Способ создания тяги прямоточного электрореактивного двигателя и прямоточный электрореактивный двигатель Российский патент 2022 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к электрореактивным двигателям прямоточного типа (ПЭРД), в которых в качестве рабочего тела используются газы, содержащиеся в окружающей внешней среде. Такие двигатели предназначены для управления движением летательных аппаратов (ЛА), в том числе низкоорбитальных космических аппаратов (КА), компенсации аэродинамического сопротивления в атмосферах планет, коррекции орбиты, управления ориентацией и др.

В двигателях для ионизации рабочего тела могут применяться установки различного типа, в том числе лазерные, изотопные и др

Известен способ создания тяги электрореактивным двигателем, в котором запасенный на борту КА газ подается в камеру ионизации, ионизируется, ускоряется с помощью ионно-оптической системы и эжектируется с компенсацией электронами положительного заряда плазменной струи (Морозов А.И. Физические основы космических электрореактивных двигателей. М. Атомиздат.1978. 328 с.). Недостатком такого способа является необходимость запасать на борту достаточное количество рабочего тела (газа), что ограничивает срок активного существования КА и ухудшает его массогабаритные характеристики.

Известен способ создания тяги в «Лазерном ракетном двигателе с электростатическим ускорением рабочего тела» (патент РФ №2643883, МПК F02K 9/00), в котором благодаря электронной эмиссии под действием лазерного излучения в двигателе создаются электростатические заряды и происходит ускорение ионизированного рабочего тела. Недостатком такого способа создания тяги является сложность синхронизации воздействий лазеров с высокой и низкой плотностью излучения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа предлагаемого способа, является способ создания тяги в «Прямоточном электрореактивном двигателе» (патент РФ №2614906, МПК F02K 9/00), заключающийся в том, что разгонный импульс реализуется путем электростатического ускорения ионов, полученных ионизацией предварительно термализованного газа, захватываемого из внешней атмосферы. Недостатком такого способа создания тяги является сравнительно низкий КПД из-за необходимости сначала тормозить газовый поток в термализаторе и только потом ускорять его ионизированную часть, расходуя на это дополнительную энергию.

Известно устройство «Лазерный ракетный двигатель с электростатическим ускорением рабочего тела» (патент РФ №2643883, МПК F02K 9/00), в котором использованы два типа источников лазерного излучения с высокой и низкой плотностью излучения для получения из рабочего тела реактивной струи. Данный двигатель имеет сложную конструкцию, поскольку требует использования обоих типов лазерного излучения с обязательным относительным временным сдвигом воздействия на рабочее тело и элементы конструкции двигателя, а также дополнительного электростатического ускорения частиц рабочего тела. Также работа двигателя ограничена требованием достаточной концентрации вещества рабочего тела. Для данного двигателя требуется высокоточная настройка работы основных элементов его конструкции.

Известно устройство «Прямоточный электрореактивный двигатель» (патент РФ №2614906, МПК F02K 9/00), рассмотренное в качестве прототипа, в котором прямоточный канал выполнен в форме цилиндра, имеется газозаборное устройство, входная камера, камера и устройство ионизации, устройство ускорения ионов и нейтрализатор. Внутри камеры ионизации располагается конический соленоид, который препятствует сквозному пролету частиц газа и, тем самым, фактически выполняет функции и термализатора. Недостатками этого устройства является использование в конструкции газозаборного устройства, входной камеры и термализатора, что требует полного торможения (в среднем) этих частиц с начальных высоких скоростей и соответственно практически полного рассеивания имеющейся у набегающего потока энергии, что уменьшает КПД подобных двигателей, а также создает излишнее аэродинамическое сопротивление, для преодоления которого требуется дополнительные энергетические затраты от двигателя. Газозаборное устройство, входная камера, термализатор и камера ионизации прототипа увеличивают размеры и массу конструкции двигателя.

Конструкция прямоточного электрореактивного двигателя обеспечивает следующий технический результат:

- Увеличение КПД двигателя;

- Повышение надежности конструкции;

- Снижение массогабаритных характеристик двигателя;

Технический результат достигается тем, что в способе создания тяги прямоточного электрореактивного двигателя посредством ионизации газового потока и ускорения полученных при этом ионов, осуществляют ионизацию набегающего газового потока до входа его в двигатель при помощи ионизирующего излучения, направленного вперед перед двигателем по направлению полета летательного аппарата, предварительно ионизированный газовый поток поступает в двигатель без торможения, после чего осуществляется доразгон потока полученных ионов с начальной скорости, равной скорости набегающего потока газа, а после выхода ускоренного потока из двигателя, осуществляют его нейтрализацию.

Технический результат также достигается тем, что ионизацию перед двигателем осуществляют с использованием электромагнитного или изотопного излучения.

Технический результат также достигается тем, что электромагнитное излучение осуществляют лазером.

Технический результат также достигается тем, что в прямоточном электрореактивном двигателе, содержащем устройство ионизации газового потока и устройство ускорения ионов, устройство ионизации выполнено в виде электромагнитного или изотопного излучателя, направленного вперед по направлению движения для дистанционной ионизации набегающего потока газа до его входа в двигатель, а устройство ускорения осуществляет доразгон потока полученных ионов, поступающих в двигатель без торможения, с начальной скорости, равной скорости набегающего потока газа.

Технический результат также достигается тем, что устройство ионизации выполнено в виде лазера.

Изобретение поясняется рисунком.

На фиг. 1 показана общая схема прямоточного электрореактивного двигателя.

Прямоточный электрореактивный двигатель содержит устройство ионизации газового потока 1 перед входом в двигатель, устройство ускорения ионов 2 и устройство нейтрализации заряда (нейтрализатор) 3 эжектируемого из двигателя потока плазмы. Устройство ускорения ионов 2 последовательно соединено с нейтрализатором 3 для компенсации заряда потока плазмы из двигателя. Устройства ионизации и ускорения питаются от источника электроэнергии 4.

В качестве устройства ионизации 1 может использоваться лазерная, изотопная или иная система, ориентированная вперед по направлению движения для дистанционной ионизации набегающего со скоростью V потока газа до его входа в двигатель, при этом достаточно протяженное пространство перед двигателем исполняет функции имеющейся у прототипа камеры ионизации, но с виртуальными границами. Устройство ускорения ионов 2 установлено для дополнительного ускорения (для доразгона) электростатическим или иным способом протекающего через него потока полученных ионов от начальной скорости, равной скорости набегающего потока газа - скорости ЛА (в случае КA V≈8 км/с), на котором установлен этот двигатель, до заданного значения с, зависящего от поставленной задачи управления траекторией ЛА и/или его ориентации. Например, такой задачей может быть компенсация аэродинамического сопротивления КА для долговременного удержания его на сверхнизкой орбите.

В прямоточном электрореактивном двигателе устройство ионизации установлено на корпусе двигателя, Устройство ионизации 1 может быть установлено и на другом сопровождающем или ином объекте для ионизации набегающего в двигатель потока.

Способ создания тяги прямоточного электрореактивного двигателя осуществляют следующим образом. Устройство ионизации газового потока 1 производит ионизацию газового потока перед двигателем, в устройстве ускорения ионов 2 ускоряют полученные при этом ионы. Ионизацию перед двигателем осуществляют с использованием электромагнитного или изотопного излучения. Электромагнитное излучение осуществляют лазером.

Прямоточный электрореактивный двигатель может, например, входить в состав КА, который выводится на орбиту, проходящую через допустимый диапазон высот H_min<Н<Н_mах, в котором атмосфера по концентрации частиц и их составу позволяет ионизировать их в достаточном количестве перед входом в двигатель с помощью имеющегося устройства ионизации. Достаточность концентрации частиц газа зависит от располагаемой мощности источника электроэнергии для работы устройств двигателя и цели создания тяги: поддержания или изменения параметров орбиты и ориентации КА. Если плотность атмосферы достаточна для ионизации, то устройство ионизации генерирует излучение и направляет его вперед по направлению полета КА перед двигателем. В результате, образуется динамичный цилиндр дополнительно ионизированной атмосферы, увлекаемый естественным образом в двигатель к устройству ускорения ионов. За счет орбитальной скорости КА захватывает достаточно протяженную, но ограниченную, в частности из-за кривизны орбиты, цилиндрическую область естественно (за счет солнечного излучения) и искусственно (устройством ионизации двигателя) ионизированного атмосферного газа перед двигателем. Проходя через устройство ускорения, ионам сообщается дополнительный разгонный импульс, который компенсирует потерю импульса из-за аэродинамического сопротивления КА или, в общем случае, регулирует тягу. После выхода из устройства ускорения поток ионов нейтрализуется электронами, перетекающими с нейтрализатора. Расположение и ориентация устройства ионизации призваны обеспечивать дополнительную ионизацию набегающего потока частиц окружающего пространства перед двигателем, чтобы к устройству ускорения уже попадал поток с большей концентрацией ионизированных частиц. Это упрощает конструкцию двигателя и повышает его надежность, так как дополнительная ионизация свободных частиц может охватывать протяженную область внешней среды перед входом в двигатель. Эта область, замещающая функцию камеры ионизации прототипа, имеет форму цилиндра с сечением как у устройства ускорения ионов 3 и длиной L, оцениваемой по формуле:

где R_op6 - радиус орбиты КА, D - характерный размер сечения прямоточного канала 1 ( S - площадь сечения устройства ускорения ионов 3). Объем такой виртуальной камеры ионизации оценивается по формуле:

Секундный объемный приток такого ионизированного атмосферного газа к двигателю оценивается формулой:

где V - скорость КА.

Например, при площади сечения S=1 м² размер области ионизации согласно (1), (2) характеризуется следующими значениями:

а скорость притока ионизированной атмосферы к двигателю согласно (3) составит:

μ≈8⋅10³ м³/с.

Таким образом, предлагаемое устройство прямоточного электрореактивного двигателя имеет область ионизации на три порядка больше прототипа, что позволяет, в частности, значительно снизить порог допустимой плотности окружающей газовой среды, выше которой только и возможна работа двигателя. Это дает принципиальное преимущество перед прототипом, поскольку пороговая плотность окружающей газовой среды является критическим параметром для реализуемости двигателя и рабочего диапазона высот его эффективного применения. Эта виртуальная ионизационная камера не имеет материальных границ и потому позволяет существенно снизить габариты и массу конструкции двигателя за счет исключения конструкций воздухозаборного устройства, термализатора и ионизационной камеры, которые присутствуют у прототипа.

Сохранение скорости частиц газа без принятого в прототипе торможения в термализаторе, призвано сохранить начальную кинетическую энергию этих ионизированных частиц, так что остается только с помощью устройства ускорения ионов обеспечить их доразгон до необходимой скорости, что повышает КПД двигателя и увеличивает удельный импульс тяги, повышает надежность работы двигателя.

Использование отличительной совокупности признаков предлагаемого технического решения:

устройство ионизации, ориентированное вперед по направлению движения, для ионизации набегающего потока газа до его входа в двигатель и позволяющее использовать значительное пространство перед двигателем в функции камеры ионизации; устройство ускорения выполнено для дополнительного ускорения потока ионов с начальной скоростью, равной скорости набегающего потока газа (скорости полета ЛА), до требуемого значения, что в итоге снижает массо-габаритные характеристики и энергетические потери в двигателе.

Таким образом, вся совокупность отличительных признаков предлагаемого технического решения приводит к заявленному техническому результату.

Прямоточный электрореактивный двигатель может создавать момент реактивной силы и изменять пространственную ориентацию ЛА, что позволит улучшить характеристики устойчивости и управляемости.

Прямоточный электрореактивный двигатель может эффективно работать на углекислом газе, что позволит обеспечить длительные полеты ЛА в разреженных слоях атмосферы Марса. При этом достигается снижение массы ЛА, так как рабочее тело для работы двигателя не запасается на Земле, а берется из забортной атмосферы.

Изобретение относится к электрореактивным двигателям прямоточного типа (ПЭРД), в которых в качестве рабочего тела используются газы, содержащиеся в окружающей внешней среде. Предлагается способ создания тяги прямоточного электрореактивного двигателя посредством ионизации газового потока и ускорения полученных при этом ионов, согласно изобретению ионизацию газового потока осуществляют перед двигателем. Предлагается прямоточный электрореактивный двигатель, содержащий устройство ионизации газового потока и устройство ускорения ионов, при этом устройство ионизации выполнено в виде электромагнитного или изотопного излучателя, направленного на набегающий газовый поток перед двигателем. При реализации предложенного изобретения обеспечивается увеличение КПД двигателя, повышение надежности конструкции, снижение массогабаритных характеристик двигателя. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ создания тяги прямоточного электрореактивного двигателя посредством ионизации газового потока и ускорения полученных при этом ионов, отличающийся тем, что осуществляют ионизацию набегающего газового потока до входа его в двигатель при помощи ионизирующего излучения, направленного вперед перед двигателем по направлению полета летательного аппарата, предварительно ионизированный газовый поток поступает в двигатель без торможения, после чего осуществляется доразгон потока полученных ионов с начальной скорости, равной скорости набегающего потока газа, а после выхода ускоренного потока из двигателя осуществляют его нейтрализацию.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ионизацию перед двигателем осуществляют с использованием электромагнитного или изотопного излучения.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что электромагнитное излучение осуществляют лазером.

4. Прямоточный электрореактивный двигатель, содержащий устройство ионизации газового потока и устройство ускорения ионов, отличающийся тем, что устройство ионизации выполнено в виде электромагнитного или изотопного излучателя, направленного вперед по направлению движения для дистанционной ионизации набегающего потока газа до его входа в двигатель, а устройство ускорения осуществляет доразгон потока полученных ионов, поступающих в двигатель без торможения, с начальной скорости, равной скорости набегающего потока газа.

5. Прямоточный электрореактивный двигатель по п. 4, отличающийся тем, что устройство ионизации выполнено в виде лазера.