RU69978U1 - Коллоидный электроракетный двигатель с кольцевой щелью - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области космических электроракетных двигателей с высокой скоростью истечения рабочего тела и может быть применено для решения полетных задач в околоземном космосе.

Целью изобретения является повышение тяговых параметров двигателя.

Коллоидный электроракетный двигатель с кольцевой щелью содержит вытягивающий электрод 1, высоковольтный изолятор 2, распыливающий электрод 3, барьерный цилиндрический стакан 4, центрирующий фланец 5, штуцер подвода распыляемой жидкости 6, возбуждающий электрод 7 и два высоковольтных источника с напряжением U₁ и U₂.

Description

Полезная модель относится к области космических электроракетных двигателей с высокой скоростью истечения рабочего тела и может быть применена для решения полетных задач в околоземном космосе.

Наиболее близким к предполагаемой полезной модели является коллоидный электроракетный двигатель с кольцевой щелью, содержащий соосно расположенные вытягивающий, распыливающий и возбуждающий электроды, из которых распыливающий электрод выполнен из двух половин цилиндрической формы, образующих в торцевой части кольцевую щель, соединенную с системой подачи распыляемой жидкости, и подключен к одному полюсу источника тока, а вытягивающий и возбуждающий электроды огибают с некоторым зазором распыливающий электрод и соединены с другим полюсом источника тока. Указанный прототип описан в статье: Wilss A.A. et al. Aparametric study of annular colloid thrusters -Jn: La propulsion electrique dansses applications spatiales tourness d'e tudes. Toulouse, 1972, p.p.115-122. (Аннотация на русском языке имеется в монографии: Штырлин А.Ф. Электростатическое распыление жидкостей - М: МАИ, 2004, стр.118...119)

Недостатком прототипа являются низкие тяговые параметры двигателя.

Целью полезной модели является повышение тяговых параметров двигателя.

Цель полезной модели достигается тем, что коллоидный электроракетный двигатель с кольцевой щелью содержит соосно расположенные вытягивающий, распыливающий и возбуждающий электроды, из которых распыливающий электрод выполнен из двух половин цилиндрической формы, образующих в торцевой части кольцевую щель, соединенную с системой подачи распыляемой жидкости,

и подключен к одному полюсу источника тока, а вытягивающий и возбуждающий электроды огибают с некоторым зазором распиливающий электрод и соединены с другим полюсом источника тока, внутренняя половина распыливающего электрода выполнена в виде барьерного цилиндрического стакана из диэлектрика, внутри которого размещен в рабочей зоне без зазора возбуждающий электрод и подключен к автономному источнику тока.

Кроме того, диэлектрическая проницаемость материала барьерного цилиндрического стакана равна или превышает диэлектрическую проницаемость распыляемой жидкости.

На Фиг.1 изображен коллоидный электроракетный двигатель с кольцевой щелью.

На Фиг.2 показана расчетная зависимость повышения напряженности электрического поля в кольцевом зазоре коллоидного двигателя от диэлектрической проницаемости материала цилиндрического стакана.

Коллоидный электроракетный двигатель с кольцевой щелью содержит вытягивающий электрод 1, высоковольтный изолятор 2, распыливающий электрод 3, барьерный цилиндрический стакан 4, центрирующий фланец 5, штуцер подвода распыляемой жидкости 6, возбуждающий электрод 7 и два высоковольтных источника с напряжением U₁ и U₂. Распыливающий электрод 3 имеет острую эмиссионную кромку с радиусом закругления 1...100 мкм и углом конуса 5...15 градусов. Кромка выполнена из нержавеющей стали, платины или другого электропроводящего материала с платиновым покрытием. Радиальный зазор между вытягивающим электродом 1 и эмиссионной кромкой электрода 3 составляет 2...6 мм. Электроды 1,3 и высоковольтный изолятор 2 соосно устанавливают и центруют относительно друг друга. Барьерный цилиндрический стакан 4 изготавливают из полимерных материалов, высоковольтной керамики или

сегнетоэлектриков с диэлектрической проницаемостью от 2 до 3750 относительных единиц. Кольцевая щель между электродом 3 и барьерным цилиндрическим стаканом 4 для прохода жидкости из штуцера подвода распыляемой жидкости 6 на эмиссионную кромку распыливающего электрода 3 выполняют с радиальным зазором 0,02...0,2 мм или без радиального зазора, но с профильными секторными каналами, равномерно расположенными по окружности их сопряжения. Торцевая часть барьерного цилиндрического стакана 4 смещена вглубь электрода 3 относительно его кромки на Δh=0,5...2 мм. Возбуждающий электрод 7 при помощи центрирующего фланца 5 устанавливают внутри барьерного стакана 4 в рабочей зоне без зазора соосно с ним. Источники высокого напряжения создают разность напряжений ΔU=U₁-U₂ для интенсификации процесса формирования униполярной электрической эмиссии в кольцевой щели двигателя.

Устройство работает следующим образом: при включении источника высокого напряжения U₁ через штуцер 6 подается распыляемая жидкость в кольцевую щель между электродом 3 и барьерным цилиндрическим стаканом 4, попадая на эмиссионную кромку электрода 3 в пленке жидкости формируется униполярный электрический заряд, под действием которого жидкость ускоряется в электрическом поле и создается реактивная тяга. Для форсирования и регулирования процесса образования электрического заряда в жидкости, увеличения скорости истечения рабочего тела и повышения тяги двигателя на возбуждающий электрод 7 подается напряжение U₂. Под действием разности напряжений U₁-U₂ в пленке жидкости, протекающей в кольцевой щели создается дополнительное электрическое поле, которое интенсифицирует указанные процессы. Напряженность поля в пленке кольцевой щели толщиной δ_ж определены из расчета электрического поля в зазоре между коаксиальными цилиндрическими электродами, заполненными

двухслойным диэлектриком - жидкостью и твердым телом. При малых отношениях межэлектродного радиального зазора δ_о к среднему радиусу щели, т.е. без учета цилиндричности, расчет выполнен по формуле

,

где ε_ж - диэлектрическая проницаемость жидкости, ε_δ - диэлектрическая проницаемость материала барьерного цилиндрического стакана, при следующих параметрах: ΔU=1000 В; δ_о=3·10^-3 м; δ_ж=10^-4 м; ε_ж=42; ε_δ=2...10⁴. Результаты расчета представлены на Фиг.2, из которых видно, что напряженность поля в пленке жидкости двигателя увеличивается прямо пропорционально диэлектрической проницаемости материала барьерного цилиндрического стакана до ε_δ=100, а затем интенсивность снижается. Согласно этих данных уже в настоящее время при использовании широко известных электроизоляционных диэлектрических материалов с ε_δ до 10 единиц можно увеличить напряженность поля в кольцевой щели с 10⁴ до 10⁵ В/м и интенсифицировать тяговые параметры двигателя в несколько раз, а при разработке специальных диэлектриков еще на один или два порядка.

Устройство может быть также использовано для электростатического напыления на различные материалы тонких покрытий, для научно-исследовательских работ по действию сильных полей на жидкие и газообразные вещества, в работах по нанотехнологии заряженных частиц.

Claims (2)

1. Коллоидный электроракетный двигатель с кольцевой щелью содержит соосно расположенные вытягивающий, распыливающий и возбуждающий электроды, из которых распыливающий электрод выполнен из двух половин цилиндрической формы, образующих в торцевой части кольцевую щель, соединенную с системой подачи распыляемой жидкости, и подключен к одному полюсу источника тока, а вытягивающий и возбуждающий электроды огибают с некоторым зазором распыливающий электрод и соединены с другим полюсом источника тока, отличающийся тем, что внутренняя половина распыливающего электрода выполнена в виде барьерного цилиндрического стакана из диэлектрика, внутри которого размещен в рабочей зоне без зазора возбуждающий электрод и подключен к автономному источнику тока.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическая проницаемость материала барьерного цилиндрического стакана равна или превышает диэлектрическую проницаемость распыляемой жидкости.