Ракетные двигатели малой тяги используются для обеспечения движения космических летательных аппаратов, и имеют типичную скорость истечения реактивной струи от 2 км/с до более чем 50 км/с и плотность тяги менее или около 1 Н/м2 при электрической мощности до 5 кВт и более. Известно множество различных типов ионно-плазменных, или ионных электроракетных двигателей (ЭРД/ИД), содержащих контейнер (накопитель) с запасом рабочего тела, камеру ионизации рабочего тела, в частности, газоразрядную камеру, ускоритель движения катионов, нейтрализатор заряда катионов, в том числе электронами или анионами, магнитную систему для создания магнитного поля [Franklin R. Chang-Diaz, "Plasma Propulsion for Interplanetary Flight," Thin Solid Films, Vol. 506-507 (May26, 2006): 449-453 с.; Электрические ракетные двигатели. - Под редакцией Ю.А. Рыжова. М.: Мир, 1964 г.; Goebel D.M., Katz I. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters. Wiley, 2008, 508 р.].
Реактивное движение может быть реализовано в устройстве с излучением электромагнитного поля (ЭМП), с выбросом массивной материи, а также совместной реализации двух этих процессов. При излучении ЭМП реактивная сила производит механическое давление на антенну, что было высказано А. Эйнштейном в 1906 году, экспериментально доказано П. Н. Лебедевым и подтверждено теоретически на основе уравнений Максвелла в рамках классической электродинамики. Для производства заметных значений ускорения силой 1 Н требуется большая мощность облучающего ЭМП, составляющая примерно 150 МВт. Основной способ увеличения тяги состоит в использовании массивного расходуемого рабочего тела (РТ). Некоторые двигатели используют предварительную сорбцию газов, накопленных в пористой матрице, с последующим небольшим нагревом и соответствующим испарением. Известны исследования и применения электротермических двигателей с нагревом нелетучего рабочего тела [Патент RU 2308610. // Изобретения. 2006. № 19; Патент RU 2309293. // Изобретения. 2007. № 30; Островский В.Г., Смоленцев А.А., Соколов Б.А., Черашев Д.В. ЭЛЕКТРОРАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ДВИГАТЕЛЕЙ С ЗАМКНУТЫМ ДРЕЙФОМ ЭЛЕКТРОНОВ НА ИОДЕ. КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ №2/2013, с.42-52]. В отличие от известных испарительных и химических ракетных двигателей с максимальной скоростью факела до 4000 м/с, ЭРД/ИД обеспечивают на порядок большую скорость. При использовании сжатых газов (N2, Ar, Xe, и т.д.) достигается удельная тяга, или специфический импульс (скорость факела, деленная на 10 м/с2) до 4500 с и больше в разных конфигурациях таких устройств. Ограничения по Xe – высокая стоимость и малые объемы производства газа, высокая стоимость наземных испытаний в вакуумных камерах при низких температурах, низкая воспроизводимость импульсов тяги, малая надежность включения после паузы, недостаточная достижимая длительность импульса, ограниченный ресурс работоспособности. Кроме инертных газов, в ионных двигателях в качестве расходуемых РТ используют цезий, ртуть, висмут, цинк, олово, магний, галлий, йод, тефлон, ионные жидкости, коллоидные растворы, аммиак. Тефлон (другие названия фторопласт, PTFE) в качестве твердого РТ используют в абляционном импульсном электроразрядном двигателе. Для РТ в виде расплавленного металла создана специальная конструкция с сильным электрическим полем, а в виде коллоидных растворов - конструкция электро-распылительного источника с зарядом малых капель жидкости.
ЭРД/ИД с замкнутым дрейфом электронов являются основными рабочими системами работающих космических аппаратов. Изобретение – аналог RU 2 527 267 C2 заявляет плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла, содержащий основной кольцевой канал ионизации и ускорения, имеющий открытый выходной конец, по меньшей мере, один катод, кольцевой анод, концентричный основному кольцевому каналу, трубопровод и распределитель для подачи способного к ионизации газа в канал и магнитную цепь создания магнитного поля в основном кольцевом канале. В заявке 0900196 A1 описан ЭРД с замкнутым дрейфом электронов в магнитном поле, включает в себя наружный полюсный наконечник, который намагничивается кольцевой катушкой. В патентном документе Франции 2693770 A1 описан ЭРД с замкнутым дрейфом электронов в МП с тремя катушками, включающими кольцевую наружную катушку. Изобретение RU 2509 918 C2 относится к электроракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов, содержащему основной кольцевой ионизационный и ускорительный канал, образованный вокруг оси ускорителя, по меньшей мере, один полый катод, кольцеобразный анод, концентричный основному кольцевому каналу, трубку с коллектором для питания анода ионизируемым газом, и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале. Для космических полетов, где требуется высокая мощность и высокий удельный импульс, плазменные ЭРД/ИД с замкнутым дрейфом электронов в магнитном поле обладают недостатком в тепловом отношении, поскольку наружная кольцевая катушка заключает в себе провод большой длины, что приводит к высокому уровню рассеяния тепла, и в отношении массы катушки, которая также велика. В европейском патенте 0982976 B1 описан ЭРД, содержащий несколько наружных катушек МП, приспособленный за счет этого к высоким тепловым нагрузкам. В патентах США 6208080 B1 и 5359258 также описываются ЭРД, у каждого из которых имеются четыре наружных катушки МП. Другой ЭРД с замкнутым дрейфом электронов, известный под маркой ALT D55, содержит три наружных катушки. Изобретение RU 2 474 984 C1 относится к плазменной технике и может использоваться при разработке плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения. Магнитная система выполняется таким образом, чтобы вектор индукции магнитного поля в полости кольцевого ускорительного канала имел преимущественно радиальное направление. Между анодом и катодом, которые размещаются у противоположных торцов разрядной камеры, прикладывается разрядное напряжение. В результате в кольцевом ускорительном канале создается преимущественно продольное электрическое поле. Электрический разряд зажигается в потоке газа, например, ксенона, движущегося в ускорительном канале в направлении от анода, выполняющего обычно функцию газового распределителя, к открытой торцевой части разрядной камеры. Катод-компенсатор (эмиттер электронов) установлен у среза ускорительного канала. Величина индукции магнитного поля выбирается таким образом, чтобы ионы были не замагничены, и магнитное поле слабо влияло на движение ионов в продольном направлении в полости ускорительного канала. При этом величина индукции магнитного поля должна быть достаточной для замагничивания электронов в ускорительном канале. При указанных условиях электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации рабочего газа при типичных разрядных напряжениях от 200 В до 1000 В. С целью устранения негативных явлений, связанных с существенной пространственной расходимостью ионов в ускорительном канале, применяются магнитные устройства – концентраторы пучка ионов. В патенте RU 2163309 (МПК: F03H 1/00, Н05Н 1/54, опубликован 20.02.2001) описана конструкция расширенного магнитного полюсного наконечника в форме усеченного конуса, обеспечивающая формирование узконаправленного потока ускоренных ионов в заданном направлении. В патенте USA 5 581 155 описан ракетный двигатель малой тяги, построенный на эффекте Холла. В этом двигателе малой тяги также используется электромагнитное поле для ускорения положительно заряженных частиц. Скорость истечения в двигателе малой тяги такого типа составляет около 15 км/с при плотности тяги менее 5 Н/м2 и мощности 1,3кВт.
Группа ИД - аналогов использует металлические сетки для экстракции ионов из плазмы с последующей нейтрализацией электронами. В патенте US-A-5 241 244 описан так называемый ионный двигатель малой тяги решетчатого типа. В этом устройстве газообразное топливо сначала ионизируется, затем образовавшиеся ионы вытягиваются из плазмы и ускоряются электромагнитным полем, созданным между решетками. Путем изменения полярности на решетчатой системе вместо ионов из разрядной камеры можно извлекать электроны. Путем соответствующего выбора времени экстракции ионов и электронов и/или значения напряжений на потенциальных контактах для обеих фаз извлечения можно установить поток электронов, эквивалентный ионному потоку по количеству зарядов.
Разрабатываются также перспективные двигатели на основе плазменной магнитогидродинамики (Magneto Plasma Dynamic Thruster (MPD), Variable Specific Impulse Magneto Plasma Rocket (VASIMR), Pulsed Inductive Thruster (PIT), с ионизацией индуктивно связанной плазмой (ICP), с неоднородным МП). В патенте US В6334302 описан магнитоплазменный ракетный двигатель с переменным удельным импульсом (VАSIMR). В этом двигателе используется трехступенчатый процесс подачи, разогрева и управляемого истечения плазмы из магнитной амбиполярной ловушки. Источником плазмы является геликонно-волновой генератор, а нагревателем плазмы служит циклотронный генератор. Сопло совмещено с радиально расходящимся МП, ионизированные частицы двигаются по раскручивающимся спиралям вдоль расходящихся силовых линий магнитного поля, где энергия азимутального дрейфа преобразуется в продольную энергию. Этот тип двигателя имеет скорость истечения порядка 10-30 км/с и тягу 50-1000 мН. В обычных ИД лишь небольшое количество ионов достигает системы вытягивающих решеток, тогда как преобладающая часть образовавшихся ионов рекомбинирует на стенках ионизационной камеры. Лишь те ионы, которые достигают систему вытягивающих решеток, доступны для создания тяги. Рекомбинация на стенках ионизационной камеры является наиболее значительным фактором потерь.
Для обеспечения нормальной работы ионных ракетных двигателей в космических условиях необходима экстракция катионов и электронов в равных количествах, чтобы ракета не заряжалась отрицательно и не тормозила ионы во время работы ионного двигателя. Компенсация (нейтрализация) пространственного заряда пучка положительных ионов в общем случае ионно-пучковых технологий осуществляется введением в поток ионов свободных электронов и/или электроотрицательных молекул или атомов, обладающих высоким сродством к электрону и большими сечениями образования отрицательных ионов при столкновении со свободными электронами соответственно. Потоки свободных электронов и электроотрицательных молекул или атомов поддерживают такими, чтобы плотность положительного заряда пучка не превышала плотности отрицательного заряда присутствующих в нем электронов и отрицательных ионов. Магнитное поле (МП) сильно воздействует на движение электронов нейтрализатора, и значительно слабее – на движение ионов. Поэтому МП требуется преимущественно для управления процессами электронной нейтрализации. Например, по способу нейтрализации объёмного заряда ионных пучков на выходе плазменного двигателя с замкнутым дрейфом электронов (Патент RU №2312471 от 2003.12.24) установлены по меньшей мере один катод- компенсатор, а также анодный блок, содержащий магнитную систему и разрядную камеру с ускорительным каналом с зонами ионизации и ускорения, который расширяется в наружном и внутреннем радиальных направлениях.
Для ионизации газообразного топлива в патенте US-A-5 241 244 предложено одновременно использовать кондиционирующее и удерживающее магнитное поле, а также переменное электромагнитное поле на частоте электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) в магнитном поле. Подобный двигатель малой тяги описан также в патенте FR-A-2 799 576, где для ионизации газа используется магнитная индукция. В патенте US В6293090 описан плазменный радиочастотный (РЧ) двигатель малой тяги, в котором вместо использования поля ЭЦР плазма создается нижнегибридной волной.
В патенте USA 6205769 заявлены электротермические микроволновые двигатели малой тяги. Эти двигатели малой тяги основаны на нагреве газообразного топлива микроволновым полем. Нагретый газ выбрасывается через сопло, создавая тягу. Этот тип двигателя малой тяги имеет скорость истечения около 9-12 км/с и тягу от 200 до 2000 Н.
Изобретение RU 2543103 C2 относится к высокочастотным ионным двигателям (ВЧ ИД) с индукционным возбуждением разряда в газоразрядной камере. В патенте US А3571734 газ подают в цилиндрический резонатор, который подвергают воздействию аксиальных и радиальных магнитных полей. Для ионизации газа прикладывают электромагнитное поле на частоте ЭЦР. В японских двигателях ионизация ксенона происходит в СВЧ-разряде (патент Японии JP 2856740 В2 от 09.06.1988 г.). Наряду с этими устройствами разрабатываются, производятся и эксплуатируются ИД с разрядом постоянного тока (патент РФ №2191291). ИД содержит газоразрядную камеру (ГРК), имеющую форму цилиндра с конической задней стенкой. К стенкам ГРК через изоляторы крепятся аноды. Магнитное поле создается с помощью электромагнитов, расположенных снаружи ГРК. Конфигурация магнитного поля задается тремя полюсными наконечниками. Внутри катодного полюсного наконечника расположен полый катод. Эмиттер выполнен из гексаборида лантана. Рабочее тело (ксенон) подается в ГРК через коллектор, расположенный в группе плазменного, ускоряющего и замедляющего электродов. Замедляющий электрод выполнен в виде кольца, охватывающего весь ионный пучок. Снаружи расположен катод-нейтрализатор. Согласно аналогу RU 2585340 C1, газоразрядный узел является основной частью ВЧ ИД, с помощью которой обеспечивается генерация плазмы в газообразной рабочей среде, а также извлечение и дальнейшее ускорение потока ионов. Газоразрядный узел, входящий в состав ВЧ ИД, подключается к системам подачи рабочего тела, электропитания и управления. Газоразрядный узел включает в свой состав газоразрядную камеру, устройство ввода энергии в разрядный объем камеры и электроды ионно-оптической системы, расположенные у выходного среза газоразрядной камеры. На выходе из газоразрядного узла устанавливается нейтрализатор (компенсатор) пространственного заряда генерируемого ионного потока. Источник ионов с высокочастотным возбуждением разряда в газоразрядной камере описан в патенте GB 1214178 A (опубликован 02.12.1970). Газоразрядный узел содержит газоразрядную камеру конической формы, выполненную из кварцевого стекла. Входной патрубок камеры соединен с системой подачи рабочего газа. С внешней стороны газоразрядной камеры установлен медный индуктор, выполненный в виде спирали, охватывающей камеру. Токоподводы спирали подключены к высокочастотному источнику электропитания (ВЧ генератору). С помощью индуктора осуществляется ввод энергии в разрядный объем камеры через прозрачные для электромагнитного поля стенки камеры и возбуждение индукционного высокочастотного разряда в среде рабочего газа. В устройствах с индукционным возбуждением электрического разряда индукторы могут размещаться в среде диэлектрика, контактирующего с газоразрядной плазмой (патент RU 2503079 C1, опубликован 27.12.2013). Индуктор выполняется в виде электропроводящей трубки, через которую прокачивается охлаждающая среда (жидкость или газ). В качестве диэлектрика, в котором устанавливается индуктор, используется кварцевое стекло или керамика. В патенте US 8864935 B2 (опубликован 21.10.2014) описан газоразрядный узел источника ионов с газоразрядной камерой, стенки которой выполнены из материала, проницаемого для электромагнитного поля, в частности из кварцевого стекла. В патенте RU 2 445 510 C2 в ЭРД с магнитным полем названы формально без описания достаточных конструктивных отличительных признаков устройства: ионизатор поверхностный контактный; ионизатор, способный подвергать абляции и ионизации твердое РТ; источник, способный фокусировать излучение на поверхности твердого РТ; источник, способный фокусировать электронный пучок на поверхности твердого РТ; источник электромагнитного поля с длиной волны менее 5 мм, действующий на РТ. В патенте US А4641060 и US А5442185 обсуждаются плазменные ЭЦР генераторы, относящиеся к другой области, которые используются для вакуумной накачки или для имплантации ионов. Еще один пример подобного плазменного генератора описан в US А3160566. Изобретение 2 525 442 C2 относится к плазменному генератору и также к способу управления плазменным генератором путем контроля образовавшейся в плазменном генераторе плазмы с помощью высокочастотного переменного электрического или электромагнитного поля. При применении плазменного генератора в высокочастотном ионном двигателе подаваемый в ионизационную камеру рабочий газ (рабочая текучая среда), называемый также ионным топливом, ионизируется с помощью переменного электромагнитного поля и затем для создания тяги ускоряется в электростатическом поле системы вытягивающих решеток, предусмотренной с открытой стороны ионизационной камеры. Ионизация происходит в ионизационной камере, окруженной катушкой. В катушке протекает переменный ток высокой частоты.
В группе аналогов ЭРД с электронной нейтрализацией, источниками магнитного поля и различными способами ионизации различных видов РВ представлены также разные способы и устройства для ускорения частиц.
В патенте USА 3 571 734 газ подают в цилиндрический резонатор, который подвергают воздействию аксиальных и радиальных магнитных полей. Для ионизации газа прикладывают электромагнитное поле на частоте ЭЦР. Интенсивность магнитного поля уменьшается вдоль оси резонатора, поэтому ионизированные частицы движутся вдоль этой оси. Скорость истечения составляет около 60 км/с, однако плотность потока тяги очень низкая, обычно ниже 1,5 Н/м2. В патенте US-А-3 425 902 магнитная ловушка с магнитными зеркалами имеет максимальную величину поля на обоих концах камеры, в которой ионизируются газы. В заявке на Европейский патент ЕР-03290712 описан подобный ракетный двигатель малой тяги с использованием тяги, создаваемой пондеромоторной магнитной силой. Изобретение RU 2 411 393 C2 относится к области космического аппаратостроения и может быть использовано для ускорения устройств, движущихся в космосе в условиях высокого вакуума. Известен ионный двигатель Deep Space, использующий в качестве рабочего вещества ионы Хе, ускоренные потенциалом 400 В. Недостатком данного двигателя является использование низкого ускоряющего потенциала, что существенно ограничивает достижимую величину тяги при малых расходах эжектируемой массы. В ионном двигателе Европейского Космического Агентства DS4G ускорение ионов Xe производится потенциалом 30 кВ через последовательно размещенные четыре решетчатых электрода с тысячей миллиметровых согласованных отверстий в каждой, с общим током примерно 100 мА. Такое устройство мало пригодно для применения в условиях использования больших разностей потенциалов, так как чревато опасностью частых пробоев или быстрым разрушением ускоряющих решеток (из-за облучения их быстрыми рассеянными ионами). Необходимость малого расхода экстрагируемой массы, максимальной износостойкости источника ионов в длительных полетах при одновременном обеспечении больших значений величины тяги требует значительного увеличения скорости истечения массы, в данном случае существенного увеличения ускоряющей ионы разности потенциалов. Если принять за норму расхода массы величину тока ионов Хе порядка 200 мА, что соответствует (при эффективности использования массы 50%) расходу массы 16.5 кг за год, при ускоряющем ионы потенциале 100 кВ тяговое усилие составит 0.1 Н и удельный импульс 3.8·105 сек. Указанные выше токи не могут быть получены в результате отбора ионов из плазмы источника ионов через приосевое круглое отверстие (как это обычно делается) из-за ограничения, накладываемого объемным зарядом ионов. Известен и нашел техническое применение источник ионов с кольцевой разрядной камерой и с ускорением ионов до энергий в нескольких КэВ в узком промежутке между электродами с одновременной компенсацией объемного заряда ионов электронами на выходе из источника (патент US 4122347).
В группе аналогов ЭРД с электронной нейтрализацией, источниками магнитного поля, с различными способами ионизации разных видов РТ, разными способами и устройствами для ускорения частиц представлены устройства с дополнительными электродами. Известен плазменный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, содержащий разрядную камеру с наружной и внутренней кольцеобразными стенками, образующими ускорительный канал, магнитную систему, включающую по меньшей мере один источник магнитодвижущей силы, магнитопровод, наружный и внутренний с центральным отверстием магнитные полюса, образующие рабочий межполюсный зазор с внутренней областью, простирающейся внутри ускорительного канала, и внешней областью, простирающейся за пределами выхода ускорительного канала, анод-газораспределитель рабочего газа, расположенный в донной части полости разрядной камеры, и по меньшей мере один катод-компенсатор, размещенный в центральной полости магнитной системы и содержащий поджигной электрод с центральным отверстием (патент РФ №2030134, Н05Н 1/54, F03H 1/00). В ЭРД по изобретению RU 2 426 007 C1 для улучшения плавности режима запуска за счет устранения одной из основных причин возникновения колебаний в разрядной цепи поджигной электрод катода-компенсатора выполнен дискообразной формы из магнитопроводящего материала и размещен соосно с внешней стороны на внутреннем магнитном полюсе. Изобретение RU 2 429 591 C2 заявляет вытягивание электронов из плазмы газового разряда, возможно с добавлением паров цезия, а также с дополнительной энергией, поступающей от лазерной свечи, и направленное движение вытягиваемых электронов в область нейтрализации катионов рабочего вещества. Электронный нейтрализатор в данном аналоге не определяет взаимное пространственное и временное расположение рабочего потока катионов и вытянутого пучка электронов. Другие аналоги, - USA 6195980, 6336318, 6870321, RU 2520270, 2454046, 2410567, 2287203, 2458490, 2429591, 2092983, 2168793, 2173001, 2585340, - имеют подобные недостатки и ограничения.
Каждый известный аналог представляет собой ионно-плазменное электродвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата, имеющее накопитель с рабочим телом в нем, реакторную камеру, подключенную к указанному накопителю, оснащенную электродами для преобразования структуры, ионизации, ускорения и нейтрализации частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля (ЭМП). В группе аналогов ЭРД/ИД используются управляемые ионно-плазменные, электро-разрядные, лазерные, и другие подобные реакции на основе использования ЭМП. По способу перевода рабочего тела в газофазное ионизованное состояние ЭРД/ИД разделяют на 3 группы по типу генерации ЭМП: на основе разряда постоянного тока, ВЧ-разряда или СВЧ-разряда. ЭМП обладает приемлемой эффективностью на этапе ионизации, ускорения и нейтрализации частиц для ряда веществ, но не на этапе преобразования структуры, и только для ограниченного круга избранных веществ. Не реализованы более эффективные технологии, в частности, акустических волн, универсальные по отношению к рабочему веществу, позволяющие осуществлять наиболее интенсивные фазовые преобразования рабочего вещества, эффективно и контролируемо изменять его структурный и зарядовый состав. В результате устройство не является универсальным по отношению к рабочим телам, способно работать только с ограниченным количеством разных типов рабочих тел, а также имеет усложненную конструкцию. Используются дорогие дефицитные инертные газы, в основном, Xe, применение которых не позволит расширить перспективы космических программ. Все расходные рабочие вещества двигателей помещаются на борт до наземного старта или во время полета в атмосфере, что сокращает массу полезного груза и повышает ее стоимость. Бортовой запас газов требует использования массивных контейнеров и дистанционно управляемых газовых распределителей высокого давления, что существенно снижает полезную нагрузку и надежность.
Из-за отсутствия подходящих технологий не используются возобновляемые ресурсы, которые можно получить забором природных веществ из доступных космических тел в ходе экспедиций. Проблемы доставки и возобновления бортовых материальных ресурсов при полете в космическом пространстве ограничивают эффективность, срок службы, безопасность и надежность космических экспедиций и аппаратов, приводят к существенному повышению стоимости экспедиций.
Новизна предлагаемого решения основана на использовании технологий, устройств и веществ, которые ранее не использовались для получения реактивного импульса аппаратов в открытом космическом пространстве.
Известно, что наиболее высокой эффективностью и универсальностью преобразования структуры веществ, их разделения на частицы, а также ионизации, обладают акустические поля и волны (АВ), в том числе звуковые, ультразвуковые и гиперзвуковые [Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. Звуковые и ультразвуковые волны большой интенсивности. — 1966. — 519 с.; Голямина И.П., ред. / Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия. 1979. -400с.; Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М., Наука, 1981г.; Такер Дж., Рэмптон В. Гиперзвук в физике твердого тела. М.:Мир, 1975, 416 с. ; Васильев А.Н., Гайдуков Ю.П. Электромагнитное возбуждение звука в металлах. // УФН 1983. Т. 141, №3. С. 431-467.; Цыбин О.Ю. Способ получения мелкодисперсных частиц вещества в электронном вакуумном приборе. А.с.№1547596, приоритет от 1 июля 1987 года, рег. 1.11.89г.].
Акустические поля и волны можно возбуждать с помощью известных устройств в твердых телах, жидкостях и газах. Устройство источника акустической волны основано на преобразовании электрической энергии в кинетическую энергию движения атомов, молекул, других частиц вещества в звуковом, ультра-, и гипер- звуковом диапазонах. Механизмы такого преобразования известны, они включают электромагнитный, электромеханический, магнитострикционный, пьезоэлектрический, магнитодинамический, десорбционный, ионно-распылительный, вибрационный и т.п. В результате осуществляются разделение веществ на микрочастицы, капли, газовые струи, измельчение твердых тел независимо от их природы, кавитационное дробление, формирование и фокусировка струйных потоков частиц, катализ физико-химических реакций, ионизация и ускорение частиц рабочего тела, в том числе диссоциативная ионизация путем разделения молекул (реакция сонохимии), десорбция со стенок, снижение потерь, происходящих из-за адсорбции и рекомбинации на стенках.
Сущность изобретения состоит в том, что в ЭРД/ИД встроен генератор с излучателем АВ, при этом АВ может воздействовать целенаправленно на рабочее тело и на все рабочие процессы в накопителе и реакторной камере. Применение АВ позволяет существенно улучшить характеристики ЭРД/ИД, в частности, обеспечивает:
- повышенную интенсивность и разнообразие процессов фазового преобразования рабочих тел, улучшает параметры движения, снижает стоимость и сложность космического аппарата;
- пониженную рекомбинацию на стенках ионизационной камеры, которая в аналогах и прототипе является наиболее значительным фактором потерь;
- использование на борту в качестве запасенного твердого рабочего тела не применявшиеся в аналогах растворы, металлы, сплавы, полупроводники, диэлектрики и другие вещества в различных структурных формах;
- использование разнообразных природных естественных материалов, в том числе забираемых с космических тел в ходе экспедиций, а также изготовленных из них порошков из микрочастиц, в том числе метаматериалов и композитов.
Наиболее близким к заявленному двигателю по устройству и способу функционирования является прототип: эрозионный импульсный плазменный ускоритель согласно изобретению по патенту РФ 2516011. Изобретение по патенту РФ 2516011 относится к плазменной технике и к плазменным технологиям, и может использоваться в импульсных плазменных ускорителях, применяемых, в частности, в качестве электроракетных двигателей. Между разрядными электродами установлены две диэлектрические шашки, выполненные из абляционного материала, в котором осуществляется электрический разряд. Технический результат достигается за счет равномерного испарения рабочего вещества с рабочей поверхности диэлектрических шашек.
Недостатки прототипа состоят в том, что 1) термическое испарение не обладает достаточной эффективностью фазового преобразования твердого тела, в том числе скоростью, универсальностью, хорошим кпд, что не позволяет использовать иные материалы, кроме определенных и подготовленных по специальной технологии; 2) испарительные реакции не создают направленного движения продуктов с выделенной скоростью; 3) разрядные электроды и необходимый абляционный материал на борту должны быть запасены перед полетом, подготовлены и заложены в накопитель предварительно до запуска аппарата с Земли, а при доставке на орбиту становятся дорогостоящими, дефицитными и не допускают замены; 4) происходят большие потери энергии на выделение тепла как из самого РТ, так и из нагреваемых окружающих элементов.
Задачей настоящего изобретения является создание ионно-плазменного электродвигательного реактивного двигателя, имеющего более простую и дешевую в изготовлении конструкцию, более эффективную и надежную при эксплуатации в составе космического аппарата. Согласно предлагаемому изобретению, должен быть достигнут суммарный положительный эффект в увеличении ресурса, повышении надежности, стабильности и эффективности тяговых характеристик, эффективности использования рабочего вещества и собственно двигателя. Данная задача решена в вариантах конструкции и соответствующих способах эксплуатации ЭРД/ИД, охарактеризованных в п.п.1-9 Формулы.
На Фиг.1 показано схематическое изображение ЭРД/ИД с примерами установки акустических излучателей: 1- накопитель рабочего тела; 2- канал транспортировки с электродом для преобразования структуры рабочего тела; 3- акустический излучатель, подключенный к электроду в канале 2; 4- область ионизации, содержащая электроды для создания электромагнитного поля; 5- акустический излучатель, подключенный к электродам в области ионизации; 6- ускоритель ионов, содержащий электроды для создания электромагнитного поля; 7- камера выхода ионного потока из двигателя, содержащая электроды для создания электромагнитного поля и нейтрализации заряда выходящего потока; 8 - акустический излучатель, подключенный к электродам в камере выхода 7. Штрих-пунктиром показана область реакторной камеры. В случае необходимости, в камере 7 может быть создано магнитное поле для управления движением электронов. Указанные на Фиг.1 канал транспортировки 2 с электродом для преобразования структуры рабочего тела и акустический излучатель 3, подключенный к электроду в канале 2, образуют встроенный промежуточный активный узел, содержащий источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору. Подобные активные узлы составляют акустические излучатели 5, 8. Активирующий генератор передает энергию на акустические излучатели 3, 5, 8, при этом находится независимо в реакторной камере или вне ее.
Согласно п.1 Формулы, задача решается следующим образом: в область, находящуюся в основном между накопителем и реакторной камерой, встроен промежуточный активный узел, содержащий источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору. Недостатки прототипа устранены в данном изобретении за счет интенсификации процессов, происходящих в поле волны акустического облучателя.
Согласно п.2 Формулы, реакторная камера подключена более чем к одному указанному накопителю различных указанных рабочих тел, причем имеется не менее одного указанного промежуточного активного узла, содержащего источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору, становится возможным создавать в реакторной камере в газовой фазе наиболее выгодную композицию различных рабочих тел.
Согласно п.3 Формулы, промежуточный активный узел в области в основном между накопителем и реакторной камерой содержит более, чем один источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору, становится возможным создавать одновременно несколько видов акустических волн, в том числе на разных частотах для обеспечения требуемых резонансов.
Согласно п.4 Формулы, хотя бы один электрод в реакторной камере изготовлен из рабочего тела, что позволит заменять электроды во время экспедиции обитаемого аппарата, изменять их форму для выбора оптимального режима в текущей обстановке.
Согласно п.п.5-6 Формулы, принципиальную новизну имеют предлагаемые технологии переработки природных материалов космических тел in-situ с помощью акустических технологий. Рабочее тело может быть изготовлено, например, ультразвуковыми технологиями или ионным фрезерованием из натуральных природных материалов, принадлежащих космическим телам в их естественном виде. Электроды также могут быть изготовлены из твердых растворов, металла, углерода, кремния, другого твердого тела, в том числе из отходов бортовой деятельности, космического «мусора», природных материалов космических тел в том числе с использованием аддитивных технологий (3D принтеры). Наиболее распространенные природные сырьевые материалы включают в себя твердотельный планетный или астероидный реголит (слой почвы), а также скалы, почвы, лед, и другие вещества, состоящие из кислорода, силикатов и металлов. В случае применения акустических технологий обработки, имеющиеся на поверхности космических тел природные материалы, обеспечивают достаточно широкий набор возможностей.
Согласно п.7 Формулы, из природных материалов может быть приготовлен порошок, состоящий из микрочастиц. Такие частицы размером менее 1-10 мкм, составляющие рабочее тело, могут быть на следующем этапе в реакторной камере преобразованы в ускоренный нейтральный или ионизованный поток, обеспечивающий реактивный импульс движения.
Согласно п.8 Формулы, встроенный промежуточный активный узел, содержащий источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору, расположен преимущественно в области ионизации. Акустическая волна ускоряет реакцию ионизации, что позволяет использовать частицы факела с более высокой скоростью, повышая тем самым импульс движения космического аппарата.
Согласно п.9 Формулы, встроенный промежуточный активный узел, содержащий источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору, расположен преимущественно в области нейтрализации. Акустическая волна ускоряет реакцию эмиссии электронов, и, соответственно, нейтрализации, что позволяет использовать частицы факела с более высокой скоростью, повышая тем самым импульс движения.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Устройство по п.п.1-7 Формулы работает как двухэтапный ионно-плазменный двигатель. При включении генератора акустическая волна действует на рабочее тело, поступающее в реакторную камеру, производит или интенсифицирует его преобразование в газофазный поток частиц, усиливает ионизацию с образованием положительных (или отрицательных) ионов.
На первом этапе в реакторной камере нейтральные частицы рабочего тела в поле акустической волны приобретают направленную скорость, и формируемый поток направляется дальше на второй этап. Значение скорости определяется заданным размером частиц и акустическим давлением. Предварительная фокусировка нейтральных частиц упрощает дальнейшие процедуры ионизации и ускорения. Возможна совмещенная с первым этапом ионизация в поле акустической волны. Например, при использовании адсорбции рабочего тела (газа, жидкости, частиц твердого тела) на поверхности ультразвукового или гиперзвукового излучателя инициируются, как варианты: десорбция положительно ионизованных атомов; диссоциативная ионизация молекул и десорбция разделенных катионов/анионов; передача механического импульса микрочастицам с одновременной их туннельной ионизацией.
Устройство по п.8 Формулы работает как форсированный ионно-плазменный двигатель. При включении генератора акустическая волна действует на рабочее тело, поступившее в реакторную камеру в газовой фазе, в области ионизации, тем самым ускоряет процессы ионизации, повышает зарядовое состояние, увеличивает скорость факела и удельный импульс двигателя.
Например, создается эффект ультразвуковой кавитации в плотном потоке частиц, вызывающий разделение зарядов.
Устройство по п.9 Формулы работает как форсированный ионно-плазменный двигатель. При включении генератора ультразвуковая акустическая волна действует на ионный поток и на источник нейтрализующих частиц, ускоряет тем самым процессы нейтрализации, увеличивает скорость факела и удельный импульс двигателя.
Например, происходит возрастание поверхностной температуры и усиление термоэмиссии катода при возбуждении ультразвуковой акустической волны на его поверхности.
Рассмотрим конкретные примеры реализации устройства и его режимов с каждым типом рабочего тела. При использовании атомного (водород, азот, ксенон, криптон и т.п.) или молекулярного газа (метан, этан, другие углеводороды), находящегося в сжатом виде в накопителе, в канале транспортировки на поверхности твердотельного электрода возбуждается ультразвуковая волна на частотах 10 – 50 кГц мощностью 10-100 Вт. Температура газа при этом повышается на 100 – 1000 градусов Кельвина и более в объеме до 1-10 см3, что существенно увеличивает вероятность ионизации и снижает потери частиц, не испытавших ионизации и последующего ускорения. Запасенная масса рабочего тела расходуется более экономно, выигрыш в ее использовании для создания импульса движения может составить до 10-20 %.
При использовании рабочего тела в виде жидкости, например, спиртов, кетонов, эфиров и т.п. веществ, в канале транспортировки в молекулярной пленке на поверхности твердотельного электрода в объеме 0,1-0,2 см3 возбуждается ультра или гиперзвуковая волна на частотах 0,1 – 10 МГц мощностью 1-100 Вт. Происходят быстрый рост акустического давления и температуры в пленке молекул жидкости на поверхности электрода, интенсивное испарение, быстрая десорбция и поверхностная ионизация, в частности, в соответствии с формулами Саха-Ленгмюра, а также диссоциативная ионизация. Жидкость трансформируется в парогазовую фазу, при определенных условиях содержащую большую долю заряженных частиц. Такая кинетическая парогазовая плазма может быть эффективно ускорена электрическим полем в том числе без дополнительной ионизации.
При использовании твердого рабочего тела, например, в виде кристаллического вещества (иод, твердые углеводороды), в канале транспортировки возбуждается ультра или гиперзвуковая волна на частотах 1 – 100 МГц мощностью 1-200 Вт, которая вызывает быстрое разрушение и диспергирование поверхностного слоя, его преобразование в плазму наночастиц, в том числе ионизованных, подготовленных для дальнейшего ускорения. При использовании иных твердых веществ, например, природных (реголиты, базальты, другие минералы) в виде микро- и нано- порошков, в объеме порошка возбуждается звуковая волна на частотах 1-10 кГц мощностью 0,1-10 кВт, что создает факел ускоренных и частично ионизованных микрочастиц, которые могут быть ускорены электрическим полем.
В камере ионизации и в камере нейтрализации акустическая волна обеспечивает рост температуры, увеличение длины пробега и, следовательно, вероятности ионизации/нейтрализации частиц парогазовой плазмы.
В случае жидких и твердых рабочих тел полезная масса увеличена за счет исключения массивного контейнерного накопителя сжатого газа. Расход электрической энергии на возбуждение акустических волн составляет не более 5-10 % от полных затрат бортовой энергии и перекрывается положительным эффектом эксплуатации двигателя.
Суммарный положительный эффект от применения вариантов конструкции и способов эксплуатации согласно предлагаемому изобретению заключается в увеличении ресурса, повышении надежности, стабильности и эффективности тяговых характеристик, эффективности использования рабочего вещества и собственно двигателя.
Изобретение относится к ионно-плазменному, или ионному электроракетному двигателю, используемому для управляемого перемещения летательных аппаратов в космическом вакууме, в том числе орбитальных спутников. Ионно-плазменное электродвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата содержит накопитель с рабочим телом в нем, реакторную камеру, подключенную к указанному накопителю, оснащенную электродами для преобразования структуры, ионизации, ускорения и нейтрализации частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля. При этом в области в основном между указанным накопителем и указанной реакторной камерой имеется встроенный промежуточный активный узел, содержащий источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору. Технический результат – увеличение ресурса, повышение надежности, стабильности и эффективности тяговых характеристик, эффективности использования рабочего вещества и собственно двигателя. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.
1. Ионно-плазменное электродвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата, имеющее накопитель с рабочим телом в нем, реакторную камеру, подключенную к указанному накопителю, оснащенную электродами для преобразования структуры, ионизации, ускорения и нейтрализации частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля, отличающееся тем, что в области в основном между указанным накопителем и указанной реакторной камерой имеется встроенный промежуточный активный узел, содержащий источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанная реакторная камера подключена более чем к одному указанному накопителю различных указанных рабочих тел, причем имеется не менее одного указанного промежуточного активного узла, содержащего источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору.
3. Устройство по пп.1, 2, отличающееся тем, что промежуточный активный узел в области в основном между указанным накопителем и указанной реакторной камерой содержит более чем один источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору.
4. Устройство по пп.1-3, отличающееся тем, что хотя бы один указанный электрод в указанной реакторной камере изготовлен из указанного рабочего тела.
5. Устройство по пп.1-4, отличающееся тем, что указанное рабочее тело изготовлено из натуральных природных материалов, принадлежащих космическим телам в их естественном виде.
6. Устройство по пп.1-4, отличающееся тем, что указанное рабочее тело изготовлено из продуктов деятельности человека на борту космического аппарата.
7. Устройство по пп.5, 6, отличающееся тем, что указанное рабочее тело изготовлено в виде порошка, состоящего из микрочастиц.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что встроенный промежуточный активный узел, содержащий источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору, расположен преимущественно в области ионизации.
9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что встроенный промежуточный активный узел, содержащий источник акустической волны, подключенный к активирующему генератору, расположен преимущественно в области нейтрализации.
| ДВИГАТЕЛЬ НА ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА | 2013 |
|
RU2619389C2 |
| ЭРОЗИОННЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ | 2012 |
|
RU2516011C1 |
| US 5475354 A, 12.12.1995 | |||
| US 4548033 A1, 22.10.1985. | |||
