ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в маршевых и управляющих электрореактивных двигательных установках космических аппаратов (КА).

Важнейшим направлением совершенствования электрореактивных двигателей (ЭРД) космических аппаратов является повышение их экономичности, которая количественно оценивается коэффициентом полезного действия (КПД). Повышение КПД позволяет расширить круг задач, решаемых с использованием ЭРД, повысить срок активного существования КА, снизить стоимость реализации космических программ.

Известен электрореактивный двигатель непрерывного действия без внешнего магнитного поля (О.Н.Фаворский, В.В.Фишгойт, Е.И.Янтовский. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М.: Высшая школа. 1970, рис.3.48, с.191).

Ускоритель представляет собой устройство, состоящее из двух концентрических электродов - анода и катода, разделенных электроизолирующей стенкой, через которую подается рабочее тело, в качестве которого используются, например, пары щелочного металла. Электроды соединены с полюсами источника электроэнергии. Возникающая в результате разряда между электродами плазма разгоняется в скрещенных электрическом и магнитном полях. Магнитное поле создается током, текущим по центральному электроду и плазме, и имеет азимутальное направление.

Недостаток коаксиального двигателя без внешнего магнитного поля состоит в том, что для получения приемлемых тяг требуются весьма значительные токи. Так при тяге около 1 Н потребная сила тока составляет около 2500 А. При таких токах охлаждение электродов и обеспечение достаточного ресурса двигателя становится затруднительным.

Известен торцевой электрореактивный двигатель (А.А.Куландин, С.В.Тимашев, В.П.Иванов. Энергетические системы космических аппаратов. М.: Машиностроение. 1972, рис.14.3, с.356-357). Двигатель содержит центрально расположенный катод и сопло-анод, разделенные электрическим изолятором и соединенные с полюсами источника электроэнергии. Рабочим телом двигателя служат пары щелочных металлов, поступающие в зону ускорения через полостную структуру катода. В устройстве осевые и радиальные составляющие тока в плазме взаимодействуют с азимутальным магнитным полем, индуцируемым осевыми составляющими тока. Плазма образуется в объемном разряде между центрально расположенным катодом и соплом-анодом. Недостатком двигателя является значительная величина силы тока, достигающая десятков килоампер для получения удельного импульса (4...10)·10⁴ м/с. Это затрудняет охлаждение электродов и сокращает ресурс двигателя.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является ЭРД сильноточной схемы, содержащий многополостной катод, разгонную камеру-сопло, одновременно являющуюся анодом, и кольцевой изолятор (С.В. Тимашев, Ю.Н.Лебедев, Л.А.Сырцов и др. Основы теории, конструкции и эксплуатации энергетических и двигательных установок космических аппаратов с неядерными источниками энергии. С-Пб.: изд. ВИККИ им. А.Ф.Можайского, 1992, стр.462, рис.21.6). Рабочим телом двигателя служат пары щелочных металлов, поступающие в зону ускорения через полостную структуру катода. Разгон рабочего тела осуществляется за счет взаимодействия радиальной компоненты разрядного тока с азимутальным магнитным полем, индуцируемым осевой компонентой тока. Такие ЭРД способны развивать тягу до 1...10 Н и имеют удельный импульс до (20...30)·10³ м/с при мощности источника питания порядка 0,5 МВт (ток разряда до 10000 А, напряжение до 50 В).

Существенными недостатками сильноточных ЭРД являются низкий КПД (˜50%) и ограниченный ресурс работы (<5000 час), обусловленные значительными энергопотерями в приэлектродных областях - катодной и анодной.

Потери в катодной области разряда связаны с организацией процессов токопереноса из металла в рабочее тело и сопутствующего плазмообразования. Для поддержания требуемого уровня эмиссионного тока с поверхности катода в разряде формируется прикатодный скачок потенциала, ускоряясь на котором ионы из плазмы бомбардируют эмитирующую поверхность и разогревают ее. В результате ионной бомбардировки поверхность катода имеет рабочую температуру выше 3000 К. Одновременно электроны эмиссии, ускоряясь на прикатодном скачке, ионизуют рабочее тело. Важным фактором токопереноса в катодной зоне является эндотермический процесс эмиссии, обусловленный необходимостью энергозатрат на перемещение электронов из металла - затраты работы выхода (для вольфрама ˜4,5 эВ на каждый эмитированный электрон).

Потери в анодной области разряда обусловлены сильным разогревом поверхности в зоне переноса тока из плазмы в металл анода. В этом случае электроны, попадая на анод, высвобождают энергию, равную работе выхода металла. В результате этого поверхность анода также сильно разогревается, обеспечивая радиационный теплоотвод выделяющейся энергии.

В итоге на процессы токопереноса в электродной системе сильноточного ЭРД затрачивается до 40% подводимой энергии.

Задачей изобретения является повышение КПД и ресурса сильноточного ЭРД за счет переноса части тепловой энергии, выделяющейся на аноде, к катоду.

Указанная задача решается установкой в конструкцию сильноточного ЭРД тепловой трубы (ТТ), соединяющей зоной своего теплопереноса анод и катод двигателя.

Электрореактивный двигатель, содержащий в соответствии с ближайшим аналогом, катод в виде трубки с многополостным эмиттером, размещенный электроизолированно с помощью изолятора внутри анода, выполненного в виде конического кольцевого сопла, источник электрической энергии, соединенный с электродами, отличается от ближайшего аналога тем, что дополнительно содержит тепловую трубу с теплоносителем, состоящую из тепловоспринимающего элемента, установленного электроизолированно с помощью высокотемпературного кольцевого изолятора на наружной поверхности анода в зоне интенсивного токопереноса, теплопередающий элемент, размещенный на наружной поверхности катода, и профилированную капиллярную структуру, соединяющую зоны испарения и конденсации тепловой трубы.

Если считать, что ТТ отводит теплоту только с внешней поверхности анода-сопла к катоду, то возможен возврат энергии до 5%. Однако при этом возникает ряд сопутствующих эффектов, повышающих эффективность катодных процессов. В первую очередь уменьшается катодное падение потенциала, приводящее к уменьшению ионного тока на катод и понижению его температуры. Это обстоятельство приводит к увеличению адсорбции частиц рабочего тела на эмитирующей поверхности катода и уменьшению его работы выхода, что, в свою очередь, приводит к возрастанию тока термоэмиссии. Отбор теплоты от анода с помощью ТТ приводит также к понижению температуры анода в целом.

Выполненные детальные расчеты снижения энергозатрат на токоперенос показывают, что за счет рекуперации тепла в электродной системе ЭРД возможно повышение КПД не менее чем на 10...20% при одновременном понижении температуры наиболее энергонапряженных элементов конструкции двигателя - анода и катода до 2000...2200 К, что приведет к повышению ресурса двигателя в 5...10 раз.

Сущность изобретения поясняется чертежом. ЭРД содержит катод 1 в виде трубки с многополостным эмиттером 2, размещенный электроизолированно с помощью изолятора 3 внутри анода 4, выполненного в виде конического кольцевого сопла, источник электрической энергии 5, соединенный с электродами. В конструкцию ЭРД введена тепловая труба 6 с теплоносителем. ТТ состоит из тепловоспринимающего элемента (ТВЭ) 7, установленного электроизолированно с помощью высокотемпературного кольцевого изолятора 8 на наружной поверхности анода 4 в зоне интенсивного токопереноса, образуя зону испарения теплоносителя. В зоне конденсации ТТ содержит теплопередающий элемент (ТПЭ) 9, размещенный на наружной поверхности катода 1, и профилированную капиллярную структуру 10, соединяющую зоны испарения и конденсации теплоносителя тепловой трубы.

Устройство работает следующим образом. Электроразрядный и ускорительный процессы осуществляются по обычной схеме за счет подачи напряжения между катодом 1 и анодом 4 от источника электрической энергии 5. Выделяющаяся в аноде тепловая энергия с наружной поверхности отводится теплоносителем ТТ 6, испаряющимся из фитильной структуры и поступающим в газовый канал трубы. На испарение теплоносителя затрачивается скрытая теплота парообразования, которая в виде потенциальной энергии вместе с паром через газовый канал поступает к катоду 1. В зоне ТПЭ 9 парообразный теплоноситель ТТ 6 конденсируется с выделением скрытой теплоты парообразования, запасенной в ТВЭ 7, и в жидком виде через фитильную структуру ТТ возвращается к аноду 4.

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к маршевым и управляющим электрореактивным двигательным установкам космических аппаратов. Электрореактивный двигатель содержит катод в виде трубки с многополостным эмиттером, размещенный электроизолировано с помощью изолятора внутри анода, выполненного в виде конического кольцевого сопла. Двигатель дополнительно содержит тепловую трубу с теплоносителем, тепловоспринимающий элемент которой установлен электроизолировано с помощью высокотемпературного кольцевого изолятора на наружной поверхности анода, а теплопередающий элемент размещен на наружной поверхности катода. Тепловая труба обеспечивает перенос части тепловой энергии, выделяющейся на аноде, к катоду. Это приводит к уменьшению температуры электродов, за счет чего увеличивается адсорбция частиц рабочего тела на рабочей поверхности катода, уменьшается работа выхода катода, увеличивается ток термоэмиссии. Изобретение позволяет повысить коэффициент полезного действия и ресурс сильноточного двигателя. 1 ил.

Электрореактивный двигатель, содержащий катод в виде трубки с многополостным эмиттером, размещенный электроизолированно с помощью изолятора внутри анода, выполненного в виде конического кольцевого сопла, источник электрической энергии, соединенный с электродами, отличающийся тем, что дополнительно содержит тепловую трубу с теплоносителем, состоящую из тепловоспринимающего элемента, установленного электроизолированно с помощью высокотемпературного кольцевого изолятора на наружной поверхности анода в зоне интенсивного токопереноса, теплопередающий элемент, размещенный на наружной поверхности катода, и профилированную фитильную структуру, соединяющую зоны испарения и конденсации тепловой трубы.