СПОСОБ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНОЙ ТЯГИ Российский патент 2015 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к аэрокосмической технике и может быть применено в электрореактивных двигателях и источниках электроэнергии для аэрокосмических транспортных средств и аппаратов.

Известны плазменно-ионные двигатели («Ионный двигатель», патент ФРГ №682150; «Электрореактивная двигательная установка», патент RU2024785; «Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель», патент RU 2397363), содержащие ионизаторы рабочего тела, формирователи плазмы, ускорители заряженных частиц, поток которых создает реактивную тягу, движущую транспортное средство. Двигатели такого типа имеют следующие недостатки. Им требуются источники электроэнергии большой мощности и большие запасы топлива, так как они расходуют электроэнергию на ионизацию рабочего тела, получение плазмы, ускорение заряженных частиц, кроме того, они расходуют рабочее тело, запасы которого на борту весьма ограничены. Все это снижает КПД, коэффициент полезной нагрузки, ограничивает радиус действия транспортного средства и время жизни аэрокосмического аппарата.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ, реализуемый в двигательной установке для пилотируемой марсианской экспедиции (сборник тезисов докладов, СибГАУ, «Актуальные проблемы авиации и космонавтики», 2009, т.1, с.60-61), в которой сжигают углеводородное, химическое или ядерное топливо, создавая поток продуктов сгорания, движущийся с определенной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока, и магнитогидродинамическим (МГД) способом ускоряют поток нейтральной плазмы продуктов сгорания, создавая реактивную тягу, пропорциональную скорости выходящего из сопла потока газов.

Недостатком прототипа являются существенные затраты электроэнергии на ионизацию электрическим разрядом продуктов сгорания и образование потока нейтральной плазмы, а также на создание источниками ЭДС электрического тока в нейтральной плазме для МГД-ускорения.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение непроизводительных затрат электроэнергии на ионизацию электрическим разрядом продуктов сгорания, а также на создание источниками ЭДС электрического тока в нейтральной плазме.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе создания электрореактивной тяги, заключающемся в формировании потока продуктов сгорания углеводородного, химического или ядерного топлива, движущегося с заданной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока продуктов сгорания, согласно изобретению поток продуктов сгорания разделяют на пучок катионов и пучок электронов, причем энергию пучка электронов преобразуют в дополнительную электрическую мощность, направляемую на ускорение пучка катионов, который создает реактивную тягу, пропорциональную кинетической энергии ускоренного пучка.

Схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на чертеже.

Устройство содержит систему сжигания соответствующего топлива 1, агрегат формирования потока продуктов сгорания 2 с каналом 3 продуктов сгорания, индуктор магнитного поля 4, канал катионов продуктов сгорания 5, электроускоритель 6 катионов, сопло 7, мембрану электронов 8, которая пропускает через себя электроны, практически не снижая электропроводимость материала электрода, и задерживает нейтральные частицы, катионы и анионы продуктов сгорания, снижая рассеяние электронов практически до нуля; аксиальный анод 9, канал пучка электронов 10, преобразователь энергии пучка электронов в электрическую мощность 11, бортовую систему электропитания 12.

Работает данное устройство по предлагаемому способу следующим образом. Из бортовой системы электропитания 12 подают напряжение холостого хода в индуктор 4, электрический ускоритель 6, аксиальный анод 9 и преобразователь 11. Топливо (углеводородное, химическое или ядерное) сжигают в системе 1. При помощи агрегата 2 формируют поток продуктов сгорания с температурой 2000-3000 K при давлении порядка 2·10⁶ Па, который движется в канале 3 со скоростью ν_nc порядка 20 км/с и входит в магнитное поле индуктора 4, вектор магнитной индукции B которого ортогонален вектору скорости ν_nc. Кроме того на газовый поток продуктов сгорания воздействуют резонансным СВЧ излучением (показанным на фигуре в виде спиральных траекторий). В поле индуктора 4 под действием силы Лоренца (F_Л =q_i[νxB], где q_i - заряд электрона или катиона с учетом его знака) происходит разделение потока продуктов сгорания на электроны и катионы, движущиеся в противоположных направлениях. Под действием электрического поля ускорителя 6 в канале 5 образуется пучок катионов, движущихся со скоростью ν_к, ускоряясь электрическим полем ускорителя 6 до скорости ν_ку. Под действием электрического поля аксиального анода 9, ускоряющего электроны, проходящие через мембрану 8, которая пропускает через себя электроны и не пропускает через себя анионы, катионы и нейтральные частицы продуктов сгорания, рассеивающие электроны, образуется пучок электронов, движущихся в канале 10 со скоростью ν_eу. Масса катионов m_k в 10⁴-10⁵ раз больше массы электронов m_е, поэтому кинетическая энергия катионов больше кинетической энергии электронов, радиус траектории движения катионов r_к≈10² м больше радиуса траектории движения электронов r_е≈10^-2 м, а частота ротации электронов f_e≈10⁵ Гц больше частоты ротации катионов в m_k/m_e раз, и вектор скорости ν_ey в (m_k/m_e)^½ раз больше, чем вектор скорости ν_ку , и соответственно электрическая мощность ускоренного пучка электронов в (ν_ey./ν_ку)² или в m_k/m_e раз больше, чем электрическая мощность ускоренного пучка катионов, согласно расчетам [Яворский Б.М. и др. Курс физики. T.2. Электричество и магнетизм. - М.: Высшая школа, 1964, с.275-287]. Выделение пучка электронов практически не уменьшает кинетическую энергию потока продуктов сгорания, но электрическая мощность пучка электронов в m_k/m_e раз больше, чем у пучка катионов, поэтому энергию электронного пучка превращают в электрическую мощность в преобразователе 11 путем двухполупериодного преобразования конвекционного тока и энергии электронного пучка в электрическую мощность, которое осуществляется следующим образом [см. Экспериментальная проверка перехода энергии взаимодействия электронной плазмы в электромагнитный процесс для создания электроэнергетической технологии. «Альтернативная энергетика и экология». Международный научный журнал, №11, 2012, с 87-91].

Под действием положительной полуволны напряжения рабочей частоты бортовой системы электропитания 12 в преобразователе 11 конвекционный ток электронного пучка 10 переходит в ток проводимости, создавая соответствующую мощность, равную произведению силы тока на рабочее напряжение, которую используют для создания дополнительной электрореактивной тяги и трансформируют в бортовую систему электропитания 12 для электроснабжения других систем летательного аппарата. При смене полярности полуволны напряжения преобразование конвекционного тока электронного пучка 10 происходит в другом плече симметричного трансформатора преобразователя 11. Электроны пучка 10, совершив работу в электрической цепи преобразователя 11 по созданию электрической мощности, через среднюю точку симметричного трансформатора преобразователя 11, соединенную с массой аппарата, заряжают отрицательно электропроводящее сопло 7, в котором происходит рекомбинация ускоренных катионов продуктов сгорания, вылетающих из сопла, создающих дополнительную электроракетную тягу.

За счет полученной дополнительной электрической мощности ускоряют пучок катионов путем подачи необходимого напряжения с преобразователя 11 на электрический ускоритель 6 и аксиальный анод 9. Получив ускорение, катионы входят в отрицательно заряженное электронами сопло 7, соприкасаясь с ним, получают с поверхности сопла электроны, рекомбинируясь (становясь) нейтральными частицами, и вылетая из сопел, создают реактивную тягу, пропорциональную средней скорости ускоренного пучка катионов, рекомбинируемых в нейтральные частицы.

Изменением напряжения преобразователя 11 регулируют скорость катионов ν_ку, электрически управляя электрореактивной тягой. Не использованную на электрореактивную тягу электрическую мощность, получаемую из электронного пучка, трансформируют в бортовую систему электропитания 12 для электроснабжения других систем космического аппарата.

В предлагаемом способе не затрачивается электроэнергия на ионизацию продуктов сгорания электрическим разрядом и на создание источниками ЭДС электрического тока в нейтральной плазме, как в прототипе, поэтому повышается КПД системы электропитания, экономится топливо и другие расходные материалы, увеличивается коэффициент полезной загрузки, радиус действия и срок жизни аппарата.

Способ создания электрореактивной тяги может быть применен в электрореактивных двигателях и источниках электроэнергии для аэрокосмических транспортных средств и аппаратов. Способ заключается в формировании потока продуктов сгорания углеводородного, химического или ядерного топлива, движущегося с заданной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока продуктов сгорания, затем поток продуктов сгорания разделяют на пучок катионов и пучок электронов, причем энергию пучка электронов преобразовывают в дополнительную электрическую мощность, направляемую на ускорение пучка катионов, который создает реактивную тягу, пропорциональную кинетической энергии ускоренного пучка. Заявленный способ повышает КПД системы электропитания, экономит топливо и другие расходные материалы, увеличивает коэффициент полезной загрузки, радиус действия и срок жизни летательного аппарата. 1 ил.

Способ создания электрореактивной тяги, заключающийся в формировании потока продуктов сгорания углеводородного, химического или ядерного топлива, движущегося с заданной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока продуктов сгорания, отличающийся тем, что поток продуктов сгорания разделяют на пучок катионов и пучок электронов, причем энергию пучка электронов преобразовывают в дополнительную электрическую мощность, направляемую на ускорение пучка катионов, создающего реактивную тягу.