ЭЛЕКТРОРАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2016 года по МПК F03H1/00 

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигательных установок (ЭРДУ) с электромагнитным ускорением плазмы.

В настоящее время ЭРДУ нашли широкое применение для выполнения различных маневров и управления угловым положением космических аппаратов (КА). ЭРДУ обладают высоким удельным импульсом, что позволяет значительно снизить массу рабочего тела и увеличить маневренные возможности КА.

Известна ЭРДУ, содержащая энергетическую установку, систему хранения и подачи рабочего тела и стационарный плазменный двигатель, содержащий камеру из диэлектрического материала, в которой размещены анод, кольцевой электромагнит и катод-нейтрализатор (Новости космонавтики, 2000 г., №3, с. 30 и 2004 г., №8, с. 49). Разгон рабочего тела осуществляется за счет электрической энергии, подводимой от энергетической установки.

Характерным недостатком ЭРДУ является большая масса энергетической установки. Это обусловлено тем, что для создания тяги ЭРДУ требуется большая электрическая мощность. Кроме того, данная двигательная установка способна генерировать очень малую тягу из-за низкой плотности рабочего тела в ускорительном канале стационарного плазменного двигателя.

В результате ЭРДУ имеет высокую стоимость и обеспечивает низкую оперативность выполнения маневров.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать ЭРДУ, содержащую энергетическую установку, систему хранения и подачи рабочего тела и электроракетный двигатель, в состав которого входят соосно установленные катод, сопло-анод и соленоид, размещенный снаружи сопла-анода (Фаворский О.Н., Фишгойт В.В., Литовский Е.И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. - М.: Высшая школа, 1978, с. 158-159).

Недостатком данной ЭРДУ также является большая масса энергетической установки, т.к. для создания тяги ЭРДУ требуется большая электрическая мощность.

Данная ЭРДУ может работать при высоких плотностях рабочего тела в камере двигателя, что позволяет повысить тягу. Однако значения тяги остаются небольшими из-за ограниченных возможностей подвода электрической мощности, обусловленных высокой массой энергетической установки.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение массы энергетической установки и повышение тяги ЭРДУ.

Указанная задача решается за счет того, что энергетическая установка и соленоид соединены через тоководы с электродвигателем-генератором, на валу которого соосно закреплены маховик и электроракетный двигатель, связанный с системой хранения и подачи рабочего тела через изолирующую проставку и канал, выполненный внутри вала электродвигателя-генератора.

Сущность изобретения поясняется на чертеже.

ЭРДУ включает в себя энергетическую установку 1, систему хранения и подачи рабочего тела 2 и электроракетный двигатель, в состав которого входят соосно установленные катод 3, сопло-анод 4 и соленоид 5, размещенный снаружи сопла-анода 4. Энергетическая установка 1 и соленоид 5 соединены через тоководы 6 и 7 с электродвигателем-генератором 8. На валу 9 электродвигателя-генератора 8 закреплен маховик 10. На торцевой части вала 9 через изолирующую проставку 11 закреплены катод 3 и сопло-анод 4 электроракетного двигателя. Катод 3 имеет каналы для подачи рабочего тела и связан с системой хранения и подачи рабочего тела 2 через изолирующую проставку 11 и канал, выполненный внутри вала 9.

ЭРДУ работает следующим образом.

На пассивных участках полета КА вырабатываемый энергетической установкой 1 электрический ток I₃ через токовод 6 поступает на электродвигатель-генератор 8, который работает в режиме двигателя и раскручивает маховик 10. Благодаря этому запасается энергия, необходимая для работы электроракетного двигателя на активных участках полета.

На активных участках полета электродвигатель-генератор 8 переводится в режим генератора и через токовод 7 обеспечивает прохождение электрического тока I_с через соленоид 5. Вращение сопла-анода 4 с угловой скоростью ω в магнитном поле с индукцией В_с, создаваемом соленоидом 5, приводит к появлению в токопроводящем материале сопла-анода 4 электродвижущей силы ε, направленной от катода 3 к выходному сечению сопла-анода 4. Это приводит к возникновению разности потенциалов между катодом 3 и выходной частью сопла-анода 4. При этом изолирующая проставка 11 предотвращает распространение электрического потенциала на вал 9.

Рабочее тело в электроракетный двигатель подается из системы хранения и подачи рабочего тела 2 через канал, выполненный внутри вала 9. При попадании рабочего тела в электроракетный двигатель под действием разности потенциалов между катодом 3 и выходной частью сопла-анода 4 в среде рабочего тела возникает ток разряда I_p. Осевая составляющая тока разряда I_p создает азимутальное магнитное поле с индукцией В. Взаимодействие радиальной составляющей тока разряда I_p с азимутальным магнитным полем приводит к возникновению силы Ампера, которая ускоряет плазму и создает тягу ЭРДУ.

В предлагаемой ЭРДУ энергетическая установка 1 используется на пассивных участках полета для раскрутки маховика 10. Длительность пассивных участков полета КА значительно превышает длительность активных участков полета. В связи с этим требуемая мощность энергетической установки 1 существенно ниже, чем в известных ЭРДУ. Благодаря этому обеспечивается значительное снижение массы энергетической установки.

Кроме того, в предлагаемой ЭРДУ в процессе создания тяги используется энергия, запасаемая в маховике 10. Поскольку удельная мощность маховичных накопителей на несколько порядков выше удельной мощности энергетических установок, предлагаемая ЭРДУ может создавать значительно большую тягу при одинаковых ограничениях на массу ЭРДУ.

Таким образом, обеспечивается выполнение технической задачи изобретения.

Изобретение относится к области электроракетных двигательных установок с электромагнитным ускорением плазмы. Электроракетная двигательная установка содержит энергетическую установку, систему хранения и подачи рабочего тела и электроракетный двигатель. Электроракетный двигатель содержит соосно установленные катод, сопло-анод и соленоид, размещенный снаружи сопла-анода. Энергетическая установка и соленоид соединены через тоководы с электродвигателем-генератором. На валу электродвигателя-генератора соосно закреплены маховик и электроракетный двигатель. Электроракетный двигатель связан с системой хранения и подачи рабочего тела через изолирующую проставку и канал, выполненный внутри вала электродвигателя-генератора. Техническим результатом изобретения является снижение массы энергетической установки и повышение тяги электроракетной двигательной установки. 1 ил.

Электроракетная двигательная установка, содержащая энергетическую установку, систему хранения и подачи рабочего тела и электроракетный двигатель, в состав которого входят соосно установленные катод, сопло-анод и соленоид, размещенный снаружи сопла-анода, отличающаяся тем, что энергетическая установка и соленоид соединены через тоководы с электродвигателем-генератором, на валу которого соосно закреплены маховик и электроракетный двигатель, связанный с системой хранения и подачи рабочего тела через изолирующую проставку и канал, выполненный внутри вала электродвигателя-генератора.