ПЛАЗМЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ДВИЖУЩЕЙ ПЛАЗМЕННОЙ ТЯГИ Российский патент 2017 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к плазменному двигателю и к способу генерирования движущей тяги при помощи указанного плазменного двигателя.

Как правило, на искусственных спутниках Земли используют ракетные двигатели или ускорители для осуществления коррекции траектории или высоты. Точно так же, космические зонды, предназначенные для исследования солнечной системы, имеют ракетные двигатели, позволяющие им очень точно располагаться вокруг планеты и даже садиться на астероид с целью отбора образцов вещества.

Как правило, эти двигатели, называемые химическими двигателями или двигателями на ракетном топливе, обеспечивают значения тяги не более нескольких Ньютон при использовании жидкого ракетного топлива, такого как гидразин (N₂H₂) или пероксид кислорода (перекись водорода). При разложении этого ракетного топлива химическая энергия превращается в тепловую, а затем при расширении горячих газов в реактивном сопле, в тягу. Основным недостатком этих химических двигателей является то, что они имеют ограниченный удельный импульс, что ракетное топливо, необходимое для их работы, составляет половину общей массы спутника, и что высокий расход ракетного топлива этих двигателей ограничивает срок службы спутника.

Для обеспечения более удаленных и более длительных космических полетов в последние годы были разработаны плазменные двигатели, преимуществом которых по сравнению с химическими двигателями является возможность создания большего удельного импульса, существенное увеличение полезной нагрузки, а также срока службы спутника. Их основными недостатками, как будет указано ниже, являются недостаточная надежность запуска, в частности, при низком давлении газообразного рабочего тела, их ограниченный срок службы из-за ионной бомбардировки некоторых элементов и их необходимость в миниатюризации для их применения, например, на миниатюрных спутниках. Необходимо отметить, что, хотя их энергетический КПД больше, чем у химических двигателей, его следует увеличить еще больше для более удаленных и более длительных полетов.

Плазменные двигатели можно классифицировать по-разному в зависимости от способа возбуждения плазмы или от способа ускорения плазмы в направлении выхода реактивного сопла. Следует отметить, что эти два критерия являются относительно взаимозависимыми и в равной степени важными. Действительно, способ возбуждения обуславливает полноту ионизации газообразного рабочего тела и надежность этого возбуждения, следовательно, надежность двигателя и может обуславливать размер разрядной плазменной камеры, габариты, вес и энергетический КПД двигателя. Что касается способа ускорения плазмы, то он обуславливает тягу, удельный импульс, энергетический КПД и может обуславливать габарит, вес и срок службы двигателя.

Если в качестве критерия классификации рассматривать способ возбуждения плазмы, то первой категорией плазменного двигателя является так называемый «электродуговой» ракетный двигатель, описанный в документе US 5 640 843, в основе которого лежит возбуждение плазмы электрической дугой в реактивной газовой струе. Преимуществом этой категории двигателя при всех прочих равных параметрах является возможность создания большей тяги, чем в других типах плазменных двигателей, однако она имеет следующие основные недостатки: они потребляют много электрического тока; имеют ограниченный срок службы по причине бомбардировки электродов и внутренних стенок разрядной камеры ионами и электронами, которые достигают температур порядка от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч градусов; требуют удаления излишка тепла в космическое пространство, что приводит к снижению энергетического КПД. Кроме того, когда парциальное давление газообразного рабочего тела является низким, возбуждение плазмы является не совсем надежным.

Согласно этому же критерию, второй категорией плазменных двигателей является категория плазменных двигателей, в которых возбуждение плазмы происходит только за счет резонанса электромагнитной (ЭМ) волны, часто микроволны, в разрядной камере, содержащей предназначенное для ионизации газообразное рабочее тело. Основным недостатком двигателей этой категории является относительно низкий энергетический КПД, так как плазмой поглощается лишь часть электромагнитной энергии. Кроме того, ионизация газообразного рабочего тела редко является полной, в частности, при большим значении расхода газообразного рабочего тела, и возбуждение плазмы на является надежным при низком парциальном давлении газообразного рабочего тела.

Согласно этому же критерию, третьей категорией плазменных двигателей являются плазменные двигатели с «циклотронным резонансом» свободных электронов, намагничиваемых плазмой, или ECR ("Electron Cyclotron Resonance" согласно англосаксонскому названию). Поскольку приложение магнитного поля к плазме заставляет ее электроны вращаться в одинаковом заданном направлении и на одинаковой заданной частоте, то теоретически плазму можно в нем возбуждать и затем поддерживать с энергетическим КПД, равным 1, за счет полного поглощения электромагнитной волны, электрическое поле которой вращается с такой же скоростью и в том же направлении, что и эти намагничиваемые электроны. Для практического повышения энергетического КПД длина разрядной камеры должна быть по существу равной целому числу половины длины электромагнитной волны в вакууме, что выдвигает проблему миниатюризации разрядной камеры и, следовательно, двигателя. Действительно, чтобы иметь возможность повысить резонансную частоту электромагнитной волны и одновременно обеспечить условия ECR, необходимо соответственно увеличить напряженность магнитного поля, что сразу приводит к необходимости применения мощных магнитных катушек, однако габарит и вес этих катушек идет в разрез с задачей миниатюризации двигателя. Кроме того, эта проблема миниатюризации усложняется с учетом большого числа источников, которые должны питать разрядную камеру: источник газообразного рабочего тела, источник электромагнитной волны и источник магнитного поля. Такой двигатель описан в патенте ЕР 0 505 327. Источники плазмы ECR применяют также в других технических областях, например, при производстве интегральных схем. В патентной заявке US 2005 0 287 описан источник ионов с резонансом ECR, оснащенный магнитными катушками, для реализации ионных устройств в микроэлектронике. Использование магнитных катушек приводит к увеличению веса и габарита при относительно низком энергетическом КПД по причине потерь, вызываемых эффектом Джоуля, что делает такое решение непригодным для использования в качестве космического ракетного двигателя. Кроме того, ионизация газообразного рабочего тела редко бывает полной, в частности, при большом расходе газообразного рабочего тела, и возбуждение плазмы не является надежным при низком парциальном давлении газообразного рабочего тела. Наконец, эти двигатели часто характеризуются наличием паразитных струй плазмы в направлении входа, что известно под названием эффекта ионного насоса.

Независимо от способа возбуждения плазмы, плазменные двигатели можно также классифицировать по второму критерию, которым является способ ускорения плазмы в реактивном сопле.

Согласно этому второму критерию, первым семейством является семейство так называемых «электростатических» плазменных двигателей, которое характеризуется электростатическим характером силы, ускоряющей плазму в направлении выхода реактивного сопла. В свою очередь, это семейство можно разделить на три категории: двигатели с ускоряющей сеткой, двигатели с эффектом Холла и двигатели с эффектом поля.

Категория двигателей с ускоряющей сеткой характеризуется тем, что ионы, выходящие из разрядной камеры, ускоряются системой электрически поляризованных сеток. Следует отметить, что выбрасываемая плазма не является электрически нейтральной. Двигатели с ускоряющей сеткой имеют следующие недостатки, которые ограничивают их эффективность и срок службы: пучки положительных ионов, проходящих через ускоряющую сетку, вызывают ее эрозию, что ограничивает срок службы этих двигателей; происходит рекомбинация выбрасываемых ионов с выбрасываемыми электронами, что приводит к затеняющим осаждениям вещества на солнечных панелях спутников, на которых они установлены; разрядная камера должна иметь большой объем; энергетический КПД является относительно низким по причине утечек плазмы на уровне стенок разрядной камеры и ускоряющей сетки; и тяга оказывается ограниченной по причине ограничения плотности ионов внутри сеток из-за вторичных электронов. Примеры двигателей с ускоряющей сеткой представлены в патентных заявках JP 01 310 179 и US 2004/161579 В1, в документе US 7 400 096 В1 и в статье MORRISON N.A et al "High rate deposition of ta-C:H using an electron cyclotron wave resonance plasma source", опубликованной в THIN SOLID FILMS, ELSEVIER-SEQUOIA S.A. LAUSANNE, CH., том 337, №1-2, 11 января 1999 года, стр. 71-73, ХР004197099, ISSN: 0040-6090, DOI: 10.1016/S0040-6090 (98) 01187-0 и в статье NISHIYAMA К ET. AL: "Microwave power absorption coefficient of an ECR Xenon ion thruster", SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, том. 202, №22-23, 30 августа 2008 года (2008-08-30), стр. 5262-5265, ХР025875510, ISSN: 0257-8972, DOI: 10.1016/J SURFCOAT.2008.06.069.

Категория двигателей с эффектом Холла характеризуется цилиндрическим анодом и отрицательно заряженной плазмой. Двигатели с эффектом Холла используют дрейф заряженных частиц в перекрещивающихся магнитных и электрических полях. Их недостатками являются, с одной стороны, присутствие постоянного электрического поля, которое требует наличия поляризованных электродов, и, с другой стороны, ограничение плотности плазмы, которое связано с образованием оболочек вокруг этих электродов, которые препятствуют проникновению постоянного электрического поля внутрь плазмы в отличие от сверхвысокочастотного поля, которое легко проникает внутрь ионизированной среды, что заставляет применять сверхвысокочастотные разряды (HF). Такой двигатель описан в документе US 2006/290287.

Категория двигателей с эффектом поля характеризуется ионизацией жидкого металла, его ускорением, затем его электрической нейтрализацией.

Согласно этому второму критерию, вторым семейством является семейство так называемых «электромагнитных» плазменных двигателей. Это семейство можно разделить на шесть категорий: импульсные двигатели, магнитоплазмодинамические двигатели, безэлектродные двигатели, электротермические двигатели, двигатели с двойным слоем геликона и двигатели "mugradB".

Категория импульсных двигателей характеризуется ускорением во время периодических интервалов времени.

Категория магнитоплазмодинамических двигателей характеризуется электродами, которые ионизируют газообразное рабочее тело и создают в нем ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле, ускоряющее плазму при помощи силы Лоренца.

Категория безэлектродных двигателей характеризуется отсутствием электрода, что позволяет устранить слабую точку для срока службы плазменных двигателей. В данном случае газообразное рабочее тело ионизируется в первой камере электромагнитной волной, затем перемещается во вторую камеру, где происходит ускорение плазмы неоднородными и колебательными электрическим и магнитным полями, создающими так называемую пондеромоторную силу. Такой двигатель описан в патенте US 7 461 502. Недостатком этой категории двигателей является использование в них магнитных катушек для создания колебательного магнитного поля, так как их размеры, их вес и их относительно большие энергетические потери за счет эффекта Джоуля делают их мало пригодными для использования в космической отрасли.

Категория электротермических двигателей характеризуется нагреванием плазмы до температур порядка миллиона градусов, затем частичным преобразованием этой температуры в осевую скорость. Эти двигатели требуют наличия мощных магнитных катушек для создания сверхинтенсивных магнитных полей, позволяющих удерживать плазму, электроны в которой имеют очень высокие скорости по причине их температуры. Кроме размеров и веса этих катушек, рассеяние в них за счет эффекта Джоуля существенно уменьшает энергетический КПД этих двигателей. Такой двигатель описан в патенте US 6 293 090, в частности, речь идет о радиочастотном (RF) двигателе с низким гибридным резонансом (поглощение энергии за счет связывания волны очень низкой частоты через комбинированное колебание ионов и электронов плазмы) типа VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), где плазма нагревается не за счет резонанса ее электронов, как это обычно происходит в двигателях этой категории, а за счет возбуждения ее ионов мощной электромагнитной волной.

Категория двигателей с двойным слоем геликона характеризуется инжекцией газообразного рабочего тела в трубчатую камеру, вокруг которой намотана антенна, излучающая достаточно мощную электромагнитную волну для ионизации газа, затем в полученной таким образом плазме генерируется геликонная волна, которая еще больше повышает температуру плазмы.

Категория двигателей "mugradB", называемых еще двигателями «с полем пространственного заряда», характеризуется диамагнитной природой силы. В главе 5.1 книги «Физика плазм, курс и применение» Ж.-М. Ракса подробно изложена теория движения электрона под действием высокочастотного электромагнитного поля в статическом или медленно изменяющемся электромагнитном поле. В частности, на стр. 152 указано наличие схождения или расхождения линий наведенного поля и, следовательно, присутствие силы вдоль направления этого поля, которая пропорциональна создаваемому магнитному моменту mu и градиенту этого магнитного поля. Эта сила называется "mugradB" или диамагнитной силой. Действительно, двигатель, являющийся объектом настоящей патентной заявки, основан на вполне «классических» принципах, изложенных в этой главе, поскольку предположения адиабатичности, упомянутые на стр. 153, для инвариантности создаваемого магнитного момента, во многом подтверждаются в рамках изобретения. Однако в этой книге не раскрыто, как можно реализовать плазменный двигатель с поддержанием циклотронной плазмы, размер которого можно было бы уменьшить относительно половины длины электромагнитной волны и надежность запуска которого можно было бы повысить даже в условиях очень низкого парциального давления газообразного рабочего тела. В статье STALLARD В W ET AL: "Whistler-driver, electron-cyclotron-resonance-heated thruster: experimental status", JOURNAL OF PROPULSION AND POWER 1996 JUL-AUG AIAA, том 4, июль 1996 года (1996-07), стр. 814-816, ХР008133752 описан двигатель с диамагнитной силой, в котором плазму возбуждают и поддерживают электронными волнами, генерируемыми электромагнитной волной с частотой, меньшей циклотронной частоты, излучаемой двумя спиралевидно намотанными антеннами, и магнитным полем, генерируемым магнитными катушками, с напряженностью, превышающей напряженность циклотронного резонанса ECR. Газообразное рабочее тело инжектируют в зону, где магнитное поле уменьшилось до значения ниже напряженности циклотронного резонанса ECR. В статье поднимается проблема неполной ионизации газообразного рабочего тела этого двигателя. Для ограничения этой неполноты ионизации разрядную камеру разбивают на сегменты. Несмотря на эту меру и на то, что ионизация становится более полной при уменьшении расхода газа, она остается неполной даже при небольших значениях расхода. В статье не раскрыто также повышение надежности запуска при очень малых значениях расхода газообразного рабочего тела, а также возможность уменьшения размера этого двигателя.

Ни один из известных плазменных двигателей не объединяет в себе одновременно преимущества заявленного двигателя: надежный запуск (систематическое и моментальное зажигание) и полная ионизация при всех рабочих условиях мощности электромагнитной волны и потока газообразного рабочего тела, в частности, при очень малых значениях расхода и парциального давления газообразного рабочего тела; отсутствие паразитной струи плазмы в направлении входа; разрядная камера меньшего размера по отношению к половине длины электромагнитной волны, используемой для поддержания плазмы; возможность работы со значениями напряженности магнитного поля, позволяющими использовать постоянные магниты и избегать размера, веса и потерь за счет эффекта Джоуля магнитных катушек; возможность контролируемого изменения тяги и удельного импульса; возможность достигать энергетического КПД, близкого к 1; ускорение нейтральной плазмы, то есть возможность отказа от применения нейтрализатора; и, следовательно, имеющего срок службы, не ограниченный износом деталей плазмой или осаждением газообразного рабочего тела на солнечных панелях.

Задачей настоящего изобретения является создание двигателя, который может иметь энергетический КПД, близкий к 1, как двигатели с возбуждением ECR, и иметь размер, меньший размера известных двигателей с возбуждением ECR. Как будет показано в описании ниже, авторы изобретения установили, что двигатель объединяет все вышеуказанные преимущества, в частности, благодаря применению нового типа возбуждения плазмы, достигаемого посредством объединения особых геометрических конфигураций линий магнитного поля, нагнетания газообразного рабочего тела и излучения электромагнитной волны.

Принцип изобретения состоит в уменьшении размера плазменного двигателя ECR за счет уменьшения длины его разрядной камеры и за счет инжекции газообразного рабочего тела при помощи антенны, излучающей электромагнитную волну, при этом уменьшения длины разрядной камеры добиваются посредством использования зоны плазмы с электронным резонансом, удерживаемой магнитным полем, такой как резонатор электромагнитной волны, так как коэффициент преломления плазмы с резонансом ECR в 5-10 раз превышает коэффициент преломления разрядной камеры, используемой в известных плазменных двигателях в качестве резонатора электромагнитной волны.

В частности, объектом изобретения является плазменный двигатель, содержащий разрядную камеру, содержащую внутреннюю полость и выходное отверстие; по меньшей мере, одно средство инжекции, содержащее выходной конец, называемый инжекционным соплом, выполненное с возможностью инжекции в разрядную камеру газообразного рабочего тела вдоль заданной оси; генератор магнитного поля, выполненный с возможностью приведения в циклотронное вращение электронов газообразного рабочего тела, присутствующего в разрядной камере; и генератор электромагнитной волны, выполненный с возможностью облучения газообразного рабочего тела, присутствующего в разрядной камере, посредством генерирования, по меньшей мере, одной электромагнитной волны, электрическое поле которой имеет правую круговую поляризацию и частоту, равную частоте f_ECR циклотронного резонанса электронов газообразного рабочего тела, намагничиваемых указанным генератором магнитного поля, при этом, согласно изобретению:

- указанный генератор магнитного поля выполнен с возможностью:

- генерировать магнитное поле, имеющее:

- первый локальный максимум А напряженности, находящийся внутри инжекционного сопла 65 и на выходном конце 165 инжекционного сопла 65, при этом указанный первый максимум напряженности является достаточным для ионизации, посредством циклотронного резонанса под действием указанной электромагнитной волны, газообразного рабочего тела, выходящего из указанного инжекционного сопла;

- линии поля, которые образуют поверхность изополя, называемую поверхностью ECR, с напряженностью равной напряженности, обеспечивающей циклотронный резонанс электронов под действием указанной электромагнитной волны, при этом указанная поверхность ECR находится на расстоянии в пределах от 0,5 мм до 2 мм от указанного локального максимума напряженности магнитного поля и охватывает выходной конец указанного инжекционного сопла, при этом объем, ограничиваемый этой поверхностью ECR, является резонатором электромагнитной волны, что обеспечивает полную ионизацию газообразного рабочего тела, выходящего из указанного сопла;

- второй локальный максимум напряженности магнитного поля внутри инжекционного сопла, отделенный от первого локального максимума локальным минимумом напряженности магнитного поля внутри указанного сопла;

- придавать указанным линиям поля 68 форму реактивного сопла для создания диамагнитной движущей силы, ускоряя в сторону выходного отверстия свободные электроны плазмы, возбуждаемой на уровне инжекционного сопла, при этом не намагниченные положительные ионы следуют за этими электронами по причине амбиполярного электрического поля или поля пространственного заряда, которое появляется почти сразу внутри плазмы и препятствует любому нарушению равновесия между популяциями положительных ионов и электронов, причем это электрическое поле, которое не нарушается никаким прикладываемым электрическим полем, очень эффективно обеспечивает электрическую нейтральность плазмы, выбрасываемой из указанного двигателя;

- указанное средство инжекции:

- выполнено из электропроводящего материала и электрически соединено с генератором электромагнитной волны таким образом, чтобы работать также в качестве электромагнитной антенны, излучающей указанную электромагнитную волну в газообразное рабочее тело на уровне выхода указанного сопла;

- выполнено из магнитного проводящего материала, позволяя получать внутри этого материала второй локальный максимум напряженности магнитного поля;

- содержит на выходном конце указанного сопла канал с внешним диаметром менее нескольких миллиметров, называемый заостренным концом, позволяющий за счет концентрации в нем линий магнитного поля получать при помощи генератора магнитного поля с напряженностью, обеспечиваемой постоянными магнитами первый локальный максимум напряженности магнитного поля и микроразряд с полым катодом в указанном локальном минимуме напряженности магнитного поля, достаточный для ионизации, по меньшей мере, части газообразного рабочего тела, присутствующего в указанном сопле, независимо от его расхода.

Следует отметить, что указанный локальный минимум напряженности магнитного поля работает как ловушка электронов, которая обеспечивает возбуждение плазмы за счет микроразряда с полым катодом даже при очень низком давлении.

Отметим также значение формы линий магнитного поля, которые приводят к расположению поверхности ECR непосредственно на выходе (на расстоянии порядка миллиметра) сопла инжекции газообразного рабочего тела, ионизируемого микроразрядом с полым катодом. Это расположение способствует ионизации нейтрального газа, выходящего из инжекционного сопла, при пересечении поверхности ECR.

Отметим также, что инжекция газообразного рабочего тела и электромагнитной (ЭМ) волны одним и тем же средством позволяет, с одной стороны, получить более компактную разрядную камеру и, с другой стороны, гарантировать облучение электромагнитной волной зоны, в которой плотность газа является максимальной, что позволяет максимизировать интенсивность ионизации нейтрального газа, выходящего из инжекционного сопла, что являлось одной из проблем двигателя "mu.gradB", описанного в статье STALLARD В W ЕТ AL.

Наконец, необходимо отметить, что связь положений антенны излучения электромагнитной волны и поверхности ECR позволяет концентрировать облучение в объеме, ограниченном поверхностью ECR, где электромагнитная волна входит в резонанс, что позволяет максимизировать поглощение электромагнитной энергии плазмой и, следовательно, максимизировать энергетический КПД двигателя.

Согласно частным вариантам осуществления, плазменный двигатель имеет один или несколько следующих отличительных признаков:

- Плазменный двигатель согласно предыдущему варианту осуществления, в котором генератор магнитного поля содержит в качестве источника магнитного поля, по меньшей мере, один постоянный магнит тороидальной формы, расположенный коаксиально с заданной осью и имеющий два полюса, первый магнитный элемент, неподвижно соединенный с одним полюсом магнитного поля, и второй магнитный элемент, неподвижно соединенный с другим полюсом указанного источника 50 магнитного поля, при этом указанные магнитные полюса расположены на первом расстоянии и соответственно на втором расстоянии от заданной оси; при этом второе расстояние является более длинным, чем первое расстояние, при этом первый магнитный полюс и второй магнитный полюс расположены на входе и соответственно на выходе инжекционного сопла, если рассматривать направление потока газообразного рабочего тела, при этом линии поля пересекают инжекционное сопло и образуют угол от 10° до 70° с указанной заданной осью.

- Плазменный двигатель согласно одному из предыдущих вариантов осуществления, в котором определенная вдоль заданной оси длина внутренней полости разрядной камеры в 5-10 раз меньше половины длины указанной электромагнитной волны в вакууме, при этом разрядная камера имеет внутреннее сечение, составляющее от 0.7 квадратных сантиметров до 30 квадратных сантиметров; в котором средство инжекции содержит центральный инжекционный канал с внутренним сечением, составляющим от 0.7 квадратных миллиметром до 3 квадратных миллиметров.

- Плазменный двигатель согласно одному из предыдущих вариантов осуществления, в котором значения напряженности магнитного поля указанных первого локального максимума, локального минимума и второго локального максимума соответственно равны приблизительно 0,18 тесла, 0,01 тесла и 0,05 тесла.

- Плазменный двигатель согласно одному из предыдущих вариантов осуществления, в котором указанная электромагнитная волна может распространяться вдоль оси, параллельной заданной оси, и в котором на уровне заданной оси градиент магнитного поля является параллельным заданной оси; при этом указанный градиент магнитного поля является отрицательным от входа к выходу направления выброса газообразного рабочего тела через указанное реактивное сопло.

- Плазменный двигатель согласно одному из предыдущих вариантов осуществления, содержащий устройство модуляции мощности электромагнитной волны и устройство управления расходом газообразного рабочего тела, при этом указанная мощность электромагнитной волны находится в пределах от 0.5 ватт до 300 ватт и предпочтительно от 0.5 ватт до 30 ватт в первом режиме работы.

- Плазменный двигатель согласно одному из предыдущих вариантов осуществления, содержащий циркулятор, расположенный на выходе указанного генератора электромагнитной волны электропроводящую цилиндрическую муфту, расположенную на выходе выходной плоскости двигателя, диаметр которой по существу равен четверти длины волны электромагнитного излучения и длина которой по существу равна трем четвертям длины волны электромагнитного излучения.

Значение муфты будет пояснено ниже. Поскольку плазменный двигатель "mu.gradB" содержит открытую полость размером намного меньше длины падающей волны, то в фазе запуска двигателя в отсутствие муфты может произойти большая потеря мощности, связанная с дифракцией электромагнитной волны в отверстии и с излучением наружу двигателя.

Кроме того, в отсутствие муфты для резонанса ECR с плазмой внутри двигателя можно использовать лишь часть электромагнитной волны, соответствующую правой круговой поляризации, а остальная часть электромагнитной волны в этом случае возвращается в генератор электромагнитной волны или излучается наружу за счет дифракции в выходном отверстии. Присутствие вышеуказанной муфты позволяет всей мощности электромагнитной волны, поступающей на муфту, отражаться внутрь двигателя, при этом часть, которая возвращается в генератор, может быть снова направлена в полость двигателя при помощи указанного циркулятора, расположенного на выходе указанного генератора электромагнитной волны. Во время своего захождения в полость часть мощности, отраженная циркулятором, в свою очередь, претерпевает правую круговую поляризацию и поглощается ECR-резонансной плазмой, при этом не поглощенная на этом этапе часть электромагнитной волны снова претерпевает такой же цикл циркуляции, пока вся энергия электромагнитной волны не будет поглощена ECR-резонансной плазмой. Сочетание такой муфты с таким циркулятором позволяет достигать энергетического КПД, близкого к единице, во всех рабочих конфигурациях двигателя. Можно отметить, что муфту можно выполнить из мелкой металлической сетки, то есть она является легкой.

- Плазменный двигатель согласно одному из предыдущих вариантов осуществления, содержащий два средства инжекции, коаксиальные с осью, при этом одно из них питает ионизируемым газом поверхность ECR, а другое значительно увеличивает тягу за счет намного большего расхода газа и работы в электродуговом режиме.

Объектом изобретения является также способ генерирования тяги при помощи плазменного двигателя, содержащий следующие этапы:

- инжектируют газообразное рабочее тело вдоль заданной оси в разрядную камеру, содержащую внутреннюю полость и выходное отверстие, при помощи средства инжекции, содержащего выходной конец, называемый инжекционным соплом;

- при помощи генератора магнитного поля генерируют магнитное поле, которое может приводить в циклотронное вращение электроны газообразного рабочего тела, присутствующего в разрядной камере;

- излучают в газообразное рабочее тело, присутствующее в разрядной камере, при помощи генератора электромагнитной волны, по меньшей мере, одну электромагнитную волну, электрическое поле которой имеет правую круговую поляризацию и частоту, равную частоте f_ECR циклотронного резонанса электронов газообразного рабочего тела, намагничиваемых указанным генератором магнитного поля;

- возбуждают плазму посредством ионизации газообразного рабочего тела;

- плазму поддерживают за счет циклотронного резонанса электронов;

при этом, согласно изобретению:

- возбуждение плазмы осуществляют за счет микроразряда с полым катодом, благодаря средству инжекции, которое выполнено из магнитного материала и содержит на выходном конце своего сопла канал с наружным диаметром, меньшим нескольких миллиметров, называемый заостренным концом, позволяющий, за счет концентрации в нем линий магнитного поля, получать при помощи генератора магнитного поля с напряженностью, достигаемой при помощи постоянных магнитов, с одной стороны, первый локальный максимум напряженности магнитного поля внутри и на выходном конце указанного сопла, достаточный для ионизации электронов газообразного рабочего тела, выходящего из указанного сопла, за счет циклотронного резонанса электронов под действием электромагнитной волны, и, с другой стороны, микроразряд с полым катодом между указанным первым локальным максимумом и вторым локальным максимумом внутри средства инжекции и в непосредственной близости от выхода его сопла, достаточный для ионизации, по меньшей мере, части газообразного рабочего тела, присутствующего в указанном сопле, независимо от его расхода;

- инжекцию газообразного рабочего тела и излучение электромагнитной волны осуществляют при помощи одного и того же средства и, следовательно, в одном и том же месте разрядной камеры, при этом указанное средство инжекции выполнено из электропроводящего материала и электрически соединено с генератором электромагнитной волны для излучения волны в газообразное рабочее тело на уровне выхода указанного сопла таким образом, чтобы максимизировать интенсивность ионизации выходящего из него газообразного рабочего тела;

- указанное генерирование магнитного поля осуществляют таким образом, что:

- с одной стороны, магнитное поле имеет:

- первый локальный максимум напряженности на выходном конце и внутри инжекционного сопла 65, достаточный для ионизации, посредством циклотронного резонанса под действием указанной электромагнитной волны, электронов газообразного рабочего тела, выходящего из указанного инжекционного сопла;

- линии поля, которые определяют поверхность изополя, называемую поверхностью ECR, с напряженностью, равной напряженности, обеспечивающей циклотронный резонанс электронов под действием указанной электромагнитной волны, при этом указанная поверхность ECR находится очень близко от указанного первого локального максимума напряженности магнитного поля и охватывает выходной конец указанного инжекционного сопла таким образом, чтобы максимизировать интенсивность ионизации газообразного рабочего тела, выходящего из указанного сопла;

- второй локальный максимум напряженности магнитного поля внутри инжекционного сопла, отделенный от первого локального максимума локальным минимумом напряженности магнитного поля внутри указанного сопла;

- с другой стороны, магнитное поле ускоряет за счет диамагнитной силы вдоль магнитного реактивного сопла в сторону выходного отверстия свободные электроны плазмы, возбуждаемой на уровне инжекционного сопла, при этом не намагниченные положительные ионы следуют за этими электронами по причине амбиполярного электрического поля или поля пространственного заряда, которое появляется сразу внутри плазмы и препятствует любому нарушению равновесия между популяциями положительных ионов и электронов, причем это электрическое поле, которое не нарушается никаким прикладываемым электрическим полем, очень эффективно обеспечивает электрическую нейтральность плазмы, выбрасываемой из указанного двигателя;

- поддержание плазмы за счет циклотронного резонанса электронов осуществляют при помощи резонанса электромагнитной волны в объеме, ограниченном поверхностью ECR, таким образом, чтобы использовать очень высокий показатель преломления в этом объеме для уменьшения длины разрядной камеры и, следовательно, плазменного двигателя.

Отметим, что возбуждение плазмы происходит не за счет циклотронного резонанса ECR, как в случае известных двигателей с диамагнитной силой, а за счет микроразряда с полым катодом. После возбуждения плазмы и ее расположения в так называемом объеме возбуждения на выходе инжекционного сопла эта плазма вступает в резонанс ECR через электромагнитную волну, что повышает в 5-10 раз ее показатель преломления и делает возможным использование этого объема в качестве резонатора электромагнитной волны и позволяет увеличить энергетический КПД. Этот показатель преломления среды резонанса электромагнитной волны, более высокий, чем в известных решениях, позволяет, с одной стороны, уменьшить длину разрядной камеры, так как возбуждение плазмы и ее поддержание не требуют, чтобы длина разрядной камеры была равна целому числу половины длины электромагнитной волны в вакууме, и, с другой стороны, использовать магнитное поле более низкой напряженности, достигаемой при помощи простого постоянного магнита, так как можно использовать более низкую частоту электромагнитной волны.

Возбуждение плазмы микроразрядом с полым катодом обеспечивает систематическое и почти моментальное возбуждение при любых рабочих условиях, в частности, расхода газа и мощности электромагнитной волны, и, следовательно, позволяет значительно повысить надежность двигателя. Таким образом, двигатель в соответствии с изобретением принадлежит к новой категории плазменных двигателей.

Предпочтительно способ согласно предыдущему варианту осуществления, в котором плазменный двигатель дополнительно содержит устройство модуляции электромагнитной волны, устройство управления расходом газа и периферический инжекционный канал, выполненный с возможностью инжекции газообразного рабочего тела в разрядную камеру, содержит следующие этапы:

- производят инжекцию газообразного рабочего тела в разрядную камеру через периферический инжекционный канал;

- регулируют расход газообразного рабочего тела, инжектируемого в разрядную камеры через периферический инжекционный канал;

- осуществляют модуляцию электромагнитной волны.

Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показан плазменный двигатель в соответствии с изобретением, вид в осевом разрезе;

на фиг. 2 показана часть двигателя, изображенного на фиг. 1, с иллюстрацией линий магнитного поля, генерируемого генератором плазменного двигателя в соответствии с изобретением, увеличенный вид;

на фиг. 3 представлена блок-схема этапов способа в соответствии с изобретением;

на фиг. 4 показан двигатель согласно варианту осуществления изобретения, вид в осевом разрезе;

на фиг. 5 представлен график магнитного поля вдоль оси А-А двигателя.

Показанный на фиг. 1 плазменный двигатель 2 в соответствии с изобретением содержит несущий корпус 4 с установленной на нем разрядной камерой 6, открытой в сторону выходного отверстия 48.

Несущий корпус 4 выполнен в виде немагнитного полого корпуса, открытого на каждом из своих концов 9, 11. Он содержит внутреннюю цилиндрическую полость 14 с осью вращения А-А, в дальнейшем называемой заданной осью А-А.

Эта полость 14 содержит центральный инжекционный канал 10, коаксиальный с заданной осью А-А. Этот центральный инжекционный канал 10 выполнен, например, в виде магнитной металлической трубки. Он имеет наружный диаметр, меньший диаметра полости 14, поэтому вместе с несущим корпусом 4 образует периферический инжекционный канал 12 между внутренней стенкой несущего корпуса 4 и наружной стенкой центрального инжекционного канала 10.

В частности, центральный инжекционный канал 10 имеет внутренний диаметр, составляющий от 0.5 до 2 мм, предпочтительно от 1 мм до 1.5 мм. Периферический инжекционный канал 12 имеет внутренний диаметр, составляющий от 3 до 20 мм, предпочтительно от 6 мм до 12 мм, при этом внутренний диаметр периферического инжекционного канала 12 является наружным диаметром центрального инжекционного канала 10.

Иначе говоря, центральный инжекционный канал 10 имеет внутреннее сечение, составляющее от 0,7 квадратных миллиметров до 3 квадратных миллиметров. В варианте центральный инжекционный канал 10 и периферический инжекционный канал 12 имеют квадратное сечение.

Центральный инжекционный канал 10 закреплен на несущем корпусе 4 через изолирующий блок 16 и зажимное кольцо 20. В частности, участок центрального инжекционного канала 10 посажен в сквозное отверстие изолирующего блока 16. Изолирующий блок 16 установлен и закреплен в полости 14 между заплечиком 18 несущего корпуса 14 и опорной стороной 21 зажимного кольца 20. Зажимное кольцо 20 завинчено на наружном контуре конца 9 несущего корпуса 4.

Между изолирующим блоком 16 и заплечиком 18 установлена первая тороидальная прокладка 22. Вторая тороидальная прокладка 24 установлена между изолирующим блоком 16 и опорной стороной 21 зажимного кольца 20.

В рамках изобретения центральный инжекционный канал 10 и периферический инжекционный канал 12 образуют два средства инжекции газообразного рабочего тела в камеру 6.

Для этого один конец центрального инжекционного канала 10 соединен через трубопровод 28 с источником 30 газообразного рабочего тела. В несущем корпусе 4 выполнено отверстие 31. Это отверстие 31 сообщается с периферическим инжекционным каналом 12. Это отверстие 31 соединено трубопроводом 44 с источником 30 газообразного рабочего тела для питания периферического инжекционного канала 12 газообразным рабочим телом во время работы плазменного двигателя во втором режиме работы, называемым «электродуговым», что будет описано ниже.

Этот источник 30 оснащен устройством 32 управления расходом газа.

В первом, так называемом «классическом» режиме работы расход газообразного рабочего тела составляет от 0.1 грамма в час до 40 граммов в час.

Во втором, так называемом «электродуговом» режиме расход газообразного рабочего тела составляет от 1 грамма в час до 400 граммов в час и предпочтительно от 10 граммов в час до 400 граммов в час.

Другой конец центрального инжекционного канала 10 представляет собой заостренный конец 36, выполненный, например, посредством обработки на скос кольцевой кромки канала.

Заостренный конец 36 расположен снаружи несущего корпуса 4 в разрядной камере 6. Он способствует ионизации газообразного рабочего тела за счет эффекта, называемого «точечным разрядом» («point discharge)) на английском языке). Эффект точечного разряда позволяет концентрировать магнитное поле в объеме разрядной камеры, называемом объемом возбуждения. Речь в данном случае идет не о коронном разряде, который концентрирует линии электрического поля, а о микроразряде с полым катодом между двумя вышеупомянутыми максимумами напряженности магнитного поля в непосредственной близости от выхода инжекционного сопла.

Следует отметить, что присутствие локального максимума напряженности магнитного поля в объеме возбуждения и, следовательно, в инжекционной трубке возможно по двум причинам. Во-первых, поскольку настоящий двигатель с диамагнитной силой образует открытую полость для магнитного поля и, в частности, коаксиальную систему, открытую на одном конце. Во-вторых, поскольку сложная магнитная схема двигателя содержит детали, ролью которых является именно направление большой части магнитного поля, в частности, через инжекционный канал 10 из магнитного материала и особенно через его заостренный конец 36.

В настоящем примере объем возбуждения составляет от 0.5 мм³ до 5 мм³. Он расположен на расстоянии от 12 мм до 15 мм за заостренным концом 36 центрального инжекционного канала 10.

Кроме того, центральный инжекционный канал 10 выполнен с возможностью излучения электромагнитных волн, в частности, микроволн. Для этого центральный инжекционный канал 10 выполнен из электропроводящего материала и электрически соединен с генератором 38 электромагнитной волны через соединитель 40, закрепленный, например, завинчиванием на несущем корпусе 4. Соединитель 40 является, например, соединителем типа SMA (зарегистрированный товарный знак).

Генератор 38 электромагнитной волны выполнен с возможностью облучения газообразного рабочего тела, присутствующего в разрядной камере 6, по меньшей мере, одной электромагнитной волной, электрическое поле вращается в том же направлении и с той же частотой, что и намагниченные электроны газообразного рабочего тела, чтобы добиться полного поглощения электромагнитной энергии электронами ECR. В частности, электрическое поле имеет правую круговую поляризацию и частоту, равную частоте циклотронного резонанса электронов газообразного рабочего тела, намагничиваемых генератором магнитного поля.

Генератор 38 электромагнитной волны оборудован устройством 42 модуляции электромагнитной мощности. Он выполнен с возможностью генерирования электромагнитных волн мощностью от 0,5 до 300 ватт и предпочтительно от 0,5 до 30 ватт в первом так называемом «классическом» режиме работы и электромагнитных волн мощностью от 50 до 500 ватт и предпочтительно от 200 до 500 ватт во втором так называемом «электродуговом» режиме работы.

Мощность электромагнитных волн является достаточно большой, чтобы получить резонанс ECR и испускать электроны до того, как они успевают излучать, но не слишком большой, чтобы избежать любого излучения этих электронов перед испусканием, что позволяет избежать любого нагрева за счет излучения и сохранять оптимальный энергетический КПД. Электромагнитная мощность, которую может поглощать двигатель без снижения энергетического КПД, связана с размером ларморовского радиуса Rb электронов в плазме. Этот радиус должен оставаться по существу меньшим радиуса полости, чтобы электроны не могли сталкиваться с внутренней стенкой двигателя (так называемая «магнитно-левитационная» плазма). Однако для электрона с электрическим зарядом qe и с массой me в магнитном поле В0 порядка 0,1 тесла (1000 гаусс) радиус вращения Rb в 1 миллиметр соответствовал бы скорости электронов ve=Rb×qe×B0/me=1,76×10⁷ м/с в направлении, перпендикулярном к магнитному полю, при этом кинетическая энергия, выраженная в электрон-вольтах и соответствующая вращению электронов, составляла бы около 0,92×10⁵ эВ. В сравнении с энергией ионизации газа, например, порядка 10-20 эВ. такой предел кажется трудно достижимым при значениях электромагнитной мощности от нескольких десятков до нескольких сотен ватт, как в нашем случае.

Необходимо также отметить, что в адиабатическом процессе ускорение электронов в сопле сохраняет магнитный момент mu=qe²×Rb²×B0/2me. Уменьшение В0, например, в 10 раз привело бы к увеличению примерно лишь в 3 раза радиуса электронного вращения Rb.

Наконец, если необходимо использовать намного большую электромагнитную мощность, то можно, без увеличения размеров, увеличить верхний предел работы двигателя, соответственно увеличив магнитное поле В0 и частоту возбуждающей электромагнитной волны. На рынке уже существуют магниты, примерно в десять раз более мощные, чем магниты, которые мы использовали в наших испытаниях.

Разрядная камера 6 содержит генератор 46 магнитного поля, закрепленный, например, завинчиванием на конце 11 несущего корпуса 4. Этот генератор 46 содержит источник 50 магнитного поля, имеющий два полюса, шайбу 52, неподвижно соединенную с концевой поверхностью, образующей один полюс указанного источника 50, и зажимную гайку 54, входящую в контакт с шайбой 52, а также шайбу 58, неподвижно соединенную с концевой поверхностью, образующей другой полюс указанного источника 50.

Разрядная камера 6 содержит также выходное отверстие 48 для выхода плазмы.

Источник 50 магнитного поля выполнен, например, в виде постоянного магнита тороидальной формы, коаксиального с заданной осью А-А. Для упрощения описания в дальнейшем он будет называться магнитом 50.

Магнитное поле, создаваемое магнитом 50, имеет напряженность от 0.05 тесла до 1 тесла и предпочтительно от 0.085 тесла до 0.2 тесла.

Шайба 52 и гайка 54 образуют первый магнитный элемент, и шайба 58 образует второй магнитный элемент в рамках изобретения.

Шайбы 52, 58 неподвижно соединены, каждая, с кольцевой стороной магнита 50. Кроме того, шайба 52 закреплена, например, завинчиванием на наружном контуре конца 11 несущего корпуса.

Зажимная гака 54 содержит выступ 62 по существу в виде усеченного конуса вращения вокруг заданной оси А-А. Выступ 62 расположен в сторону центрального инжекционного канала 10.

Шайба 52, зажимная гайка 54 и шайба 58 выполнены из парамагнитной стали, предпочтительно из ферромагнитной стали.

Как показано на фиг. 2, поскольку шайба 52 и зажимная гайка 54 могут проводить магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 50, то концевая поверхность выступа 62, ближайшая к центральному инжекционному каналу 10, образует первый магнитный полюс 64, расположенный перед инжекционным соплом 65, если рассматривать направление F1 потока газообразного рабочего тела, и на первом расстоянии D1 от заданной оси А-А.

Поскольку шайба 58 тоже может проводить магнитное поле, то концевая поверхность шайбы 58, ближайшая к центральному инжекционному каналу 10, образует второй магнитный полюс 66, расположенный за инжекционным соплом 65, если рассматривать направление F1, и на втором расстоянии D2 от заданной оси А-А; при этом указанное второе расстояние D2 больше первого расстояния D1.

Линии 68 поля, создаваемого генератором 46 магнитного поля, имеют форму реактивного сопла. Они пересекают инжекционное сопло 65 центрального инжекционного канала 10 и образуют угол от 10° до 70° с заданной осью А-А. Иначе говоря, магнитное поле, создаваемое генератором 46 магнитного поля, является расходящимся. На уровне заданной оси А-А градиент магнитного поля является параллельным заданной оси А-А. Кроме того, этот градиент магнитного поля является отрицательным в направлении от входа к выходу, если рассматривать направление выброса газообразного рабочего тела.

Кроме того, магнитное поле имеет первый локальный максимум напряженности магнитного поля на уровне инжекционного сопла 65 центрального инжекционного канала. Эта напряженность является достаточной, чтобы за счет резонанса ECR полностью ионизировать газообразное рабочее тело, выходящее из указанного инжекционного сопла 65. Эта напряженность составляет, например, от 0,087 тесла (ECR при частоте микроволны 2,45 ГГц) и примерно до 0,5 тесла (верхний предел, достигаемый при использовании постоянных магнитов). Особая форма линий 68 поля приводит к тому, что поверхность ECR находится очень близко к указанному первому локальному максимуму напряженности, и к тому, что эта поверхность ECR охватывает выходной конец 165 инжекционного сопла 65. При частоте электромагнитной волны 2,45 ГГц поверхность ECR находится на расстоянии миллиметра за выходным концом 165.

В данном документе «поверхностью ECR» называют область пространства, в которой частота вращения свободных электронов в локальном магнитном поле по существу равна частоте возбуждающей электромагнитной волны.

Кроме того, генератор 48 магнитного поля выполнен с возможностью ускорения, в сторону выходного отверстия 48 при помощи диамагнитной силы, плазмы, возбуждаемой на уровне инжекционного сопла 65, при этом указанная плазма, выбрасываемая из указанного двигателя, является электрически нейтральной. Необходимо отметить, что одно из основных преимуществ плазмы ECR состоит в возможности действовать только на свободные электроны плазмы, а не на ионы, что требует лишь относительно слабых магнитных полей, около 0,1 тесла (1000 гаусс) в нашем примере. Электрическую нейтральность плазмы очень эффективно обеспечивает амбиполярное электрическое поле или поле пространственного заряда, которое появляется сразу внутри плазмы и препятствует любой неуравновешенности между популяциями положительных ионов и электронов. В отсутствие электрического поля, прикладываемого при помощи возможной ускоряющей сетки, амбиполярное электрическое поле не нарушается, и электроны, на которые действует только диамагнитная сила, увлекают вместе с собой в своем движении не намагниченные положительные ионы (отсюда «диамагнитный» характер плазмы). Также, на выходе двигателя электроны, связанные с ионами пространственным зарядом, смогут пройти мимо остаточного магнитного поля за счет инерции этих ионов, предварительно ускоренных внутри двигателя. В отличие от других известных двигателей ускорение плазмы в магнитном реактивном сопле не требует расходования дополнительной электрической мощности в случае, когда, как в этом примере, магнитное реактивное сопло создается простыми постоянными магнитами. Эта экономия электрической мощности является важным преимуществом для применения в космической отрасли.

Центральный инжекционный канал 10 открыт в начале расходящейся части магнитного поля на входе зоны резонанса ECR.

Предпочтительно центральный инжекционный канал 10 служит одновременно антенной 39 излучения микроволны внутрь разрядной камеры и инжекционным соплом 65 для инжекции предназначенного для ионизации газа. Инжекционное сопло 65 содержит выходной конец 165.

Магнит 50, шайба 52, зажимная гайка 54 и шайба 58 образуют разрядную камеру 5. Она имеет диметр от 6 мм до 60 мм, предпочтительно от 12 мм до 30 мм. Таким образом, разрядная камера 6 имеет сечение площадью от 0.7 квадратных сантиметров до 30 квадратных сантиметров.

Длина внутренней полости 14 разрядной камеры 6 вдоль заданной оси А-А в 5-10 раз меньше половины длины в вакууме электромагнитной волны, излучаемой генератором 38 электромагнитной волны.

Предпочтительно разрядная камера имеет очень небольшой размер.

Кроме того, плазменный двигатель 2 содержит крепежный фланец 70 и контргайку 72, завинченные на наружном контуре несущего корпуса 4. Кроме того, между крепежным фланцем 70 и контргайкой 72 установлена тороидальная прокладка 74.

Предпочтительно плазменный двигатель в соответствии с изобретением можно использовать при помощи постоянных магнитов, не потребляющих энергии.

Предпочтительно разрядная камера образует высокочастотный резонатор размером около сантиметра с относительно низкой частотой порядка 2,3-2,8 ГГц. Это становится возможным, поскольку показатель преломления плазмы при ECR является очень высоким, что позволяет иметь относительно короткую длину волны даже при относительно низкой частоте. Поскольку частота ECR пропорциональна магнитному полю, полость этого размера можно получить даже с магнитным полем порядка 0,08-0,1 Т, легко достигаемым при помощи кольцевых постоянных магнитов небольшого размера.

Способ генерирования движущей тяги в соответствии с изобретением осуществляют при помощи описанного выше плазменного двигателя. В первом так называемом «классическом» режиме работы он включает, как показано на фиг. 3, следующие этапы:

- генерирование 90 магнитного поля 63;

- излучение 100 микроволн генератором 38 электромагнитной волны;

- инжекция 104 газообразного рабочего тела в разрядную камеру 6 через центральный инжекционный канал 10;

- возбуждение 101 плазмы;

- поддержание 103 плазмы за счет резонанса ECR;

- модуляция 102 мощности электромагнитной волны, излучаемой генератором 38 электромагнитной волны, при помощи устройства 42 модуляции;

- регулирование 106 расхода газообразного рабочего тела в центральном инжекционном канале 10 при помощи устройства 32 управления.

Предпочтительно этап 100 излучения осуществляют перед этапом 104 инжекции, если пользователь хочет сэкономить газообразное рабочее тело, и этап 104 инжекции осуществляют перед этапом 100 излучения, если пользователь хочет сэкономить электричество.

Во втором так называемом «электродуговом» режиме работы способ включает следующие этапы:

- дополнительная инжекция 108 газообразного рабочего тела через периферический инжекционный канал 12;

- регулирование 110 расхода газообразного рабочего тела в периферическом инжекционном канале 12 при помощи устройства 32 управления; и

- модуляция, при помощи устройства 42 модуляции, мощности микроволн, излучаемых генератором 38 электромагнитной волны, для обеспечения работы во втором так называемом «электродуговом» рабочем режиме.

Предпочтительно осевую инжекцию газообразного рабочего тела дополняют в этом рабочем режиме инжекцией газа вокруг центрального инжекционного канала. Как правило, ее применяют во время временной работы двигателя на сильной тяге, называемой в этом случае «электродуговым» рабочим режимом. В этом случае повышение давления в разрядной камере 6 позволяет осуществлять зажигание плазмы типа электродуговой, очень плотной и очень горячей, под действием инжекции микроволн большой мощности (более ста ватт). Это обеспечивает работу плазменного двигателя с намного большей тягой, порядка нескольких сот миллиньютон, но за счет намного большего теплового рассеяния и меньшего энергетического КПД.

Предпочтительно можно оптимизировать, например, в течение всего полета одновременно потребление газа и потребление энергии, используя диапазон регулирования расхода газа в центральном инжекционном канале и диапазон регулирования мощности электромагнитных волн, при этом данные величины меняют по-разному удельный импульс и тягу двигателя, и, в случае необходимости, используя диапазон регулирования расхода газа в периферическом канале и диапазон регулирования мощности электромагнитных волн.

Предпочтительно можно применять каждый режим работы независимо или в комбинации, при этом комбинация позволяет, например, осуществлять точное регулирование общей тяги даже при сильных амплитудах этой тяги.

Согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 4, плазменный двигатель 120 дополнительно содержит, с одной стороны, циркулятор 80, соединенный с генератором 38 электромагнитной волны и с соединителем 40, завинченном на несущем корпусе, и, с другой стороны, электропроводящую цилиндрическую муфту 85, расположенную за выходной плоскостью плазменного двигателя 120.

Циркулятор 80 является устройством, как правило, из феррита, которое установлено в микроволновой схеме для защиты электромагнитного генератора 38 или возможного усилителя против возвращения электромагнитных волн, например, отраженных плазмой (которая для генератора электромагнитной волны является облучаемой нагрузкой). Поток электромагнитных волн, проходящих через циркулятор 80 в направлении плазмы, не поглощается циркулятором. Поток, отраженный в направлении генератора электромагнитной волны, вращается в циркуляторе 80 и опять проходит в направлении плазмы, поэтому электромагнитный генератор 38 оказывается защищенным, и не происходит потерь потока электромагнитных волн при отражении в сторону входа.

Муфта 85 имеет диаметр, превышающий диаметр постоянного магнита 50, и содержит бортик 86, закрепленный на шайбе 58 генератора 46 магнитного поля. В частности, муфта 85 представляет собой, например, участок круглого волновода диаметром, равным ½ длины волны, и длиной, равной ¼ или ¾ длины электромагнитной волны в вакууме. Муфта 85 препятствует распространению электромагнитной волны, которая могла бы излучаться в свободное пространство за счет дифракции из выходного отверстия двигателя. Вместо излучения в свободное пространство высокочастотный поток электромагнитных волн отражается в сторону плазмы внутрь двигателя, и его часть, не поглощенная плазмой, направляется в циркулятор 80. В свою очередь, циркулятор 80 возвращает этот обратный поток в плазменный двигатель 120, и так далее вплоть до полного поглощения потока электромагнитных волн плазмой.

На фиг. 5 представлено изменение магнитного поля, генерируемого генератором 46, по отношению к расстоянию до выходной плоскости D-D плазменного двигателя вдоль заданной оси А-А. Ноль оси абсцисс представляет на этой фигуре входную плоскость D-D. Как показано на фиг. 2, выходная плоскость является плоскостью, параллельной средней плоскости крепежного фланца 70, находящейся на уровне выходного отверстия 48.

Как видно из этой фигуры, магнитное поле имеет первый локальный максимум А и второй локальный максимум С, находящийся внутри инжекционного сопла 65, а также локальный минимум, находящийся между первым локальным максимумом А и вторым локальным максимумом С.

Первый локальный максимум А находится на выходном конце 165 инжекционного сопла 65. Первый локальный максимум А является достаточным для ионизации, за счет циклотронного резонанса электронов, газообразного рабочего тела под действием указанной электромагнитной волны, при этом газообразное рабочее тело выходит из указанного инжекционного сопла 65.

Первый локальный максимум А имеет напряженность, превышающую пороговое значение B_ECR, необходимое для получения циклотронного резонанса и определяемое по следующей формуле:

B_ECR=2×π×f_ECR×me/qe,

в которой

- me является массой электрона,

- qe является электрическим зарядом электрона,

- f_ECR является частотой циклотронного резонанса.

Генератор 50 магнитного поля выполнен с возможностью ускорения в направлении выходного отверстия 48 диамагнитной силой свободных электронов плазмы, возбуждаемой на уровне инжекционного сопла 65, при этом не намагниченные положительные ионы следуют за этими свободными электронами по причине амбиполярного электрического поля или поля пространственного заряда, которое появляется почти сразу внутри плазмы и противостоит любому нарушению равновесия между популяциями положительных ионов и электронов, причем это электрическое поле, которое не нарушается никаким прикладываемым электрическим полем, очень эффективно обеспечивает электрическую нейтральность плазмы, выбрасываемой из указанного двигателя.

За счет концентрации в себе линий магнитного поля заостренный конец 36 средства 10 инжекции позволяет получить при помощи генератора 50 магнитного поля локальный максимум А напряженности и микроразряд с полым катодом между первым локальным максимумом А и локальным минимумом В напряженности магнитного поля. Этот микроразряд является достаточным для ионизации, по меньшей мере, части газообразного рабочего тела, присутствующего в указанном инжекционном сопле 65, независимо от его расхода. Генератор 50 магнитного поля содержит, например, постоянные магниты.

Изобретение относится к миниатюрному плазменному двигателю, при этом согласно изобретению: производят возбуждение плазмы микроразрядом с полым катодом вблизи выхода и внутри средства инжекции газообразного рабочего тела, при этом указанное средство инжекции является магнитным и содержит заострение на своем выходном конце, электроны намагниченной плазмы приводят в циклотронное вращение на уровне выходного конца указанного средства инжекции. Плазму поддерживают за счет электронно-циклотронного резонанса (ECR), при этом указанное средство инжекции выполняют металлическим и используют в качестве антенны электромагнитного (ЭМ) излучения, при этом объем плазмы в режиме резонанса ECR на выходе указанного средства инжекции используют в качестве резонатора электромагнитной волны, плазму ускоряют в магнитном реактивном сопле при помощи диамагнитной силы, при этом выбрасываемая плазма является электрически нейтральной. Изобретение направлено на повышение КПД двигателя при уменьшении его размеров. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Плазменный двигатель (2, 120), содержащий разрядную камеру (6), имеющую внутреннюю полость (14) и выходное отверстие (48); по меньшей мере, одно средство (10, 12) инжекции, содержащее инжекционное сопло (65), выполненное с возможностью инжекции в разрядную камеру (6) газообразного рабочего тела вдоль заданной оси (А-А), при этом указанное инжекционное сопло (65) имеет выходной конец (165); генератор (50, 52, 54, 58) магнитного поля, выполненный с возможностью приведения в циклотронное вращение электронов газообразного рабочего тела, присутствующего в разрядной камере (6); и генератор (38) электромагнитной волны, выполненный с возможностью облучения газообразного рабочего тела, присутствующего в разрядной камере (6), посредством генерирования, по меньшей мере, одной электромагнитной волны, электрическое поле которой имеет правую круговую поляризацию и частоту, равную частоте f_ECR циклотронного резонанса электронов газообразного рабочего тела, намагничиваемых указанным генератором (50, 52, 54, 58) магнитного поля, отличающийся тем, что:

генератор (50, 52, 54, 58) магнитного поля выполнен с возможностью:

генерировать магнитное поле, имеющее:

- первый локальный максимум (А) напряженности, находящийся внутри инжекционного сопла (65) и на выходном конце (165) инжекционного сопла (65);

- линии (68) поля, которые образуют поверхность изополя, называемую "поверхностью ECR", с напряженностью, равной напряженности, обеспечивающей циклотронный резонанс электронов под действием указанной электромагнитной волны, при этом указанная поверхность ECR охватывает выходной конец (165) указанного инжекционного сопла (65), а объем, ограничиваемый этой поверхностью ECR, является резонатором электромагнитной волны;

- второй локальный максимум (С) напряженности магнитного поля внутри инжекционного сопла (65), отделенный от первого локального максимума (А) локальным минимумом (В) напряженности магнитного поля внутри указанного сопла (65);

и придавать указанным линиям поля (68) форму реактивного сопла для создания диамагнитной движущей силы;

при этом указанное средство инжекции (10):

- выполнено из электропроводящего материала и электрически соединено с генератором (38) электромагнитной волны так, чтобы работать также в качестве электромагнитной антенны (39), излучающей указанную электромагнитную волну в

газообразное рабочее тело на уровне выхода указанного инжекционного сопла (65);

- выполнено из магнитного проводящего материала с возможностью получения внутри этого материала указанного второго локального максимума (С) напряженности магнитного поля;

- содержит на выходном конце указанного инжекционного сопла (65) инжекционный канал (10) с наружным диаметром менее нескольких миллиметров.

2. Плазменный двигатель (2, 120) по п. 1, отличающийся тем, что генератор (50, 52, 54, 58) магнитного поля содержит в качестве источника магнитного поля, по меньшей мере, один постоянный магнит (50) тороидальной формы, расположенный коаксиально с заданной осью (А-А) и имеющий первый магнитный полюс (64) и второй магнитный полюс (66), первый магнитный элемент (52, 54), неподвижно соединенный с первым магнитным полюсом (64), и второй магнитный элемент (58), неподвижно соединенный со вторым полюсом (66), при этом указанные первый (64) и второй (66) магнитные полюса расположены на первом расстоянии (D1) и соответственно на втором расстоянии (D2) от заданной оси (А-А), причем второе расстояние (D2) является более длинным, чем первое расстояние (D1), при этом первый магнитный полюс (64) и второй магнитный полюс (66) расположены на входе и соответственно на выходе инжекционного сопла (65) относительно направления (F1) потока газообразного рабочего тела, при этом линии (68) поля пересекают инжекционное сопло (65) и образуют угол от 10° до 70° с указанной заданной осью (А-А).

3. Плазменный двигатель (2, 120) по п. 1, отличающийся тем, что определенная вдоль заданной оси (А-А) длина внутренней полости (14) разрядной камеры (6) в 5-10 раз меньше половины длины указанной электромагнитной волны в вакууме, при этом разрядная камера (6) имеет внутреннее сечение, составляющее от 0,7 квадратных сантиметров до 30 квадратных сантиметров, при этом центральный инжекционный канал (10) имеет внутреннее сечение, составляющее от 0.7 квадратных миллиметром до 3 квадратных миллиметров.

4. Плазменный двигатель (2, 120) по п. 1, отличающийся тем, что значения напряженности магнитного поля указанных первого локального максимума (А), локального минимума (В) и второго локального максимума (С) соответственно равны приблизительно 0,18 тесла, 0,01 тесла и 0,05 тесла.

5. Плазменный двигатель (2, 120) по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что указанная электромагнитная волна распространяется вдоль оси, параллельной заданной оси (А-А), при этом на уровне заданной оси (А-А) градиент магнитного поля является параллельным заданной оси, причем указанный градиент магнитного поля является отрицательным от входа к выходу в направлении, определенном направлением выброса газообразного рабочего тела.

6. Плазменный двигатель (2, 120) по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что содержит устройство (42) модуляции мощности электромагнитной волны и устройство (32) управления расходом газообразного рабочего тела, при этом указанная мощность электромагнитной волны находится в пределах от 0,5 ватт до 300 ватт и предпочтительно от 0,5 ватт до 30 ватт в первом режиме работы.

7. Плазменный двигатель (120) по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что содержит циркулятор (80), расположенный на выходе указанного генератора (38) электромагнитной волны, и электропроводящую цилиндрическую муфту (85), расположенную на выходе плоскости, образованной выходным отверстием (48) и называемой выходной плоскостью (D-D) плазменного двигателя (120), диаметр которой по существу равен четверти длины электромагнитной волны и длина которой по существу равна трем четвертям длины электромагнитной волны.

8. Плазменный двигатель (2, 120) по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что содержит два средства (10, 12) инжекции, коаксиальные с осью (А-А), при этом одно из них питает поверхность ECR ионизируемым газом, а другое увеличивает тягу за счет расхода газа и работы в электродуговом режиме.

9. Способ генерирования тяги при помощи плазменного двигателя (2, 120), включающий следующие этапы, на которых:

- инжектируют (104) газообразное рабочее тело вдоль заданной оси (А-А) в разрядную камеру (6), содержащую внутреннюю полость (14) и выходное отверстие (48), при помощи, по меньшей мере, одного средства (10, 12) инжекции, содержащего выходной конец, называемый инжекционным соплом (65);

- генерируют (90) при помощи генератора (50, 52, 54, 58) магнитного поля магнитное поле (63), которое может приводить в циклотронное вращение электроны газообразного рабочего тела, присутствующего в разрядной камере (6);

- излучают (100) в газообразное рабочее тело, присутствующее в разрядной камере (6), при помощи генератора (38) электромагнитной волны, по меньшей мере, одну электромагнитную волну, электрическое поле которой имеет правую круговую поляризацию и частоту, равную частоте f_ECR циклотронного резонанса электронов газообразного рабочего тела, намагничиваемых указанным генератором (50, 52, 54, 58) магнитного поля;

- возбуждают (101) плазму посредством ионизации газообразного рабочего тела;

- поддерживают (103) плазму за счет циклотронного резонанса электронов;

отличающийся тем, что:

- возбуждение (101) плазмы осуществляют за счет микроразряда с полым катодом при помощи средства (10) инжекции, которое выполнено из магнитного материала и содержит на выходном конце своего инжекционного сопла (65) инжекционный канал (10) с наружным диаметром, меньшим нескольких миллиметров;

- инжекцию (104) газообразного рабочего тела и излучение (100) электромагнитной волны осуществляют при помощи одного и того же средства (10, 12) инжекции и в одном и том же месте разрядной камеры, при этом указанное средство (10, 12) инжекции выполнено из электропроводящего материала и электрически соединено с генератором (50, 52, 54, 58) электромагнитной волны для излучения электромагнитной волны в газообразное рабочее тело на выходе газа из указанного инжекционного сопла (65) так, чтобы максимизировать интенсивность ионизации выходящего из него газообразного рабочего тела;

- указанное генерирование (90) магнитного поля осуществляют так, что:

магнитное поле имеет:

- первый локальный максимум (А) напряженности, находящийся внутри инжекционного сопла (65) и на выходном конце (165) инжекционного сопла (65);

- линии (68) поля, которые определяют поверхность изополя, называемую поверхностью ECR, с напряженностью, равной напряженности, обеспечивающей циклотронный резонанс электронов под действием указанной электромагнитной волны, при этом указанная поверхность ECR охватывает выходной конец (165) указанного инжекционного сопла (65);

- второй локальный максимум (С) напряженности магнитного поля внутри инжекционного сопла (65), отделенный от первого локального максимума (А) локальным минимумом (В) напряженности магнитного поля внутри указанного инжекционного сопла (65);

магнитное поле придает указанным линиям поля форму реактивного сопла для генерирования диамагнитной силы;

- поддержание (103) плазмы за счет циклотронного резонанса электронов осуществляют при помощи резонанса электромагнитной волны в объеме, ограниченном поверхностью ECR.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что плазменный двигатель (2, 120) дополнительно содержит устройство (42) модуляции электромагнитной волны, устройство (32) управления расходом газа и периферический инжекционный канал (12), выполненный с возможностью инжекции газообразного рабочего тела в разрядную

камеру (6), при этом способ содержит следующие этапы, на которых:

- производят инжекцию (108) газообразного рабочего тела в разрядную камеру (6) через периферический инжекционный канал (12);

- регулируют (110) расход газообразного рабочего тела, инжектируемого в разрядную камеру (6) через периферический инжекционный канал (12);

- осуществляют модуляцию (112) электромагнитной волны.