ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия на твердофазном рабочем теле.

Известны импульсные плазменные двигатели с системой подачи газообразного рабочего тела (например ксенон, аргон, водород) и импульсные двигатели эрозионного типа с твердофазным рабочим телом политетрафторэтиленом (ПТФЭ) [1, 2, 3]. Основным недостатком первого типа двигателей является сложная система импульсной строго дозируемой подачи рабочего тела вследствие трудности ее синхронизации с импульсами разрядного напряжения и, как следствие, низкий коэффициент использования рабочего тела. Во втором случае (эрозионный тип, рабочее тело - ПТФЭ) удельные параметры имеют низкие значения, максимальный КПД не превышает 15% из-за преобладающего теплового механизма получения и ускорения плазмы электрического разряда.

Более совершенным типом двигателя данного класса является импульсный электрический плазменный реактивный двигатель [4] торцевого типа на твердом рабочем теле (в том числе и ПТФЭ) с преобладающим электронно-детонационным типом пробоя (взрывная инжекция электронов с поверхности рабочего тела в сторону анода) [5]. Такой тип двигателя позволяет получать на рабочем теле ПТФЭ более высокие удельные параметры за счет значительного уменьшения дуговой фазы разряда источника плазмы. Наличие дуговой стадии разряда кроме того ведет к появлению неустойчивости процесса генерации плазмы на поверхности рабочего тела типа плазменных жгутов с образованием на поверхности рабочего тела каналов с повышенной проводимостью и, как следствие, к закорачиванию межэлектродного промежутка по упомянутым каналам.

В литературе [6, 7] описаны результаты исследований по незавершенному типу пробоя по поверхности диэлектрика на токах, реализуемых в момент зарядки конденсатора, содержащего диэлектрик с высоким значением диэлектрической проницаемости. На базе данного типа пробоя создан эффективный источник частиц (ионов или электронов) импульсного типа [8]. Однако при оценке возможности использования его в составе импульсного ЭРД на базе ионной компоненты с частотой включения десятки-сотни герц возникают проблемы разрядки (деполяризации) диэлектрика, используемого в качестве рабочего тела, а также проблемы стойкости электрода-сетки, выполняющего роль экстрактора частиц, и проблемы нейтрализации ионов.

Целью предлагаемого изобретения является создание простого по конструкции с частотой включений до 100 и более герц импульсного ЭРД для получения малой тяги за однократный разряд генератора, но с высокими удельными параметрами. Желаемый уровень тягового секундного импульса обеспечивается регулировкой частоты включения.

Данная цель достигается тем, что в импульсном электрическом реактивном двигателе торцевого типа на твердом рабочем теле, состоящем из анода, катода и шашки рабочего тела, расположенной между ними, предлагается шашку рабочего тела выполнить из диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости и установить на одной стороне шашки анод и катод, а на другой стороне шашки установить или нанести проводник.

Предпочтительным материалом для шашки рабочего тела является титанат бария, а наиболее конструктивной формой - форма диска.

Анод и катод могут быть установлены коаксиально или диаметрально противоположно.

Предлагаемое решение поясняется чертежами. На фиг.1 приведен вариант импульсного ЭРД с коаксиально расположенными анодом и катодом; на фиг.2 - вариант с анодом и катодом, установленными диаметрально противоположно.

Предлагаемый двигатель состоит из анода, катода и шашки рабочего тела, выполненной из диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости, например титаната бария с ε≤1000. Такая шашка может иметь форму диска, на одну из сторон которого нанесен проводник 2 в виде тонкого слоя, например, методом напыления или в виде плотно прижатой к поверхности диэлектрика металлической пластины. На другой стороне шашки находятся анод 3 и катод 4, расположенные либо коаксиально (фиг.1), либо диаметрально противоположно (фиг. 2). В таком устройстве при подаче напряжения на анод и катод межэлектродное перекрытие диэлектрика происходит по поверхности диэлектрика и начинается с обоих электродов как результат зарядки двух последовательно соединенных конденсаторов, образованных системами "анод - диэлектрик - проводник" и "проводник - диэлектрик - катод". В результате имеем над поверхностью диэлектрика два плазменных факела (анодный и катодный), движущихся навстречу друг другу, при этом проводник 2 (токопроводящая пластина) устройства будет иметь плавающий потенциал, обусловленный характером протекания токов смещения через диэлектрик. В момент слияния анодного и катодного факелов происходит нейтрализация избыточного положительного заряда ионов, механизм образования которых обусловлен электронно-детонационным типом пробоя для анодного факела. Плазма, полученная после слияния двух факелов, приобретает дополнительное ускорение в режиме разрядки (деполяризации) и выделения запасенной в таком конденсаторе энергии по типу линейного ускорителя. Для реализации эффекта дополнительного ускорения высоту электродов (анода и катода) вдоль потока плазмы формируют, исходя из реального времени, требуемого на разрядку емкости конструкции ЭРД. Такая конструкция устройства и режим его работы позволяют создать импульсный ЭРД с высокими значениями параметров и большой частотой включений (макетный образец указанного типа ЭРД на базе доработанных стандартных высоковольтных (менее 10 кВ) конденсаторов типа КВИ-3 работает в НИИМАШе с частотой включений до 50 Гц).

Для работы такого ЭРД необходим генератор высоковольтных импульсов наносекундной длительности. Длительность импульсов, подаваемых на электроды, определяется временем зарядки емкости конструкции ЭРД. Для устранения неустойчивостей типа плазменных жгутов длительность высоковольтного импульса с генератора не должна превышать длительности зарядки емкости конструкции ЭРД. Максимальная частота включений ЭРД определяется временем, требуемым на полный цикл по зарядке и разрядке емкости конструкции ЭРД. Размеры катодного и анодного плазменных факелов, движущихся навстречу друг другу, определяются скоростью перекрытия диэлектрика, зависящей от амплитуды напряжения, величины емкости конструкции, а также от времени задержки начала процесса генерации плазменных факелов. Это время задержки в свою очередь зависит от геометрических параметров зоны анод-диэлектрик, катод-диэлектрик, типа диэлектрика, площади проводника.

Работает такой ЭРД следующим образом. При подаче на анод 3 и катод 4 высоковольтного импульса напряжения длительностью, соответствующей времени зарядки емкости конструкции ЭРД, генерируются два движущихся навстречу плазменных факела (анодный от анода и катодный - от катода). Анодный факел имеет избыточный положительный заряд ионов рабочего тела (применительно к такому диэлектрику как керамика титаната бария, это в основном ионы бария как наиболее легко ионизуемого элемента). Плазма катодного факела обусловлена генерацией электронов из катода и бомбардировкой ими поверхности диэлектрика. В момент встречи катодный факел нейтрализует анодный и происходит ускорение плазменного сгустка по типу линейного ускорителя в фазе разрядки емкости конструкции ЭРД через плазму. Следует отметить, что возникающие при сближении пламенных факелов зоны межфакельных пробоев строго не локализованы, то есть не "привязаны" к определенным местам на поверхности диэлектрика в процессе наработки большого числа импульсов. Указанный режим работы такого ЭРД будет способствовать получению высоких значений КПД и скоростей истечения плазмы.

Существенной особенностью предлагаемого ЭРД является частотно-импульсный режим работы (с частотой до 100 Гц и более) с возможностью практически мгновенного набора и сброса тяги. Благодаря этой особенности и с учетом реально имеющейся на борту космического аппарата (КА) электрической мощности область эффективного применения двигательной установки (ДУ) на базе предлагаемого импульсного ЭРД может быть расширена, а именно:
поддержание геостационарных КА в направлении север - юг, восток - запад;
компенсация аэродинамического сопротивления КА;
смена орбит и увод отработавших или отказавших КА в заданную область.

Источники информации
1. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. - М.: Машиностроение, 1975, с. 198-223.

2. Фаворский О. Н. , Фишгойт В.В., Янтовский Е.И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. - М.: Машиностроение, Высшая школа, 1978, с. 170-173.

3. Л. Кейвни (перевод с английского под ред. А.С. Коротеева). Космические двигатели - состояние и перспективы. - М., 1988, с. 186-193.

4. Патент на изобретение 2146776 от 14 мая 1998. Импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле.

5. Вершинин Ю.Н. Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков. УрО РАН, Екатеринбург, 2000.

6. Бугаев С.П., Месяц Г.А. Эмиссия электронов из плазмы незавершенного разряда по диэлектрику в вакууме. ДАН СССР, 1971, т. 196, 2.

7. Месяц Г.А. Эктоны. Часть 1-УрО РАН, 1993, с. 68-73, часть 3, с. 53-56.

8. Бугаев С.П., Ковальчук Б.М., Месяц Г.А. Плазменный импульсный источник заряженных частиц. Авторское свидетельство 248091.

Изобретение относится к электрореактивным двигателям. Изобретение представляет собой двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле, состоящий из анода, катода и шашки рабочего тела, расположенной между ними. Шашка выполнена из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости, например из титаната бария, и на одной ее стороне установлены анод и катод, а к другой стороне прикреплен проводник. Шашка может иметь форму диска с катодом и анодом, установленными коаксиально или диаметрально противоположно. Изобретение позволяет создать простой по конструкции импульсный электрический реактивный двигатель с высокими удельными параметрами. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Импульсный электрический реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле, состоящий из анода, катода и шашки рабочего тела, выполненной из диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости и расположенной между ними, отличающийся тем, что катод и анод расположены на одной стороне шашки и удалены друг от друга, а на другую сторону нанесен проводник. 2. Импульсный электрический реактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что шашка рабочего тела выполнена из титаната бария. 3. Импульсный электрический реактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что шашка рабочего тела имеет форму диска. 4. Импульсный электрический реактивный двигатель по п. 3, отличающийся тем, что катод и анод установлены коаксиально. 5. Импульсный электрический реактивный двигатель по п. 3, отличающийся тем, что катод и анод установлены диаметрально противоположно.