ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА НАНОЧАСТИЦАХ МЕТАЛЛОВ ИЛИ МЕТАЛЛОИДОВ Российский патент 2014 года по МПК F03H1/00 B82B1/00 F02K99/00 

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а более точно касается плазменного двигателя на наночастицах металлов или металлоидов.

Известны ионные ракетные двигатели на газообразном топливе, относящиеся к электрическим ракетным двигателям

Принцип работы ионного двигателя заключается в ионизации газа и разгоне ионов электростатическим полем (журнал «В мире науки» №5, 2009, стр.34-42. Эдгар Чуэйри. Новый рассвет электрических ракет).

Источником ионов служит газ, например ксенон, аргон или водород. Газ из бака, стоящего в самом начале двигателя, подается в отсек ионизации (ионизатор), где образуется холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и истекает в окружающую среду. Таким образом, достигается тяга.

В ионизатор подается ксенон, который сам по себе нейтрален, но при столкновении с высокоэнергетическими электронами ионизуется. Таким образом, образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов может служить трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.

Недостатком ионного двигателя является малая тяга (порядка 50-100 миллиньютонов), поэтому пока сферой их применения является управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли, также он может использоваться в качестве главного тягового двигателя небольшой автоматической межпланетной космической станции.

Известен плазменный двигатель (также плазменный инжектор) - ракетный двигатель, рабочее тело которого приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы (Большая Советская энциклопедия. Третье издание. БСЭ. 1969-1978 г.).

Известен плазменный двигатель на ксеноне. Нейтральный газ ксенон подается через металлический кольцевой анод с отверстиями в двустенную (кольцевую) керамическую газоразрядную камеру, на выходе которой установлен полый газоразрядный (работающий также на ксеноне) катод-компенсатор для эмиссии электронов. В керамической газоразрядной камере внутренний и наружный полюса электромагнита создают радиальное магнитное поле в несколько сотен Гаусс, нарастающее вдоль камеры и быстро спадающее за ее пределами. Если между анодом и катодом-компенсатором приложить постоянное напряжение в несколько сотен Вольт, то в газоразрядном канале зажигается разряд и ксенон ионизируется, создавая плазму. Тяжелые однократнозаряженные положительные ионы ксенона ускоряются электрическим полем вдоль канала, почти не отклоняясь слабым магнитным полем, и набирают энергию несколько меньшую, чем обеспечивает приложенное напряжение. Электроны же, напротив, не могут свободно перемещаться вдоль канала, поскольку их ларморовский радиус очень мал. Впрочем, из-за коллективных процессов в плазме электроны все же составляют небольшую часть разрядного тока. Основной же ток разряда дают ионы ксенона. Поток однократнозаряженных ускоренных ионов, вылетающих из газоразрядной камеры, создает реактивную тягу двигателя. Вместе с ионами из плазменного двигателя уходит равный им по величине поток электронов из катода-компенсатора.

Известен импульсный плазменный электрический реактивный двигатель (Патент РФ №2358153), относящийся к электрореактивным двигателям импульсного действия на жидких рабочих средах, использующих электронно-детонационный тип разряда. Двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком в виде рабочей поверхности из диэлектрика, контактирующей с источником подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела. В качестве рабочего тела применяют жидкофазный диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров, например вакуумное масло, а рабочую поверхность выполняют из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например керамики или капролона.

В известных технических решениях рабочей средой служат газообразные или жидкие среды, ионизирующиеся и разгоняющиеся только за счет работы электрического поля системы электродов (фактически использующие для этого только энергию солнечного излучения в солнечных батареях) и создающие малую реактивную тягу двигателя. Увеличение импульса тяги требует теоретически требует больших затрат энергии для разгона их до больших скоростей. Это требует увеличения площади солнечных батарей, что трудно достижимо в космических условиях из-за возрастания при этом массы выводимой полезной нагрузки, возникновения проблем развертывания и стабилизации крупногабаритных солнечных батарей.

Плазменных или ионных двигателей на твердых средах, наночастицах металлов или металлоидов и использующих химическую энергию в ионизации и разгоне не выявлено.

В основу изобретения положена задача - создать двигатель, предназначенный преимущественно для работы в космосе, позволяющий достичь большего значения силы тяги.

Технический результат - увеличение тяги за счет дополнительного удельного импульса, создаваемого тепловым эффектом хемоионизационных реакций и массы более тяжелых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов пылевидной плазмы.

Поставленная задача решается тем, что плазменный двигатель на наночастицах металлов или металлоидов, предназначенный преимущественно для работы в космосе, содержит последовательно расположенные камеру сгорания, один вход в которую служит для ввода твердых наночастиц металла или металлоида в качестве топлива, а другой - для ввода окислителя топлива в виде водяного пара или кислорода, при смешении которых в камере возникает горение, хемоионизационные реакции окисления, дающие тепловой эффект, высокие температуры и образование нагретой плазмы, содержащей жидкие оксиды металлов или металлоидов, устройство охлаждения плазмы до температуры ниже температуры плавления полученных оксидов и образования в нагретой плазме твердых пылевых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов, электростатическое или электромагнитное разгонное устройство, которое разгоняет электростатическим или электромагнитным полем истекающую из устройства охлаждения нагретую плазму и создает высокоскоростной поток нагретой пылевой плазмы с высокоскоростными отрицательно заряженными оксидами металлов или металлоидов, который истекает в окружающую среду и создает реактивную тягу двигателя.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием и рисунком.

На рисунке показана принципиальная схема плазменного двигателя на наночастицах металлов и металлоидов, согласно изобретению.

Показанный на рисунке плазменный двигатель на наночастицах металлов и металлоидов содержит последовательно расположенные камеру 1 сгорания, устройство 2 охлаждения плазмы, полученной в камере сгорания, электростатическое или электромагнитное разгонное устройство 3.

Металл может быть применен любым из ряда алюминий, бериллий, цирконий, железо, титан, металлоид - из ряда бор, кремний.

Камера 1 сгорания имеет один вход 5 для ввода топлива в виде наночастиц металла или металлоида, и другой вход 6 - для ввода окислителя топлива в виде водяного пара или кислорода. Камера 1 сгорания предназначена для сжигания наночастиц. При смешении топлива и окислителя происходит химическая (хемоионизационная) реакция окисления наночастиц водяным паром или кислородом до оксидов в жидком состоянии и выделяется тепло, создающее в камере сгорания высокие температуры (до 3800°-4000° К) и образование нагретой плазмы, содержащей жидкие оксиды металлов или металлоидов.

Устройство 2 охлаждения плазмы предназначено для снижения температуры образовавшейся в камере 1 плазмы до температуры ниже температуры плавления оксидов и образования при этом в плазме твердых пылевых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов, Устройство 2 охлаждения плазмы может быть выполнено, например, как сопло Лаваля, где происходит расширение образовавшейся смеси, или теплообменника.

Электростатическое или электромагнитное разгонное устройство 3 разгоняет электростатическим или электромагнитным полем истекающую из устройства охлаждения плазму и создает высокоскоростной поток пылевой плазмы с высокоскростными отрицательно заряженными оксидами металлов или металлоидов, который вытекает в окружающую среду и создает реактивную тягу двигателя создавая на выходе двигателя высокоскоростную реактивную струю 10.

Разгонное устройство 3 может быть выполнено в виде разгонной камеры с разгонным участком, где размещена система электродов 7, в которой, по меньшей мере, один, первый по потоку, электрод имеет отрицательный потенциал и является компенсатором для положительно заряженных ионов, а второй по потоку электрод (и, при необходимости, последующие, по потоку), имеет положительный потенциал.

Целесообразно снабдить разгонное устройство 3 блоком 4 солнечных батарей для создания разности потенциалов на системе электродов.

Лучшим вариантом осуществления изобретения является применение в качестве топлива наночастиц алюминия Al.

Один вход 5 камеры 1 сгорания служит для ввода топлива в виде наночастиц Al, другой вход 6 - для ввода окислителя в виде водяного пара или кислорода. При сжигания наночастиц Al происходит химическая (хемоионизационная) реакция окисления водяным паром или кислородом до частиц Al₂O₃, и выделяется тепло, создающее в камере 1 сгорания температуру до 3800 К. Образуется плазма из жидких наночастиц Al₂O₃, положительных ионов и электронов, которая поступает в устройство 2.

Образовавшиеся продукты поступают (по направлению 8) в охлаждающее устройство 2, которое выполнено в виде сопла Лаваля, соответствующего рассчитанным тепловым нагрузкам.

Устройство 2 понижает температуру поступивших продуктов горения (по сравнению с температурой в камере 1 сгорания) до температуры ниже температуры плавления наночастиц Al₂O₃, но выше температуры нуклеации нейтральных частиц карбида Al₂O₃, чтобы в плазме образовывались отрицательно заряженные твердые наночастицы Al₂O₃ (температура около 1200 К). Как следствие, происходит замораживание химических реакций и образование в основном отрицательно заряженных твердых наночастиц оксидов металлов (например, наночастиц Al₂O₃ с зарядом -10-20е и диаметром 50-100 нм).

Такие частицы могут быть дополнительно разогнаны до 800 км/с в электростатическом или даже в электромагнитном поле заданной напряженности, в разгонном устройстве 3.

Образовавшаяся в устройстве 2 комплексная пылевая плазмы с отрицательно заряженными твердыми наночастицами Al₂O₃ истекает (по направлению 9) в электростатическое или электромагнитное разгонное устройство 3, где разгоняется электростатическим или электромагнитным полем, с образованием высокоскоростного потока пылевой плазмы, создающего при истечении в окружающую среду реактивную тягу двигателя. В разгонном устройстве 3 отрицательно заряженные твердые наночастицы Al₂O₃ многократно увеличивают свой импульс за счет взаимодействия с электростатическим (или электромагнитным) полем, созданным системой электродов 7, на которые подана разность потенциалов от блока солнечных батарей 4, и создают на выходе двигателя высокоскоростную реактивную струю 10. Первый из электродов (по потоку) имеет отрицательный потенциал и является компенсатором для положительно заряженных ионов, второй электрод имеет положительный потенциал.

Поскольку масса частиц Al₂O₃ на несколько порядков больше массы ионов, то создаваемый удельный импульс тяги гораздо больше, нежели в известных двигателях, плазменных и ионных, использующих при создании импульса массу ионов. Кроме того, предложенное в изобретении рабочее тело за счет теплового эффекта хемоионизационных реакций окисления создает дополнительный удельный импульс, в отличие от известных плазменных или ионных двигателей на инертном газе, например ксеноне.

Таким образом, за счет обоих эффектов достигается существенный прирост силы тяги отнесенной к единице массы рабочего тела при фиксированном расходе последнего (например, для топлива на основе наночастиц алюминия удельная тяга возрастает примерно в 20 раз) или экономится рабочее тело при фиксированной удельной тяге.

Дополнительным преимуществом такого двигателя является возможность посредством изменения интенсивности и конфигурации электромагнитных полей организовать без инерционное и простое управление тягой (т.к. управляющий механизм не содержит никаких подвижных частей).

Изобретение может быть использовано в космосе, например для межорбитальных буксиров и межпланетных полетов, оно способствует экономному расходу рабочего тела. В отличие от ионных двигателей предлагаемый плазменный двигатель может создавать тягу, на порядки большую (для топлива на основе наночастиц алюминия примерно в 20 раз), а поэтому пригоден не только для ориентации космического аппарата.

Изобретение относится к области ракетно-космической техники. Плазменный двигатель на наночастицах металлов или металлоидов содержит последовательно расположенные камеру сгорания, один вход в которую служит для ввода твердых наночастиц металла или металлоида в качестве топлива, а другой - для ввода окислителя топлива в виде водяного пара или кислорода, при смешении которых в камере возникает горение, хемоионизационные реакции окисления, дающие тепловой эффект, высокие температуры и образование нагретой плазмы, содержащей жидкие оксиды металлов или металлоидов, устройство охлаждения плазмы до температуры ниже температуры плавления полученных оксидов и образования в нагретой плазме твердых пылевых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов, электростатическое или электромагнитное разгонное устройство, которое разгоняет электростатическим или электромагнитным полем истекающую из устройства охлаждения нагретую плазму и создает высокоскоростной поток нагретой пылевой плазмы с высокоскростными отрицательно заряженными оксидами металлов или металлоидов, который истекает в окружающую среду и создает реактивную тягу двигателя. Металл может быть применен любым из ряда алюминий, бериллий, цирконий, железо, титан, металлоид - из ряда бор, кремний. Изобретение обеспечивает увеличение удельного импульса тяги двигателя за счет дополнительного включения тепловой энергии хемоионизационных реакций и массы более тяжелых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов пылевидной плазмы. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Плазменный двигатель на наночастицах металлов или металлоидов, предназначенный преимущественно для работы в космосе, характеризующийся тем, что содержит последовательно расположенные камеру сгорания, один вход в которую служит для ввода твердых наночастиц металла или металлоида в качестве топлива, а другой - для ввода окислителя топлива в виде водяного пара или кислорода, при смешении которых в камере возникает горение, хемоионизационные реакции окисления, дающие тепловой эффект, высокие температуры и образование нагретой плазмы, содержащей жидкие оксиды металлов или металлоидов, устройство охлаждения плазмы до температуры ниже температуры плавления полученных оксидов и образования при этом в плазме твердых пылевых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов, электростатическое или электромагнитное разгонное устройство, которое разгоняет электростатическим или электромагнитным полем истекающую из устройства охлаждения нагретую плазму и создает высокоскоростной поток нагретой пылевой плазмы с высокоскростными отрицательно заряженными оксидами металлов или металлоидов, который истекает в окружающую среду и создает реактивную тягу двигателя.

2. Плазменный двигатель на наночастицах металлов и металлоидов п.1, отличающийся тем, что металл применяют из ряда алюминий, берилий, цирконий, железо, титан, металлоид из ряда бор, кремний.

3. Плазменный двигатель на наночастицах металлов и металлоидов по п.1, отличающийся тем, что разгонное устройство выполнено в виде разгонной камеры с разгонным участком, где размещена система электродов, в которой, по меньшей мере, один, первый по потоку, электрод имеет отрицательный потенциал и является компенсатором для положительно заряженных ионов, а, по меньшей мере, один последующий по потоку электрод имеет положительный потенциал.

4. Плазменный двигатель на наночастицах металлов и металлоидов по п.3, отличающийся тем, что разгонное устройство снабжено блоком солнечных батарей для создания разности потенциалов на системе электродов.