ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫМ ЭФФЕКТОМ ХОЛЛА Российский патент 2008 года по МПК F03H1/00 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области плазменных реактивных двигателей, в частности, использующих гальваномагнитный эффект Холла.

Такие двигатели могут быть использованы, например, в космическом пространстве для удержания спутника на геостационарной орбите или для осуществления перевода спутника с одной орбиты на другую, или для компенсации сил сопротивления, действующих на спутники на низкой орбите, или для выполнения задач, требующих наличия незначительной силы тяги в течение очень продолжительного времени, как при межпланетных полетах.

Предшествующий уровень техники

Такие двигатели уже известны и описаны, например, в патенте США 6281622 или в патенте США 5359258.

В этих двух документах подробно описана конструкция таких двигателей. В настоящем описании со ссылками на фиг.1 и 2 будет использована упрощенная схема такой конструкции. Эта схема, в частности, предназначена для пояснения принципа работы такого двигателя.

На фиг.1 в осевом разрезе представлен пример такого двигателя, а на фиг.2 - вид в перспективе сзади упомянутого примера двигателя.

По существу двигатель имеет форму тела, образованного вращением вокруг оси ОО'. На фиг.2 плоскость сечения содержит эту ось ОО'. Направление от задней части к передней или от выхода к входу в осевом направлении показано стрелками Е, по существу обозначающими направление электрического поля, созданного в результате взаимодействия между кольцевым анодом 1, установленным в задней части кольцевого канала 3, и катодом 2, по существу установленным спереди кольцевого канала, снаружи и смежно относительно последнего. Такое расположение катода 2 обеспечивает создание при взаимодействии с анодом 1 электрического поля, по существу ориентированного в осевом направлении ОО', оставаясь при этом за пределами реактивной струи. Для повышения надежности, как правило, этот катод дублируют вторым резервным катодом, как показано на фиг.2. Кольцевой анод 1 содержит кольцевое дно, выполненное концентрично кольцевому каналу 3. Это дно содержит проходы, выполненные, например, в виде сквозных отверстий, обеспечивающих прохождение газа, который может быть ионизирован, например ксенон.

Двигатель содержит магнитный контур 40 в виде плиты 4, выполненной из ферромагнитных материалов, и перпендикулярной оси ОО' двигателя, центральную стойку 41, ось которой совпадает с осью ОО', два круговых цилиндрических полюса 63 и 64, оси которых совпадают с осью ОО', и две наружные периферийные стойки 42, расположенные согласно симметрии вращения вокруг оси ОО' снаружи кольцевого канала 3. Периферийные стойки 42 могут быть выполнены в количестве 2, 3, 4 или больше, или могут быть выполнены в виде единой кольцевой стойки. На своем переднем конце центральная стойка 41 содержит центральный магнитный полюс 49, а каждая из наружных периферийных стоек 42 на своем переднем конце содержит магнитный полюс 48. Магнитные полюсы 48 выполнены в виде плит, по существу перпендикулярных к осевому направлению ОО'. Как описано в упомянутом патенте США 6281622, кол.5, стр.51-62, они могут иметь наклон, например, от -15 до +15 градусов относительно плоскости, перпендикулярной к оси ОО'. Центральная катушка 51, центрированная на центральной стойке 41, и периферийные катушки 52, намотанные вокруг наружных магнитных стоек 42, способствуют созданию линий магнитного поля, соединяющих центральный полюс 49 с периферийными полюсами 48 и полюс 63 с полюсом 64. Таким образом, магнитное поле в кольцевом канале по существу является перпендикулярным к оси ОО'. На фиг.1 это направление магнитного поля в кольцевом канале 3 показано стрелками М. Разумеется, как известно, в кольцевом канале не все линии магнитного поля являются параллельными между собой. Физически кольцевой канал ограничен кольцевыми стенками, - соответственно внутренней 61 и наружной 62, центрированными вокруг оси ОО'. Эти стенки выполнены из огнеупорного материала, обладающего максимальным сопротивлением абляции.

Теоретическая модель работы такого двигателя пока еще далека от совершенства. Однако с некоторыми допущениями она практически может быть представлена следующим образом. Испускаемые катодом 2 электроны направляются к аноду 1 по направлению от входа к выходу кольцевого канала 3. Часть этих электронов задерживается в кольцевом канале 3 межполюсным магнитным полем. Столкновения между электронами и молекулами газа способствуют ионизации газа, поступающего в канал 3 через анод 1. При этом смесь ионов и электронов образует самоподдерживающуюся ионизированную плазму. Ионы отбрасываются назад под действием электрического поля, создавая таким образом тяговое усилие двигателя, направленное вперед. Струя электрически нейтрализуется электронами, излучаемыми катодом 2.

Скорость выбрасывания ионов примерно в 5 раз превышает скорость выбрасывания, которую можно получить посредством химических реактивных двигателей. Отсюда следует, что при гораздо меньшей выбрасываемой массе можно достичь тяги большей эффективности.

Катушки, создающие магнитное поле, требуют электрического питания, обеспечиваемого, как правило, солнечными батареями.

Сущность изобретения

По сравнению с описанным выше известным техническим решением объектом настоящего изобретения является плазменный двигатель, который при том же значении тяги отличается меньшим потреблением электрического тока и, следовательно, меньшей массой электрических генераторов, меньшими массой и габаритами магнитного контура, более высокой надежностью и, наконец, меньшими затратами на изготовление.

В соответствии с настоящим изобретением создающие магнитное поле катушки имеют меньшее число витков из специального высокотемпературного провода. Меньшее число намотанных витков обеспечивает нижеперечисленные преимущества. Уменьшаются потери от эффекта Джоуля, в результате чего снижается нагрев двигателя и повышается надежность двигателя, так как специальный высокотемпературный провод является хрупким. Общая масса элементов, создающих магнитное поле, уменьшилась вследствие уменьшения числа витков и соответствующего уменьшения габаритов магнитного контура. Снижается стоимость производства, поскольку специальный высокотемпературный провод является дорогим, а также катушки, роль которых в данном случае сводится к регулированию величины магнитного поля, являются более простыми. Наконец, двигатель является более облегченным за счет уменьшения массы системы электрического питания, которое стало возможным благодаря снижению потребления электрического тока.

Все эти задачи решаются настоящим изобретением, объектом которого является плазменный двигатель с гальваномагнитным эффектом Холла, имеющий ось, по существу параллельную направлению реактивного движения, определяющему переднюю часть и заднюю часть, содержащий:

- главный кольцевой канал ионизации и ускорения, выполненный из огнеупорного материала, при этом кольцевой канал выполнен открытым с переднего конца;

- газораспределительный кольцевой анод, в который из газораспределительных каналов поступает газ и который содержит проходы для прохождения этого газа в кольцевой канал, при этом упомянутый кольцевой анод устанавливают внутри канала в его задней части;

- по меньшей мере, один полый катод, расположенный снаружи кольцевого канала и смежно по отношению к нему;

- магнитный контур, содержащий передние полюсные концы, предназначенный для создания радиального магнитного поля в передней части кольцевого канала между этими полюсными концами, при этом данный контур выполнен в виде задней плиты, от которой в переднюю сторону параллельно оси отходят центральная стойка, расположенная в центре кольцевого канала, два круговых цилиндрических полюса по обе стороны от кольцевого канала и периферийные стойки, расположенные снаружи и смежно относительно кольцевого канала, при этом плазменный двигатель отличается тем, что, по меньшей мере, одна из стоек магнитного контура содержит постоянный магнит.

В варианте выполнения настоящего изобретения часть стоек магнитного контура содержит постоянный магнит, а другая часть стоек магнитного контура не содержит постоянный магнит.

В другом варианте выполнения все стойки магнитного контура содержат постоянный магнит.

Если магнитный контур содержит индукционную катушку, то ее наматывают вокруг стойки, не содержащей постоянного магнита.

Вокруг стоек магнитного контура (40), содержащих постоянный магнит, индукционные катушки не выполняют.

Краткое описание чертежей

Далее следует описание вариантов выполнения настоящего изобретения, представленных в качестве не ограничивающих примеров со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 и 2 уже были прокомментированы и представляют собой соответственно вид в осевом разрезе и вид сзади в перспективе примера выполнения плазменного реактивного двигателя согласно предшествующему уровню техники.

Фиг.3А - вид в осевом разрезе первого примера выполнения магнитного контура плазменного реактивного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, при этом разрез сделан по линии CD на фиг.3В.

Фиг.3В - вид в поперечном разрезе первого примера выполнения магнитного контура плазменного реактивного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, при этом разрез сделан по линии АВ на фиг.3А.

Фиг.4А - вид в осевом разрезе второго примера выполнения магнитного контура плазменного реактивного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, при этом разрез сделан по линии CD на фиг.4В.

Фиг.4В - вид в поперечном разрезе второго примера выполнения магнитного контура плазменного реактивного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, при этом разрез сделан по линии АВ на фиг.4А.

Фиг.5А - вид в осевом разрезе третьего примера выполнения магнитного контура плазменного реактивного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, при этом разрез сделан по линии CD на фиг.5В.

Фиг.5В - вид в поперечном разрезе третьего примера выполнения магнитного контура плазменного реактивного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, при этом разрез сделан по линии АВ на фиг.5А.

Подробное описание частных вариантов выполнения

В описанных ниже вариантах выполнения представлено описание только магнитного контура реактивного двигателя в соответствии с настоящим изобретением. Эти контуры обеспечивают выполнение тех же функций, что и известные магнитные контуры, и имеют аналогичное расположение.

Эти магнитные контуры отличаются от известных решений тем, что одна или несколько стоек контура содержат постоянные магниты, например, выполненные из редкоземельных элементов. Этот отличительный признак позволяет сократить число витков индукционных катушек и, в случае необходимости, даже обойтись без этих катушек или без части этих катушек. Уменьшение габаритов катушек в результате такого изменения позволяет уменьшить поперечный размер магнитного контура, так как толщина наматываемых катушек может быть уменьшена. Это позволяет также уменьшить осевой размер, который часто определяется в зависимости от числа витков, наматываемых вокруг центральной стойки. Таким образом, появилась возможность ограничить осевую длину реактивного двигателя минимальной длиной камеры ионизации.

Каждый из вариантов выполнения магнитного контура 40, описанного со ссылками на фиг.3, 4 и 5А и 5В, как и в известном техническом решении, описанном со ссылками на фиг.1 и 2, содержит переднюю плиту 4 из мягкого магнитного материала, установленную перпендикулярно к оси ОО' контура 40. Каждая плита дополнена центральной стойкой 41 цилиндрической формы, ось которой совпадает с осью ОО', круговыми цилиндрическими полюсами 63 и 64, ось которых совпадает с осью ОО' и которые расположены по обе стороны от кольцевого канала 3, и периферийными стойками 42, 42', расположенными согласно симметрии вращения вокруг оси ОО' снаружи кольцевого канала 3. На фиг.3А и 3В и 4А и 4В показаны четыре периферийные стойки 42. Разумеется, что число стоек может быть другим. В частности, оно может быть больше 4, как показано на фиг.5А и 5В, на которых это число равно 8 по причине уменьшения габаритов в результате исключения индукционных катушек или уменьшения их размера.

В своей передней части каждая из стоек 41, 42 заканчивается магнитным полюсом, обозначенным позицией 49 в случае полюса центральной стойки 41 и позицией 48 в случае каждой из периферийных стоек 42. Каждый полюс 49, 48 на конце стойки 41, 42, соответственно, расположен перпендикулярно оси упомянутой стойки. Угол наклона полюсов может быть разным, как было указано в связи с описанием предшествующего уровня техники.

Увеличение числа различных периферийных стоек улучшает круговую симметрию магнитного поля между центральным полюсом 49 и периферийными полюсами 48.

В отличие от описанного известного технического решения, по меньшей мере, одна из стоек содержит постоянный магнит, составляющий часть осевой длины стойки. Стойки, содержащие постоянный магнит, обозначены позицией 41', когда речь идет о центральной стойке, и позицией 42', когда речь идет о периферийной стойке. На фиг.3, 4, 5А и 5В постоянный магнит обозначен позицией 54, когда он встроен в периферийную стойку 42', и позицией 55, когда он встроен в центральную стойку 41'.

В примере, представленном на фиг.3А и 3В, все периферийные стойки 42' имеют в направлении от заднего к переднему концу задний участок 43 из мягкого магнитного материала, контактирующий с задней плитой 4, магнит 54 из редкоземельного элемента, передний участок 45 из мягкого магнитного материала, причем на этом переднем участке 45 установлен магнитный полюс 48. Как видно из чертежей, центральный участок стойки, смежный с задним участком 43 и с передним участком 43, образован упомянутым постоянным магнитом 54.

В представленном на фиг.3А и 3В примере центральная стойка 41 полностью выполнена из мягкого магнитного материала. Центральная индукционная катушка 51, выполненная, как и в известном решении, из специального высокотемпературного провода, содержащего металлическую оболочку вокруг центрального проводника, позволяет регулировать межполюсное магнитное поле. В этом варианте выполнения вокруг периферийных стоек 42' не выполняют индукционных катушек.

Таким образом, в этом первом примере выполнения каждая из периферийных стоек 42' содержит постоянный магнит 54, и центральную стойку 41 полностью выполняют из магнитного материала, при этом индукционную катушку 51 выполняют вокруг упомянутой центральной стойки 41.

В примере, показанном на фиг.4А и 4В, все периферийные стойки 42 полностью выполнены из мягкого магнитного материала. Вокруг каждой из стоек 42 выполняют индукционную катушку 52. Что же касается центральной стойки 41', то она содержит задний участок 44 из мягкого магнитного материала, постоянный магнит 55 из редкоземельного элемента и передний участок 46 с установленным на нем магнитным полюсом 49.

В этом варианте выполнения вокруг центральной стойки 41 не выполняют центральной индукционной катушки.

Во втором варианте выполнения настоящего изобретения центральная стойка 41' содержит постоянный магнит 55, при этом периферийные стойки 42 выполнены только из магнитного материала, и вокруг каждой из упомянутых периферийных стоек 42 выполнена индукционная катушка 52.

Каждая из стоек 41' или 42', содержащая, соответственно, постоянный магнит 55, 54, имеет периферийный кожух 47, являющийся наружным относительно упомянутой стойки и выполненный из немагнитного металла. Этот кожух 47 обеспечивает механическое соединение, например, путем стягивания, заднего 43, 44 и переднего 45, 46 участков, а также магнита 54, 55, которые вместе образуют стойку, соответственно 42', 41'. Магнит 54, 55 удерживается в контакте с задним 43, 44 и передним 45, 46 участками соответственно.

В примере, показанном на фиг.5А и 5В, имеется 8 периферийных стоек 42', которые, как и в варианте выполнения, описанном со ссылками на фиг.3А и 3В, содержат постоянные магниты 54. Точно так же центральная стойка 41' содержит задний участок 44 из мягкого магнитного материала, постоянный магнит 55 из редкоземельного элемента и передний участок 46 из мягкого магнитного материала, при этом на переднем участке 46 установлен магнитный полюс 49. Кожух 47 обеспечивает механическое соединение элементов, вместе образующих стойку 42' или 41', а также удержание участков 43, 45 магнитного сердечника и постоянного магнита 54 в коаксиальном положении.

В этом варианте выполнения ни вокруг центральной стойки 41', ни вокруг периферийных стоек 42', содержащих постоянный магнит 54, не выполняют индукционной катушки.

В этом третьем варианте выполнения центральная стойка 41' содержит постоянный магнит 55, и все периферийные стойки 42' содержат постоянный магнит 54.

Во всех вариантах выполнения настоящего изобретения мощность магнитов регулируют таким образом, чтобы магнитное поле имело свое оптимальное значение в заданном диапазоне рабочей температуры реактивного двигателя.

В случае вариантов выполнения, содержащих катушки 51 и/или 52, мощность магнитов дополнительно регулируют таким образом, чтобы число витков было минимальным.

Изобретение относится к плазменным реактивным двигателям, в частности использующим гальваномагнитный эффект Холла. Такие двигатели могут быть использованы, например, в космическом пространстве для удержания спутника на геостационарной орбите или для осуществления перевода спутника с одной орбиты на другую, или для компенсации сил сопротивления, действующих на спутники на низкой орбите, или для выполнения задач, требующих наличия незначительной силы тяги в течение очень продолжительного времени, как при межпланетных полетах. Двигатель содержит главный кольцевой канал и магнитный контур, включающий донную заднюю плиту, от которой отходят центральная и периферийные стойки. По меньшей мере, одна из стоек или часть стоек содержат постоянные магниты; индукционные катушки располагают или вокруг стоек, содержащих постоянные магниты, или вокруг стоек, не содержащих постоянные магниты. Таким образом уменьшают массу, габариты, потребление электрического тока и стоимость реактивного двигателя. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Плазменный реактивный двигатель с гальваномагнитным эффектом Холла, имеющий продольную ось OO', по существу параллельную направлению реактивного движения, определяющему переднюю часть и заднюю часть, содержащий

главный кольцевой канал (3) ионизации и ускорения, выполненный из огнеупорного материала, окруженный двумя круговыми магнитными полюсами (63, 64), при этом кольцевой канал (3) выполнен открытым с переднего конца;

газораспределительный кольцевой анод (1), в который из газораспределительных каналов поступает газ и который содержит проходы для прохождения этого газа в кольцевой канал (3), при этом упомянутый кольцевой анод (1) установлен внутри канала (3) в задней части этого канала (3);

по меньшей мере, один полый катод (2), расположенный снаружи кольцевого канала (3) и рядом по отношению к нему;

магнитный контур (40), содержащий передние полюсные концы (49, 48), предназначенный для создания радиального магнитного поля в передней части кольцевого канала (3) между этими полюсными концами (49, 48), при этом данный контур (40) выполнен в виде задней плиты (4), от которой в переднюю сторону параллельно оси OO' отходят центральная стойка (41), расположенная в центре кольцевого канала (3), два круговых цилиндрических полюса (63, 64) по обе стороны от кольцевого канала (3) и периферийные стойки (42), расположенные снаружи и смежно относительно кольцевого канала (3),

отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из стоек (42', 41') магнитного контура (40) содержит постоянный магнит (54, 55).