ПЛАЗМЕННО-РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2020 года по МПК F02K9/00 F03H1/00 

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения на жидком топливе с применением плазмы.

Пока люди ступили только на Луну, высадка на дальние объекты была зарезервирована только для беспилотных летательных аппаратов и роботов.

Одно люди очень заинтересованы в посещении Марса и др. планет. Помимо реальных проблем приземления и больших затрат существует проблема длительности полета. В среднем, до Марса около 225,3 миллиона километров от Земли. Даже в ближайшей точке он все еще находится на расстоянии около 56,3 миллионов километров от нашей планеты. Используя обычные химические ракеты, которые переносят нас в космическое пространство, потребуется не менее семи месяцев, чтобы добраться туда - не совсем короткий промежуток времени. Есть ли способ сделать это быстрее? Да! С применением плазменных ракетных двигателей!

В этом типе двигателей используется сочетание электрических и магнитных полей для разрушения атомов и молекул пропеллентов в коллекцию частиц, которые имеют либо положительный заряд (ионы), либо отрицательный заряд (электроны). Другими словами, газ-пропеллент становится плазмой.

Во многих конфигурациях этого двигателя затем применяется электрическое поле для извлечения ионов из задней части двигателя, которые обеспечивают тягу космическому аппарату в противоположном направлении. Благодаря этой технологии, космический корабль мог теоретически достичь скорости 198 000 км/ч. В итоге Марс можно достичь за 40 дней.

Плазма: четвертое состояние материи

Мир обычно состоит из веществ в трех состояниях: твердые, жидкие и газообразные. Когда вещество холодное, оно твердое. Когда оно нагревается, то превращается в жидкость. Когда тепла еще больше, вы получаете газ. Однако история не заканчивается. Когда вы добавляете еще больше тепла, вы получаете плазму! Дополнительная энергия и тепло разрывают нейтральные атомы и молекулы в газе в типично положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Заряженные частицы придают плазме интересные проводящие свойства, поэтому плазменная технология используется для изготовления всех видов предметов, которые мы используем каждый день. С помощью плазменной технологии создаются компьютерные чипы, неоновые вывески, даже металлическое покрытие на внутренней стороне пакета картофельных чипсов. И, конечно же, есть плазменный телевизор, который использует плазму для выпуска световых фотонов, что дает вам цветное изображение из пикселей на экране. Фактически, 99% обычной материи во Вселенной находится в состоянии плазмы.

Большинство звезд, включая наше Солнце, сделаны из плазмы.

Плазменная технология также используется в ракетах, чтобы помочь нам преодолевать космическое пространство, и она обещает доставить людей в места, о которых мы могли только мечтать. Эти ракеты должны находиться в вакууме космического пространства для работы, поскольку плотность воздуха вблизи земной поверхности замедляет ускорение ионов в плазме, необходимых для создания тяги, поэтому мы не можем фактически использовать их для старта с Земли. Однако некоторые из этих плазменных двигателей работают в космосе с 1971 года. NASA обычно использует их на Международной космической станции и спутниках, а также для основного источника для движения в глубокое пространство.

Типы плазменных ракет

Все плазменные ракеты работают по одному и тому же принципу: электрические и магнитные поля работают бок-о-бок, чтобы сначала преобразовать газ - обычно ксенон или криптон - в плазму, а затем ускоряют ионы в плазме из двигателя со скоростью более 72 400 км/ч, создавая тягу в направлении желаемого путешествия. Существует много способов, которыми эта формула может быть применена для создания рабочей плазменной ракеты, но есть три типа, которые выделяются как лучшие и наиболее перспективные.

Двигатель Холла является одним из двух типов плазменных двигателей, которые в настоящее время используются регулярно в космосе. В этом устройстве электрические и магнитные поля устанавливаются перпендикулярно в камере. Когда электричество посылается через эти дуэльные поля, электроны начинают крутиться. Когда газ-пропеллент проникает в устройство, высокоскоростные электроны выбивают электроны из атомов в газе, создавая плазму, состоящую из свободных электронов (несущих отрицательные заряды) и положительно заряженных атомов (ионов) пропеллента. Эти ионы вырываются из задней части двигателя и создают тягу, необходимую для продвижения ракеты вперед. В то время как два процесса ионизации и ускорения ионов происходят поэтапно, они происходят в одном и том же пространстве в этом двигателе. Холл-двигатели могут генерировать значительное количество тяги для используемой входной мощности, поэтому они могут идти невероятно быстро. Но есть ограничения на их топливную эффективность.

Более экономичен решетчатый ионный двигатель. В нем обычно располагают электрические и магнитные поля вдоль стен камеры двигателя. При подаче электрической энергии электроны высокой энергии осциллируют в магнитных полях вблизи стен и вдоль них. Подобно движению Холла электроны способны ионизировать газ пропеллента в плазму. Для того чтобы сделать следующий шаг создания тяги, электрические решетки располагаются в конце камеры, чтобы ускорить ионы. В этом двигателе ионизация и ускорение происходят в двух разных пространствах. В то время как двигатель с решетчатым игольчатым двигателем является более экономичным, чем двигатель Холла, недостатком является то, что он не может генерировать столько же тяги на единицу площади. В зависимости от типа работы, ученые и аэрокосмические инженеры выбирают, ищут какой двигатель лучше подходит для миссии.

Наконец, есть третий тип двигателя: VASIMR, сокращение от Magnetoplasma Rocket Variable Specific Impulse. Эта ракета, разработанная бывшим астронавтом Франклин Чангом Диасом, существует только на этапе испытаний. В этом устройстве ионы создаются с помощью радиоволн, генерируемых антенной для образования плазмы. Другая антенна, расположенная дальше по течению, добавляет энергию, которая заставляет ионы вращаться по кругу очень быстро. Магнитное поле обеспечивает направленность так, что ионы выделяются из двигателя по прямой линии, тем самым обеспечивая тягу. Если это сработает, ракета будет иметь огромный диапазон дроссельной заслонки, то, что двигатель Холла и ионный сетчатый двигатель не могут достичь так же легко.

Известен плазменный ракетный двигатель по патенту РФ на изобретение №2219371, МПК F03H 1/00, опубл. 20.12.2003.

Этот плазменный ракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов использует магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале для ионизации и ускорения. Магнитная система содержит по существу радиальный первый внешний полюсный наконечник, конический второй внешний полюсный наконечник, по существу радиальный первый внутренний полюсный наконечник, конический второй внутренний полюсный наконечник, множество внешних магнитных сердечников, окруженных внешними катушками, для соединения между собой первого и второго внешних полюсных наконечников.

Недостатком таким двигателей является низкий КПД и сложность конструкции.

Известен плазменно-реактивный двигатель, содержащий соединенные между собой и расположенные соосно камеру сгорания, состоящую из камеры воспламенения и сжигания топлива и имеющую форсунку подачи, магнитный ускоритель плазмы и гидродинамическое сопло заявка DE №3900427, МКИ F03H 1/00, опубл. 1990.

Недостатком данного двигателя является большой расход топлива при малой реактивной тяге.

Теплотворная способность топлива и количество кислорода (воздуха) определяют температуру горения. От режима горения зависит мощность двигателя и расход топлива. Чрезвычайно важным в реактивном двигателестроении является не только подъем температуры горения, но и скорость сгорания и распространение фронта горения горючей смеси. Процесс работы двигателя включает характер подвода реагентов в зону горения и взаимную "диффузию" в зоне реакции. Интенсивное испарение и газообразование топлива, диффузия окислителя и ускорение фронта горения приводят к увеличению давления и образование ударной (взрывной) волны, распространяющейся по направляющим сопла.

В зависимости от высоты полета летательного средства (самолета или ракеты) работа двигателя будет в разных режимах: плотных слоях атмосферы; в стратосфере (до 50 км над Землей) и мезосфере (свыше 50 км).

Известен плазменный реактивный двигатель по патенту РФ на изобретение №2099572, МПК F02K 11/00, опубл. 20.12.1997 г. (прототип).

Этот плазменно-реактивный двигатель содержит соединенные между собой и расположенные соосно камеру сгорания, состоящую из камеры воспламенения с форсунками подачи горючего и окислителя и сужающуюся-расширяющуюся торовую часть, к которой присоединен магнитный ускоритель плазмы и долее - сверхзвуковое газодинамическое сопло с сужающейся торовой и конической расширяющейся частями, по меньшей мере один запальник на камере воспламенения, на торовой расширяющейся части камеры, коронирующие электроды.

Недостатки этого двигателя: невозможность работы в космосе, плохое зажигание, ненадежное охлаждение сопла и неэффективное управления вектором тяги.

Задачи создания изобретения: улучшение зажигания, повышение надежности охлаждения и обеспечение эффективного управления вектором тяги.

Достигнутый технический результат: улучшение зажигания, повышение надежности охлаждения и обеспечение эффективного управления вектором тяги.

Решение указанных задач достигнуто в плазменно-ракетном двигателе, содержащем, соединенные между собой и расположенные соосно камеру сгорания, состоящую из камеры воспламенения с форсунками подачи горючего и окислителя и сужающееся- расширяющуюся торовую часть, к которой присоединен магнитный ускоритель плазмы и долее - сверхзвуковое газодинамическое сопло с сужающейся торовой и конической расширяющейся частями, по меньшей мере один запальник на камере воспламенения, на торовой расширяющейся части камеры, коронирующие электроды, тем, что камера и сопло выполнено с охлаждающим зазором вдоль стенок, полость зазора соединена с коллектором горючего на нижнем торце сопла, запальники выполнены в виде лазерных свеч зажигания, соединенных с блоком накачки, а магнитный ускоритель плазмы содержит, установленный концентрично его корпусу ферромагнитный сердечник и несколько радиальных обмоток, к обмоткам присоединены электрические провода, соединенные через регуляторы тока с блоком накачки.

На нижнем торце конической расширяющейся части газодинамического сопла могут быть шарнирно с возможностью поворота закреплены насадки-зонды, к которым присоединены привода.

Плазменно-ионный ракетный двигатель может быть оборудован блоком управления, который линиями управления соединен с приводами, регуляторами тока и блоком накачки.

Предлагаемый двигатель схематически изображен на фиг. 1 и 2, где:

на фиг. 1 приведен продольный разрез двигателя,

на фиг. 2 приведена схема лазерной свечи зажигания.

Перечень условных обозначений, принятых в описании.

камера сгорания 1,

головка 2,

форсунка окислителя 3,

форсунка горючего 4,

цилиндрическая часть 5,

сужающаяся-расширяющаяся часть 6,

магнитный ускоритель плазмы 7,

сверхзвуковое газодинамическое сопло 8,

ионно-динамический зонд 9,

турбонасосный агрегат 10,

привод агрегата 11,

насос окислителя 12,

насос горючего 13,

трубопровод горючего 14,

регулятор расхода 15,

привод регулятора 16,

отсечной капан горючего 17,

коллектор горючего 18,

зазор рубашки охлаждения 19,

огневая стенка 20,

холодная стенка 21,

трубопровод окислителя 22,

отсечной клапан окислителя 23,

полость головки 24,

днище 25,

внутренней полостью 26,

полость днища 27,

корпус 28,

ферромагнитный сердечник 29,

радиальные обмотки 30.

электрические провода 31,

регулятор тока 32,

блок управления 33,

блок питания 34,

силовой кабель 35,

блок накачки 36,

лазерная свеча зажигания 37,

оптическое волокно 38,

сужающаяся торовая часть 39,

коническая расширяющаяся часть 40,

коронирующие электроды 41,

выходной торец 42,

шарниры 43,

насадки-зонды 44,

привод управления вектором тяги 45,

линия управления 46,

высоковольтные провода 47,

источник высокого напряжения 48,

коническая стенка 49,

стакан 50,

полость 51,

микрочип-лазер 52,

металлическая втулка 53,

вакуумная металлическая трубка 54,

фокусирующая линза 55,

торец 56,

днище 57,

цилиндрический корпус 58,

резьбовой участок 59,

отверстие 60,

уплотнениями 61,

заглушка 62,

осевое отверстие 63,

уплотнение 64,

гайка 65,

центральное отверстие 66,

уплотнение 67,

средство демпфирования 68.

Двигатель (фиг. 1) состоит из четырех основных блоков: соединенных между собой и соосно расположенных вдоль оси симметрии.

Сначала идет камера сгорания 1, с головкой 2 и камерой воспламенения 3 и сущающейся-расширяющейся тороидальной частью 4, к которой присоединен магнитный ускоритель плазмы 5, и далее - сверхзвуковое газодинамическое сопл 8 и ионно-динамический зонд 9.

Двигатель содержит турбонасосный агрегат 10 для подачи горючего и окислителя в камеру сгорания 1. В качестве горючего можно использовать водород, а в качестве окислителя - кислород. Турбонасосный агрегат 10 содержит привод агрегата 11, насос окислителя 12 и насос горючего 13.

Трубопровод горючего 14, содержащий регулятор расхода 15 с приводом регулятора 16 и отсечным клапаном горючего 17 соединен с коллектором горючего 19.

Трубопровод окислителя 20 через отсечной клапан 21 соединен с головкой 22 камеры сгорания 1.

В днище 25 установленном в головке 2 в ее полости 24 выполнены форсунки горючего 4 и окислителя 3. При этом форсунки окислителя 3 соединяют полость 24 головки 2 с внутренней полостью 26 камеры сгорания 1, а форсунки горючего 4 соединят полость днища 27 с полостью головки 24.

Далее идет сужающаяся-расширяющаяся тороидальная часть 6 камеры 1, к которой присоединен магнитный ускоритель плазмы 7.

Магнитный ускоритель плазмы 7 содержит корпус 28 цилиндрической формы и установленный концентрично ему ферромагнитный сердечник 29 и радиальные обмотки 30. К радиальным обмоткам 30 присоединены электрические провода 31, соединенные через регуляторы тока 32 с блоком управления 33.

Двигатель имеет блок питания 33, который силовыми кабелями 35 соединен с блоком управления 33 и блоком накачки 36.

В камере сгорания 1 установлен запальник в виде лазерной свечи зажигания 37, которая(ые) оптическим волокнами 38 соединена(ы) с блоком накачки 36.

Далее расположено сверхзвуковое газодинамическое сопло 8 с сужающейся торовой 39 и конической расширяющейся 40 частями.

На сужающейся-расширяющейся части 6 камеры 1 установлены коронирующие электроды 41.

Камера 1 и сопло 8 выполнены с охлаждающим зазором 42 вдоль их стенок, полость зазора соединена с коллектором горючего 18 на выходном торце 42 сверхзвукового газодинамического сопла 8.

На выходном торце 42 конической расширяющейся части 40 сверхзвукового газодинамического сопла 8 могут быть, на шарнирах 43 с возможностью поворота закреплены насадки-зонды 44, к которым присоединены привода управления вектором тяги 45. Привода управления вектором тяги 45 линиями управления 46 соединены с блоком управления 33.

Для подачи высокого напряжения на коронирующие электроды к ним присоединены высоковольтные провода 47 которые с другой стороны соединены с источником высокого напряжения 48. По линии низкого напряжения источник высокого напряжения 48 соединен электрическими проводами 31 с блоком питания 34. В качестве блока питания может быть использованы батареи и генератор.

Конструкция лазерной свечи зажигания 37 приведена на фиг. 2.

На головке 2, точнее на ее конической стенке 47, установлена, по меньшей мере, одна свеча лазерного зажигания 37 (фиг. 1). Свеча лазерного зажигания 37 выполнена в виде стакана 48 с полостью 49, в которой установлен микрочип-лазер 50.

Наиболее распространенные типы лазерных кристаллов для лазеров на микрочипах являются: Nd:YAG и Nd:YVO₄ с длиной волны в диапазоне от 1-1,3 мкм, в исключительных случаях 0,95 мкм. Спектральный диапазон излучения достаточно широкий из-за короткой длины резонаторной области. Конструктивно лазер может быть выполнен с использованием еще одного элемента, который располагается между активной средой и торцами зеркал. Например, это может быть нелинейный кристалл, который используется как электрооптический модулятор для добротности или внутрирезонаторного удвоения частоты; также может быть использована нелегированная прозрачная пластина для увеличения мощности или эффективной площади. Лазеры на микрочипах с пассивной модуляцией добротности позволяют создавать частоту импульса свыше 100 кГц, а иногда даже нескольких мегагерц. При очень низких временах импульса пиковая мощность такого лазера может составлять несколько киловатт. Для воспламенения компонентов топлива в газогенераторе может понадобиться мощность, в несколько раз превышающая мощность запальных устройств камеры сгорания. Это обусловлено двумя причинами: применением криогенных компонентов топлива и неоптимальным соотношением компонентов топлива.

Полость 50 стакана 48 соединена металлической втулкой 53 с зоной горения. Внутри металлической втулки 53 установлена вакуумная металлическая трубка 54 с фокусирующей линзой 55 на конце. Другой конец вакуумной металлической трубки 54 соединен с микрочип-лазером 52. Микрочип-лазер 52 оптическим волокном 38 соединен с блоком накачки 36. Блок накачки 36 электрическими проводами 31 соединен с блоком управления 34.

Лазерная свеча зажигания 37 (фиг. 2), как упомянуто ранее, содержит стакан 48, который, в свою очередь, содержит цилиндрический корпус 55 и торец 56 на днище 57. На днище 57 выполнен резьбовой участок 57 и отверстие 60 для прохода вакуумной металлической трубки 52, которая уплотнена уплотнениями 61. Сверху стакан 48 закрыт заглушкой 62, имеющей осевое отверстие 63 для вывода оптического волокна 38, которое уплотнено уплотнением 64, поджато гайкой 65 с центральным отверстием 66. Заглушка 62 уплотнена относительно стакана 50 уплотнением 67.

Микрочип-лазер 53 и вакуумная металлическая трубка 54 установлены внутри средства демпфирования 68, которое выполнено из металлорезины.

Работа двигателя

При работе двигателя (фиг. 1) включают ТНА 10, путем раскрутки привода 11 и насосы 12 и 13 начинают подачу компонентов топлива (окислителя и горючего) в камеру сгорания 1 точнее в его полость 26. Включают блок накачки 36 и подают лазерный луч по оптическому волокну 38 в свечу лазерного зажигания 37 и далее через фокусирующую линзу 55 (фиг. 2) во внутреннюю полость 26 (фиг. 1) камеры сгорания 1, где компоненты топлива (окислитель и горюче) воспламеняются. Потом включают источник высокого напряжения 48 и подают высокое напряжение на коронирующие электроды 41, между которыми возникают коронные разряды и происходит ионизация продуктов сгорания и превращение ее в плазму под воздействием магнитного поля создаваемого радиальными обмотками 30.

Плазма выбрасывается из сверхзвукового реактивного сопла 8 вместе с продуктами сгорания.

При этом энтальпия ионно-радиационной ионизированной плазмы возрастает. Источником электронов в вышеприведенных реакциях является коронный пульсирующий разряд в высокотемпературной ионизированной плазме. Горячая ионно-радиационная плазма из камеры сгорания 1 поступает в магнитный ускоритель 2, где вращающимся переменным магнитным полем она ускоряется и разделяется. При температуре плазмы, превышающей 4500°С соединение водорода с кислородом не происходит.

В сечении сужающейся торовой части газодинамического сопла, происходит ускорение плазмы и дальнейшее соединение водорода с кислородом. Охладителем (например жидким водородом) находящимся в зазоре рубашки охлаждения 19 сверхзвукового реактивного сопла 8, периферийные огневая стенка 20 охлаждаются до температуры 500°С.

При концентрации и стечении поверхностных зарядов от ионизирующих газов с ионно-динамических зондов 9 возникает добавочная реактивная сила. Ионно-динамические зонды 9 могут иметь телескопическую конструкцию и могут поворачиваться вокруг шарниров 43 для управления вектором тяги. Управление летательным средством осуществляется одновременно рассогласованием токов в радиальных обмотках 30 и поворотных ионно-динамических зондов 9. С выдвинутого ионно-динамического зонда 9 стекают электрические заряды, создавая реактивную силу и вращающий момент, обеспечивающий поворот летательного средства. При выставленных всех, радиально расположенных ионно-динамических зондов 9 стекающие заряды создают добавочную реактивную силу.

Применение изобретения позволило:

- создать двигатель с высокой экономичностью,

- улучшить запуск двигателя,

- улучшить управляемость ракет с разработанным двигателем.

Плазменный ракетный двигатель содержит соединенные между собой и расположенные соосно камеру сгорания, состоящую из камеры воспламенения и сжигания компонентов топлива горючего и окислителя и имеющую форсунки подачи горючего и окислителя и расширяющуюся торовую часть, к которой присоединен магнитный ускоритель плазмы, и сверхзвуковое газодинамическое сопло с сужающейся торовой и конической расширяющейся частями. На торовой расширяющейся части камеры размещены коронирующие электроды. Камера и сопло выполнены с охлаждающим зазором вдоль стенок, полость зазора соединена с коллектором горючего на нижнем торце сопла, а запальники выполнены в виде лазерных свеч зажигания. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Плазменно-ракетный двигатель, содержащий соединенные между собой и расположенные соосно камеру сгорания, состоящую из камеры воспламенения и сжигания компонентов топлива горючего и окислителя и имеющую форсунки подачи горючего и окислителя и расширяющуюся торовую часть, к которой присоединен магнитный ускоритель плазмы, и сверхзвуковое газодинамическое сопло с сужающейся торовой и конической расширяющейся частями, по меньшей мере один запальник, и на торовой расширяющейся части камеры размещены коронирующие электроды, отличающийся тем, что камера и сопло выполнены с охлаждающим зазором вдоль стенок, полость зазора соединена с коллектором горючего на нижнем торце сопла, а запальники выполнены в виде лазерных свечей зажигания.

2. Плазменно-ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что магнитный ускоритель плазмы содержит установленный концентрично его корпусу ферромагнитный сердечник и несколько обмоток, к обмоткам присоединены по два электрических провода, в одном из которых установлен реостат.

3. Плазменно-ракетный двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на нижнем торце конической расширяющейся части газодинамического сопла шарнирно с возможностью поворота закреплены насадки-зонды.