Мембранный ионно-плазменный ракетный двигатель космического аппарата Российский патент 2019 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к ионно-плазменному, или ионному электроракетному двигателю, используемому для управляемого ускорения летательных аппаратов в космическом вакууме, в том числе орбитальных спутников. Подобно аналогам, реактивную тягу создают посредством факела ускоренных частиц, получаемых из рабочего тела с помощью электрической энергии, создаваемой потоком фотонов, падающих на бортовые фотоэлементы. В отличие от известных ионно-плазменных электроракетных двигателей, заявляемое устройство содержит газопроницаемую микропористую мембрану, сквозь которую проходит поток нейтральных частиц рабочего тела. Это позволяет производить многоструйную поверхностную заряженную плазму, распределенную вблизи поверхности мембраны, обращенной в область ускорения ионов. В результате повышается экономичность использования рабочего тела, увеличиваются скорость и площадь поперечного сечения ионного факела, время эксплуатации и скорость движения, снижается стоимость и сложность устройства. Новизна предлагаемого решения основана на использовании мембранных технологий, которые ранее не использовались для получения реактивного импульса космического аппарата.

Известны различные типы ионно-плазменных, или ионных электроракетных двигателей (ЭРД/ИД) для обеспечения движения космических летательных аппаратов. 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 достигается плотность тяги до 1 Н/м², скорость истечения реактивной струи от 2 км/с до более чем 50 км/с при электрической мощности до 5 кВт и более. [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.].

Каждый известный аналог представляет собой ионно-плазменное электродвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата, имеющее накопитель с рабочим телом в нем, реакторную камеру, в частности, газоразрядную камеру, подключенную к указанному накопителю, оснащенную электродами для преобразования структуры, ионизации, ускорения и нейтрализации частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля (ЭМП), систему для создания магнитного поля. Основным рабочим газом из возможных (N₂, Ar, Xe, и т.д.) служит Xe, что эффективно, но имеет большие ограничения, к которым относятся высокая стоимость и малые объемы производства газа, высокая стоимость наземных испытаний в вакуумных камерах при низких температурах, недостаток природных ресурсов для дальнейшего развития космических двигателей. Кроме инертных газов, в качестве расходуемых РТ испытывают 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, или ионных растворов - конструкция электро-распылительного источника с зарядом малых капель жидкости.

В устройствах-аналогах предлагаемого изобретения из частиц РТ создается объемная плазма, из которой экстрагируются ионы, в том числе с помощью перегородок с отверстиями. Подобные перегородки не используются в канале транспортировки нейтральных частиц РТ на участке до получения плазмы. Для зарядовой нейтрализации экстрагированных ионов после их ускорения и, соответственно, получения импульса отдачи, используют термоэмиссионные источники электронов.

Аналоги в виде ЭРД/ИД с объемной ионизацией газа и замкнутым холловским дрейфом электронов являются основными системами работающих космических аппаратов. Аналог RU 2 527 267 C2 есть ионно-плазменный реактивный двигатель с нейтрализующей электронной плазмой 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. 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. Катод-компенсатор (эмиттер электронов) установлен у среза ускорительного канала. 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 1,3 кВт.

Недостатком холловских аналогов является взаимодействие объемной плазмы с диэлектрическим покрытием стенок и эрозией последних, что снижает срок службы и надежность. Частично этот недостаток преодолен в двигателе с анодным слоем, но возникают ограничения из-за рекомбинации объемной плазмы на металлических стенках.

В патенте US В6293090 описан плазменный радиочастотный (РЧ) двигатель малой тяги, в котором объемная 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 создает скорость факела 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 электронного циклотронного резонанса (ЭЦР). В японских двигателях ионизация ксенона происходит в СВЧ-разряде (патент Японии JP 2856740 В2 от 09.06.1988 г.). 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. Источник ионов с высокочастотным возбуждением разряда описан в патенте GB 1214178 A (опубликован 02.12.1970). С внешней стороны газоразрядной камеры установлен медный индуктор, выполненный в виде спирали, охватывающей камеру, выполненную из кварцевого стекла. 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. устройство с индукционным возбуждением электрического разряда (патент RU 2503079 C1, опубликован 27.12.2013). Разрабатываются также 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 объемной 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 объемной 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 факела 10-30 км/с и тягу 50-1000 мН.

Принципиальным негативным ограничением аналогов является действие объемного заряда ионов, экранирующее электрическое поле и снижающее его возможности для ионизации и ускорения.

В аналогах реализуется воздействие ВЧ и РЧ ЭМП на вещество в газовой или жидкой фазе, но не используется активирование процессов ионизации и генерации распределенной поверхностной плазмы при воздействии на электроны в скин-слое твердого тела.

В группе аналогов с рабочим телом в виде ионной жидкости или жидкого металла использован набор капилляров или острий в количестве от единиц до сотни, где каждый капилляр или острие работает при локально большом объемном заряде. Этот подход не обеспечивает принципиального снижения указанных выше ограничивающих эффектов.

В группе аналогов ЭРД/ИД для преодоления принципиальных ограничений поля объемного заряда уменьшают плотность тока путем разделения общего ионного потока на набор парциальных струй, имеющих уменьшенное поперечное сечение. В них для ускорения ионов используют сетки и маски с согласованными макроскопическими отверстиями. Группа ИД – аналогов, в которых общий ионный поток разделяется на парциальные потоки, использует металлические сетки и решетки для экстракции ионов из объемной газоразрядной 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, создается объемная плазма, затем образовавшиеся ионы вытягиваются из плазмы и ускоряются электромагнитным полем, созданным между решетками. В патенте US 6318069 «Ion thruster having grids made of oriented pyrolytic graphite» предложено выполнять сетки трехэлектродного ионного двигателя из пиролитического графита.

Общим недостатком сеточных аналогов является взаимодействие объемной плазмы с электропроводящими стенками, сетками и решетками. 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, на сетках и решетках является наиболее значительным фактором потерь. Решетки, сетки и маски вызывают увеличение тепловой и токовой нагрузки на электроды. Ионное и плазменное распыление вызывает деградацию катодов, сеток и решеток, что сокращает срок службы.

Аналогом является устройство для ускорения потока заряженных частиц [патент на изобретение РФ №2104411], содержащее плазменный источник (газоразрядную камеру) и многолучевую ионно-оптическую систему, имеющую, по крайней мере, три электрода последовательно расположенных на удалении друг от друга, причем первый электрод (экранный) является торцевой стенкой газоразрядной камеры и заряжен положительно. Второй, ускоряющий электрод, заряжен отрицательно. Для улучшения структуры ионного потока после ускоряющего электрода устанавливают третий - замедляющий электрод, подтормаживающий наиболее быстрые ионы. Формирование многолучевого потока осуществляется за счет того, что в электродах ионно-оптической системы выполнена совокупность отдельных соосных отверстий для пролета индивидуальных ионных пучков.

Известно устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ракетном двигателе (патент на изобретение US 4838021, МПК: F03H 1/00), содержащее ионизационную камеру и ионно-оптическую систему с двумя электродами (экранный и ускоряющий), между которыми прикладывают постоянную ускоряющую разность потенциалов. Модуляцию тока многолучевого ионного потока осуществляют за счет импульсной модуляции тока разряда в ионизационной камере.

Наиболее близким аналогом, - прототипом, - является двигатель DS4G Европейского Космического Агентства [Feam D.G. "The use of ion thruster for orbit raising // J. Brit. Interplan. Soc. V.33, 1980-PP 129-137].

Согласно прототипу, перегородки с набором отверстий отсутствуют в канале транспортировки рабочего тела на участке до образования плазмы. Отличительной особенностью аналогов и прототипа является наличие перегородки с отверстиями, установленной в области между плазмой и участком ускорения ионов. Производится ускорение ионов, экстрагированных из плазмы через указанную перегородку с отверстиями. Дальнейшее ускорение экстрагированных ионов в прототипе производится через последовательно размещенные четыре решетчатых электрода с тысячей миллиметровых по диаметру согласованных по положению отверстий в каждой, с общим током примерно 100 мА. К точности согласования отверстий предъявляются высокие требования на этапах изготовления и дальнейшей эксплуатации. Недостатки аналогов и прототипа с макроскопическими отверстиями в перегородках состоят в том, что плазма проходит сквозь отверстия в перегородках, разрушая стенки указанных отверстий. Перегородки установлены на участке после образования плазмы в реакторной камере, поэтому имеется разрушительный контакт перегородки с плазмой. На участке ускорения ионов из-за высокой разности потенциалов возникают пробои и быстрые разрушения ускоряющих решеток, нарушение согласования и деградация из-за тепловой нагрузки и ионного распыления. Наибольшее количество парциальных потоков в прототипе достигается 10², что недостаточно для эффективной работы устройства. Максимум эффективности требует разделения полного ионного тока на наибольшее возможное количество парциальных потоков, распределенных по наибольшей возможной площади источника, что сложно выполнить при наличии контакта перегородки с плазмой. Другим недостатком аналогов и прототипа является также то, что в них не используется активирование процессов ионизации и генерации распределенной поверхностной заряженной плазмы, в том числе при электромагнитном облучении, а также при воздействии на электроны в скин-слое твердого тела подложки. Эффект такого воздействия, выражающийся в ионизации и десорбции, известен, и может быть эффективно использован [Мишин М.В., Цыбин О.Ю. / Десорбция ионов с поверхности металла при индуцировании импульса скин-тока. //Письма в ЖТФ, том 22, вып.4, 26 февраля 1996г., С. 21-24; Цыбин О.Ю., Цыбин Ю.О., Кравец Н.М./ Десорбция ионов при воздействии импульсов поверхностного тока на металлические и полупроводниковые образцы в вакууме. //Известия АН, Серия физическая, т.66, №8, 2002. с.1293-1206; Цыбин О.Ю. Зависимости от типа подложки и давления при электродинамической десорбции/ионизации. Вакуумная техника и технология Т.21, №1, 2011, стр. 17-20.].

Задачей настоящего изобретения является создание ионно-плазменного электродвигательного реактивного двигателя, имеющего более простую и дешевую в изготовлении конструкцию, более экономичную, в целом эффективную и надежную при эксплуатации в составе космического аппарата. Согласно предлагаемому изобретению, достигается суммарный положительный эффект в увеличении ресурса, повышении надежности, стабильности и эффективности тяговых характеристик, эффективности использования рабочего вещества и собственно двигателя.

Отличительная сущность изобретения состоит в том, что в нем для формирования потока РТ используется перегородка, установленная в канале транспортировки рабочего тела на участке от накопителя до области образования плазмы, причем указанная перегородка выполнена в виде газопроницаемой микропористой мембраны (ЭГММ). Известны ЭГММ, изготавливаемые по особым технологиям в виде диэлектрических, металлических и металлокерамических пластин [М. Мулдер, Введение в мембранную технологию, М.: Мир, 1999 г., 513с., Свитцов А.А., Введение в мембранные технологии, М.: ДеЛи принт, 2007, 280 с., М. Т. Брик, Энциклопедия мембран в двух томах, "Киево-Могилёвская академия" 2005 год - 660 стр., а также патенты РФ 2644640, 2285748, 2501597, 2523464, 2060805, 2504429, 2474466 и др.]. Пластины обычно имеют размеры поверхности порядка 1-10 см и более, макроскопическую толщину 1-5 мм и более, суммарную площадь пор от единиц до 50-80 процентов, поры различной длины и диаметра от субмкм до N=10-100 мкм. Такие ЭГММ имеют аномально высокую плотность газопропускающих микропор и за счет этого уникальные свойства по взаимодействию с потоками газа и пара, обладают высокими прочностью, стабильностью свойств, электропроводностью, химической инертностью, большим сроком службы. Достоинством металлических мембран является однородность структуры и, как следствие, размеров пор. Газопроницаемость капиллярно-пористых мембран линейно возрастает с увеличением перепада давления между входной и выходной поверхностями. Это позволяет регулировать расход рабочего тела в широком диапазоне значений.

Заявляемое устройство содержит ЭГММ, сквозь которую в реакторную камеру направляется парогазовый поток рабочего тела, падающий на входную поверхность, обращенную к накопителю. Это позволяет производить контролируемый распределенный поток рабочего газа, выходящий из микропор мембраны на ее выходную поверхность, обращенную в реакторную камеру, и создавать на развитой выходной поверхности распределенную поверхностную заряженную (не нейтральную) плазму. Благодаря применению ЭГММ, достигается компромисс увеличения плазменной поверхности при сохранении типичного поперечного сечения парциального потока. За счет микроскопического размера поры проходящие через нее каждая нейтральная частица взаимодействует со стенками мембраны с вероятностью, близкой к единице. Наибольшее достижимое количество парциальных потоков на поверхности площадью 1-10 см² достигается N=10⁴-10⁶, что значительно выше, чем в прототипе, и не получается применением иных известных конструкций. При таком высоком значении N плотность тока в парциальном потоке снижается, становятся возможны ионизация электрическим полем, усиленным на микронеоднородностях ЭГММ, в том числе диссоциативная, и ускорение образованных ионов непосредственно от поверхности.

Как вариант, устройство содержит генератор электромагнитной волны, воздействующей на мембрану. В ЭРД/ИД встроен генератор с излучателем высокочастотной (1-10 МГц и выше, в том числе в ультрафиолетовом диапазоне длин волн) электромагнитной волны (ЭМВ), при этом ЭМВ может воздействовать целенаправленно на ЭГММ, рабочее тело и на рабочие процессы в реакторной камере. В ЭРД/ИД ЭГММ позволяют пропускать требуемую часть парогазового потока, равномерно распределять эту часть потока по развитой выходной поверхности, отражать заданную его часть обратно в накопитель. Допускают подключение постоянных и переменных электрических токов.

Применение ЭГММ позволяет существенно улучшить характеристики ЭРД/ИД, и, в частности, обеспечивает:

- снижение негативных эффектов объемного заряда;

-увеличение площади поперечного сечения ионного факела без потери плотности тока;

- повышение вероятности ионизации каждой частицы и зарядового коэффициента потока;

-повышенную интенсивность и разнообразие процессов фазового преобразования рабочих тел, в том числе снижение энергозатрат на ионизацию;

- пониженную рекомбинацию на стенках ионизационной камеры, которая в аналогах и прототипе является наиболее значительным фактором потерь;

- исключает или снижает ионное распыление элементов конструкции;

- использование на борту в качестве запасенного твердого рабочего тела не применявшиеся в аналогах газы, растворы, пар и другие вещества в различных структурных формах.

Поставленная задача изобретения решена в вариантах конструкции и соответствующих способах эксплуатации ЭРД/ИД, охарактеризованных в п.п.1-7 Формулы. Ионно-плазменное электродвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата имеет накопитель с расходуемым рабочим телом в нем, реакторную камеру, соединенную каналом транспортировки рабочего тела с указанным накопителем, оснащенную электродами для ионизации, ускорения и нейтрализации частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля. Недостатки прототипа устранены в данном изобретении путем оптимизации процессов в канале транспортировки и в реакторной камере за счет введения ЭГММ, а также ее активирования с помощью ЭВ.

На Фиг.1. приведено схематическое изображение ЭРД/ИД с примером установки элементов конструкции: 1- накопитель рабочего тела; 2- канал транспортировки; 3- перегородка в виде электропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны; 4 – генератор электромагнитной волны с выходным трактом, подключенным к перегородке 3; 5- область поверхностной ионизации и плазмы; 6- область ускорения, содержащая электроды для создания электромагнитного поля; 7- камера выхода ионного потока из двигателя, содержащая электроды для создания электромагнитного поля и нейтрализации заряда выходящего потока. Штрих-пунктиром показана область реакторной камеры.

На Фиг.2. показана на примерах форма выходной поверхности мембраны. 8- дисковая; 9 – кольцевая; 10 – кольцевая комбинированная; 11- полосовая; 12- полосовая комбинированная.

Согласно п.1 Формулы, задача решается следующим образом: в указанном канале транспортировки в области в основном между указанным накопителем 1 (Фиг.1) и указанной реакторной камерой имеется встроенная перегородка 3 (Фиг.1), толщина которой h в направлении вдоль указанного канала много меньше поперечного размера H указанного канала, h<<H, выполненная в виде электропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны, в основном перекрывающей указанный канал 2 (Фиг.1), причем суммарная площадь поперечного сечения s микропор значительно меньше поперечной площади S указанного канала, s<<S.

Путем энергетического воздействия на рабочее тело в накопителе, формируется в канале транспортировки поток атомных, молекулярных, кластерных, малых и микрочастиц рабочего тела, причем размер данных частиц много меньше размера пор указанной мембраны. В отличие от известных аналогов и прототипа, в которых осуществляют электромагнитное преобразование частиц рабочего тела в объемную плазму, а затем экстрагируют ионы из плазмы через перегородку с отверстиями, в предлагаемом устройстве с помощью мембраны 3 (Фиг.1) в канале транспортировки на участке до образования плазмы при прохождении через поры мембраны осуществляются разделение потока частиц нейтрального рабочего вещества на парциальные парогазовые струи, формирование и фокусировка струйных потоков частиц, катализ физико-химических реакций, ионизация и ускорение частиц рабочего тела в области 5 (Фиг.1), в том числе ионизация электрическим полем, усиленным на микронеоднородностях мембраны, диссоциативная ионизация путем фрагментации молекул, десорбция со стенок, снижение потерь, происходящих из-за адсорбции и рекомбинации на стенках. Становится возможным создавать в реакторной камере в газовой фазе наиболее выгодную композицию различных рабочих тел. При минимальной заданной плотности ионного тока и плотности тяги площадь факела можно существенно увеличивать, и пропорционально увеличивать полную тягу. Кроме того, при увеличении площади факела (Фиг.2, от простой дисковой формы мембраны 8 переход к увеличенным по площади кольцевой 9 и полосовой 10) возможно дополнительное увеличение ускоряющего напряжения без возрастания частоты пробоев в ускоряющем зазоре. Размер поры ЭГММ в среднем значительно больше, на один-два порядка и выше, наибольшего размера частиц рабочего тела в канале транспортировки. Использование ЭГММ позволяет регулировать расход рабочего тела в широком диапазоне значений не менее трех порядков от предельно малых до наибольших, . При максимальной скорости частиц в факеле v=105 м/с сила тяги изменяется в широких пределах: . Коэффициент полезного использования массы в мембранном двигателе может достигаться около 0.8-0.9, для срока службы 104 часов при минимальной тяге потребуется бортовой запас рабочего тела приблизительно 40 Кг. Критическим ограничением для увеличения тяги и срока службы в этом случае будет являться масса запасенного топлива, а не состояние конструктивных элементов двигателя.

Согласно п.2 Формулы, указанная электропроводящая газопроницаемая микропористая мембрана подключена в виде согласованной нагрузки в выходной тракт генератора (4, Фиг.1) электромагнитной волны. Выходной тракт генератора 4 оканчивается трансформатором типа волны, в котором вторичным элементом является мембрана 3 (Фиг.1).

Согласно п.3 Формулы, указанная электропроводящая газопроницаемая микропористая мембрана 3 (Фиг.1) подключена более чем к одному генератору 4 (Фиг.1) электромагнитной волны. За счет этого можно осуществлять в одном двигателе различные режимы передачи и ионизации рабочего тела или разных рабочих тел.

Согласно п.4 Формулы, имеется более, чем один указанный канал транспортировки 2 (Фиг.1) рабочего тела в указанную реакторную камеру, каждый из которых содержит перегородку 3 (Фиг.1) в виде указанной электропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны. Становится возможным использовать одно рабочее тело из накопителя 1 (Фиг.1) по определенной программе во времени, или варьировать подачу разных рабочих тел из разных накопителей на поверхность единой мембраны 3 (Фиг.1), или разных мембран.

Согласно п.5 Формулы, указанная электропроводящая газопроницаемая микропористая мембрана изготовлена из указанного расходуемого рабочего тела.

Дополнительный ресурс тяги получается особенно ценным в том случае, когда рабочее тело изготовлено из природных материалов космических тел, доступных в космических экспедициях. При использовании твердого рабочего тела для изготовления мембраны доступны технологии, в которых материалы на начальном этапе подвергаются ионному распылению или термическому испарению с последующей конденсацией полученного пара. Подобные технологии с конденсацией не исключаются и для рабочих тел, используемых в двигателе в виде жидкостей или газов. Исходные материалы для приготовления рабочего тела и мембраны могут быть представлены также композитами, например, в виде соединенных (спрессованных, спеченных и т.п.) различных природных или синтезированных веществ.

Согласно п.6, Формулы, электропроводящая газопроницаемая микропористая мембрана имеет со стороны реакторной камеры поверхностное покрытие, изготовленное в виде неэлектропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны, что позволит повысить коэффициент ионизации в потоке прошедших частиц рабочего тела.

Согласно п.7 Формулы, указанная газопроницаемая микропористая мембрана изготовлена из диэлектрического материала, что позволяет усилить ионизацию, обеспечивая нейтрализацию факела за счет попеременной экстракции катионов и анионов.

Работу предлагаемого устройства рассмотрим на конкретных примерах реализации конструкции и рабочих режимов.

При переводе в рабочее состояние осуществляют энергетическое воздействие, например, нагрев, на рабочее тело в накопителе, формируют в канале транспортировки поток нейтральных атомных, молекулярных, кластерных, малых или микрочастиц рабочего тела.

Устройство по п.1 Формулы работает как двухэтапный ионно-плазменный двигатель. На первом этапе поток нейтральных частиц рабочего тела из накопителя 1 (Фиг.1) в канале транспортировки 2 падает на входную поверхность мембраны 3 и частично от нее отражается. Часть нейтральных частиц попадает в микропоры и передается по ним к выходной поверхности. При использовании атомарного (азот, ксенон, криптон и т.п.) или молекулярного газа (метан, этан, другие углеводороды), находящегося в сжатом виде в накопителе, в микропорах ЭГММ и в распределенном виде на выходной поверхности повышается концентрация частиц заданного химического типа. На выходной поверхности частицы попадают на краях пор в сильное электрическое поле, приложенное для ионизации и ускорения ионов. Ионизация происходит по нескольким сценариям: а) под действием автоэлектронов, в том числе горячих электронов, на границе микронеоднородностей выходной поверхности мембраны; б) поверхностная в соответствии с формулами Саха-Ленгмюра за счет электронных обменов; в) диссоциативная ионизация по схеме , г) под действием электромагнитного облучения, в том числе в ВЧ, СВЧ, ТГц, ИК, УФ диапазонах частот, на границе микронеоднородностей выходной поверхности мембраны. В области 5 образуется поверхностная заряженная плазма, состоящая из катионов и электронов, если рабочее тело – моноатомный газ, или из катионов, анионов и электронов, если рабочее тело представлено в порах как молекулярный газ или пар. На втором этапе приложенное электрическое поле, постоянное или переменное, ускоряет частицы, вызывает десорбцию и экстракцию из плазмы разделенных катионов/анионов/электронов. Такая конструкция создает требуемый выбрасываемый факел с компенсацией поля объемного заряда непосредственно в области экстракции ионов из поверхностной плазмы.

Устройство по п.2 Формулы работает как форсированный ионно-плазменный двигатель. Например, на выходе генератора 4 установлен трансформатор типа волны в виде кольцевого индуктора, внутри которого установлена мембрана, связанная с первичной цепью взаимной индуктивностью. При включении генератора 4 электромагнитная волна действует на поверхность ЭГММ, генерирует скин-ток и горячие электроны в зоне проводимости, воздействующие изнутри на указанную поверхность. Это воздействие интенсифицирует возрастание поверхностной температуры электронов и атомной решетки мембраны, поверхностную ионизацию с образованием положительных (или отрицательных) ионов, диссоциативную ионизацию молекул.

Устройство по п.3 Формулы работает как форсированный ионно-плазменный двигатель, в котором более, чем один генератор 4 подключен к одной мембране, осуществляются переключение режимов работы, управление суперпозицией скин-токов во времени и в пространстве, тем самым повышается эффективность плазмообразования, особенно при использовании в одном устройстве разных рабочих тел. Например, рабочие тела представлены молекулярными газами, паром жидкостей или твердого тела. Когда на выходной поверхности мембраны возбуждается высокочастотный скин-ток, генерирующий горячие электроны в зоне проводимости мембраны, происходят быстрый рост температуры в пленке молекул конденсированного пара на поверхности электрода, интенсивное испарение, быстрая десорбция и ионизация. Например, при использовании рабочего тела в виде атомарных или молекулярных газов, жидкости, например, спиртов, кетонов, эфиров и т.п. веществ, 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 подаче газа или пара, фрагментирующего на катионы и анионы, ускорение одновременно с нейтрализацией обеспечивается подачей переменных напряжений ускорения. В общем канале ускорения на выходе из реакторной камеры катионы и анионы чередуются во времени и обеспечивают непрерывную тягу, а суммарный средний заряд факела, состоящего из последовательности пакетов катионов и анионов, равен нулю.

В соответствии с п.4 Формулы в конструкции имеется более чем один канал транспортировки рабочего тела, подключенный к одному или к более, чем одному накопителю рабочего тела. Соответственно, имеются более, чем одна мембрана, или разные участки одной ЭГММ, находящиеся в разных условиях генерации плазм. В частности, комбинированные конструкции типа показанных на Фиг.2 (10,12) допускают одновременную генерацию ионных потоков разного знака, увеличивающую суммарную тягу при одновременной нейтрализации факела. Например, генерацию катионов на внутренней мембране и анионов на периферийной приведет к уменьшению углового раскрыва диаграммы направленности факела. Кроме того, выигрыш в увеличении тяги и сужении диаграммы направленности сопровождается значительным снижением массы и повышением надежности двигателя за счет исключения системы электронной нейтрализации.

Согласно п.5 Формулы, мембрана может быть изготовлена из композитных материалов, которые могут обеспечивать добавки в рабочее тело или полностью его создавать в процессах ионного распыления или термического испарения.

Согласно п.6 Формулы, электропроводящая газопроницаемая микропористая мембрана имеет со стороны реакторной камеры поверхностное покрытие, изготовленное в виде неэлектропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны. При воздействии электромагнитным полем на поверхность неэлектропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны, на данной поверхности возникает поверхностный разряд, который производит ионизацию частиц рабочего тела, поступающих сквозь поры обеих мембран в рабочую камеру.

Согласно п.7 Формулы, указанная газопроницаемая микропористая мембрана изготовлена из диэлектрического материала. При воздействии электромагнитным полем на поверхность диэлектрической газопроницаемой микропористой мембраны, на данной поверхности возникает поверхностный разряд, который производит двухполярную ионизацию частиц рабочего тела, поступающих сквозь поры мембраны в рабочую камеру. Приложение переменного по знаку ускоряющего напряжения создает периодическую экстракцию попеременно катионов и анионов, при которой создается постоянный импульс тяги, факел частиц в среднем нейтральный, а средний потенциал мембраны равен нулю.

Суммарный положительный эффект от применения вариантов конструкции и способов эксплуатации согласно предлагаемому изобретению заключается в исключении дорогих дефицитных инертных газов, применение которых не позволяет расширить перспективы космических программ; увеличении ресурса, повышении надежности, стабильности и эффективности тяговых характеристик, эффективности использования рабочего вещества и собственно двигателя. Преодолеваются общие недостатки ЭРД/ИД: низкая воспроизводимость импульсов тяги, малая надежность включения после паузы, недостаточная достижимая длительность импульса, ограниченный ресурс работоспособности.

Изобретение относится к ионно-плазменному, или ионному электроракетному двигателю, используемому для управляемого ускорения летательных аппаратов в космическом вакууме. Заявляемое устройство содержит газопроницаемую микропористую мембрану, сквозь которую проходит поток нейтральных частиц рабочего тела. Это позволяет производить многоструйную поверхностную заряженную плазму, распределенную вблизи поверхности мембраны, обращенной в область ускорения ионов. В результате повышается экономичность использования рабочего тела, увеличиваются скорость и площадь поперечного сечения ионного факела, время эксплуатации и скорость движения, снижается стоимость и сложность устройства. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ионно-плазменное электродвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата, имеющее накопитель с расходуемым рабочим телом в нем, реакторную камеру, соединенную каналом транспортировки потока нейтральных атомных, молекулярных, кластерных, малых или микрочастиц рабочего тела с указанным накопителем, оснащенную электродами для ионизации и ускорения частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля, отличающееся тем, что в указанном канале транспортировки в области в основном между указанным накопителем и указанной реакторной камерой имеется встроенная перегородка, толщина которой h в направлении вдоль указанного канала много меньше поперечного размера H указанного канала, h<<H, выполненная в виде электропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны, в основном перекрывающей указанный канал, причем средний поперечный размер каждой микропоры указанной мембраны много больше наибольшего размера указанных нейтральных частиц, а суммарная площадь поперечного сечения s микропор много меньше площади поперечного сечения S указанного канала, s<<S.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанная электропроводящая газопроницаемая микропористая мембрана подключена в виде согласованной нагрузки в выходной тракт генератора электромагнитной волны.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанная электропроводящая газопроницаемая микропористая мембрана подключена более чем к одному генератору электромагнитной волны.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что имеется более чем один указанный канал транспортировки рабочего тела в указанную реакторную камеру, каждый из которых содержит перегородку в виде указанной электропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанная электропроводящая газопроницаемая микропористая мембрана изготовлена из указанного расходуемого рабочего тела.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанная электропроводящая газопроницаемая микропористая мембрана имеет со стороны реакторной камеры поверхностное покрытие, изготовленное в виде неэлектропроводящей газопроницаемой микропористой мембраны.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанная газопроницаемая микропористая мембрана изготовлена из диэлектрического материала.