ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КОШКИНА Российский патент 2005 года по МПК F03H5/00 

Изобретение относится к области космической техники, а также к вакуумной ионно-плазменной обработке материалов в электронике.

Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов [1], содержащий разрядную камеру, изготовленную из диэлектрического материала, в полости которой установлен анод газораспределитель; магнитную систему и катод компенсатор.

Двигатели такого типа имеют существенный недостаток в виде высокого распыления стенок разрядной камеры, что приводит к ограничению срока работы.

Наиболее близким по технической сущности, принятым за прототип, является ионный реактивный двигатель с электрон-циклотронным резонансом (ЭЦР) |2], имеющий катод-нейтрализатор и ускоряющий электрод в виде сетки.

Недостатком описанной конструкции является использование катода-нейтрализатора и ускоряющей сетки, распыляющейся во время работы, что существенно снижает срок использования двигателя.

Техническим результатом изобретения является космический ионный двигатель (фиг.1), использующий в качестве реактивной тяги плотный ускоренный поток ионов, эжектируемый из плазмы.

Достигается это тем, что открытый четвертьволновой СВЧ-резонатор (фиг.2), автоматически согласует импедансы нагрузки плазмы и генератора СВЧ, формирует рабочую моду Е₀₁₀ и направляет СВЧ-излучение в область плазмообразования. Резонатор, являющийся устройством ввода СВЧ-энергии, представляет собой полую конструкцию в виде усеченного конуса, выполненного из меди или ее сплавов. Из условия резонанса, что геометрические размеры резонатора определяются по формуле:

L_peз=2R=(2р-1)λ _B/4,

где p=1,2... ; λ _B - длина волны в вакууме [3].

Возможный диапазон перестройки резонатора удовлетворяет соотношениям:

2,7R≤ λ _B≤_3,2R.

Принимая значения

R₁=λ ₂/3,2, R₂=λ _B/2,7, L=λ _B/2,

получаем резонатор (фиг.2) с добротностью Q₀=9-10.

При изменении проводимости плазмы и ее импеданса, являющегося нагрузкой открытого резонатора, изменяется его добротность. С увеличением проводимости плазмы добротность резонатора Q₀ падает, что приводит к автоматическому регулированию передачи СВЧ-энергии, позволяя использовать различные виды рабочих газов и их расход.

Ионный двигатель (фиг.1) содержит генератор СВЧ (1), расположенный непосредственно на открытом резонаторе (2), прилежащем к реактору (3) через диэлектрическое вакуумно-плотное окно (8). В верхней части реактора (3) расположено магнитное кольцо (4), замкнутое с внешней стороны с нижним магнитным кольцом (5) магнитопроводом (6).

Микроволновое излучение с рабочей модой E₀₁₀ [3] (напряженности электромагнитного поля аксиально-симметричны) поступает через диэлектрическое окно (8) в зону плазмообразования реактора (3), производя ионизацию рабочего газа.

Вектор электрической составляющей электромагнитной волны с модой Е₀₁₀ (фиг.2) и прикладываемое магнитное поле в зоне плазмообразования образуют ортогональную систему, в которой реализуется ЭЦР. Вместе с тем в скрещенных электрических и магнитных полях происходит дрейф центра вращения электронов [4] в направлении, ортогональном [ЕхВ].

В этом случае электрон, вращаясь вокруг силовых линий магнитного поля по циклотронным орбитам, одновременно дрейфует по спирали к оси симметрии системы, что приводит к увеличению траектории движения электрона, повышает тем самым количество столкновений с частицами, а следовательно, и степень ионизации рабочего газа. Затем электрон покидает зону плазмообразования, следуя силовым линиям, образованным магнитной системой (фиг.3), магнитные полюса которой разной полярности (фиг.1), замкнутые магнитопроводом (5) с наружной стороны реактора, создают магнитное поле внутри реактора, контур силовых линий которого формируется за счет незамкнутых полюсов магнитной системы, причем используется только нижняя составляющая магнитного поля, образованного верхним кольцом магнитов (4), прилегающих к резонатору.

Образованный в результате ухода электронов избыток ионов создает своим пространственным зарядом потенциал положительного знака, который, воздействуя на ионы, создает их ускоренный направленный поток [5].

“Быстрые” электроны, получившие высокую кинетическую энергию от СВЧ электрического поля, могут свободно покинуть реактор и уйти в открытое пространство. Большая же часть электронов, придя по силовым линиям к нижнему кольцевому магниту (5), выталкивается магнитным полем к центру симметрии в направлении, перпендикулярном движению ионного потока, где и происходит его эффективная нейтрализация [6].

Собранные в батарею ионные двигатели Кошкина могут служить в качестве маршевых двигателей космических аппаратов, предназначенных для длительных перелетов к другим планетам Солнечной системы.

Источники информации

1. Патент РФ №2191291 от 20.10.2000 г.

2. Патент Японии JP 2856740 В2 от 09.06.1988 г.

3. А.М. Чернушенко и др. Конструкция экранов и СВЧ-устройств. М.: Радио и связь, 1990.

4. В.Е. Голант и др. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977 г.

5. Е.А. Петров и др. Источник ионного потока из СВЧ-плазмы низкого давления. Физика плазмы, т.17. вып.11, 1991, стр.1369-1382.

6. Под редакцией Ю.А. Рыжова. Электрические ракетные двигатели. - М.: Мир, 1964 г.

Изобретение предназначено для использования в области космической техники в качестве стационарных ионных двигателей, а также в вакуумно-плазменных технологиях. Космический ионный двигатель содержит генератор сверхвысокой частоты (СВЧ), открытый низкодобротный резонатор, реактор, магнитную систему, состоящую из верхнего кольцевого магнита и нижнего, замкнутых магнитопроводом, системы подачи газа. Тяга в ионном двигателе создается путем генерации направленного ускоренного пучка ионов, образованные ионы эжектируются из зоны плазмообразовання объемным статическим зарядом положительного знака, образованным в результате ухода электронов из зоны плазмообразования по силовым линиям магнитного поля, сформированным магнитной системой. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Космический ионный двигатель, содержащий генератор сверхвысокой частоты (СВЧ), расположенный на резонаторе, прилежащем к реактору, и устройство, создающее магнитное поле, отличающийся тем, что резонатор выполнен в виде усеченного конуса, автоматически согласующего импедансы плазмы-нагрузки и СВЧ-генератора, формирующего и направляющего рабочую моду E₀₁₀ в область плазмообразования.2. Космический ионный двигатель по п.1, отличающийся тем, что устройство, создающее магнитное поле, содержит магнитную систему, магнитные полюса которой разной полярности, замкнутые магнитопроводом с наружной стороны реактора, создают магнитное поле внутри реактора, контур силовых линий которых формируется за счет незамкнутых полюсов магнитной системы, причем используется только нижняя составляющая магнитного поля, образованного верхним кольцом магнитов, прилегающих к резонатору.