СПОСОБ СОЗДАНИЯ РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ В КОСМОСЕ Российский патент 2002 года по МПК F03H1/00 

Предлагаемое изобретение относится к области техники ускорения потоков плазмы и может быть использовано при разработке и применении электроракетных двигателей (ЭРД) на основе так называемых ускорителей с замкнутым дрейфом электронов (УЗД) [1].

Один из вариантов УЗД (фиг. 1) с протяженной зоной ускорения (УЗДП) содержит обычно анод-газораспределитель 1, катод-компенсатор 2, разрядную камеру 3, выполненную из керамического материала, магнитную систему с наружным полюсом 4, катушками 5, центральным (внутренним) полюсом 6, фланцем 7 из магнитомягкого материала.

Работает этот ускоритель следующим образом. В кольцевой ускорительный канал, образованный стенками разрядной камеры 8 и 9, обычно через анод-газораспределитель 1 подается рабочий газ (например, ксенон), который равномерно распределяется в ускорительном канале, благодаря кольцевой геометрии анода и специальной организации движения газа в нем. В ускорительном канале создается квазирадиальное (с индукцией, направленной от одной стенки разрядной камеры к другой) магнитное поле. Катод 2 является источником электронов и содержит обычно подогретый эмиттер электронов с полостью, в которой зажигается разряд для создания плазменного мостика, снижающего потери на транспортировку электронов от эмиттера во внешнее пространство. Между анодом и катодом зажигается разряд, горящий в скрещенных электрическом (с напряженностью ) и магнитном (с индукцией ) полях. Усредненное движение электронов в скрещенных полях (дрейф) происходит преимущественно по азимуту, перпендикулярно и векторам, поэтому их траектории оказываются почти замкнутыми, чем объясняется название ускорителя.

При столкновениях электронов с тяжелыми частицами и стенками канала происходит рассеяние дрейфовой составляющей их скорости и смещение электронов к аноду, что соответствует переводу дрейфовой составляющей скорости в тепловую (нагрев электронов), а при смещении электроны приобретают от электрического поля энергию, которая идет на нагрев электронов. На рабочих режимах работы УЗДП электроны приобретают энергию, достаточную для эффективной ионизации атомов газа, так что на выходе из ускорителя удается получить практически полное преобразование потока атомов в поток ионов.

Образовавшиеся в ускорительном канале ионы ускоряются до скоростей, соответствующих пройденной ими разнице потенциалов ΔФ, т.е. приобретают энергию q_i•ΔФ, где q_i - заряд иона. Максимальное значение ΔФ соответствует приложенной между анодом и катодом разнице потенциалов - разрядному напряжению U_d. Диапазон скоростей, характерных для одноступенчатого УЗДП, составляет (10-30) км/с, что при работе на ксеноне соответствует значениям U_d=(100-1000) В.

Аналогичным образом работает и так называемый ускоритель с анодным слоем (УАС), представляющий собой вторую разновидность УЗД.

Таким образом, известный способ создания реактивной тяги в космосе с помощью УЗД сводится к подаче рабочего газа в кольцевой ускорительный канал, образованный наружной и внутренней стенками разрядной камеры, созданию в рабочей зоне ускорительного канала магнитного поля с преимущественным направлением индукции магнитного поля от одной стенки упомянутой разрядной камеры к другой, зажиганию и поддержанию электрического разряда в потоке газа, движущемся в ускорительном канале, между кольцевым анодом, расположенным внутри ускорительного канала, и катодом, расположенным вне ускорительного канала, размещенными таким образом, чтобы рабочая зона ускорительного канала располагалась между анодом и катодом [1].

Недостатком известного способа является то, что при его реализации используется дорогостоящий газ - ксенон. Поэтому изучались и изучаются возможности замены ксенона на другие газы (криптон, аргон и др.). Так, например, переход на криптон позволяет снизить стоимость запаса рабочего газа примерно в 5 раз. Но проблема состоит в том, что при работе на криптоне уровень тяговой эффективности заметно (на 5-15%) ниже, чем на ксеноне. Такой уровень тяговой эффективности приемлем для решения ряда практических задач. Но, если необходим более высокий уровень тяговой эффективности, то возможна добавка некоторого количества ксенона к криптону. При этом с увеличением доли ксенона, как показали исследования авторов, тяговая эффективность ускорителя увеличивается по мере увеличения доли ксенона в смеси от уровня, характерного для криптона, до уровня, характерного для ксенона. Но при этом, чем выше доля ксенона в смеси, тем дороже рабочий газ. И разработчик ЭРДУ может принять решение о выборе конкретного варианта смеси с учетом задач разработки конкретного двигателя.

К сказанному следует добавить, что при переходе на более дешевый рабочий газ снижается не только стоимость заправляемого в ЭРДУ газа, но и стоимость двигателя. Дело в том, что значительную часть стоимости двигателя составляет стоимость наземной отработки и, в частности, стоимость длительных ресурсных испытаний двигателя и ЭРДУ. Так, современные УЗДП имеют ресурс ~ 8000 часов и более, и подтверждение такого ресурса осуществляется, как правило, прямыми ресурсными испытаниями, по крайней мере, нескольких образцов двигателя. При этом стоимость основного современного газа для УЗД - ксенона составляет при проведении ресурсных испытаний до 50% общей стоимости таких испытаний. Так, при испытаниях современного двигателя типа СПД-100 расходуется ~3,6 л/час ксенона. Современная цена литра (при нормальных условиях) ксенона составляет ~ (6-8) долларов в зависимости от поставщика. Таким образом, стоимость ксенона для 8000-часовых испытаний (без его регенерации) составляет ~200 000 $, т. е. очень значительна. Поэтому замена ксенона, например, на криптон позволяет не только снизить стоимость заправляемого в ЭРДУ газа, но и существенно снизить стоимость наземной отработки, а следовательно, и стоимость двигателя, если его наземная отработка сразу осуществляется на новом рабочем газе.

Целью изобретения является снижение стоимости ЭРДУ на основе УЗД. Эта цель достигается тем, что в способе создания реактивной тяги в космосе с помощью ускорителя с замкнутым дрейфом электронов (УЗД) путем подачи рабочего газа в кольцевой ускорительный канал, образованный наружной и внутренней стенками разрядной камеры УЗД, создания в рабочей зоне ускорительного канала у его выхода магнитного поля с преимущественным направлением индукции от одной стенки разрядной камеры к другой, зажигания и поддержания электрического разряда в потоке газа, движущемся в ускорительном канале, между кольцевым анодом, расположенным внутри ускорительного канала, и катодом, расположенным вне ускорительного канала, размещенными таким образом, что рабочая зона ускорительного канала располагается между катодом и анодом, в качестве рабочего газа используют промышленно производимую (продукционную) смесь криптона с ксеноном с объемным содержанием примесей кислорода и азота, в сумме не превышающим 10%.

Стоимость продукционной смеси криптона и ксенона примерно в 15 раз ниже, чем стоимость чистого продукционного ксенона и в (2-3) раза ниже, чем стоимость чистого продукционного криптона. Поэтому, по крайней мере, для задач, для которых приемлем уровень тяговой эффективности на криптоне, возможен переход на продукционную смесь криптона с ксеноном, если уровень тяговой эффективности на этой смеси будет близок к уровню тяговой эффективности на криптоне. Дело в том, что продукционная криптоно-ксеноновая смесь содержит достаточно большой процент примесей азота и кислорода, которые, как правило, снижают тяговую эффективность. Из-за этого такая смесь ранее не рассматривалась в качестве рабочего газа для УЗД.

Но проведенные авторами исследования показали, что при объемном содержании азота или воздуха в криптоно-ксеноновой смеси до 10%, тяговая эффективность двигателя на смеси на ряде режимов работы, представляющих интерес, практически не отличается от тяговой эффективности двигателя на криптоне (фиг. 2, 3), а значения удельного импульса получаются заметно выше, чем в случае криптона (фиг. 3). Больше того, на отдельных режимах при работе на продукционной криптоно-ксеноновой смеси получаются характеристики, близкие к характеристикам двигателя на ксеноне (фиг. 4). Таким образом, при использовании таких режимов работ продукционная криптоно-ксеноновая смесь может успешно заменить не только криптон, но и ксенон. При этом, как уже отмечалось, содержание в ней примесей кислорода и азота не должно в сумме превышать 10% по объему, и продукционная смесь удовлетворяет этому условию [2].

В целом, полученные данные свидетельствуют о том, что при работе на продукционной криптоно-ксеноновой смеси получен качественно новый эффект, не наблюдавшийся ранее при работе на смеси чистых криптона и ксенона. Использование этого эффекта позволяет примерно в 15 раз снизить стоимость рабочего газа при переходе от ксенона к продукционной криптоно-ксеноновой смеси и в 2-3 раза - при переходе от использования чистого криптона к указанной смеси. В свою очередь, это позволяет существенно снизить стоимость рабочего газа при наземной отработке двигателя и, соответственно, стоимость двигателя, а также стоимость рабочего газа, заправляемого в ЭРДУ.

К сказанному следует добавить, что наличие примесей кислорода и азота может снизить масштабы изменения характеристик УЗДП во времени, наблюдавшиеся при ресурсных испытаниях и обусловленные изменением свойств стенок разрядной камеры из-за напыления на них распыленных ускоренными ионами продуктов диссоциации химических соединений, образующих керамические стенки разрядной камеры. Так, материал разрядной камеры современных УЗДП содержит в качестве базовых соединения BN и SiO₂. При их диссоциации образуются атомы Si и В, которые осаждаются на поверхности стенок разрядной камеры, не подвергающиеся значительной бомбардировке ионами, существенно изменяя их свойства. Примесные атомы и ионы кислорода и азота, попадая на поверхность напыленной пленки, будут восстанавливать химические соединения (BN и SiO₂), сохраняя свойства поверхности и повышая стабильность характеристик двигателя во времени.

Реализация предлагаемого способа сводится к тому, что в известном способе создания реактивной тяги в космосе с помощью ускорителя с замкнутым дрейфом электронов (УЗД) путем подачи рабочего газа в кольцевой ускорительный канал УЗД, образованный наружной и внутренней стенками разрядной камеры, создания в рабочей зоне ускорительного канала магнитного поля с преимущественным направлением магнитного поля от одной стенки упомянутой разрядной камеры к другой, зажигания и поддержания электрического разряда в потоке газа, движущемся в ускорительном канале, между кольцевым анодом, расположенным внутри ускорительного канала, и катодом, расположенным вне ускорительного канала, размещаемыми таким образом, что рабочая зона ускорительного канала располагается между анодом и катодом, в качестве рабочего газа используют продукционную криптоно-ксеноновую смесь с объемным содержанием примесей кислорода и азота, в сумме не превышающим 10% от объема смеси.

Источники информации
1. А.И. Бугрова, В. Ким. Современное состояние физических исследований в ускорителях с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения - в книге Плазменные ускорители и ионные инжекторы, М.: "Наука", 1984, с.107-129.

2. В.Г. Фастовский, А.Е. Ровинский, Ю.В. Петровский. Инертные газы - М.: Атомиздат, 1972, с.164-165.

Изобретение предназначено для создания реактивной тяги в космосе с помощью ускорителя с замкнутым дрейфом электронов (УЗД). Способ реализуется путем подачи рабочего газа в кольцевой ускорительный канал, образованный наружной и внутренней стенками разрядной камеры УЗД, создания в рабочей зоне ускорительного канала у его выхода магнитного поля с преимущественным направлением индукции от одной стенки разрядной камеры к другой, зажигания и поддержания электрического разряда в потоке рабочего газа, движущемся в ускорительном канале между кольцевым анодом, расположенным внутри ускорительного канала, и катодом, расположенным вне ускорительного канала, размещенными таким образом, что упомянутая рабочая зона ускорительного канала располагается между анодом и катодом. Магнитное поле создается, как правило, с помощью магнитной системы, содержащей полюса, катушки намагничивания и магнитопровод. Предложенный способ отличается тем, что в качестве рабочего газа используют промышленно производимую (продукционную) криптоно-ксеноновую смесь с объемным содержанием кислорода и азота, в сумме не превышающим 10% от объема смеси. При использовании такой смеси удается на ряде представляющих практический интерес режимов работы получить практически такую же тяговую эффективность двигателя, как и при работе на чистом криптоне, а на отдельных режимах - близкую к тяговой эффективность двигателя на ксеноне, что позволяет перейти от ксенона - основного рабочего газа, используемого в настоящее время, к продукционной криптоно-ксеноновой смеси. Поскольку эта смесь примерно в 15 раз дешевле чистого ксенона и в 2-3 раза дешевле чистого криптона, то при такой замене существенно снижается стоимость рабочего газа, заправляемого в двигательную установку, а также рабочего газа, расходуемого при наземной отработке и, особенно, при длительных ресурсных испытаниях двигателя. Все это позволяет значительно снизить стоимость заправленных двигательных установок, поставляемых на космические аппараты. 4 ил.

Способ создания реактивной тяги в космосе с помощью ускорителя с замкнутым дрейфом электронов (УЗД) путем подачи рабочего газа в ускорительный канал, образованный наружной и внутренней стенками разрядной камеры УЗД, создания в рабочей зоне ускорительного канала у его выхода магнитного поля с преимущественным направлением индукции от одной стенки разрядной камеры к другой, зажигания и поддержания электрического разряда в потоке рабочего газа, движущемся в ускорительном канале, между кольцевым анодом, расположенным внутри ускорительного канала, и катодом, расположенным вне ускорительного канала, размещенными таким образом, что упомянутая рабочая зона ускорительного канала располагается между анодом и катодом, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа используют промышленно производимую (продукционную) смесь криптона и ксенона с объемным содержанием примесей кислорода и азота в ней, в сумме не превышающим 10%.