Результат интеллектуальной деятельности: Электрический ракетный двигатель

Изобретение относится к области создания электрических реактивных двигателей.

Известен электрический ракетный двигатель (см., патент РФ №2225533, МПК F03 Н1/00, опубл. 10.03.2004), содержащий сверхзвуковые сопла, канал магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику переменной ЭДС, при этом устройство снабжено импульсным высокочастотным источником напряжения, подключенным к дополнительной катушке, установленной на входе канала ускорителя, и диффузором с радиальными диэлектрическими ребрами, при этом катушка возбуждения магнитного поля подключена к источнику переменной ЭДС.

Недостатком является сложность доставки и хранения газообразного топлива, а также небольшой ресурс, что практически не приемлемо для корректирующих двигателей космических аппаратов многолетнего использования.

Известен электрический ракетный двигатель (см., патент РФ №2551140, МПК F03 Н1/00, опубл. 20.05.2015, бюл. №9), содержащий сверхзвуковые сопла, канал магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику переменной ЭДС, при этом устройство снабжено импульсным высокочастотным источником напряжения, подключенным к дополнительной катушке, установленной на входе канала ускорителя, и диффузором с радиальными диэлектрическими ребрами, при этом катушка возбуждения магнитного поля подключена к источнику переменной ЭДС, причем электрический ракетный двигатель снабжен источником плазмообразующего вещества, который состоит из электродов с фиксатором положения твердого топлива, состоящее из бобины с намотанной проволокой из металла высокой плотности и привода вращения бобины, а также направляющего приспособления для прямоточного перемещения твердого топлива в источнике плазмообразующего вещества импульсного источника напряжения.

Недостатком является снижение при длительной эксплуатации надежности задаваемой временной периодичности включения в работу двигателя из-за изменяющейся скорости подачи твердого топлива в источник плазмообразующего вещества, вследствие возрастания трения скольжения в зоне контакта между проволокой с высокой плотностью и внутренней поверхностью направляющего приспособления для прямоточного перемещения.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение надежной подачи твердого топлива в источник плазмообразующего вещества при длительной эксплуатации электрического ракетного двигателя в условиях низких отрицательных температур, способствующих возрастанию трения скольжения в зоне контакта проволоки из металла с высокой плотностью и поверхности приспособления для ее прямоточного перемещения.

Технический результат достигается тем, что электрический ракетный двигатель содержит сверхзвуковые сопла, канал магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику переменной ЭДС, при этом устройство снабжено импульсным высокочастотным источником напряжения, подключенным к дополнительной катушке, установленной на входе канала ускорителя, и диффузором с радиальными диэлектрическими ребрами, при этом катушка возбуждения магнитного поля подключена к источнику переменной ЭДС, причем электрический ракетный двигатель снабжен источником плазмообразующего вещества, который состоит из электродов с фиксатором положения твердого топлива, состоящее из бобины с намотанной проволокой из металла высокой плотности и привода вращения бобины, а также направляющего приспособления для прямоточного перемещения твердого топлива в источнике плазмообразующего вещества и импульсного источника напряжения, при этом поверхность направляющего приспособления со стороны прямоточного перемещения твердого топлива покрыта стеклоподобной пленкой в виде наноматериала.

На фиг. 1 представлено поперечное сечение электрического ракетного двигателя; на фиг. 2 – внутренняя поверхность направляющего приспособления для прямоточного перемещения твердого топлива с нанопокрытием в виде стеклоподобной пленки.

Электрический ракетный двигатель содержит сверхзвуковые сопла 1, канал 2 магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода 3, катушку 4 возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику 5 переменной ЭДС, импульсный высокочастотный источник напряжения 6, подключенный к дополнительной катушке 7, установленной на входе в канал 2 ускорителя. Двигатель также содержит диффузор 8 с радиальными диэлектрическими ребрами 9 и источник плазмообразующего вещества 10. Источник плазмообразующего вещества 10 состоит из электродов 11 с фиксатором положения 12 твердого топлива 13, в виде, например, проволоки из металла с высокой плотностью, а также включает устройство подачи твердого топлива 14, состоящее из бобины 15 с намотанной проволокой из металла высокой плотности и привода 16 вращения бобины 15, а также направляющего приспособления 17 для прямоточного перемещения твердого топлива 13 в источнике плазмообразующего вещества 10 и импульсного источника напряжения 18. Поверхность 19 направляющего приспособления 17 для прямоточного перемещения твердого топлива 13 покрыта стеклоподобной пленкой в виде наноматериала 20.

Электрический ракетный двигатель работает следующим образом.

В процессе выпрямления сматываемой с бобины 15 проволоки из металла с высокой плотностью, являющейся твердым топливом 13, в зоне контакта с поверхностями 19 возникает теплота трения скольжения. В связи с тем, что масса направляющего приспособления 17 для прямоточного перемещения твердого топлива значительно превышает массу проволоки 13 из металла с высокой плотностью и соответственно обладает большей тепловой инерцией (grad t₁) в соответствии с тепловой инерцией проволоки (grad t₂) по условию взаимного нахождения в среде с низкими температурами окружающей среды, то в зоне контакта – выпрямления сматываемой с бобины 15 проволоки образуются термонапряжения, обусловленные встречно направленными градиентами температур (grad t₁ и grad t₂) при нестационарном режиме теплообмена (см., например, стр. 136-141, П.В. Цой «Методы расчета отдельных задач тепломассопереноса», М. Энергия – 1971, 384 с., ил.). В результате скорость перемещения твердого топлива 13 из-за более скоростного прогрева проволоки и соответственно возрастание сопротивление скольжению по поверхностям 19 направляющего устройства 17 уменьшаются, нарушая режим работы электрического ракетного двигателя, т.е. надежной его работы.

При нанесении на поверхности 19 наноматериала 20 путем электрохимического растворения металла (см., например, Киш Л. Кинематика электрохимического растворения металлов. М.: Мир, - 1990, 272 с., ил.; Литвинова В.А.. Саврук Е.В. Нанообразная, стеклообразная пленка из тантала. Наноразмерные пленки оксида тантала, полученные ионно-плазменным методом//Сб. трудов региональной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве, растениеводстве и экономике»- Томск: ТЕХИиГАУ-Вып.12, -2010, - с. 299-301) с образованием стеклоподобной пленки, встречно направленные температурные градиенты (grad t₁ и grad t₂) недостаточны по суммарному абсолютному значению для разрушения наноматериала 20 и твердое топливо 13 в заданном режиме в процессе выпрямления скользит между поверхностями 19 в источник плазмообразующего вещества 10, обеспечивая надежную работу при длительной эксплуатации электрического ракетного двигателя.

Твердое топливо 13 в виде проволоки из металла с высокой плотностью перемещается из устройства подачи 14 посредством сматывания с бобины 15 при вращении привода 16 через направляющее устройство 17, где выпрямляется и прямоточно подается в источник плазмообразующего вещества 10, а при контакте с фиксатором положения 12 закрепляется на электродах 11. После этого включается система импульсного источника напряжения 18 и подается разряд между электродами 11, что способствует возникновению плазменных сгустков перед входом в сверхзвуковое сопло 1. Затем включается система, содержащая источник импульсного высокочастотного напряжения 6, который подключен к дополнительной катушке 7. Расход топлива определяется скоростью подачи проволоки, скважностью источника импульсного напряжения 18 и его мощностью.

Систему импульсного высокочастотного разряда 6 периодически включают с заданной временной скважностью, и каждое включение формирует в газовом потоке плазменный сгусток на входе канала 2 МГД ускорителя. Внешним источником переменной ЭДС создается переменный ток в катушке возбуждения 4, что порождает переменное во времени радиальное магнитное поле между полюсами коаксиального магнитопровода 3. Это генерирует вихревое электрическое поле азимутального направления. Под воздействием азимутального электрического и радиального магнитного полей из плазменных сгустков формируются самоподдерживающиеся азимутальные плазменные токовые витки (Т-слои), которые в свою очередь действуют на газовый поток как ускоряющие поршни. После канала МГД-ускорителя ускоренный поток попадает в расширяющийся канал-диффузор 8, в котором установлены радиальные диэлектрические ребра 9. Ребра обтекаются газовым потоком, но на них разрываются электрические цепи Т-слоев, что позволяет прервать электродинамическую стадию ускорения потока. В диффузоре 8, являющемся продолжением канала МГД-ускорителя, осуществляется дальнейшее ускорение газового потока за счет тепловой энергии, перешедшей из Т-слоев в поток.

Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в поддержании надежной работы при длительной эксплуатации электрического ракетного двигателя как корректирующего устройства для космических аппаратов, путем обеспечения заданной временной периодичности поступления твердого топлива в источник плазменного вещества, вследствие устранения снижения, скорости перемещения проволоки из металла с высокой плотностью за счет покрытия поверхностей направляющего устройства для прямоточного перемещения стеклоподобной пленкой в виде наноматериала, способствующей постоянству скольжения в процессе выпрямления в независимости от температурных градиентов, т.е. термонапряжения.