Annular reflectors form blind channels with the wall of the inlet chamber, oriented in the direction to the axis of symmetry of the direct-flow channel.
В качестве нейтрализатора пространственного заряда ускоренного ионного потока могут применяться различные типы газоразрядных устройств. В частности, нейтрализатор пространственного заряда может быть выполнен в виде газоразрядного устройства с полым катодом, через который направляется газообразное рабочее вещество из набегающего потока остаточной атмосферы.Various types of gas-discharge devices can be used as a space charge neutralizer of an accelerated ion flow. In particular, the space charge neutralizer can be made in the form of a gas-discharge device with a hollow cathode, through which the gaseous working substance is directed from the incident flow of the residual atmosphere.
Длина
Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров его осуществления. На прилагаемых чертежах изображено следующее:The invention is further illustrated by the description of specific examples of its implementation. The accompanying drawings show the following:
на фиг. 1 - схематичный продольный разрез верхней части прямоточного канала ПЭРД с расположением витков индуктора круглого сечения вдоль конической поверхности;in FIG. 1 is a schematic longitudinal section of the upper part of the ramjet channel of the engine with the arrangement of turns of a circular inductor along a conical surface;
на фиг. 2 - схематичный продольный разрез верхней части прямоточного канала ПЭРД с расположением витков индуктора, выполненных в виде ленты, вдоль конической поверхности;in FIG. 2 is a schematic longitudinal section of the upper part of the ramjet channel of the engine with the location of the turns of the inductor, made in the form of a tape, along a conical surface;
на фиг. 3 - схематичный продольный разрез верхней части прямоточного канала ПЭРД с расположением витков индуктора овального сечения вдоль сферической поверхности шарового сегмента;in FIG. 3 is a schematic longitudinal section of the upper part of the ramjet channel of the engine with the location of the turns of an oval-shaped inductor along the spherical surface of the spherical segment;
на фиг. 4 - вид на каналы газозаборного устройства со стороны набегающего потока.in FIG. 4 is a view of the channels of the intake device from the side of the incoming flow.
ПЭРД, изображенный на фиг. 1, предназначен для управления движением НКА и выполнен в виде высокочастотного ионного двигателя с индукционным возбуждением электрического разряда в газовой среде остаточной атмосферы. ПЭРД содержит корпус 1 с осесимметричным прямоточным каналом в форме цилиндра. На входе в прямоточный канал установлено газозаборное устройство с каналами 2, ориентированными параллельно оси симметрии прямоточного канала. В рассматриваемом примере проточные каналы 2 образованы сотовой системой перегородок и имеют форму шестиугольников со стороны набегающего потока (см. фиг. 4). Длина
За газозаборным устройством вдоль направления движения потока рабочего вещества расположена входная камера 3, в которой происходит хаотизация направлений движения частиц и снижение их скорости. В рассматриваемом примере во входной камере 3 вдоль ее цилиндрической стенки установлены кольцевые отражатели 4, образующие со стенкой камеры 3 глухие каналы, ориентированные в направлении к оси симметрии прямоточного канала. Стенки отражателей 4 расположены под углом 45° к оси симметрии прямоточного канала.Behind the gas intake device along the direction of motion of the flow of the working substance is the
За входной камерой 3 расположена камера ионизации и ускорения ионов с устройством ввода электромагнитной энергии в разрядный объем, выполненным в виде индуктора 5 в форме спирали. В рассматриваемом примере, изображенном на фиг. 1, поперечное сечение витков индуктора 5 имеет форму круга. Индуктор 5 выполняется из электропроводящего материала. В рассматриваемом примере спираль индуктора 5 образована изогнутым медным проводником. Токоподводы индуктора 5 подключены к высокочастотному генератору 6. На поверхность витков индуктора 5 нанесено проницаемое для электромагнитного поля диэлектрическое покрытие, в качестве которого, в частности, используется алунд. Витки индуктора 5 расположены вдоль поверхности вращения, соосной прямоточному каналу, площадь поперечного сечения которой увеличивается в направлении от газозаборного устройства к электродам ионно-оптической системы. В рассматриваемом примере (см. фиг. 1) витки индуктора 5 расположены вдоль конической поверхности, вершина которой обращена к газозаборному устройству, а основание - к электродам ионно-оптической системы. Угол при вершине конической поверхности составляет 90°. Между витками индуктора 5 образованы каналы, через которые частицы рабочего вещества поступают из входной камеры 3 в разрядный объем. Витки индуктора 5 отделяют входную камеру 3 от камеры ионизации и ускорения ионов. За счет формы и определенного расположения витки индуктора 5 препятствуют уходу нейтральных частиц из разрядного объема в обратном направлении - к газозаборному устройству.Behind the
В выходном отверстии прямоточного канала установлена ионно-оптическая система 7, обеспечивающая ускорение ионов рабочего вещества, образовавшихся в разрядном объеме. Ионно-оптическая система 7 содержит последовательно расположенные перфорированные пластины-электроды: эмиссионный электрод 8, ускоряющий электрод 9 и замедляющий электрод 10. Электроды 8, 9 и 10 подключены к источникам электропитания 11 и 12.An ion-
ПЭРД содержит нейтрализатор 13 пространственного заряда ускоренного ионного потока. Нейтрализатор 13 выполнен в виде газоразрядного устройства с полым катодом. Электроды нейтрализатора 13 подключены к источнику электропитания 14. В качестве газоразрядного устройства (нейтрализатора пространственного заряда) может использоваться, например, источник электронов, описанный в патенте RU 2270491 C2 (опубл. 20.02.2006). В рассматриваемом примере нейтрализатор 13 установлен в полости камеры ионизации и ускорения ионов соосно прямоточному каналу. Выход нейтрализатора 13 сообщен с пространственной областью за пределами электродов ионно-оптической системы 7, в которой образуется ускоренный ионный поток, через диэлектрический транспортирующий канал 15. С помощью канала 15 осуществляется транспортировка электронов из нейтрализатора 13 через осевую часть прямоточного канала и электроды ионно-оптической системы 7.PERD contains a
Вариант конструкции ПЭРД, изображенный на фиг. 2, отличается от описанного выше примера реализации изобретения формой выполнения витков индуктора. Спираль индуктора 16 выполнена в виде ленты со скругленными торцевыми частями. Боковые поверхности ленты ориентированы под острым углом 45° по отношению к оси симметрии прямоточного канала в направлении к электродам ионно-оптической системы 7. При данной форме выполнения индуктора между поверхностями близлежащих витков образуются протяженные каналы, по которым частицы рабочего вещества направляются в разрядный объем, расположенный между витками индуктора 16 и эмиссионным электродом 8 ионно-оптической системы 7. При наклонном расположении каналов, образованных витками индуктора 16, существенно снижается вероятность ухода нейтральных частиц из области горения электрического разряда в обратном направлении - к газозаборному устройству.The embodiment of the PERD depicted in FIG. 2, differs from the embodiment of the invention described above by the embodiment of the turns of the inductor. The spiral of the
Вариант конструкции ПЭРД, изображенный на фиг. 3, отличается от примера реализации изобретения, изображенного на фиг. 1, формой индуктора. Витки индуктора 17 расположены вдоль сферической поверхности шарового сегмента, вершина которого обращена к газозаборному устройству, а плоское основание - к электродам ионно-оптической системы 7. При данной форме выполнения индуктора 17 разрядный объем камеры ионизации и ускорения ионов имеет полусферическую форму. Выбор формы разрядного объема влияет на расчетные размеры камеры ионизации и ускорения ионов и на габаритные размеры ПЭРД в целом. Форма индуктора выбирается в зависимости от исходных данных по размерам, электрическим и тяговым характеристикам ПЭРД. В качестве образующей поверхности вращения, вдоль которой размещаются витки индуктора, может быть выбран отрезок иной кривой линии второго порядка, наряду с отрезком окружности.The embodiment of the PERD depicted in FIG. 3 differs from the embodiment of the invention depicted in FIG. 1, the shape of the inductor. The turns of the
Поперечное сечение витков индуктора 17, изображенного на фиг. 3, имеет форму эллипса (частный случай овала). Большая ось овального поперечного сечения витков индуктора 17, имеющего форму эллипса, ориентирована под острым углом 45° по отношению к оси симметрии прямоточного канала в направлении к электродам ионно-оптической системы 7. Между поверхностями близлежащих витков образуются протяженные каналы, ограниченные криволинейными боковыми поверхностями близлежащих витков индуктора 17. По данным каналам, как и в примере, изображенном на фиг. 2, частицы рабочего вещества направляются в разрядный объем, расположенный между витками индуктора 17 и эмиссионным электродом 8.The cross-section of the turns of the
Вариант конструкции ПЭРД, изображенный на фиг. 3, отличается также расположением нейтрализатора пространственного заряда ионного потока. В рассматриваемом примере нейтрализатор 13 расположен снаружи корпуса 1 на его боковой поверхности. Нейтрализатор 13 выполнен в виде газоразрядного устройства с полым катодом и снабжен дополнительным электродом 18, с помощью которого осуществляется поджиг и поддержание основного разряда в полом катоде. Выходное отверстие нейтрализатора 13 расположено у выходного отверстия прямоточного канала за замедляющим электродом 10 ионно-оптической системы 7. Электропитание газоразрядного устройства осуществляется с помощью источника электропитания 14, подключенного к нейтрализатору 13, и дополнительного источника электропитания 19, подключенного к дополнительному электроду 18. Данная схема нейтрализации пространственного заряда ионного потока позволяет использовать в качестве рабочего вещества инертные газы, традиционно применяемые в газоразрядных устройствах. Подача инертного газа в нейтрализатор 13 может осуществляться с помощью системы подачи и хранения газообразного рабочего вещества, размещаемой на борту НКА.The embodiment of the PERD depicted in FIG. 3, also differs in the arrangement of the space-charge neutralizer of the ion flux. In this example, the
Работа ПЭРД осуществляется следующим образом.Work PERD is as follows.
При движении НКА на орбитах высотой от 180 км до 280 км над поверхностью Земли в газозаборное устройство ПЭРД попадают атомы и молекулы остаточной атмосферы планеты (направление движения частиц остаточной атмосферы на входе в каналы 2 показано стрелками на фиг. 1- 3). Концентрация захватываемых газозаборным устройством нейтральных частиц зависит от высоты орбиты, солнечной и геомагнитной активности, а их скорость соответствует круговой скорости движения НКА вокруг планеты. В этом случае движение частиц можно рассматривать как свободномолекулярное (число Кнудсена больше 10). Длина свободного пробега частиц превышает продольный размер прямоточного канала ПЭРД. При указанных условиях уровень концентрации частиц газообразного рабочего вещества при низкоорбитальных полетах с относительно небольшим аэродинамическим торможением оказывается недостаточным для эффективной организации процесса ионизации и ускорения ионного потока.When the spacecraft moves in orbits with altitudes from 180 km to 280 km above the Earth’s surface, atoms and molecules of the planet’s residual atmosphere enter the GEMF intake device (the direction of motion of the particles of the residual atmosphere at the entrance to
Увеличение концентрации частиц газообразного рабочего вещества обеспечивается при минимальном аэродинамическом сопротивлении двигателя за счет использования цилиндрического прямоточного канала, в полости которого образована входная камера 3, ограниченная с одной стороны каналами 2 газозаборного устройства, а с противоположной стороны - витками индуктора, выполняющими одновременно функцию ввода высокочастотной электромагнитной энергии в разрядный объем и функцию отражателя частиц, вектор скорости которых направлен параллельно оси симметрии прямоточного канала. Для одновременного решения указанных задач витки индуктора, имеющего форму спирали, расположены вдоль поверхности вращения, соосной прямоточному каналу. Площадь поперечного сечения поверхности вращения увеличивается в направлении от газозаборного устройства к электродам ионно-оптической системы 7. При такой форме и расположении индуктора разрядный объем (ионизатор) в полости прямоточного канала ограничен с одной стороны витками индуктора, а с противоположной - эмиссионным электродом 8 ионно-оптической системы 7. Для снижения влияния индуктора на направленное движение ионов и исключения распыления индуктора заряженными частицами на поверхность его витков нанесено изолирующее диэлектрическое покрытие, проницаемое для генерируемого индуктором электромагнитного поля.An increase in the concentration of particles of a gaseous working medium is ensured with a minimum aerodynamic drag of the engine due to the use of a cylindrical once-through channel, in the cavity of which an
Условия, определяющие форму индуктора и его расположение в прямоточном канале, могут быть реализованы в различных вариантах конструкции ПЭРД. Так, в примере, изображенном на фиг. 1, витки индуктора 5 расположены вдоль конической поверхности, вершина которой обращена к каналам 2 газозаборного устройства, а основание - к электродам ионно-оптической системы 7. В другом примере, изображенном на фиг. 3, витки индуктора 17 расположены вдоль сферической поверхности шарового сегмента, вершина которого обращена к каналам 2, а плоское основание - к электродам ионно-оптической системы 7. В качестве образующей поверхности вращения могут использоваться отрезки кривых линий второго порядка.The conditions that determine the shape of the inductor and its location in the direct-flow channel can be implemented in various designs of the engine. So, in the example shown in FIG. 1, the turns of the
Попадая в каналы 2 газозаборного устройства, часть частиц набегающего потока, вектор скорости которых параллелен поверхности каналов 2 и оси симметрии прямоточного канала, будет двигаться вдоль стенок каналов 2, не испытывая соударений с его поверхностью. Такие частицы попадут во входную камеру 3 из набегающего потока без изменения направления движения. Другие частицы набегающего потока, вектор скорости которых имеет составляющую, направленную перпендикулярно поверхности стенок каналов 2, будут соударяться с поверхностью стенок каналов 2. Для реализации данного условия используются достаточно протяженные каналы 2 газозаборного устройства. Оптимальная длина
В результате реализации диффузного механизма отражения большая часть частиц, вектор скорости которых не параллелен оси симметрии прямоточного канала, попадет во входную камеру 3 с меньшими величинами скоростей и с измененными векторами скоростей. Однако даже в этом случае длина свободного пробега частиц будет больше продольного размера прямоточного канала. Существенное снижение скорости нейтральных частиц набегающего потока остаточной атмосферы обеспечивается за счет использования индуктора, имеющего определенные форму и расположение в полости прямоточного канала. Сталкиваясь с поверхностью витков индуктора, частицы возвращаются во входную камеру, где за счет взаимных столкновений и столкновений со стенками камеры происходит хаотизация их движения и снижение их скорости. В результате этого обеспечивается термализация частиц рабочего вещества во входной камере 3. Вследствие протекания данных процессов повышается концентрация частиц рабочего вещества, проникающих через каналы, образованные близлежащими витками индуктора, в разрядный объем. Поперечное сечение разрядного объема увеличивается в направлении к электродам ионно-оптической системы 7 - в область локализации высокочастотного электромагнитного поля.As a result of the implementation of the diffuse reflection mechanism, most of the particles whose velocity vector is not parallel to the axis of symmetry of the direct-flow channel will enter the
В примерах, изображенных на фиг. 1 и 2, разрядный объем, ограниченный витками индуктора (5 и 16 соответственно), расположенными вдоль конической поверхности, и плоской поверхностью эмиссионного электрода 8, имеет коническую форму. В примере, изображенном на фиг. 3, разрядный объем, ограниченный витками индуктора 17, расположенными вдоль сферической поверхности шарового сегмента, и плоской поверхностью эмиссионного электрода 8, имеет форму шарового сегмента.In the examples depicted in FIG. 1 and 2, the discharge volume limited by the turns of the inductor (5 and 16, respectively) located along the conical surface and the flat surface of the
Каналы, через которые термализованные частицы проникают из входной камеры 3 в разрядный объем (ионизатор), могут быть образованы витками индуктора, имеющими поперечное сечение в форме круга (см. фиг. 1). Для организации направленного движения термализованных частиц из входной камеры 3 в направлении к осевой части разрядного объема может использоваться индуктор 17, поперечное сечение витков которого имеет форму овала (см. фиг. 3). В этом случае между поверхностями близлежащих витков индуктора образуются каналы, направленные к оси симметрии прямоточного канала. Для этого большая ось овала поперечного сечения витков индуктора 17 ориентирована под острым углом 45° по отношению к оси симметрии прямоточного канала в направлении к электродам ионно-оптической системы 7. Величина угла наклона большой оси овала по отношению к оси симметрии прямоточного канала выбирается в диапазоне оптимальных значений от 15° до 45°.The channels through which the thermalized particles penetrate from the
В упрощенном варианте конструкции витки индуктора 16, изображенного на фиг. 2, выполняются в виде ленты. Боковые поверхности ленты индуктора 16 ориентированы под острым углом по отношению к оси симметрии прямоточного канала. Выбирая угол наклона боковых поверхностей ленты индуктора 16 в диапазоне от 15° до 45°, можно обеспечить полное перекрытие прямого направления движения нейтральных частиц параллельно оси симметрии прямоточного канала.In a simplified embodiment, the turns of the
Вероятность удержания нейтральных частиц рабочего вещества в разрядном объеме увеличивается также за счет их отражения от поверхности эмиссионного перфорированного электрода 8 и ускоряющего перфорированного электрода 9 ионно-оптической системы 7. Для этого степень прозрачности электродов 8 и 9 по отношению к нейтральным частицам выбирается равной 0,2. При этом степень прозрачности электродов 8 и 9 по отношению к ионам рабочего вещества в процессе их ускорения с помощью ионно-оптической системы 7 составляет 0,8. Высокая степень прозрачности электродов по отношению к ионам и низкая степень прозрачности для нейтральных частиц достигается за счет выбора соотношения размеров отверстий в электродах: диаметр отверстий в ускоряющем электроде 9 выбирается более чем 1,5 раза меньшим по сравнению с диаметром отверстий в эмиссионном электроде 8.The probability of retention of neutral particles of the working substance in the discharge volume also increases due to their reflection from the surface of the emission perforated
Для повышения степени хаотизации движения нейтральных частиц и их термализации во входной камере 3 используются кольцевые отражатели 4, образующие со стенкой камеры глухие каналы, ориентированные в направлении к оси симметрии прямоточного канала. Нейтральные частицы при соударении с отражателями 4 и стенками цилиндрической камеры изменяют направление вектора скорости, приобретают скорости, определяемые температурой контактирующей поверхности, и направляются в осевую часть входной камеры 3. Данные процессы способствует снижению величины скорости частиц и их термализации перед входом в разрядный объем. В результате проведенных экспериментов и численного моделирования было установлено, что при использовании указанных выше технических средств концентрация нейтральных частиц в разрядном объеме достигает уровня от 1017 м-3 до 1018 м-3. Данный уровень концентрации частиц рабочего вещества обеспечивает устойчивое горение высокочастотного индукционного разряда.To increase the degree of randomization of the motion of neutral particles and their thermalization in the
При подключении токоподводов индуктора 5 (см. фиг. 1) к высокочастотному генератору 6 осуществляется зажигание и поддержание горения высокочастотного индукционного разряда в газовой среде. Высокочастотные токи в индукторе 5 индуцируют в разрядном объеме (области ионизации рабочего вещества) изменяющееся магнитное поле, которое генерирует высокочастотное электрическое поле. Генерируемое электрическое поле ускоряет электроны, вызывая их осцилляцию с частотой высокочастотного поля. Энергия поля, аккумулируемая осциллирующими электронами, расходуется на неупругие столкновения с атомами и ионами рабочего вещества, вызывая их возбуждение и/или ионизацию.When connecting the current leads of the inductor 5 (see Fig. 1) to the high-
Баланс электронов в разрядном объеме определяется скоростью образования электронов в процессе ионизации и скоростью их ухода на стенки прямоточного канала, поверхность витков индуктора 5 и эмиссионного электрода 8. Баланс атомов и ионов в разрядном объеме определяется скоростями ионизации и ухода атомов и ионов на стенки прямоточного канала, поверхность витков индуктора 5 и в отверстия электродов ионно-оптической системы 7. Уменьшение ухода ионов на поверхность витков индуктора 5 и, как следствие, снижение вероятности разрушения индуктора обеспечивается за счет использования защитного диэлектрического покрытия, нанесенного на поверхность витков индуктора. Данное покрытие проницаемо для генерируемого электромагнитного поля.The balance of electrons in the discharge volume is determined by the rate of formation of electrons in the ionization process and the speed of their escape to the walls of the direct-flow channel, the surface of the turns of the
Образовавшиеся в результате ионизации рабочего вещества ионы диффундируют под действием электростатического поля к электродам ионно-оптической системы 7 при сохранении квазинейтральности плазмы, заполняющей разрядный объем. Ускорение ионов осуществляется с помощью электродов ионно-оптической системы 7. Эмиссионный электрод 8 находится под положительным потенциалом, задаваемым источником электропитания 11. Потенциал электрода 8 определяет энергию извлекаемых ионов. На ускоряющий электрод 9 подается отрицательный потенциал от источника электропитания 12. Потенциал электрода 9 препятствует прохождению через ионно-оптическую систему 7 электронов, снижающих эффективность ускорения ионов. На выходной замедляющий электрод 10 подается потенциал от источника электропитания 12, величина которого равна потенциалу корпуса двигателя и, соответственно, потенциалу корпуса НКА, на котором установлен ПЭРД.The ions formed as a result of ionization of the working substance diffuse under the influence of an electrostatic field to the electrodes of the ion-
Ускоренный ионный поток формируется из отдельных ионных пучков, проходящих через совокупность соосных отверстий, выполненных в электродах ионно-оптической системы 7. В каналах соосных отверстий электродов 8, 9 и 10 происходит ускорение ионов под действием приложенной разности потенциалов с фокусировкой пучка ионов в направлении к оси симметрии каналов отверстий. Совокупность отдельных пучков ионов, ускоряемых через отверстия, выполненные в электродах 8, 9 и 10, образует на выходе из ионно-оптической системы 7 общий ускоренный поток положительно заряженных ионов (направление движения ускоренного ионного потока на выходе из ионно-оптической системы 7 показано стрелками на фиг. 1- 3).The accelerated ion flux is formed from individual ion beams passing through a set of coaxial holes made in the electrodes of the ion-
Для компенсации пространственного положительного заряда ускоренного ионного потока используется нейтрализатор 13, с помощью которого электроны эмитируются в ускоренный ионный поток. В примере, изображенном на фиг. 1, нейтрализатор 13 установлен в полости камеры ионизации и ускорения ионов. В этом случае в качестве рабочего вещества газоразрядного устройства используется набегающий газовый поток остаточной атмосферы. Электроды нейтрализатора 13 подключаются к источнику электропитания 14. При осевом расположении нейтрализатора 13 транспортировка электронов через электроды 7, 8 и 9 осуществляется с помощью диэлектрического транспортирующего канала 15, соединяющего выходное отверстие эмиттера электронов с пространственной областью, расположенной за пределами электродов ионно-оптической системы 7. На выходе из ПЭРД генерируется скомпенсированный по заряду и величине тока ускоренный поток ионов, создающий реактивную тягу.To compensate for the positive spatial charge of the accelerated ion flux, a
Работа ПЭРД, изображенных на фиг. 2 и 3, осуществляется аналогичным образом. В варианте конструкции ПЭРД, изображенном на фиг. 2, в качестве устройства ввода электромагнитной энергии в разрядный объем используется индуктор 16, выполненный виде ленты со скругленными торцевыми частями. Боковые поверхности ленты ориентированы под углом 45° по отношению к оси симметрии прямоточного канала. Витки индуктора 16 расположены вдоль конической поверхности. При данном выполнении индуктора обеспечивается направленное движение частиц рабочего вещества из входной камеры 3 в разрядный объем через протяженные каналы, образованные боковыми поверхностями близлежащих витков ленты индуктора.The operation of the PERDs shown in FIG. 2 and 3, is carried out in a similar way. In the embodiment of the FIG, shown in FIG. 2, an
Витки индуктора 16 препятствуют прямому прохождению нейтральных частиц (без соударений с другими частицами и стенками канала) из входной камеры 3 в камеру ионизации и ускорения ионов. Частицы, соударяясь с боковой поверхностью витков индуктора, расположенной под острым углом по отношению к направлению движения частиц, отклоняются от первоначальной траектории, при этом в результате соударений снижается скорость частиц. За счет отражения от поверхностей витков индуктора нейтральные частицы двигаются в направлении к осевой части разрядного объема, испытывая неупругие соударения с осциллирующими электронами и тяжелыми частицами. В этом случае существенно снижается вероятность прямого пролета частицами набегающего потока через прямоточный канал без взаимодействия (соударений) с другими частицами. Из-за дополнительного перераспределения частиц рабочего вещества, как по направлению движения, так и по величине скорости, повышается их концентрация в разрядном объеме, ограниченном витками индуктора 16, поверхностью эмиссионного электрода 8 и стенками прямоточного канала.The turns of the
Аналогично данный процесс протекает для варианта конструкции ПЭРД, изображенного на фиг. 3. В этом случае протяженные каналы между близлежащими витками индуктора 17 ограничены боковыми криволинейными поверхностями витков, поперечное сечение которых имеет форму эллипса (частный случай овала). Заданная ориентация каналов к оси симметрии прямоточного канала обеспечивается за счет того, что большая ось эллипса, ограничивающего поперечное сечения каждого витка, ориентирована под острым углом по отношению к оси симметрии прямоточного канала в направлении к электродам ионно-оптической системы 7. Угол наклона большой оси эллипса по отношению к оси симметрии прямоточного канала преимущественно выбирается в диапазоне оптимальных значений от 15° до 45°.Similarly, this process proceeds for the embodiment of the PERD depicted in FIG. 3. In this case, the extended channels between the adjacent turns of the
В примере конструкции ПЭРД, изображенном на фиг. 3, используется нейтрализатор 13 пространственного заряда, установленный с внешней стороны корпуса 1. Поджиг и поддержание электрического разряда в нейтрализаторе 13 осуществляется с помощью поджигного электрода 18, подключаемого к дополнительному источнику электропитания 19. Электропитание основного электрического разряда, горящего в газоразрядном устройстве с полым катодом, обеспечивается от источника электропитания 14. Для данной схемы размещения нейтрализатора (на выходе из прямоточного канала за пределами электродов ионно-оптической системы 7) может использоваться система хранения и подачи газообразного рабочего вещества, в качестве которого обычно применяются инертные газы. В таких системах газообразное рабочее вещество подается в разрядный объем из баллона высокого давления.In the example of the construction of the RDFD shown in FIG. 3, a space-
Приведенные выше примеры реализации изобретения подтверждают возможность увеличения концентрации частиц рабочего вещества в разрядном объеме до уровня 1017-1018 м-3. Достигаемый уровень концентрации не менее чем в десять раз превышает уровень концентрации частиц рабочего вещества, характерный для прямоточных двигателей-аналогов, в которых не применяются специальные технические средства, обеспечивающие повышение концентрации газообразного вещества. При использовании цилиндрического прямоточного канала, выполненного без его сужения его входной части, из-за снижения лобового сопротивления набегающему потоку достигается минимальное аэродинамическое торможение при работе НКА на низких околоземных орбитах (от 180 км до 280 км). Вследствие этого повышается эффективность использования газообразного рабочего вещества и увеличивается удельный импульс двигателя. Кроме того, за счет уменьшения длины свободного пробега частиц в прямоточном канале двигателя можно сократить продольный габаритный размер ПЭРД.The above examples of the invention confirm the possibility of increasing the concentration of particles of the working substance in the discharge volume to the level of 10 17 -10 18 m -3 . The achieved concentration level is not less than ten times higher than the concentration level of the particles of the working substance, which is typical for direct-flow engines-analogues, in which special technical means are not used, which ensure an increase in the concentration of the gaseous substance. When using a cylindrical direct-flow channel, made without narrowing its inlet, due to a decrease in frontal resistance to the incoming flow, a minimum aerodynamic drag is achieved when the spacecraft operates in low Earth orbits (from 180 km to 280 km). As a result, the efficiency of using a gaseous working substance is increased and the specific impulse of the engine is increased. In addition, by reducing the mean free path of particles in the direct-flow channel of the engine, it is possible to reduce the longitudinal overall size of the engine.
Вышеописанные примеры осуществления изобретения основываются на конкретных вариантах конструкции ПЭРД, однако это не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы. В зависимости от заданных характеристик ПЭРД, включая ограничения по габаритным размерам и энергопотреблению, и от состава остаточной атмосферы выбираются форма и размеры индуктора, форма и размеры поперечного сечения витков индуктора, а также размеры и форма каналов заборного устройства. Так, например, наряду с конической и сферической формой поверхности вращения, вдоль которой располагаются витки индуктора, может использоваться поверхность параболоида вращения или иная поверхность вращения, образующей которой является отрезок кривой линии второго порядка. При выборе формы поверхности вращения должны соблюдаться существенные условия, согласно которым площадь поперечного сечения поверхности вращения увеличивается в направлении от газозаборного устройства к электродам ионно-оптической системы при соосном расположении индуктора в прямоточном канале.The above-described embodiments of the invention are based on specific embodiments of the engine; however, this does not exclude the possibility of achieving a technical result in other particular cases of the invention as described in the independent claim. Depending on the specified characteristics of the engine, including restrictions on overall dimensions and energy consumption, and on the composition of the residual atmosphere, the shape and dimensions of the inductor, the shape and dimensions of the cross section of the turns of the inductor, as well as the dimensions and shape of the channels of the intake device are selected. So, for example, along with the conical and spherical shape of the surface of revolution along which the turns of the inductor are located, the surface of a paraboloid of revolution or another surface of revolution, which is formed by a segment of a second-order line curve, can be used. When choosing the shape of the surface of rotation, essential conditions must be met, according to which the cross-sectional area of the surface of rotation increases in the direction from the gas intake device to the electrodes of the ion-optical system with the coaxial arrangement of the inductor in the direct-flow channel.
Форма и размеры поперечного сечения витков индуктора также выбираются в зависимости от заданных расчетных условий, определяемых условиями эксплуатации НКА. В случае использования индуктора, поперечное сечение витков которого имеет форму овала, угол наклона большой оси овала по отношению к оси симметрии прямоточного канала преимущественно выбирается в диапазоне от 15° до 45°. Значения угла наклона большой оси овала зависят от геометрических размеров спирали индуктора и прямоточного канала. Указанный диапазон оптимальных значений острого угла наклона каналов, образованных поверхностями близлежащих витков спирали, не исключает возможности выбора величины угла и за его пределами при определенных геометрических размерах элементов конструкции устройства и скоростных характеристиках набегающего потока. Аналогичным образом выбирается и угол наклона боковых поверхностей витков индуктора, выполненного в виде ленты, и, соответственно, острый угол наклона каналов, образованных боковыми поверхностями близлежащих витков ленты индуктора, к оси симметрии прямоточного канала. В качестве материала покрытия витков индуктора, проницаемого для электромагнитного поля, наряду с алундом, могут применяться и другие изолирующие диэлектрические материалы, например кварцевое стекло.The shape and dimensions of the cross section of the turns of the inductor are also selected depending on the specified design conditions determined by the operating conditions of the spacecraft. In the case of using an inductor, the cross section of the turns of which is oval, the angle of inclination of the major axis of the oval with respect to the axis of symmetry of the direct-flow channel is preferably selected in the range from 15 ° to 45 °. The values of the inclination angle of the major axis of the oval depend on the geometric dimensions of the inductor spiral and the direct-flow channel. The specified range of optimal values of the acute angle of inclination of the channels formed by the surfaces of the adjacent turns of the spiral does not exclude the possibility of choosing the value of the angle and beyond for certain geometric dimensions of the structural elements of the device and the speed characteristics of the incoming flow. Similarly, the angle of inclination of the side surfaces of the turns of the inductor, made in the form of a tape, and, accordingly, the acute angle of inclination of the channels formed by the side surfaces of the adjacent turns of the tape of the inductor, to the axis of symmetry of the direct-flow channel, are selected. As the coating material of the turns of the inductor, permeable to the electromagnetic field, along with the alundum, other insulating dielectric materials, such as quartz glass, can be used.
В конкретных условиях эксплуатации ПЭРД могут не использоваться кольцевые отражатели 4, которые устанавливаются вдоль цилиндрической поверхности входной камеры 3. В зависимости от расчетной орбиты НКА, высота которой определяет концентрацию газообразного рабочего вещества в остаточной атмосфере планеты, выбирается форма поперечного сечения каналов газозаборного устройства и их длина, которая зависит от площади поперечного сечения каналов. Длина каналов выбирается в диапазоне оптимальных значений
Конструкция нейтрализатора пространственного заряда, количество нейтрализаторов и место их установки выбираются в зависимости от концентрации частиц в остаточной атмосфере, размера поперечного сечения прямоточного канала и характеристик высокочастотного разрядного устройства. В зависимости от условий эксплуатации ПЭРД в качестве рабочего вещества нейтрализатора может использоваться газовая среда остаточной атмосферы или газообразное рабочее вещество, например инертный газ, содержащийся в баллоне высокого давления на борту НКА. В качестве электродов ионно-оптической системы могут использоваться не только перфорированные пластины, но и сетчатые электроды. Выходной замедляющий электрод, в частности, может быть выполнен в виде кольца, охватывающего ускоренный ионный поток.The design of the space charge converter, the number of converters and their installation location are selected depending on the concentration of particles in the residual atmosphere, the size of the cross-section of the direct-flow channel and the characteristics of the high-frequency discharge device. Depending on the operating conditions of the RDF, the gas medium of the residual atmosphere or the gaseous working substance, for example, an inert gas contained in the high-pressure tank aboard the spacecraft, can be used as the working substance of the converter. As electrodes of the ion-optical system, not only perforated plates, but also mesh electrodes can be used. The output slowdown electrode, in particular, can be made in the form of a ring spanning an accelerated ion flow.
ПЭРД может применяться в составе КДУ на борту НКА, имеющих различные функциональные назначения, включая исследовательские задачи по дистанционному зондированию поверхности планет и телекоммуникационные функции.PERD can be used as part of a CDS onboard an NSC with various functional purposes, including research tasks on remote sensing of the planetary surface and telecommunication functions.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016112914A RU2614906C1 (en) | 2016-04-05 | 2016-04-05 | Direct flow electric propulsion engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016112914A RU2614906C1 (en) | 2016-04-05 | 2016-04-05 | Direct flow electric propulsion engine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2614906C1 true RU2614906C1 (en) | 2017-03-30 |
Family
ID=58507136
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016112914A RU2614906C1 (en) | 2016-04-05 | 2016-04-05 | Direct flow electric propulsion engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2614906C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2766966C1 (en) * | 2020-12-29 | 2022-03-16 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Method of creating thrust of ramjet engine and ramjet engine |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6145298A (en) * | 1997-05-06 | 2000-11-14 | Sky Station International, Inc. | Atmospheric fueled ion engine |
| US6834492B2 (en) * | 2001-06-21 | 2004-12-28 | Busek Company, Inc. | Air breathing electrically powered hall effect thruster |
| EP2853737A1 (en) * | 2012-05-22 | 2015-04-01 | Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering | Fuel-free spacecraft propelling system based on spatial atomic oxygen and propelling method |
-
2016
- 2016-04-05 RU RU2016112914A patent/RU2614906C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6145298A (en) * | 1997-05-06 | 2000-11-14 | Sky Station International, Inc. | Atmospheric fueled ion engine |
| US6834492B2 (en) * | 2001-06-21 | 2004-12-28 | Busek Company, Inc. | Air breathing electrically powered hall effect thruster |
| EP2853737A1 (en) * | 2012-05-22 | 2015-04-01 | Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering | Fuel-free spacecraft propelling system based on spatial atomic oxygen and propelling method |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2766966C1 (en) * | 2020-12-29 | 2022-03-16 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Method of creating thrust of ramjet engine and ramjet engine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3369294B1 (en) | Plasma accelerator with modulated thrust and space born vehicle with the same | |
| JP4272817B2 (en) | Plasma accelerator device | |
| RU2344577C2 (en) | Plasma accelerator with closed electron drift | |
| EP2893536B1 (en) | Negative ion-based neutral beam injector | |
| US9897079B2 (en) | External discharge hall thruster | |
| JPH08500699A (en) | Short length plasma accelerator with closed electron drift | |
| WO2011088335A1 (en) | Electric propulsion apparatus | |
| US6960888B1 (en) | Method of producing and accelerating an ion beam | |
| CN107850055B (en) | Hall-effect thrusters for high altitudes | |
| UA114495C2 (en) | ENGINE ON THE HALL EFFECT | |
| Koch et al. | The HEMPT concept-a survey on theoretical considerations and experimental evidences | |
| CN110145446A (en) | A pulse electric excitation micro-bovine propulsion device | |
| KR20010032046A (en) | Inertial electrostatic confinement fusion device with gate-valve pulsing | |
| CN111306024B (en) | A microwave ion propulsion device based on sidewall tangential magnetic field | |
| WO2021154124A1 (en) | Module with a multi-channel plasma propulsion system for a small spacecraft | |
| RU2614906C1 (en) | Direct flow electric propulsion engine | |
| US5175466A (en) | Fixed geometry plasma and generator | |
| Petrescu | New aircraft | |
| JP6693967B2 (en) | Hall effect thruster | |
| EP3242534A1 (en) | Apparatus for generating a plasma jet, in particular for space propulsion | |
| RU2682962C1 (en) | Ionic rocket engine of spacecraft | |
| RU2761460C1 (en) | Collector with multi-stage recovery for an electronic gyrotron-type uhf apparatus | |
| JPH01310179A (en) | Ecr type ion thruster | |
| RU2776324C1 (en) | Ramjet relativistic engine | |
| RU2791084C1 (en) | Plasma jet engine using plasma flowing through a magnetic nozzle heated by powerful electromagnetic radiation to create thrust, and a method for creating jet thrust |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180126 Effective date: 20180126 |