ЦИКЛОТРОННЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к космической технике, к классу электрореактивных двигателей (ЭРД) (ускорителей плазмы), а именно к плазменным двигателям, и предназначено для управления движением космических аппаратов (КА) малой (до 5Н) тягой.

Известно множество схем устройств ЭРД. Все эти принципиальные схемы известны из уровня техники.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является двигатель (Плазменные ускорители, под ред. Л.А. Арцимовича, М., 1973 [1]), имеющий плазменный ускоритель (ПУ) с внешним магнитным полем или, по-другому, - ПУ с т.н. замкнутым дрейфом. Прототип содержит: сквозной анод для подачи низкотемпературной плазмы - рабочего тела (РТ); цилиндрический и кольцевой в поперечном сечении (коаксиальный) ускорительный канал (УК) - диэлектрическую камеру; электромагниты, окружающие все внешние стенки УК, создающие внутри канала радиальное магнитное поле; электрическую схему, создающую продольное электрическое поле между анодом и выходным катодом, а также создающую эмиссию электронов с катода-компенсатора. Электроны умеренно ионизированной плазмы РТ, попадая в радиальное магнитное поле, дрейфуют по спиралям с небольшим шагом витков. Нейтральные молекулы газа при столкновении с ними ионизируются и, ускоряясь в электрическом поле, вылетают из УК. Энергия, набираемая ионами в ПУ, близка к разности потенциалов между анодом и катодом. Электроны за счет столкновений с ионами, атомами, стенкой УК и под влиянием колебаний приходят на анод и посредством электрической цепи через катод-компенсатор смешиваются с потоком ионов на выходе из УК.

Возможен вариант создания плазмы, когда между анодом и катодом есть «поджигной» электрод-катод. Возникающий разряд в цепи анод - поджигной электрод инициирует основной ток в цепи анод-катод. Поступающее через анод разогретое РТ ионизируется движущимися навстречу электронами. Ионы ускоряются в продольном электрическом поле, созданном в УК.

Прототип, в принципе, дает хорошие результаты и обладает приемлемыми массогабаритными характеристиками, однако ограничение по потребляемой мощности на борту КА ограничивает его применение. В самом деле, энергия таких ускорителей колеблется от 100 эВ до 10000 эВ, что требует приложения разности потенциалов от 100 В до 10000 В, а в результате скорость истечения ионов из УК составит порядка (10¹-10²) км/с. Исправить ситуацию увеличением длины УК нельзя - это потребовало бы соответственно еще большего напряжения в УК. Все имеющиеся в настоящее время ПУ имеют того или иного вида прямолинейный УК.

Задачей изобретения является создание ЭРД, по своему потенциалу существенно превышающего все известные используемые в практике космических полетов двигатели такого класса, т.е. задачей является увеличение удельного импульса тяги с сохранением и возможным уменьшением массогабаритных характеристик двигательных установок на КА при относительно невысокой мощности энергопотребления.

Поставленная задача решается тем, что в состав плазменного двигателя, содержащего корпус ПУ, соленоиды, электрическую цепь с катодами-компенсаторами, введены автономный источник низкотемпературной плазмы (ионизатор РТ), разделитель потоков электронов и ионов, система улавливания нейтральных частиц и регенерации ионов и ПУ, представляющий собой асинхронный циклотрон, разделенный вдоль на дуанты двумя соосными парами параллельных сеток с зазорами, создающими однородные, равные и постоянные ускоряющие электрические поля взаимно противоположного направления векторов напряженности, имеющий по числу основных направлений создания тяги выходные газовые каналы ПУ - основные переходники-ферромагнетики с соленоидами, являющиеся сердечниками корректирующих направление движения ионов электромагнитов, изогнутые под заданным углом, переходники соединены с пропускными электроклапанами и через них, для создания выверенного направления оси создания тяги, с выходными прямыми участками газовых диэлектрических каналов двигателя, между которыми устанавливают такие же переходники-ферромагнетики с соленоидами.

Технический результат достигается за счет того, что возможен разгон ионов тяжелых газов, например ксенона, в отличие от всех известных технических решений ЭРД, по квазициклическим спиралям, предоставляемым определенным образом собранным циклотроном, внутри которого разгоняются не единицы, а массы ионов при очевидной сравнительной компактности устройства, при этом удельный импульс (скорость истечения плазмы из двигателя), в своем классе космических двигателей малой тяги, повышается на 1-2 порядка без ущерба массовым характеристикам двигателя. Удельный импульс тяги - важнейшая характеристика двигателя.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного циклотронного плазменного двигателя, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна». Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники (космонавтика, плазменная техника), с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Ни один из отличительных признаков данного изобретения: ни автономный от ускорителя источник плазмы, ни циклотрон вообще, ни асинхронный циклотрон, работающий на постоянном электрическом токе, в частности, ни «вытягивающие» на заданные вектора тяги корректирующие электромагниты, ни система улавливания нейтральных частиц (атомов) и регенерации ионов ранее не применялся для изготовления ЭРД и плазменных двигателей, в частности, и потому все отличительные признаки отвечают условию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, где представлена электрокинематическая схема ЦПД, вид сверху, фиг. 2, где показан ПУ, вид сбоку, и фиг. 3, где показаны отличия устройства двигателя при циклической работе.

Введены следующие обозначения:

1 - ионизатор РТ - газа;

2 - разделитель потоков заряженных частиц;

3 - канал подачи ионов РТ в ускоритель;

4 - жиклер;

5 - пара пропускных электроклапанов;

6 - корпус ускорителя (циклотрона);

7 - основной переходник-ферромагнетик с соленоидом;

8 - переходник-ферромагнетик с соленоидом;

9 - выходные газовые диэлектрические каналы двигателя;

10 - катод-компенсатор;

11 - разгонные сетки дуантов;

12 - соленоиды во внешнем сердечнике-ферромагнетике ПУ-циклотрона;

13 - внешний сердечник-ферромагнетик;

14 - выходное отверстие ПУ-циклотрона;

15 - система улавливания нейтральных частиц и регенерации ионов;

16 - канал подачи РТ в ионизатор;

17 - пластины конденсатора-разделителя потоков частиц;

18-20 - электроклапаны, организующие циклическую работу двигателя;

21 - ресивер;

22, 23 - газовые трубки;

В - магнитная индукция.

Циклотрон имеет рабочий объем (V_ц), не превышающий 0,02 м³ (радиус 0,25 м, высота порядка 10 см), большая сторона прямоугольного поперечного сечения выходного отверстия 14 (фиг. 2) во внутренней стенке циклотрона соответствует высоте его рабочего цилиндра. Объем вполне достаточен для рабочего режима циклотрона, его величина, в принципе, не является критической, критической величиной не является и высота - только радиус при заданных значениях магнитной индукции и конечной скорости ионов. Высота рабочего цилиндра соответствует диаметру выходного отверстия основных переходников 7. Для создания однородного (в смысле прямолинейности силовых линий) магнитного поля внутри рабочего цилиндра корпус 6 циклотрона окружен соленоидами 12, длина которых в разы больше высоты рабочего цилиндра, и рабочий цилиндр циклотрона расположен в средней части группы соленоидов.

Переходники 7, 8 - ферросплавные трубки, являющиеся сердечниками электромагнитов (соленоидов).

Количество основных переходников 7 (переходников, являющихся частью корпуса ускорителя) и пар пропускных электроклапанов 5 должно соответствовать числу направлений создания тяги; количество труб 9 выходных газовых каналов двигателя и переходников 8 определяется возможностью установки конца газового канала двигателя таким образом, чтобы выходная ось канала совпадала с требуемым направлением тяги, и вектор тяги проходил через центр масс КА. Внешний радиус труб должен соответствовать внутренним (r_{переходн.}) радиусам переходников. Соленоиды со встроенными в них переходниками-ферромагнетиками нужны для коррекции пути следования ионизированных частиц.

Углы уклонения пути потока заряженных частиц от направлений силовых линий магнитного поля в переходниках и от продольных осей на участках газовых каналов двигателя (см. «Обоснование предлагаемого решения») никак не сказываются на характере поступательного движения частиц - это практически штатное неизбежное касание частиц на периферии потока стенок газового канала. Число заряженных частиц в кубическом метре, при нормальном расходе РТ в настоящее время на отечественных КА 6·10^-6 кг/с (который данное изобретение не собирается превосходить), составляет 6·10^-6·Δt_раб/(V_ц·131·1,7·10^-27)=1,3·10¹⁷, где Δt_раб=10^-4 c - время выхода ЦПД на рабочий режим (см. п. 3 «Обоснования предлагаемого решения») - это высокий вакуум (10¹⁹-10¹³) - в нем ничего «страшного» произойти не может.

Установка ЦПД на КА, из-за особенностей решения конструкции КА, потребует постоянной корректировки числа прямых участков газовых каналов двигателя и переходников.

Обоснование предлагаемого решения:

Примем за основу:

- ток нагрузки I=5 А;

- напряжение на шинах U=300 B / 27 B;

- радиус рабочего цилиндра циклотрона R=0,25 м;

- длина соленоида для рабочего цилиндра L=0,5 м;

- начальная скорость движения Хе v=0 м/с;

- конечная скорость движения Хе ν_конечн=150000 м/с (10×15 км/с);

- заряд иона q=1,6·10^-19 Кл;

- масса иона m=131·1,7·10^-27 кг;

- разгон ионов происходит в переменном электрическом поле, - как отправной вариант.

1. Внутри рабочего пространства циклотрона расположено как конденсатор устройство 11 (две пары параллельных сеток, подключенных к источнику постоянного тока) для ускоряющего электрического поля с разностью потенциалов 300 В. Работа, производимая с ионом Хе в зазоре между пластинами конденсатора, равна

Для определения приращения скорости за полуоборот примем: начальная скорость на входе в ускоряющий зазор ν₁=0; конечная скорость на выходе из зазора

ν₂=Δν, тогда ,

где U=E·d;

Е, d - соответственно напряженность электрического поля и расстояние между сетчатыми пластинами дуантов,

а за полный оборот (два зазора) - 29362 м/с.

Из (1) следует, что с течением времени электрическое поле уже не успевает оказывать того влияния на приращение скорости движения частицы, как вначале - приращение текущего радиуса кривизны движения частицы в магнитном поле циклотрона на бесконечно большом интервале работы циклотрона стремится к нулю, однако, для напряжения в 300 В достигается за один оборот приращение скорости в 2800 м/с при выходе циклотрона на рабочий режим, что гарантирует достижение поставленной задачи. Можно обойтись и дежурным напряжением 27 В. Текущий радиус r, по условию синхронизма (справочник по физике Яворского, стр. 446 [2]) r/v=const, исходя из конечных значений, составляет 1,667·10^-6·v (м), период обращения 1,05·10^-5 с. Соответственно периоду, частота переменного тока составляет ~100 кГц.

Для U 300 В количество кругов обращения ионов РТ (ксенона) составляет 26-27.

1. Магнитное поле вызывает силу Лоренца, и ион движется по кругу от зазора к зазору без ускорения. В каждой точке движения оскулирующая окружность имеет соответственно радиус

r~ν, , (T - квазипостоянный период).

Подставляем выходные характеристики циклотрона в (2):

.

Значит, ν_конечн = 150 км/с, при r=R=0,25 м.

Процесс ускорения автоматизирован, не выйдет за габариты устройства и гарантирует заданную конечную скорость ν_конечн.

Напряженность Н магнитного поля в ускорителях не может превышать (1,2-1,6)·10⁶ А/м, [2] (стр. 447), в нашем случае получается 0,67·10⁶ А/м.

Заданное магнитное поле внутри соленоида в вакууме создают [2] (стр. 434)

где , в случае соленоида (К - коэффициент ослабления в центральной части соленоида);

µ₀ - магнитная постоянная, В·с/А·м.

Много. Правда, коэффициент К от центра к краям рабочего цилиндра ПУ меняется от 0,7 до 1, но данную проблему не решает. Диаметр сечения провода 0,005 мм. Напряжение на концах соленоида, при общей длине медного провода l~1,5·10⁵ м (активное сопротивление ρ·l/S=135 МОм, ρ≈0,0178 мкОм·м - удельное сопротивление; S=2·10^-5 мм² - площадь поперечного сечения), составляет 675·10⁶ В. Ток в 5А такой провод не выдержит, и мощность в 3375 МВт не реализуема. Нужно, чтобы диаметр сечения при токе 5А был не менее 0,5 мм. Для решения этой задачи, при радиусе окружности рабочей части циклотрона 0,25 м и длине окружности 1,57 м, размещаем вокруг этой рабочей части группу (n) из 100 соленоидов длиной 0,5 м. Количество витков сечения диаметра 0,5 мм в каждом соленоиде 1000. Внутри такой многочисленной группы соленоидов (при I=5А, К=0,7) образуется магнитное поле с индукцией, согласно (3), 0,0088 Тл. Сопротивление (ρ·l/S) медного провода с диаметром сечения 0,5 мм составляет 4,50 м (l=49,32 м - общая длина провода единичного соленоида с диаметром витка 0,0157 м; S=0,196 мм² - площадь поперечного сечения). Напряжение (U) на каждом из соленоидов составит ~ 22 В, при их последовательном подключении допускаем общее напряжение на концах группы соленоидов 300 В. Тогда общее количество соленоидов (n₁) потребуется ~ 13-14. Поскольку требуется индукция магнитного поля 0,835 Тл, почти в 100 раз большая, все n₁ соленоидов 12, по геометрическим параметрам совпадающих с соленоидами группы «n», помещаем внутрь сердечников-ферромагнетиков, условно представляющих собой, по числу направлений создания тяги, равные части разрезанной по вдоль цилиндрической трубы длиной L, внутренний радиус которой является внутренним радиусом R циклотрона. Условно, - потому что на самом деле есть один сердечник-ферромагнетик 13 (фиг. 2), внутри которого находятся группы соленоидов, разделенные между собой равными промежутками внутри ПУ-циклотрона, характеризующимися малой стороной прямоугольного поперечного сечения выходного отверстия в рабочем цилиндре корпуса ПУ 6 или отверстия 14 основных переходников 7. Сердечник имеет требуемый коэффициент усиления (k) магнитного поля (в нашем случае k=0,835/0,0088≈100). Расстояние между центрами соленоидов составляет порядка 11,5 см. Как известно, собственное магнитное поле ферромагнетика может в сотни раз превосходить внешнее магнитное поле. При конкретном расчете электрической цепи соленоиды могут иметь и более одного ряда витков.

Увеличим радиус сечения провода до 1 мм. Тогда: S=3,14 мм²; N=2×500 (два ряда витков); N/L - та же, 2000; l=49,32 м; сопротивление провода меньше в 4 раза, 1,12 Ом; U=5,6 В; n₁=54; расстояние между центрами соленоидов составляет ~ 2,9 см. При наружном радиусе соленоидов 1 см минимальное расстояние между ними составляет 9 мм. Такой вариант следует считать приближенным к оптимуму.

Общий объем провода на катушках индуктивности, согласно последнему варианту сечения, не превосходит 8,4 дм³, что соответствует кубу со стороной 20,3 см.

3. Время (Δt_раб) выхода на режим (время «прокручивания» РТ) порядка 10^-4 с.

4. Все написанное выше говорит о качественных характеристиках процесса. На практике, ввиду того что организовывать ввод в ускоритель минимальной дозы ионов для работы циклотрона в его строгом понимании будет проблематично, и это приведет к крайне низкой тяге двигателя, следует организовать такую скорость подачи РТ, чтобы через время выхода на рабочий режим (время подготовки двигателя) наступал стационарный процесс движения ионов по всему объему циклотрона, и циклотрон работал бы в непрерывном режиме. Время подготовки двигателя будет соизмеримо со временем, приведенным в п. 3 «Обоснования предлагаемого решения». Объемный заряд (взаимодействие электрических полей) является причиной давления газов. Вещества (заряженные частицы) осуществляют физическое взаимодействие исключительно посредством электростатических полей.

Возникающее давление в плазме увеличивает КПД циклотрона. Известно, что плазма обладает упругими свойствами. Увеличение объемного заряда способствует тому, что плазма в циклотроне ведет себя наподобие жидкости в турбине с двумя плотно пригнанными к стенкам лопастями, - вращается по всему объему с одинаковой на текущий момент угловой скоростью. Именно электростатическое расширение выталкивает ионы РТ в выбранный для работы ЦПД выходной канал-переходник и увеличивает (набранную за счет работы циклотрона) их конечную скорость. Этот подход назовем принципом «торнадо».

5. Внутренние рабочие поверхности циклотрона и выходных газовых каналов ЦПД, для минимизации турбулентности РТ и нагревания стенок, изготавливаются зеркальными.

6. В отношении регенерации ионов.

В реальной технике приходится иметь дело с низкотемпературной плазмой, т.е. с плазмой, в которой доля нейтральных частиц не является исчезающее малой. Эта доля напрямую влияет на КПД плазменного двигателя и является фактором, уводящим работу плазменного двигателя от идеальных кондиций. Данный фактор тем более критичен для циклотрона, где, помимо просто балласта, наличие значимой доли нейтральных частиц приводит к серьезным нарушениям в его работе, поскольку нейтральные частицы, имея безусловно низкую по отношению к разгоняющимся ионам скорость, сталкиваются с последними и уклоняют их с расчетного пути. Система улавливания нейтральных частиц и регенерации ионов основную долю нейтральных частиц возвращает на вход в ионизатор. Приложенное к пластинам конденсатора-разделителя потоков частиц 17 напряжение разделяет потоки ионов и электронов. Нейтральные частицы (атомы газа) улавливаются системой 15 и подаются на вход ионизатора 1. Обратный ход исключен расчетным сечением и нулевым (малым) углом наклона входной части канала из системы 15 в канал 16 подачи РТ. При практически нулевом давлении в обоих каналах невозможно остановить движение частицы и развернуть ее в канале 16 в почти противоположном направлении (см. фиг. 1). Газ идет по пути наименьшего сопротивления и создает тягу в системе 15.

Давление на входе в ионизатор может быть и повышенным. Тогда работа двигателя должна быть цикличной. В этом варианте (фиг. 3) система 15 имеет в своем составе газовые каналы 22 и 23, ресивер 21 и электроклапаны 18, 19, 20 соответственно: на входе в канал 16; на входе в ионизатор 1; за входом канала 23 в канал 16. Объем, заключенный между клапанами 19 и 20, должен быть не менее общего объема системы 15, а объем системы 15 должен гарантировать, чтобы давление в ресивере 21 за рабочий цикл двигателя не превысило давления в ионизаторе 1.

В рабочем цикле:

1. Одновременно открывают электроклапаны 19, 20. Электроклапан 18 находится в закрытом положении. РТ поступает в ионизатор.

2. За рабочий цикл нейтральный газ накапливается в ресивере 21.

3. По завершении рабочего цикла:

а) закрывают электроклапан 20 - происходит дегазация канала 16 за электроклапаном 20;

б) закрывают электроклапан 19 и открывают электроклапан 18 - газ из ресивера и всей системы 15 поступает в пространство между клапанами 19 и 20;

в) электроклапан 18 закрывают.

Незначительная часть нейтральных частиц (атомов) попадает в ПУ в основном за счет негерметичности пропускных клапанов на входе в ионизатор в перерывах работы ПУ и двигательной установки в целом. Чтобы нейтральный газ не накапливался в ПУ, необходимо в перерывах работы ПУ открывать выходные клапаны 5 на определенное время для дегазации пространства внутри ПУ.

7. Главное, из состава ЦПД исключается генератор переменного тока. Применяем штатный постоянный ток от системы электропитания КА. Замена одного разгонного зазора и переменного электрического поля двумя равноценными зазорами и постоянными электрическими полями абсолютно равноценна. Условие синхронизма связано с периодом колебания переменного электрического поля. Нет переменного электрического поля, - нет и понятийного синхронизма. И потому можно говорить об асинхронном характере работы циклотрона, имея при этом в виду, что ускорение частицы получают всегда вовремя. На сетки 11 дуантов может поступать любое заданное напряжение, ведь речь идет лишь о времени достижения конечной скорости. Выпускные клапаны газового канала, выбранного для работы, остаются открытыми на все время работы двигателя.

Векторы напряженности электрического поля пар сеток 11 (в щелевых диагональных зазорах) взаимно противоположны.

Итак, новизна и изобретательский уровень имеются как в отношении устройства плазменного двигателя в целом, так и в использовании постоянного тока, отказа от принципа синхронизации и в использовании принципа «торнадо» в разгонном блоке двигателя.

8. Относительно применения корректирующих движение ионов РТ переходников-ферромагнетиков 7, 8 с соленоидами.

Если заряженная частица движется в магнитном поле переходника (величина магнитной индукции вдоль силовой линии магнитного поля, несмотря на искривленный профиль переходника, постоянна) так, что вектор ее скорости составляет угол α с направлением магнитной индукции В, то траекторией частицы является винтовая линия с радиусом

и шаг винта

Чем больше заданная величина В, тем меньше r и α, и частица следует силовым линиям магнитного поля. Главное, чтобы выполнялось условие r<_{переходн.}. Имеем r_{переходн.}=0,05 м. При вероятных радиусах кривизны изгиба переходника имеем α<10° Тогда из (4) следует В=0,72 Тл, из (5) следует, что тяжелые ионы, не только в отношении угла α, но и в отношении величины шага винтового пути, практически следуют силовым линиям магнитного поля, поскольку h=1,8 м при длине переходника 15 см. При такой длине переходника К=0,6 (неоднородность магнитного поля желательна: чем ближе к стенкам переходника, тем больше величина магнитной индукции), конечное уклонение частиц от направлений силовых линий магнитного поля внутри переходника при скорости 1,5·10⁵ не превысит 2,6 см. Если переходники будут являться эффективными сердечниками-ферромагнетиками электромагнитов, то всегда есть возможность (см. п. 2 «Обоснование предлагаемого решения») сделать расчет выходных параметров катушки индуктивности - соленоида, это задача, решаемая под каждый конкретный угол изгиба переходника.

9. Отношение длины соленоидов, создающих магнитное поле в рабочем цилиндре циклотрона и внешнего для них сердечника-ферромагнетика к высоте рабочего цилиндра С, должно быть порядка 5:1. Такое соотношение гарантирует прямолинейность силовых линий внутри рабочего цилиндра ПУ-циклотрона, что важно для стационарности процесса ускорения частиц. При искривлении силовых линий магнитного поля плазма претерпевает расслоение и плоскости слоев, через которые проходят элементарные магнитные потоки, становятся пересекающимися. Это приводит к снижению КПД ПУ. Увеличение отношения С не оказывает существенного влияния на качество ускорения частиц, зато ведет к увеличению массы и габарита изделия в целом.