ИОННЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ

Группа изобретений относится к области ракетного двигателестроения на жидком топливе с применением ионов и плазмы.

Пока люди ступили только на Луну, высадка на дальние объекты была зарезервирована только для беспилотных летательных аппаратов и роботов.

Однако люди очень заинтересованы в посещении Марса и др. планет. Помимо реальных проблем приземления и больших затрат существует проблема длительности полета. В среднем, до Марса около 225,3 миллиона километров от Земли. Даже в ближайшей точке он все еще находится на расстоянии около 56,3 миллионов километров от нашей планеты. Используя обычные химические ракеты, которые переносят нас в космическое пространство, потребуется не менее семи месяцев, чтобы добраться туда - не совсем короткий промежуток времени. Есть ли способ сделать это быстрее? Да! С применением плазменных ракетных двигателей!

В этом типе двигателей используется сочетание электрических и магнитных полей для разрушения атомов и молекул пропеллентов в коллекцию частиц, которые имеют либо положительный заряд (ионы), либо отрицательный заряд (электроны). Другими словами, газ-пропеллент становится плазмой.

Во многих конфигурациях этого двигателя затем применяется электрическое поле для извлечения ионов из задней части двигателя, которые обеспечивают тягу космическому аппарату в противоположном направлении. Благодаря этой технологии, космический корабль мог теоретически достичь скорости 198000 км/ч. В итоге Марс можно достичь за 40 дней.

Плазма: четвертое состояние материи

Мир обычно состоит из веществ в трех состояниях: твердые, жидкие и газообразные. Когда вещество холодное, оно твердое. Когда оно нагревается, то превращается в жидкость. Когда тепла еще больше, вы получаете газ. Однако история не заканчивается. Когда вы добавляете еще больше тепла, вы получаете плазму! Дополнительная энергия и тепло разрывают нейтральные атомы и молекулы в газе в типично положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Заряженные частицы придают плазме интересные проводящие свойства, поэтому плазменная технология используется для изготовления всех видов предметов, которые мы используем каждый день. С помощью плазменной технологии создаются компьютерные чипы, неоновые вывески, даже металлическое покрытие на внутренней стороне пакета картофельных чипсов. И, конечно же, есть плазменный телевизор, который использует плазму для выпуска световых фотонов, что дает вам цветное изображение из пикселей на экране. Фактически, 99% обычной материи во Вселенной находится в состоянии плазмы.

Большинство звезд, включая наше Солнце, сделаны из плазмы.

Плазменная технология также используется в ракетах, чтобы помочь нам преодолевать космическое пространство, и она обещает доставить людей в места, о которых мы могли только мечтать. Эти ракеты должны находиться в вакууме космического пространства для работы, поскольку плотность воздуха вблизи земной поверхности замедляет ускорение ионов в плазме, необходимых для создания тяги, поэтому мы не можем фактически использовать их для старта с Земли. Однако некоторые из этих плазменных двигателей работают в космосе с 1971 года. NASA обычно использует их на Международной космической станции и спутниках, а также для основного источника для движения в глубокое пространство.

Типы плазменных ракет

Все плазменные ракеты работают по одному и тому же принципу: электрические и магнитные поля работают бок о бок, чтобы сначала преобразовать газ - обычно ксенон или криптон - в плазму, а затем ускоряют ионы в плазме из двигателя со скоростью более 72 400 км/ч, создавая тягу в направлении желаемого путешествия. Существует много способов, которыми эта формула может быть применена для создания рабочей плазменной ракеты, но есть три типа, которые выделяются как лучшие и наиболее перспективные.

Двигатель Холла являются одним из двух типов плазменных двигателей, которые в настоящее время используются регулярно в космосе. В этом устройстве электрические и магнитные поля устанавливаются перпендикулярно в камере. Когда электричество посылается через эти дуэльные поля, электроны начинают крутиться. Когда газ-пропеллент проникает в устройство, высокоскоростные электроны выбивают электроны из атомов в газе, создавая плазму, состоящую из свободных электронов (несущих отрицательные заряды) и положительно заряженных атомов (ионов) пропеллента.

Более экономичен решетчатый ионный двигатель. В нем обычно располагают электрические и магнитные поля вдоль стен камеры двигателя. При подаче электрической энергии электроны высокой энергии осциллируют в магнитных полях вблизи стен и вдоль них. Подобно движению Холла электроны способны ионизировать газ пропеллента в плазму. Для того чтобы сделать следующий шаг создания тяги, электрические решетки располагаются в конце камеры, чтобы ускорить ионы. В этом двигателе ионизация и ускорение происходят в двух разных пространствах.

Наконец, есть третий тип двигателя: VASIMR, сокращение от Magnetoplasma Rocket Variable Specific Impulse. Эта ракета, разработанная бывшим астронавтом Франклин Чангом Диасом, существует только на этапе испытаний. В этом устройстве ионы создаются с помощью радиоволн, генерируемых антенной для образования плазмы. Другая антенна, расположенная дальше по течению, добавляет энергию, которая заставляет ионы вращаться по кругу очень быстро.

Известен плазменный ракетный двигатель по патенту РФ на изобретение №2219371, МПК F03H 1/00, опубл. 20.12.2003.

Этот плазменный ракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов использует магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале для ионизации и ускорения. Магнитная система содержит по существу радиальный первый внешний полюсный наконечник, конический второй внешний полюсный наконечник, по существу радиальный первый внутренний полюсный наконечник, конический второй внутренний полюсный наконечник, множество внешних магнитных сердечников, окруженных внешними катушками, для соединения между собой первого и второго внешних полюсных наконечников

Недостатком таким двигателей является низкий КПД и сложность конструкции.

Известен плазменно-реактивный двигатель, содержащий соединенные между собой и расположенные соосно камеру сгорания, состоящую из камеры воспламенения и сжигания топлива и имеющую форсунку подачи, магнитный ускоритель плазмы и гидродинамическое сопло заявка DE №3900427, МКИ F03Н 1/00, опубл. 1990.

Недостатком данного двигателя является большой расход топлива при малой реактивной тяге.

Теплотворная способность топлива и количество кислорода (воздуха) определяют температуру горения. От режима горения зависит мощность двигателя и расход топлива. Чрезвычайно важным в реактивном двигателестроении является не только подъем температуры горения, но и скорость сгорания и распространение фронта горения горючей смеси. Процесс работы двигателя включает характер подвода реагентов в зону горения и взаимную "диффузию" в зоне реакции. Интенсивное испарение и газообразование топлива, диффузия окислителя и ускорение фронта горения приводят к увеличению давления и образование ударной (взрывной) волны, распространяющейся по направляющим сопла.

В зависимости от высоты полета летательного средства (самолета или ракеты) работа двигателя будет в разных режимах: плотных слоях атмосферы; в стратосфере (до 50 км над Землей) и мезосфере (свыше 50 км).

Известен плазменный реактивный двигатель по патенту РФ на изобретение №2099572, МПК F02K 11/00, опубл. 20.12.1997 г., прототип.

Этом плазменно-реактивный двигатель содержит соединенные между собой и расположенные соосно камеру сгорания, состоящую из камеры воспламенения с форсунками подачи горючего и окислителя и сужающееся- расширяющуюся торовую часть, к которой присоединен магнитный ускоритель плазмы и долее - сверхзвуковое газодинамическое сопло с сужающейся торовой и конической расширяющейся частями, по меньшей мере один запальник на камере воспламенения, на торовой расширяющейся части камеры, коронирующие электроды.

Недостатки этого двигателя: невозможность работы в космосе, плохое зажигание, ненадежное охлаждение сопла и неэффективное управления вектором тяги.

Задачи создания группы изобретений: обеспечение надежного запуска, управляемости силой и вектором тяги, охлаждения.

Достигнутый технический результат: обеспечение надежного запуска и управляемости силой и вектором тяги.

Решение указанных задач достигнуто в ионном ракетном двигателе, содержащем, соединенные между собой и расположенные соосно камеру сгорания, содержащую головку с форсуночной плитой для распыла компонентов топлива и цилиндрическую часть, имеющую на плите форсунки горючего и окислителя, к которой присоединен магнитный ускоритель плазмы и далее - сверхзвуковое газодинамическое сопло с сужающейся и расширяющейся частями, по меньшей мере, один запальник, и коронирующий электрод, тем, что, тем, что коронирующий электрод установлен на плите во внутренней полости камеры сгорания, на коническом корпусе головки установлены постоянные магниты с осевой намагниченностью, а на цилиндрической части установлены постоянные магниты с радиальной намагниченностью, на выходе магнитного ускорителя внутри него установлен разгонный электрод, на выходном торце сопла установлен электрод-нейтрализатор, сопло выполнено с охлаждающим зазором между «холодной» и «горячей» стенками, полость зазора соединена с патрубком горючего, установленным концентрично выходному торца сопла, на форсуночной плите установлены форсунки пропеллента, а запальник выполнен в виде лазерной свечи зажигания и установлен на конической стенке головки.

Магнитный ускоритель может содержать, установленный концентрично его корпусу, ферромагнитный сердечник и несколько радиальных обмоток, к радиальным обмоткам присоединены электрических провода, в которых установлены регуляторы тока.

На выходном торце расширяющейся части газодинамического сопла может быть шарнирно с возможностью поворота закреплен насадка-зонд.

Насадка-зонд может быть выполнен в виде телескопических стержней.

Решение указанных задач достигнуто в способе работы ионного ракетного двигателя, включающем образование ионов и плазмы в камере сгорания путем подачи в нее горючего и окислителя их воспламенения и коронного разряда во внутренней полости камеры сгорания, тем, что после возникновения коронного разряда в камеру сгорания подают пропеллент и при необходомости отключают подачу компонентов топлива и периодически включают лазерную свесу зажигания для разогрева коронирующего электрода.

В качестве пропеллента может быть использован газ ксенон.

Предлагаемый двигатель схематически изображен на фиг. 1…4, где:

на фиг. 1 приведен продольный разрез двигателя,

на фиг. 2 приведена камера сгорания,

на фиг. 3 приведен вид А на фиг. 2,

на фиг. 4 приведена схема лазерной свечи зажигания.

Перечень условных обозначений, принятых в описании.

камера сгорания 1,

головка 2,

форсуночная плита 3,

цилиндрическая часть 4,

магнитный ускоритель плазмы 5,

сверхзвуковое газодинамическое сопло 6,

форсунки горючего 7,

форсунки окислителя 8,

форсунка пропиллента 9,

огневое днище 10,

среднее днище 11,

«холодное» днище 12.

полость горючего 13,

полость пропиллента 14,

конический корпус 15,

конический корпус 16,

патрубок 17,

полость 18,

коронирующий электрод 19,

внутренняя полость 20,

«холодная» стенка 21,

«горячая» стенка 22,

зазор охлаждения 23,

лазерная свеча зажигания 24,

кольцевой постоянный магнит 25,

выходной торец 26,

ионно-динамический зонд 27,

телескопический стержень 28,

шарнир 29,

шток 30,

привод 31,

насосный агрегат 32,

привод агрегата 33,

насос окислителя 34,

насос горючего 35,

насос пропеллента 36,

трубопровод горючего 37,

регулятор расхода 38,

привод регулятора 39,

отсечной клапан горючего 40,

коллектор горючего 41,

трубопровод окислителя 42,

отсечной клапан 43,

коллектор окислителя 44,

трубопровод пропиллента 45,

отсечной клапаном пропиллента 46,

регулято расхода 47,

корпус 48,

ферромагнитный сердечник 49,

радиальная обмотка 50,

блок управления 51,

электрические провода 52,

регулятор тока 53,

блок питания 54,

силовой кабель 55,

блок накачки 56,

оптическое волокно 57,

высоковольтный провод 58,

источник высокого напряжения 59,

второй высоковольтный провод 60,

ускоряющий электрод 61,

электрический провод 62,

сужающуюся часть 63,

коническая расширяющаяся часть 64,

компенсационный электрод 65,

канал управления 66,

стакан 67,

полость 68,

микрочип-лазер 69,

металлическая втулка 70,

вакуумная металлическая трубка 71,

фокусирующая линза 72,

цилиндрический корпус 73,

торец 74,

днище 75.

резьбовой участок 76,

отверстие 77,

уплотнение 78,

заглушка 79,

осевое отверстие 80,

уплотнение 81,

гайка 82,

центральное отверстие 83,

уплотнение 84,

средство демпфирования 85,

заземление 86,

отводящий провод 87.

Двигатель (фиг. 1) состоит из четырех основных блоков: соединенных между собой и соосно расположенных вдоль оси симметрии.

Сначала идет камера сгорания 1, с головкой 2 форсуночной плитой 3, цилиндрической частью 4, к которой присоединен магнитный ускоритель плазмы 5, и далее - сверхзвуковое газодинамическое сопло 6.

Камера сгорания 1 с головкой 2 показаны на фиг. 2. Она содержит на форсуночной плите 3 форсунки горючего 7, форсунки окислителя 8 и форсунки пропил лента 9.

Форсуночная плита 3 содержит огневое днище 10, среднее днище 11 и «холодное» днище 12. Между огневым днищем 10 и средним днищем 11 выполнена полость горючего 13, а между средним днищем 11 и «холодным» днищем 12 расположена полость пропиллента 14. Головка 2 имеет конический корпус 15. На конической стенке 13 установлены постоянные магнита с осевой намагниченностью 16 для создания внутри цилиндрической части 2 камеры 1 постоянного магнитного поля.

К коническому корпусу 15 присоединен патрубок 17 для подачи пропеллента. Вдоль оси ОО камеры сгорания 1 установлен коронирующий электрод 19 цилиндрической формы, который проходит через полость 18 и форсуночную плиту 3 во внутреннюю полость 20 камеры сгорания 1.

Назначение коронирующего электрода 19 ионизация продуктов сгорания в смеси с пропелленом или в пропеллентенте без присадок.

Камера сгорания 1 и сверхзвуковое газодинамическое сопло 6 содержат «холодную» стенку 21 и горячую стенку 22 с зазором 23 между ними. На коническом корпусе 15 снаружи установлена лазерная свеча зажигания 24. Лазерная свеча зажигания 24 выполняет две функции: воспламеняет компоненты топлива и повышает температуру коронирующего электрода 19 при работе двигателя только на ионах без подачи компонентов топлива.

При работе двигателя только на ионах его тяга многократно уменьшается. Но удельный импульс увеличивается в 5…10 раз и время работы возрастает в тысячи

раз. При этом запасы энергии могут пополняться из космоса при помощи солнечных батарей (не показано).

В стыке камеры сгорания 1 с головкой 2 установлен кольцевой постоянный магнит 25, предназначенный для создания разгонного магнитного поля.

К выходному торцу 26 сверхзвукового газодинамического сопла 7 прикреплен ионно-динамический зонд 27 в виде телескопических стержней 28, закрепленных на шарнирах 29 и установленных с возможностью поворота. Для этого к ним присоединены штоки 30 приводов 31.

Двигатель содержит насосный агрегат 32 для подачи горючего, окислителя и пропеллента в камеру сгорания 1. В качестве горючего можно использовать водород, а в качестве окислителя - кислород. В качестве пропеллента применен газ ксенон.

Насосный агрегат 32 содержит привод агрегата 33, насос окислителя 34, насос горючего 35 и насос пропеллента 36.

Трубопровод горючего 37, содержащий регулятор расхода 38 с приводом регулятора 39 и отсечным клапаном горючего 40 соединен с коллектором горючего 41, установленный на выходном торце 26.

Трубопровод окислителя 42 через отсечной клапан 43 соединен с коллектором окислителя 44 на головке 2 камеры сгорания 1.

Трубопровод пропиллента 45 с отсечным клапаном пропиллента 46 соединен с коллектором 17 на головке 2 камеры сгорания 1.

При этом форсунки окислителя 9 соединяют полость пропиллента 15 форсуночной плиты 3 с внутренней полостью 20 камеры сгорания 1, а форсунки горючего 8 соединят полость горючего 14 с внутренней полостью 20.

Магнитный ускоритель плазмы 6 содержит корпус 48 цилиндрической формы и установленный концентрично ему ферромагнитный сердечник 49 и радиальные обмотки 50.

Двигатель содержит блок управления 51. К радиальным обмоткам 50 присоединены электрические провода 52, соединенные через регуляторы тока 53 с блоком управления 51.

Двигатель имеет блок питания 54, который силовыми кабелями 55 соединен с блоком управления 51 и блоком накачки 56.

Блок накачки 56 оптическим волокном 57 соединен с лазерной свечой зажигания 24 (фиг. 1…3).

Для подачи высокого напряжения на коронирующий электрод 19 к нему присоединен первый высоковольтный провод 58 который, с другой стороны соединены с источником высокого напряжения 59. Второй высоковольтный провод 60 соединен с ускоряющим электродом 61.

По линии низкого напряжения источник высокого напряжения 59 соединен электрическими проводами 62 с блоком питания 54. В качестве блока питания 54 может быть использованы солнечные батареи или генератор.

Сверхзвуковое газодинамическое сопло 7 содержит сужающуюся часть 63 и коническую расширяющуюся часть 64.

На выходном торце 26 конической расширяющейся части 64 сверхзвукового газодинамического сопла 7 могут быть закреплены компенсационные электроды 65 для отвода отрицательных ионов

На выходном торце 26 конической расширяющейся части 64 сверхзвукового газодинамического сопла 7 могут быть, на шарнирах 29 с возможностью поворота закреплены насадки-зонды 27, к которым присоединены штоки 30 приводов управления вектором тяги 31. Привода 31 управления вектором тяги линиями управления 66 соединены с блоком управления 51.

Конструкция лазерной свечи зажигания 24 приведена на фиг. 4.

На головке 2, точнее на ее коническом корпусе 16, установлена, по меньшей мере, одна свеча лазерного зажигания 24 (фиг. 1). Свеча лазерного зажигания 24 выполнена в виде стакана 67 с полостью 68, в которой установлен микрочип-лазер 69.

Наиболее распространенные типы лазерных кристаллов для лазеров на микрочипах являются: Nd:YAG и Nd:YVO₄ с длиной волны в диапазоне от 1-1,3 мкм, в исключительных случаях 0,95 мкм. Спектральный диапазон излучения достаточно широкий из-за короткой длины резонаторной области. Конструктивно лазер может быть выполнен с использованием еще одного элемента, который располагается между активной средой и торцами зеркал. Например, это может быть нелинейный кристалл, который используется как электрооптический модулятор для добротности или внутрирезонаторного удвоения частоты; также может быть использована нелегированная прозрачная пластина для увеличения мощности или эффективной площади. Лазеры на микрочипах с пассивной модуляцией добротности позволяют создавать частоту импульса свыше 100 кГц, а иногда даже нескольких мегагерц. При очень низких временах импульса пиковая мощность такого лазера может составлять несколько киловатт. Для воспламенения компонентов топлива в газогенераторе может понадобиться мощность, в несколько раз превышающая мощность запальных устройств камеры сгорания. Это обусловлено двумя причинами: применением криогенных компонентов топлива и неоптимальным соотношением компонентов топлива.

Полость 68 стакана 67 соединена металлической втулкой 70 с зоной горения. Внутри металлической втулки 70 установлена вакуумная металлическая трубка 71 с фокусирующей линзой 72 на конце. Другой конец вакуумной металлической трубки 71 соединен с микрочип-лазером 69. Микрочип-лазер 69 оптическим волокном 57 соединен с блоком накачки 56. Блок накачки 56 электрическими проводами 62 соединен с блоком питания 54.

Лазерная свеча зажигания 24 (фиг. 4), как упомянуто ранее, содержит стакан 68, который, в свою очередь, содержит цилиндрический корпус 73 и торец 74 на днище 75. На днище 75 выполнен резьбовой участок 76 с отверстием 77 для прохода вакуумной металлической трубки 71, которая уплотнена уплотнениями 78. Сверху стакан 67 закрыт заглушкой 79, имеющей осевое отверстие 80 для вывода оптического волокна 57, которое уплотнено уплотнением 81, поджато гайкой 82 с центральным отверстием 83. Заглушка 79 уплотнена относительно стакана 67 уплотнением 84.

Микрочип-лазер 69 и вакуумная металлическая трубка 71 установлены внутри средства демпфирования 85, которое выполнено из металлорезины.

Минусовой вывод блока питания 54 заземлен заземлением 86, к нему же присоединен отводящий провод 87.

Работа двигателя

При работе двигателя (фиг. 1 и 2) включают насосный агрегат 32, путем раскрутки привода агрегата и насосов 34, 35 и 36, которые начинают подачу компонентов топлива (окислителя и горючего) и пропиллента в камеру сгорания 1, точнее в его внутреннюю полость 20. Включают блок накачки 56 и подают лазерный луч по оптическому волокну 57 в лазерную свечу зажигания 24 и далее через фокусирующую линзу 72 (фиг. 2) во внутреннюю полость 20 (фиг. 1) камеры сгорания 1, где компоненты топлива (окислитель и горюче) воспламеняются. Потом включают источник высокого напряжения 59 и подают высокое напряжение на коронирующий электрод 19, между электродами 19 и вторым высоковольтным электродом 60 возникают коронные разряды и происходит ионизация продуктов сгорания и превращение ее в плазму и образование ионов под воздействием магнитного поля создаваемого кольцевого постоянного магнита 25 и радиальными обмотками 50.

Плазма выбрасывается из сверхзвукового реактивного сопла 7 вместе с продуктами сгорания.

При этом энтальпия ионно-радиационной ионизированной плазмы возрастает. Источником электронов в вышеприведенных реакциях является коронный пульсирующий разряд в высокотемпературной ионизированной плазме. Горячая ионно-радиационная плазма из камеры сгорания 1 поступает в магнитный ускоритель 6, где вращающимся переменным магнитным полем она ускоряется и разделяется.

В сечении сужающейся части газодинамического сопла, происходит ускорение плазмы и дальнейшее соединение водорода с кислородом. Охладителем (например, жидким водородом) находящимся в зазоре охлаждения 23 сверхзвукового реактивного сопла 7, «горячая « стенка 22 охлаждаются до температуры 500°С и ниже.

При концентрации и стечении поверхностных зарядов от ионизирующих газов с ионно-динамического зонда 27 возникает добавочная реактивная сила. Ионно-динамический зонд 27 может иметь телескопические стержни 28, которые могут поворачиваться вокруг шарниров 29 для управления вектором тяги. Управление летательным аппаратом осуществляется одновременно рассогласованием токов в радиальных обмотках 50 и поворотом телескопических стрежней 28 ионно-динамического зонда 27. С выдвинутого ионно-динамического зонда 27 стекают электрические заряды, создавая реактивную силу и вращающий момент, обеспечивающий поворот летательного средства. При работе ионно-динамического зонда 27 истекающие положительные ионы создают добавочную реактивную силу.

Отрицательные заряды с компенсационного электрода 65 по отводящему проводу 87 передаются в блок питания 54 для его зарядки.

Тяга, создаваемая ионно-динамическим зондом 27 невелика, но она может действовать длительное время (несколько дней или месяцев) при небольшом расходе инертного газа - пропиллента. В связи с тем, что скорость истечения ионов и плазмы в десятки и сотни раз превышает скорость истечения продуктов сгорания (которая не превышает М=4,5), то происходит постоянное увеличение скорости полета летательного аппарата в течение длительного времени до очень больших скоростей.

В связи с этим, необходимо через несколько мин после старта выключить подачу компонентов топлива: горючего и окислителя закрыв отсечные клапаны 40 и 43 (фиг. 1). Двигатель будет работать только за счет истечения ионов, образовавшихся от подачи инертного газа пропилена и его ионизации. Для активации процесса ионизации и образования плазмы с лазерной свечи зажигания периодически подают импульсы лазерного луча на коронирующий электрод 19 для его разогрева.

Применение группы изобретений позволило:

- создать двигатель с высокой экономичностью,

- улучшить запуск двигателя,

- улучшить охлаждение двигателя,

- улучшить управляемость ракет с установленным на них разработанным двигателем,

- обеспечить безопасность полета за счет применения в качестве основного компонента инертного газа - пропеллента.