СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ Российский патент 1998 года по МПК F03H1/00 H05H1/54 

Заявляемое техническое решение относится к области электроракетных двигателей, а более конкретно к импульсным плазменным электроракетным двигателям.

В известных импульсных плазменных двигателях реактивную тягу получают разрядными токами 10⁵ - 10⁶ А с пиковой мощностью 10² - 10⁴ Вт.

В 1957 году Л.А. Арцимовичем и др. был впервые исследован элеткродинамический импульсный ускоритель плазмы, образованный взрывом проволочки.

Экспериментальные исследования с замером импульса тяги проведены фирмой "Локхид" (Взрывающиеся проволочки, М. 1963, перевод с английского под редакцией А.А. Рухадзе, с. 331-339 [1]).

Наиболее широкое распространение из-за своей простоты нашли эрозионные плазменные ускорители. Коммутация разряда в них осуществляется с помощью поджигного устройства-игнайтера, который размещают обычно внутри катода (см. Гришин Г.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. - М. : Машиностроение, 1975, с. 198-200 [2]). После пробоя диэлектрика в парах продуктов его абляции непосредственно вблизи канала стриммера за время порядка долей микросекунды возникает разряд дугового типа. Тепловой поток разряда обеспечивает испарение диэлектрика в течение всего рабочего цикла.

Электротермический разгон (рис. 6.2 [2]) при закрытой геометрии с аксиальными электродами позволяет снизить значение цены тяги, но одновременно и удельного импульса. В качестве рабочего тела чаще всего используются фтороуглеродистые соединения в твердом или воскообразном состоянии. Процесс получения реактивной тяги в известных импульсных плазменных электроракетных двигателях имеет невысокий КПД, абляционная составляющая процесса высока, а следовательно, невысок удельный импульс.

Задачей создания предлагаемого технического решения является повышение КПД процесса получения реактивной тяги и повышение удельного импульса импульсных плазменных электроракетных двигателей. Решение поставленной задачи заключается в том, что в данном способе получения реактивной тяги, заключающемся в генерации плазмы путем пробоя и поверхностного перекрытия рабочего тела в канале диэлектрика импульсом электрической энергии высокого напряжения, пробой и поверхностное перекрытие осуществляются импульсом электрической энергии высокого напряжения наносекундной длительности 10^-9 - 10^-6 с. Кроме того, разрядный промежуток организуется таким образом, чтобы разряд распространялся от анода к катоду. На чертеже приведена принципиальная схема установки, на которой реализуется предлагаемый способ получения реактивной тяги. Установка состоит из наносекундного генератора импульсов высокого напряжения 1, анода 2, диэлектрика 3, который содержит канал для приема рабочего тела и катода 4. В катоде 4 выполнено окно 5, в которое происходит выброс плазмы. Для реализации процесса получения реактивной тяги с повышением КПД и уменьшением цены тяги по сравнению с существующим уровнем характеристик необходимы пробой и поверхностное перекрытие рабочего тела высоковольтным импульсом электрической энергии высокого напряжения разрядного промежутка, должно обеспечиваться распространение разряда с анода, например, за счет оптимизации геометрии разрядного промежутка, диэлектрических свойств рабочего тела и параметров импульса напряжения.

В этих условиях реализуется движение разряда через рабочее тело от анода к катоду, экспериментально регистрируемая скорость разряда может достигать величины 1000±200 км/с с плотностью тока в канале разряда не менее 10⁷ А/см².

В соответствии с законами гидродинамики при сверхзвуковом распространении фронта фазового перехода (ФФП) "конденсированный диэлектрик - плазма" в канале разряда возникают два участка плазмы с различными термодинамическими параметрами - высокотемпературная плазма за ФФП и низкотемпературная - в остальной части канала разряда. Этот процесс имеет аналогии с детонацией. Различие при этом состоит в том, что сверхзвуковое распространение ФФП в последнем случае обеспечивается за счет энергии, выделяющейся при экзотермической химической реакции, а в предлагаемом способе - за счет преобразования электрической энергии в энергию свободных электронов, образующихся при внутренней инжекции валентных электронов с высокой плотностью в плазму канала разряда. По этой причине предлагаемый способ может быть назван электронно-детонационным.

Кратковременность протекания процессов преобразования энергии источника в энергию движущейся плазмы приводит к снижению потерь энергии на рассеяние и нагрев элементов конструкции ЭРД, а следовательно, к повышению КПД преобразования энергии источника в энергию движущейся плазмы и полезный импульс силы - в импульс тяги, который может быть использован в ракетных двигателях.

При достижении каналом разряда границы рабочее тело - вакуум (или газ) начинается истечение плазмы из устья канала. Соответственно сначала со скоростью V_1n = 100±20 км/с вытекает плазма массой m₁, расположенная в головной части канала, а затем - остальная, низкоскоростная плазма с массой m₂ и скоростью V_2n = 6±2 км/с. Различие скоростей V_1n, V_2n приводит к пространственному разделению этих потоков плазмы, каждая из которых имеет избыточный положительный заряд. Вытекающая низкоскоростная плазма, имеющая потенциал анода, вызывает поверхностное перекрытие рабочего тела, сопровождающееся возникновением положительного поверхностного разряда с плотностью более 10^-5 Кл/см². В отличие от поверхностного разряда с катода положительный заряд на поверхности рабочего тела образуется не за счет эмиссии электронов (см. Г.А. Месяц. Эктоны, часть 1, Екатеринбург, "Наука", 1993 г., стр. 53-90), а за счет первичной инжекции валентных электронов рабочего тела в положительно заряженную плазму распространяющегося с анода поверхностного разряда.

После перекрытия анодным разрядом межэлектродного промежутка при избытке энергии, запасаемой в импульсном источнике, возникает дуговой разряд и соответственно абляционный процесс, формирующий дополнительный импульс тяги J₃ -= m₃V_3n.

В результате указанные процессы формируют импульс тяги из четырех основных составляющих

где
эффективное значение электростатической силы отталкивания положительных зарядов; Δt - - время ее действия.

В отличие от известных путей получения импульса тяги в импульсных плазменных двигателях в заявляемом способе абляционная составляющая импульса тяги (m₃•V_3n) в этом случае составляет небольшую часть суммарного импульса тяги.

Регулирование соотношений между составляющими импульса тяги производится путем изменения конструкции разрядного промежутка и параметров высоковольтного наносекундного импульса напряжения.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить импульс тяги с наибольшей эффективностью как за счет электро-газодинамических, так и электростатических процессов без применения систем дополнительного ускорения плазмы.

Изобретение относится к электрореактивным двигателям, а более конкретно, к импульсным электрореактивным двигателям. Генерация плазмы осуществляется путем пробоя и поверхностного перекрытия рабочего тела в диэлектрическом канале высоковольтным импульсом энергии наносекудной длительности 10^-9 - 10^-6c. При этом используют конструкцию разрядного промежутка, обеспечивающую распространение разряда со стороны анода. Изобретение позволяет повысить КПД и удельный импульс тяги импульсных плазменных электрореактивных двигателей. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения реактивной тяги, заключающийся в генерации плазмы путем пробоя и поверхностного перекрытия диэлектрика импульсом электрической энергии высокого напряжения, отличающийся тем, что используют диэлектрик, который содержит канал для приема рабочего тела, а пробой и поверхностное перекрытие рабочего тела производят импульсом электрической энергии высокого напряжения наносекундной длительности 10^-9 - 10^-6 с. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют конструкцию разрядного промежутка, обеспечивающую распространение разряда со стороны анода.