ЦИКЛОТРОННЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к космической технике, к классу электрореактивных двигателей (ЭРД) (ускорителей плазмы) и предназначено для управления движением космических аппаратов (КА) малой (до 5Н) тягой.

Известно множество схем устройств ЭРД. Все эти принципиальные схемы известны из уровня техники. Наиболее перспективным при работе ЭРД в космических условиях можно считать двигатель (справедливо полагать, что системы хранения и подачи нейтрального газа не входят в понятие «двигатель»), имеющий плазменный ускоритель (ПУ) с внешним магнитным полем или, по-другому, - ПУ с т.н. замкнутым дрейфом, который и взят за прототип. Прототип содержит: сквозной анод для подачи низкотемпературной плазмы - рабочего тела (РТ); цилиндрический и кольцевой в поперечном сечении (добавим, - коаксиальный) ускорительный канал (УК)-диэлектрическую камеру; электромагниты, окружающие все внешние стенки УК, создающие внутри канала радиальное магнитное поле; электрическую схему, создающую продольное электрическое поле между анодом и выходным катодом, а также создающую эмиссию электронов с катода-компенсатора. Электроны умеренно ионизированной плазмы РТ, попадая в радиальное магнитное поле, дрейфуют по спиралям с небольшим шагом витков. Нейтральные молекулы газа при столкновении с ними ионизируются и, ускоряясь в электрическом поле, вылетают из УК. Энергия, набираемая ионами в ПУ, близка к разности потенциалов между анодом и катодом. Электроны за счет столкновений с ионами, атомами, стенкой УК и под влиянием колебаний приходят на анод и посредством электрической цепи через катод-компенсатор смешиваются с потоком ионов на выходе из УК [1] {Плазменные ускорители, под ред. Л.А.Арцимовича [и др.], M., 1973}.

Возможен вариант создания плазмы, когда между анодом и катодом есть «поджигной» электрод-катод. Возникающий разряд в цепи анод - поджигной электрод инициирует основной ток в цепи анод-катод. Поступающее через анод разогретое РТ ионизируется движущимися навстречу электронами. Ионы ускоряются в продольном электрическом поле, созданном в УК.

Прототип, в принципе, дает хорошие результаты и обладает приемлемыми массогабаритными характеристиками, однако ограничение по потребляемой мощности на борту КА ограничивает его применение. В самом деле, энергия таких ускорителей колеблется от 100 эВ до 10000 эВ, что требует приложения разности потенциалов от 100В до 10000В, а в результате скорость истечения ионов из УК составит порядка (10¹-10²)км/с. Исправить ситуацию нельзя увеличением длины УК - это потребовало бы соответственно еще большего напряжения в УК. Все имеющиеся в настоящее время ПУ имеют того или иного вида прямолинейный УК.

Задачей является создание ЭРД, по своему потенциалу существенно превышающего все известные используемые в практике космических полетов двигатели такого класса, т.е. задачей является увеличение удельного импульса тяги с сохранением и возможным уменьшением массогабаритных характеристик двигательных установок на КА при относительно невысокой мощности энергопотребления. Цель достигается тем, что в состав плазменного двигателя, содержащего корпус ПУ, катушки индуктивности (соленоиды), электрическую цепь с катодами-компенсаторами, введены автономный источник низкотемпературной плазмы (ионизатор РТ), разделитель потоков электронов и ионов и плазменный ускоритель, представляющий собой асинхронный циклотрон, разделенный вдоль на дуанты двумя соосными парами параллельных сеток с зазорами, создающими однородные, равные и постоянные ускоряющие электрические поля взаимно противоположного направления векторов напряженности, имеющий по числу основных направлений создания тяги выходные газовые каналы - переходники-ферромагнетики, являющиеся сердечниками корректирующих направление движения ионов электромагнитов, изогнутые под заданным углом, переходники соединены с пропускными электроклапанами и через них, для создания выверенного направления оси создания тяги, - с выходными прямыми участками газовых диэлектрических каналов двигателя, между которыми устанавливают такие же переходники-ферромагнетики с катушками индуктивности.

Технический результат достигается за счет того, что возможен разгон ионов тяжелых газов, например ксенона, в отличие от всех известных технических решений ЭРД, по квазициклическим спиралям, предоставляемым определенным образом собранным циклотроном, внутри которого разгоняются не единицы, а массы ионов при очевидной сравнительной компактности устройства, при этом удельный импульс (скорость истечения плазмы из двигателя) в своем классе космических двигателей малой тяги повышается на 1-2 порядка без ущерба массовым характеристикам двигателя. Удельный импульс тяги - важнейшая характеристика двигателя.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного циклотронного плазменного двигателя (ЦПД), отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна». Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники (космонавтика, плазменная техника), с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Ни один из отличительных признаков данного изобретения: ни автономный от ускорителя источник плазмы, ни циклотрон вообще, ни асинхронный циклотрон, работающий на постоянном электрическом токе, в частности, ни «вытягивающие» на заданные вектора тяги корректирующие электромагниты, ранее не применялся для изготовления ЭРД, и потому все отличительные признаки отвечают условию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется фиг.1, где представлена электрокинематическая схема ЦПД, вид сверху, и фиг.2, где показан ПУ, вид сбоку.

Введены следующие обозначения:

1 - ионизатор рабочего тела - газа;

2 - разделитель потоков заряженных частиц;

3 - канал подачи ионов РТ в ускоритель;

4 - жиклер;

5 - пара пропускных электроклапанов;

6 - корпус ускорителя (циклотрона);

7 - основной переходник-ферромагнетик с катушкой индуктивности;

8 - переходник-ферромагнетик с катушкой индуктивности;

9 - выходные газовые диэлектрические каналы двигателя;

10 - катод-компенсатор;

11 - разгонные сетки дуантов;

12 - соленоиды во внешнем сердечнике-ферромагнетике ПУ - циклотрона;

13 - внешний сердечник-ферромагнетик;

14 - выходное отверстие ПУ - циклотрона;

В - магнитная индукция.

Циклотрон имеет рабочий объем (V_ц), не превышающий 0,02 м³ (радиус 0,25 м, высота ~10 см), большая сторона прямоугольного поперечного сечения выходного отверстия 14 (фиг.2) во внутренней стенке циклотрона соответствует высоте его рабочего цилиндра. Объем вполне достаточен для рабочего режима циклотрона, его величина, в принципе, не является критической, критической величиной не является и высота - только радиус при заданных значениях магнитной индукции и конечной скорости ионов. Высота рабочего цилиндра соответствует диаметру выходного отверстия основных переходников 7. Для создания однородного (в смысле прямолинейности силовых линий) магнитного поля внутри рабочего цилиндра корпус 6 циклотрона окружен соленоидами 12, длина которых в разы больше высоты рабочего цилиндра, и рабочий цилиндр циклотрона расположен в средней части группы соленоидов.

Переходники 7,8 - ферросплавные трубки, являющиеся сердечниками электромагнитов (соленоидов).

Количество основных переходников 7 (переходников, являющихся частью корпуса ускорителя) и пар пропускных электроклапанов 5 должно соответствовать числу направлений создания тяги; количество труб 9 выходных газовых каналов двигателя и переходников 8 определяется возможностью установки конца газового канала двигателя таким образом, чтобы выходная ось канала совпадала с требуемым направлением тяги, и вектор тяги проходил через центр масс КА. Внешний радиус труб должен соответствовать внутренним (r_{переходн.}) радиусам переходников. Соленоиды со встроенными в них переходниками-ферромагнетиками нужны для коррекции пути следования ионизированных частиц.

Углы уклонения пути потока заряженных частиц от направлений силовых линий магнитного поля в переходниках и от продольных осей на участках газовых каналов двигателя (см. «Обоснование…») никак не сказываются на характере поступательного движения частиц - это практически штатное неизбежное касание частиц на периферии потока стенок газового канала. Число частиц в куб. метре, при нормальном расходе РТ - ксенона в настоящее время на отечественных КА 6·10^-6 кг/с (который данное изобретение не собирается превосходить), составляет 6·10^-6 ·Δt_раб/(V_ц·131·1,7·10^-27)=1,3·10¹⁷, где Δt_раб=10^-4 с - время выхода ЦПД на рабочий режим (см. п.3 «Обоснования…») - это высокий вакуум (10¹⁹-10¹³) - в нем ничего «страшного» не может произойти.

Установка ЦПД на КА, из-за особенностей решения конструкции КА, потребует постоянной корректировки числа прямых участков газовых каналов двигателя и переходников.

Обоснование предлагаемого решения

Примем за основу:

- ток нагрузки I=5 А;

- напряжение на шинах U=300 B/27 B;

- радиус рабочего цилиндра циклотрона R=0,25 м;

- длина соленоида для рабочего цилиндра L=0,5 м;

- начальная скорость движения Хе ν=0 м/с;

- конечная скорость движения Хе ν_конечн=150.000 м/с (10×15 км/с);

- заряд иона q=1,6·10^-19 Кл;

- масса иона m=131·1,7·10^-27 кг;

- разгон ионов происходит в переменном электрическом поле - как отправной вариант.

1. Внутри рабочего пространства циклотрона расположено, как конденсатор, устройство 11 (две пары параллельных сеток, подключенных к источнику постоянного тока) для ускоряющего электрического поля с разностью потенциалов 300 В. Работа, производимая с ионом Хе в зазоре между пластинами конденсатора, равна

$$A=U\cdot q=\frac{m}{2}({\nu }_2^2-{\nu }_1^2).\text{ (1)}$$

Для определения приращения скорости за полуоборот примем: начальная скорость на входе в ускоряющий зазор ν₁=0; конечная скорость на выходе из зазора ν₂=Δν, тогда

$$\Delta \nu =\sqrt{\frac{2U\cdot q}{m}}=\sqrt{\frac{600\cdot \mathrm{1,6}\cdot {10}^{-19}}{131\cdot \mathrm{1,7}\cdot {10}^{-27}}}=20762\text{ м/с}$$ ,

где U=E·d;

Е, d - соответственно напряженность электрического поля и расстояние между сетчатыми пластинами дуантов,

а за полный оборот (два зазора) - 29362 м/с.

Из (1) следует, что с течением времени электрическое поле уже не успевает оказывать того влияния на приращение скорости движения частицы, как в начале - приращение текущего радиуса кривизны движения частицы в магнитном поле циклотрона на бесконечно большом интервале работы циклотрона стремится к нулю. Однако для напряжения в 300В при выходе циклотрона на рабочий режим достигается за оборот приращение скорости в 2800 м/с, что гарантирует достижение поставленной задачи. Можно обойтись и дежурным напряжением 27В. Текущий радиус r, по условию синхронизма [2] {Справочник по физике Яворского} (стр.446) r/ν=const, исходя из конечных значений, составляет 1,667·10^-6·ν (м), период обращения 1,05·10^-5 c. Соответственно периоду частота переменного тока ~100 кГц.

В общем, ионам РТ (ксенона) кругов «наворачивать» много не придется: для U, равном 300 В, количество кругов составляет 26-27.

2. Магнитное поле вызывает силу Лоренца, и ион движется по кругу от зазора к зазору без ускорения. В каждой точке движения оскулирующая окружность имеет соответственно радиус

$$r=\frac{m}{\left|q\right|}\cdot \frac{\nu }{B},\text{ (B-магнитная индукция поля)}\text{. (2)}$$

r~ν, $$r/\nu =T/2\pi =\frac{m}{q\cdot B}=const$$ , (T - квазипостоянный период)

Подставляем выходные характеристики циклотрона в (2):

$$B=\frac{131\cdot \mathrm{1,7}\cdot {10}^{-27}\cdot \mathrm{1,5}\cdot {10}^5}{\mathrm{1,6}\cdot {10}^{-19}\cdot \mathrm{0,25}}=\mathrm{0,835}Тл.$$

Значит, ν_конечн=150 км/с - и 0,25 м радиуса

Процесс ускорения автоматизирован, не выйдет за габариты устройства и гарантирует заданную конечную скорость ν_конечн.

Напряженность Н магнитного поля в ускорителях не может превышать (1,2-1,6)·10⁶ А/м, [2] (стр.447), в нашем случае получается 0,67·10⁶ А/м.

Заданное магнитное поле внутри соленоида в вакууме создают [2] (стр.434)

$$N=\frac{B\cdot L}{I\cdot {\mu }_0}=\frac{(\mathrm{0,835}/K)\cdot \mathrm{0,5}}{5\cdot 4\pi \cdot {10}^{-7}}\approx 94000\text{ витков}\text{, (3)}$$

где $$K=\frac{L}{\sqrt{4R^2+L^2}}$$ , в случае соленоида (К - коэффициент ослабления в центральной части соленоида);

µ₀ - магнитная постоянная, В·с/А·м.

Это много. Правда, коэффициент К от центра к краям рабочего цилиндра ПУ меняется от 0,7 до 1, но данную проблему не решает. Диаметр сечения провода 0,005 мм. Напряжение на концах соленоида, при общей длине медного провода l~1,5·10⁵ м (активное сопротивление ρ·l/S=135 Ом, ρ≈0,0178 мкОм·м - удельное сопротивление; S=2·10^-5 мм² - площадь поперечного сечения), составляет 675 В. Ток в 5 А такой провод не выдержит. Нужно, чтобы диаметр сечения при токе 5 А был 0,5 мм, не менее. Делаем так. При радиусе окружности рабочей части циклотрона 0,25 м и длине окружности 1,57 м - размещаем вкруг этой рабочей части группу (n) из 100 соленоидов длиною 0,5 м. Количество витков сечения диаметра 0,5 мм в каждом соленоиде 1000. Внутри такой многочисленной группы соленоидов (при I=5А, К=0,7) образуется магнитное поле с индукцией, согласно (3), 0,0088 Тл. Сопротивление медного провода диаметра сечения 0,5 мм составляет ρ·l/S (l=49,32 м - общая длина провода единичного соленоида, м; S=0,196 мм² - площадь поперечного сечения), значит - 4,5 Ом. Напряжение (U) на каждом из соленоидов составит ~22 В, при их последовательном подключении допускаем общее напряжение на концах группы соленоидов 300 В. Тогда общее количество соленоидов (n₁) потребуется ~13-14. Поскольку требуется индукция магнитного поля 0,835 Тл, - в ~100 раз большая, и еще потому, что всегда нужно искать экономные решения, все n₁ соленоидов 12, по геометрическим параметрам совпадающих с соленоидами группы «n», помещаем внутрь сердечников-ферромагнетиков, условно представляющих собой, по числу направлений создания тяги, равные части разрезанной вдоль цилиндрической трубы длиною L, внутренний радиус которой является внутренним радиусом R циклотрона. Условно - потому что на самом деле есть один сердечник-ферромагнетик 13 (фиг.2), внутри которого находятся группы соленоидов, разделенные между собой равными промежутками внутри ПУ - циклотрона, характеризующимися малой стороной прямоугольного поперечного сечения выходного отверстия в рабочем цилиндре корпуса ПУ 6 или - отверстия 14 основных переходников 7. Сердечник имеет требуемый коэффициент усиления (k) магнитного поля (в нашем случае k=0,835/0,0088≈100). Расстояние между центрами катушек индуктивности составляет порядка 11,5 см. Как известно, собственное магнитное поле ферромагнетика может в сотни раз превосходить внешнее магнитное поле. При конкретном расчете электрической цепи катушки индуктивности могут иметь и более одного ряда витков.

Увеличим радиус сечения провода до 1 мм. Тогда: S=3,14 мм²; N=2×500 (два ряда витков); N/L - та же, 2000; l=49,32 м; сопротивление провода меньше в 4 раза, 1,120 м; U=5,6 В; n₁=54; расстояние между центрами катушек индуктивности составляет ~2,9 см. При наружном радиусе катушек 1 см минимальное расстояние между ними составляет 9 мм. Такой вариант следует считать приближенным к оптимуму.

Общий объем провода на катушках индуктивности согласно последнему варианту сечения не превосходит 8,4 дм³, что соответствует кубу со стороной 20,3 см.

3. Время (Δt_раб) выхода на режим (время «прокручивания» РТ) порядка 10^-4 с.

4. Все написанное выше говорит о качественных характеристиках процесса. На практике, ввиду того, что организовывать ввод в ускоритель минимальной дозы ионов для работы циклотрона в его строгом понимании будет проблематично, и это приведет к крайне низкой тяге двигателя, следует организовать такую скорость подачи РТ, чтобы через время - время выхода на рабочий режим (время подготовки двигателя), наступал стационарный процесс движения ионов по всему объему циклотрона, и циклотрон работал бы в непрерывном режиме. Время подготовки двигателя будет соизмеримо со временем, приведенным в п.3. Объемный заряд (взаимодействие электрических полей) является причиной давления газов. Вещества (заряженные частицы) осуществляют физическое взаимодействие исключительно посредством электростатических полей.

Возникающее давление в плазме увеличивает КПД циклотрона. Известно, что плазма обладает упругими свойствами. Увеличение объемного заряда способствует тому, что плазма в циклотроне ведет себя наподобие жидкости в турбине с двумя плотно пригнанными к стенкам лопастями - вращается по всему объему с одинаковой на текущий момент угловой скоростью. Именно электростатическое расширение выталкивает ионы РТ в выбранный для работы ЦПД выходной канал-переходник и увеличивает (набранную за счет работы циклотрона) их конечную скорость. Этот подход назовем принципом «торнадо».

5. Внутренние рабочие поверхности циклотрона и выходных газовых каналов ЦПД для минимизации турбулентности РТ и нагревания стенок изготавливаются зеркальными.

6. Главное. Из состава ЦПД исключается генератор переменного тока. Применяем штатный постоянный ток от системы электропитания КА. Замена одного разгонного зазора и переменного электрического поля двумя равноценными зазорами и постоянными электрическими полями абсолютно равноценна. Условие синхронизма связано с периодом колебания переменного электрического поля. Нет переменного электрического поля - нет и понятийного синхронизма. И потому можно говорить об асинхронном характере работы циклотрона, имея при этом в виду, что ускорение частицы получают всегда вовремя. На сетки 11 дуантов может поступать любое заданное напряжение - ведь речь идет лишь о времени достижения конечной скорости. Выпускные клапаны газового канала, выбранного для работы, остаются открытыми на все время работы двигателя.

Векторы напряженности электрического поля пар сеток 11 (в щелевых диагональных зазорах) взаимно противоположны.

Итак, новизна и изобретательский уровень имеются как в отношении устройства плазменного двигателя в целом, так и в использовании постоянного тока, отказа от принципа синхронизации и в использовании принципа «торнадо» в разгонном блоке двигателя.

7. Относительно применения корректирующих движение ионов РТ переходников-ферромагнетиков 7, 8 с катушками индуктивности.

Если заряженная частица движется в магнитном поле переходника (величина магнитной индукции вдоль силовой линии магнитного поля, несмотря на искривленный профиль переходника, постоянна) так, что вектор ее скорости составляет угол α с направлением магнитной индукции В, то траекторией частицы является винтовая линия с радиусом

$$r=\frac{m}{\left|q\right|}\cdot \frac{\nu }{B}\cdot \sin \alpha ,\text{ (4)}$$

и шаг винта

$$h=\frac{2\pi }{B}\frac{m\cdot \nu }{\left|q\right|}\cdot \cos \alpha .\text{ (5) }$$

Чем больше заданная величина В, тем меньше r и α, и частица следует силовым линиям магнитного поля. Главное, чтобы выполнялось условие r<r_{переходн.}. Имеем r_{переходн.}=0,05 м. При вероятных радиусах кривизны изгиба переходника имеем α<10°. Тогда из (4) следует В=0,72 Тл, из (5) следует, что тяжелые ионы, не только в отношении угла Of, но и в отношении величины шага винтового пути, практически следуют силовым линиям магнитного поля, поскольку h=1,8 м при длине переходника 15 см. При такой длине переходника А=0,6 (неоднородность магнитного поля желательна: чем ближе к стенкам переходника, тем больше величина магнитной индукции) конечное уклонение частиц от направлений силовых линий магнитного поля внутри переходника при скорости 1,5·10⁵ м не превысит 2,6 см. Если переходники будут являться эффективными сердечниками-ферромагнетиками электромагнитов, то всегда есть возможность (п.2) сделать расчет выходных параметров катушки индуктивности - соленоида, это задача, решаемая под каждый конкретный угол изгиба переходника.

8. Отношение длины соленоидов, создающих магнитное поле в рабочем цилиндре циклотрона и внешнего для них сердечника-ферромагнетика к высоте рабочего цилиндра (С), должно быть порядка 5:1. Такое соотношение гарантирует прямолинейность силовых линий внутри рабочего цилиндра ПУ - циклотрона, что важно для стационарности процесса ускорения частиц. При искривлении силовых линий магнитного поля плазма претерпевает расслоение, и плоскости слоев, через которые проходят элементарные магнитные потоки, становятся пересекающимися. Это приводит к снижению КПД ПУ. Увеличение отношения С не оказывает существенного влияния на качество ускорения частиц, зато ведет к увеличению массы и габарита изделия в целом.

Изобретение относится к космической технике, к классу электрореактивных двигателей и предназначено для управления движением космических аппаратов малой (до 5 Н) тягой. Циклотронный плазменный двигатель содержит корпус плазменного ускорителя, соленоиды (катушки индуктивности), электрическую цепь с катодами-компенсаторами. При этом содержится автономный источник ионов, разделитель потоков электронов и ионов. Плазменный ускоритель представляет собой асинхронный циклотрон. Циклотрон разделен вдоль на дуанты двумя соосными парами параллельных сеток с зазорами. Дуанты создают однородные, равные и постоянные ускоряющие электрические поля взаимно противоположного направления векторов напряженности. Циклотрон имеет по числу основных направлений создания тяги выходные каналы плазменного ускорителя - основные переходники-ферромагнетики с катушками индуктивности. Выходные прямые газовые диэлектрические каналы двигателя соединены с основными переходниками через пропускные электроклапаны. Эти каналы соединены между собой переходниками-ферромагнетиками с катушками индуктивности. Техническим результатом является увеличение удельного импульса тяги с сохранением и возможным уменьшением массогабаритных характеристик двигательных установок на космических аппаратах при относительно невысокой мощности энергопотребления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Циклотронный плазменный двигатель, содержащий корпус плазменного ускорителя, соленоиды (катушки индуктивности), электрическую цепь с катодами-компенсаторами, отличающийся тем, что имеются: автономный источник ионов; разделитель потоков электронов и ионов; плазменный ускоритель, представляющий собой асинхронный циклотрон, разделенный вдоль на дуанты двумя соосными парами параллельных сеток с зазорами, создающими однородные, равные и постоянные ускоряющие электрические поля взаимно противоположного направления векторов напряженности, имеющий, по числу основных направлений создания тяги, выходные каналы плазменного ускорителя - основные переходники-ферромагнетики с катушками индуктивности; выходные прямые газовые диэлектрические каналы двигателя, соединенные с основными переходниками через пропускные электроклапаны, а между собой - переходниками-ферромагнетиками с катушками индуктивности.

2. Циклотронный плазменный двигатель по п.1, отличающийся тем, что соленоиды (электромагнитные катушки) последовательно соединены и целиком размещены внутри ферромагнетика, представляющего собой общий внешний по отношению к ним сердечник, а по отношению к плазменному ускорителю - цилиндрическую трубу, внутренний радиус которой является внутренним радиусом рабочей стенки плазменного ускорителя, в которой по числу основных направлений создания тяги имеются прямоугольные вырезы - выходные отверстия плазменного ускорителя.

3. Циклотронный плазменный двигатель по п.2, отличающийся тем, что отношение длины соленоидов и внешнего для них сердечника-ферромагнетика к высоте рабочего цилиндра плазменного ускорителя равно 5:1.