СПОСОБ СОЗДАНИЯ РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ И РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК F02K11/00 

Изобретение относится к созданию реактивной тяги или получению механической энергии.

В настоящее время известны плазменные двигатели, среди которых наибольшее практическое использование получили электрические ракетные двигатели ЭРД [1] . В этих двигателях через рабочее тело (РТ) пропускается электрический ток от бортового источника энергии, в результате чего образуется плазма с температурой в десятки тысяч градусов. Эта плазма затем ускоряется либо газодинамически, либо за счет силы Ампера, возникающей при воздействии тока с магнитным полем. Достоинство ЭРД в их удельном импульсе (удельной тяги) благодаря большой скорости истечения рабочего тела (РТ), достигающей 10-100 км/с.

По принципу действия ЭРД подразделяются на электротермические, электростатические (ионные, коллоидные) и электромагнитные (плазменные). Электротермические РД состоят из камеры нагрева и сопла. Внутри камеры смонтирована опора нагревающего элемента, на котором намотана вольфрамовая проволока в качестве нагревающего элемента. Сопла выполняются из вольфрама. В этом двигателе РТ нагревается до температуры 1000-5000К, газ, истекая из сопла, создает тягу. Известна схема электротермического двигателя с нагревом при помощи дугового разряда.

В электростатическом (ионном) РД вначале производится ионизация рабочего тела, после чего ионы и электроны раздельно ускоряются в электростатическом поле (при помощи системы электродов), а затем вновь перемешиваются для нейтрализации объемного заряда и, истекая, создают тягу. Известны электростатические РД с поверхностной ионизацией и объемной ионизацией (электронным ударом). В качестве рабочего тела, вo-первых, используется легко ионизируемый цезий, во-вторых - любые вещества с большой атомной массой (например, висмут). Вместо ионов в электростатическом поле РД могут ускоряться заряженные (например, за счет контактной разности потенциалов при отрыве капли от поверхности электрода) микроскопические капли. Такие ЭРД называются коллоидными. Значение ускоряющего потенциала составляет для них около 10-20 кB (для ионных РД 2-7 кB) при плотности тока в несколько мA/см^-2. Удельный импульс 15-1000 кH•с/кг, плотность тяги 30-50 H/м², время работы - 1 год и более. Схема электростатического (ионного) РД представлена ионизатором, фокусирующим электродом и нейтрализатором.

В электромагнитном РД рабочим телом является плазма любого вещества, ускоряемая за счет силы Ампера в скрещенных электрических и магнитных полях. Различают ЭРД с внешним и собственным магнитным полем. К первым относятся классические ЕН ускорители плазмы с замкнутым дрейфом электронов, а во-вторых, магнитное поле создается током, протекающим в ускоряемой плазме. Они подразделяются на импульсные и квазистационарные ЭРД. Рабочий цикл импульсного ЭРД соответствует периоду электрического пробоя РТ (обычно фторопласта), при котором создается плазма, начало потенциального пробоя - несколько кВ, удельный импульс 40-100 кH•с/кг, плотность тяги 10^-9-10^-8 H/м², число циклов ЭРД достигает 1 млн. В квазистационарном ЭРД с целью создания сильного магнитного поля через РТ пропускают ток силой в десятки кА и напряжение в десятки В. Удельный импульс составляет 30-50 кH•с/кг. Плотность тяги несколько кH/м². Время работы десятки часов.

Ограниченное применение ЭРД связано с необходимостью большого расхода электроэнергии (10-100 кВт на 1 тягу). Из-за наличия бортовой энергоустановки и из-за малости ускорения ЭРД могут быть использованы только в космических летательных аппаратах, совершающих полет либо в условиях слабых гравитационных полей, либо на околопланетных орбитах. Известны ядерные реактивные двигатели [2] , разрабатываемые в США по программе "Орион", и конструкция ядерного ракетного двигателя с твердофазным реактором, в котором тяга создается за счет энергии, выделяющейся при радиоактивном распаде или ядерной реакции. В ядерном реакторе рабочее тело превращается в высокотемпературный газ, при истечении которого создается тяга. Достоинство ЯРД в их удельном импульсе благодаря большой скорости истечения рабочего тела, достигающей 50 км/с и более. В стадии технической разработки в 1977 г. экспериментальный американский ЯРД "Нерва-1" при массе 11 т развивает тягу 300 кН. Основным недостатком ЯРД является наличие биологического экрана, что значительно увеличивает вес космического обитаемого корабля. В настоящее время исследуются возможности создания плазменного двигателя на других принципах. Так, существуют модели плазменного двигателя, в которых действующей силой является реактивная сила отдачи, возникающая при распаде и разлете продуктов разложения и испарения поверхности твердых тел, облучаемых мощными импульсами лазерного излучения или импульсными электронными пучками. Все упомянутые выше двигатели в основе своей работают на принципе создания реактивной силы отдачи и зачастую требуют больших запасов топлива и энергии.

Известно устройство (см. патент RU 2110137 C1, H 02 N 3/00, H 05 H 1/02 от 27 апреля 1998 г. "Плазменный ионизационнотурбулентный аккумулятор"), которое в сущности своей представляет собой бризерную установку [4]. Комплексный излучатель данного устройства определяет в любой газовой или жидкой среде при нормальном или повышенном давлении ее ионизацию и образование ударной волны за счет самосжимающегося температурного поля, причем за счет размерной анизотропии при увеличении температуропроводности определяет топологическую устойчивость в форме индукционных токов ионной компоненты конической конфигурации, образованныx токами самой плазмы. Такая топологическая устойчивость обладает следующими свойствами:
- определяет осциллирующий диполь,
- обладает эффектом насыщения неоднородностей, т.е. определяет динамический процесс: насыщенная неоднородность захватывает новый приходящий солитон, но при этом выпускает захваченный ранее.

Из известных способов создания реактивной тяги и реактивных двигателей наиболее близкими являются способ и устройство по патенту США 4866929, F 02 К 11/00, НКИ 60-202 от 19.09.1989 г. В конструкции двигателя образование и разгон плазмы осуществляют в коаксиальных трубках с центральным электродом, вторым электродом является сам корпус, в котором прорезаны трубки. При выходе плазменных потоков из трубок в расширенную часть корпуса под действием заряда корпуса плазма отклоняется, определяя радиальные токи смещения и дополнительный импульс за счет МГД-сил.

Способ создания реактивной тяги характеризуется созданием теплового излучения и обеспечением свободного распространения через него остронаправленного электромагнитного излучения по оси с ионизацией среды окружающего пространства.

Реактивный двигатель для осуществления способа характеризуется содержанием размещенных в корпусе теплового и электромагнитного излучателей.

Целью изобретения является создание подъемной силы за счет получения мощной ударной волны в среде (газообразной или жидкой) в поле действия комплексного излучателя (по материалам патента RU 2110137), усиленной за счет роста электростатических колебаний при амплитудной модуляции объемного заряда и поляризации индукционных токов при прохождении выпущенного солитона, оторвавшегося от насыщенной неоднородности - тороидальной конфигурации, сформировавшейся перед комплексным излучателем.

Поставленная цель достигается тем, что в способе создания реактивной тяги создают мощную ударную волну, увлекающую за собой корпус, причем мощность ударной волны регулируют за счет роста электростатических колебаний при амплитудной модуляции объемного заряда в плазме, поддерживаемой разрядными электродами на резонаторе.

Поставленная цель достигается тем, что в реактивном двигателе тепловой излучатель выполнен в виде инфракрасного излучателя, расположенного в носовой части корпуса, электромагнитный излучатель - в виде рентгеновского излучателя, установленного в центре инфракрасного излучателя, а в задней части корпуса установлен резонатор, выполненный в виде зеркала сферической формы, в площади которого вмонтированы плазменные инжекторы и выносные электроды.

На представленных чертежах:
фиг. 1 изображает принципиальную схему реактивного двигателя;
фиг. 2 изображает один из вариантов выполнения резонатора,
где 1 - корпус космического аппарата, 2 - инфракрасный излучатель (далее по тексту ИК-излучатель), 3 - рентгеновский излучатель (далее по тексту Р-излучатель), 4 - рупорная антенна СВЧ-излучения, 5 - зеркало резонатора, 6 - плазменные инжекторы, 7 - электрод, 8 - структура с разрядниками, 9 - изоляторы, 10 - импульсный высокочастотный генератор для возбуждения дугового разряда на электродах 7 и 5, 11 - высокочастотный генератор для получения СВЧ в многорупорной антенне, 12 - высокочастотный генератор для возбуждения искровых разрядов на структуре 8.

Реактивный двигатель представляет собой комплекс, выполненный на корпусе 1 космического аппарата и состоит из:
носовой излучательной установки, представленной ИК-излучателем 2, осевым Р-излучателем 3, антенны СВЧ-4;
задней резонаторной установки, состоящей из зеркала 5, на которой смонтированы плазменные инжекторы 6, ультрафиолетовые излучатели, которые могут быть представлены структурой разрядников 8, электродов 7, причем зеркало 5 является вторым электродом для электродов 7.

ИК-излучатель 2 может быть представлен металлической сферой, с внутренней стороны которой смонтированы нагревательные спирали (не показаны) для предварительного разогрева, а для быстрого нагрева используются рупорные антенны 4. Антенна СВЧ-4 представлена многорупорной антенной секториальной формы.

Структура с множеством разрядников может быть представлена кольцевыми электропроводными шинами, которые изолированы от зеркала 5 и соединены обычными искровыми устройствами. Основное назначение разрядников - поддерживать плазменное образование возле зеркала. Не исключена возможность замены структуры разрядников другими источниками ультрафиолетового излучения устройствами типа ртутных или кварцевых ламп, т.к. применение того или иного устройства определено параметрами реактивного двигателя и его назначением.

Способ создания реактивной тяги осуществляется устройством следующим образом.

Включают в работу инфракрасный излучатель 2, выполненный из металла (сталь, медь и др.). С целью быстрого разогрева поверхности инфракрасного излучателя 2 включают СВЧ-антенну 4. Одновременно включают рентгеновский излучатель 3, обеспечивая ионизацию среды и увеличение температуропроводности среды. В среде возникает тепловая волна, а вслед пойдет ударная волна, обеспечивающая ударную ионизацию среды. Распространение ударной волны обеспечивает смещение частиц среды от поверхности инфракрасного излучателя 2 к оси излучателя в луч рентгеновского излучения 3. Ионы, сжимаясь к оси, под действием рентгеновского излучения охлаждаются, сбрасывая электроны, разделяя низкотемпературную плазму на ионную и электронную компоненты среды. В луче ударной волны на оси образуется концентрация ионов, а на периферии концентрация электронов. При ионизации среды и разделении зарядов возникает ударная волна плазмы. Ударная акустическая волна определяет возникновение токов в электронной составляющей в поле действия ударной волны, одновременно распространение ударной волны определяет образование флуктуаций плотностей электронов, и на периферии от оси образуются токовые вихри [5]. За счет процессов термодиффузии токовые вихри стягиваются к оси, т.е. к более холодной части, и, отдавая часть своей энергии ионному газу, также за счет флуктуации плотностей в ионной компоненте, и в среде образуются индукционные токи, следующая ударная волна в поле смещает вихри от инфракрасного излучателя. За счет амбиполярной диффузии заряженных частиц образуется ионная турбулентность. Индукционные токи ионной компоненты как бы навинчиваются на ось по спирали, сужаясь от инфракрасного излучателя к оси. Индукционные токи электронной компоненты определяют образование сфероидальных полей тороидальной конфигурации, определяя электронную топологическую устойчивость. Индукционные токи ионной компоненты определяют образование ионной топологической устойчивости конической конфигурации.

Образование ионизационной турбулентности определяет образование волн с отрицательной энергией, увеличивая амплитуду теплового излучения, ударной волны и электростатических колебаний (см. явление взрывной неустойчивости). С возникновением магнитного поля индукционного тока ионной составляющей среды в поле ударной волны и амбиполярной диффузии при взрывной неустойчивости идет быстрая перестройка токов электронной составляющей, определяя образование азимутального поля тороидальной конфигурации электронной компоненты. Все это поддерживается и усиливается за счет солитонных процессов в плазме среды [4]. Так как импульс большой амплитуды догоняет импульс малой амплитуды, амплитуда последнего возрастает, а амплитуда первого уменьшается. Возрастающая амплитуда ударной волны определяется разряжением среды перед устройством - определяя подъемную силу.

Чтобы управлять процессом усиления или ослабления амплитуды ударной волны, одновременно включают в работу резонатор. Включение в работу резонатора определяет также процесс насыщения топологической электронной устойчивости. На зеркало резонатора 5 впрыскивается плазма из плазменных инжекторов 6, плазменное состояние которого поддерживается ультрафиолетовым излучением (за счет разрядников 8), обеспечивая условия нарушения квазинейтральности плазмы. При включении электрода объемный заряд плазменного облака меняется за счет возбуждения в плазме ионнозвуковых колебаний. Возникновением этого заряда определено воздействие на ударную волну в плазме, электростатические колебания усиливаются, взрывная неустойчивость еще ярче выражается. Амплитудная модуляция объемного заряда плазменного облака в свою очередь увеличивает частотную модуляцию комплексного излучателя в носовой части устройства, частота ударной волны увеличивается. При подъеме устройства в среде будут формироваться новые солитоны. При насыщении неоднородностей неоднородности захватывают вновь образованный солитон и выпускают захваченный ранее, который, проходя через плазму резонатора, поляризуется, определяя образование токовых замкнутых вихревых токов в плазменном облаке, удерживающих плазменное облако возле зеркала резонатора 6, не давая плазме расползаться. Регулируя полярность на электроде 7 и зеркале 5, определяют закрутку вращения индукционных токов ионной составляющей от действия инфракрасного и рентгеновского излучения, т. е. воздействуя на тороидальную конфигурацию, взаимосогласованную с конической конфигурацией через амбиполярную диффузию либо увеличивая ее степень насыщенности, либо увеличивая размеры тора.

Согласно закону сохранения массы, энергии вся энергия переносится солитонами, что и определено из физики солитонов [4].

Наличие резонатора в устройстве за счет вращения токов дополнительно создает импульс для создания подъемной силы при взаимодействии с магнитным полем Земли или других планет.

Изобретение позволяет создать подъемную силу за счет получения мощной ударной волны в поле действия комплексного излучателя, усиленной за счет роста электростатических колебаний при амплитудной модуляции объемного заряда в плазме, поддерживаемой разрядными электродами на резонаторе.

Источники информации
1. Большая Советская Энциклопедия.- М.: Советская энциклопедия, 1978, 3-е изд., т. 30, с. 42; т. 19, с. 610.

2. Дж. Гарднер. Атомы сегодня и завтра.- M.: Знание, 1979, с. 131.

3. Патент RU 2110137, МКИ H 05 H 1/02, 27.04.1998. "Плазменный ионизационно-турбулентный аккумулятор".

4. Солитоны в действии/Под редакцией К. Лонрена и Э. Скотта, перевод с английского под редакцией академика А.В. Гапонова-Грехова и доктора ф.-м.наук проф. Л.А. Островского.- M.: Мир, 1981 г.

5. Явление ионизационной турбулентности низкотемпературной плазмы. Oткрытие N 260 от 22.07.1982 г.

Изобретение относится к области создания реактивной тяги или получения механической энергии. Способ создания реактивной тяги осуществляют путем создания мощной ударной волны, увлекающей за собой корпус, причем мощность ударной волны реагируют за счет роста электростатических колебаний при амплитудной модуляции объемного заряда в плазме, поддерживаемой разрядными электродами на резонаторе. Тепловой излучатель реактивного двигателя выполнен в виде инфракрасного излучателя, расположенного в носовой части корпуса, электромагнитный излучатель - в виде рентгеновского излучателя, установленного в центре инфракрасного излучателя. В задней части корпуса установлен резонатор, выполненный в виде зеркала сферической формы, в площади которого вмонтированы плазменные инжекторы и выносные электроды. Изобретение позволяет создать подъемную силу за счет получения мощной ударной волны. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ создания реактивной тяги, включающий в себя создание теплового излучения и обеспечение свободного распространения через него остронаправленного электромагнитного излучения по оси с ионизацией среды окружающего пространства, отличающийся тем, что создают мощную ударную волну, увлекающую за собой корпус, причем мощность ударной волны регулируют за счет роста электростатических колебаний при амплитудной модуляции объемного заряда в плазме, поддерживаемой разрядными электродами на резонаторе. 2. Реактивный двигатель, содержащий размещенные в корпусе тепловой и электромагнитные излучатели, отличающийся тем, что тепловой излучатель выполнен в виде инфракрасного излучателя, расположенного в носовой части, корпуса, электромагнитный излучатель - в виде рентгеновского излучателя, установленного в центре инфракрасного излучателя, а в задней части корпуса установлен резонатор, выполненный в виде зеркала сферической формы, в площади которого вмонтированы плазменные инжекторы и выносные электроды.