Волновой ионный двигатель с замкнутой газоразрядной камерой Российский патент 2022 года по МПК F03H1/00 H05H1/54 

Область техники

Изобретение относится к космической технике, в частности к электроракетным двигательным установкам с электрическим ракетным двигателем (ЭРД) с без электродным источником плазмы и электродной ускорительной ступенью, использующая в качестве рабочего тела широкий круг веществ, предназначенная для установки на космических аппаратах (КА) для их до выведения с опорной на целевую орбиту, коррекции и поддержания орбиты, ориентации, разгрузки систем ориентации, маневров между орбитами, межпланетных перелетов, увода КА с целевой орбиты в конце его срока активного существования (САС).

Уровень техники

Известен аналог – изобретение More efficient RF plasma electric thruster (патент US6293090B1, опубликован 25.09.2001). Изобретение относится к электроракетным двигателями. Изобретение включает ВЧ-генератор, множество излучающих элементов, газоразрядную камеру, определяющую главную ось двигателя, магнитную систему, источник питания магнитной системы, систему подачи рабочего тела, соединению с газоразрядной камерой.

Недостатком является то, что газоввод подсоединен к газоразрядной камере с одного из ее торцов. При этом теряется возможность использовать торец газоразрядной камеры для истечения плазмы и создания тяги в данном направлении. Таким образом, увеличиваются объем, масса и потребляемая мощность двигательной установки при размещении нескольких таких двигателей для управления несколькими осями тяги, что делает неэффективным или не возможным их использование на борту космического аппарата. Использование множества излучающих элементов, питающихся от одного ВЧ-генератора, для генерации плазмы в одной газоразрядной камере приведёт к возникновению неустойчивостей в объёме генерируемой плазмы, которые связаны с различием генерируемых излучающими элементами электромагнитных излучений по длине канала, что в свою очередь приведёт к уменьшению тяги и удельного импульса двигателя. Использование множества близко расположенных излучающих элементов, работающих на ВЧ-частотах приведёт возникновению паразитных ВЧ емкостных разрядов как между самими излучающими элементами, так и между излучающими элементами и магнитной системы двигателя вследствие возникновения ВЧ емкостной связи между этими элементами, что в итоге снизит эффективность работы двигателя, в частности снизит удельные тягу и удельный импульс на единицу подводимой ВЧ-мощности, приведёт к уменьшению ресурса двигателя вследствие разрушения элементов конструкции при их распылении возникающими ВЧ емкостными разрядами, приведет к невозможности вклада мощности в плазму, т.е. к отказу работы двигателя, т.к. газоразпядная камера покроется продуктами распыленных металлических материалов, из которых сделаны антенна и элементы двигателя. Ввод газа в начале газоразрядной камеры приведёт к потерям мощности на процессы повторной ионизации рекомбинировавших частиц рабочего тела по длине газоразрядной камеры, что в свою очередь приведёт с снижению удельных тяги и удельного импульса двигателя на единицу мощности.

Известен аналог – изобретение Helicon plasma electric propulsion device (патент CN104405603B, опубликован 12.04.2017). Изобретение относится к электроракетным двигателями. Изобретение включает минимум одно металлическое кольцо, составляющие корпус двигателя, первый и второй металлические фланцы, геликонную антенну, газоразрядную камеру, газоввод, минимум два кольца магнитов.

Недостатком является то, что газоввод подсоединен к газоразрядной камере с одного из ее торцов. При этом теряется возможность использовать торец газоразрядной камеры для истечения плазмы и создания тяги в данном направлении. Таким образом, увеличиваются объем, масса и потребляемая мощность двигательной установки при размещении нескольких таких двигателей для управления несколькими осями тяги, что делает неэффективным или не возможным их использование на борту космического аппарата. Ввод газа в начале газоразрядной камеры приведёт к потерям мощности на процессы повторной ионизации рекомбинировавших частиц рабочего тела по длине газоразрядной камеры, что в свою очередь приведёт с снижению удельных тяги и удельного импульса двигателя на единицу мощности. Использование геликонной антенны без защитных диэлектрических колец приведёт к возникновению паразитных ВЧ емкостных разрядов на поверхности как самой антенны, так и на поверхностях предлагаемого в изобретении двигателя вследствие возникновения ВЧ емкостной связи между этими элементами, что в итоге снизит эффективность работы двигателя, в частности снизит удельные тягу и удельный импульс на единицу подводимой ВЧ-мощности, приведёт к уменьшению ресурса двигателя вследствие разрушения элементов конструкции при их распылении возникающими ВЧ емкостными разводами, приведет к невозможности вклада мощности в плазму, т.е. к отказу работы двигателя, т.к. газоразпядная камера покроется продуктами распыленных металлических материалов из которых сделаны антенна и элементы двигателя.

Известен ближайший аналог (прототип) – изобретение Ракетный двигатель малой тяги для космического летательного аппарата (патент RU2445510C2, опубликован 20.03.2012). Изобретение относится к ракетным двигателям малой тяги. Изобретение по п. 24 формулы изобретения включает газоразрядную камеру (главную камеру), определяющую ось сил тяги, инжектор для введения ионизируемого газа в главную камеру, антенну, генераторы магнитного поля, генератор электромагнитного поля, генератор для изменения направления магнитного поля.

Недостатком является то, что в изобретении есть только одно направления тяги газоразрядного канала. Инжектор ввода ионизируемого газа закрывает один из концов газоразрядной камеры, что в свою очередь приводит к неэффективности ее использования, т.к. при применении предложенного способа ионизации газа – электромагнитный, плазма может истекать из двух концов газоразрядной камеры. При разработке двигателя для космического аппарата (КА), в частности, двигателя с более чем одним вектором тяги, предложенного на фиг. 40 и описанного в п. 60 формулы рассматриваемого изобретения, использование только одного торца газоразрядной камеры приведет к увеличению массы и габаритов двигателя, что впоследствии приведет к удорожанию разработки и запуска КА или к невозможности использовать предложенное в рассматриваемом изобретении устройство для использования на борту КА ввиду высоких массогабаритных характеристик. Предлагаемое устройство антенны, в частности использование в нем емкостно связанных электродов, является нецелесообразным для использования на борту КА. Это связано с тем, что паразитный емкостной разряд начнет возникать на всех элементах двигательной установки и КА, близко расположенных к емкостно связанным электродам, при этом емкостной разряд будет разрушать как сами электроды, так и элементы конструкции двигателя и КА. Проблема возникновения и последствий паразитного емкостного разряда описана в работе Takahashi, K. (2012). Radiofrequency antenna for suppression of parasitic discharges in a helicon plasma thruster experiment. Review of Scientific Instruments, 83(8), 083508 (doi.org/10.1063/1.4748271). Также использование емкостного разряда для ионизации рабочего тела является неэффективным способом генерации плазмы для космических двигателей, так как плазма высокочастотного емкостного разряда имеет низкую плотность (не выше 10¹⁶ м^-3) при низком давлении и низкой мощности, которой будет недостаточно для эффективной работы двигателя. Данные по плотности плазмы емкостного разряда представлены в работе Chabert, P., & Braithwaite, N. (2011). Physics of radio-frequency plasmas. Cambridge University Press. Предлагаемое устройство антенны, в частности использование в нем индуктивно связанной катушки, является нецелесообразным для использования на борту КА. Это связано с тем, что в данном случае энергия от индуктора в плазму будет передаваться как в трансформаторе, при этом коэффициент трансформации будет не выше 0,5. Учитывая потери мощности на линии ВЧ-генератор-индуктор и потери в антенне, для генерации плотной плазмы (выше 10¹⁸ м^-3) потребуется высокая мощность (выше 800 Вт), делая невозможным использование двигателя с таким источником плазмы на малых КА, которые обладают низкой энерговооруженностью. Предлагаемое устройство антенны, в частности использование в нем антенн типов Double-Saddle и Loop, также является нецелесообразным для использования на борту малых КА. Это связано с тем, что, как и в случае с применением емкостно связанных электродов, при низких мощностях будут возникать паразитные емкостные разряды на поверхности самой антенны и на элементах конструкции двигателя и КА. При этом при долгой продолжительности этих процессов, вследствие распыления металлической антенны и металлических элементов конструкции двигателя, внешняя поверхность газоразрядной трубки покроется металлической пленкой, которая будет поглощать генерируемое антенной электромагнитное излучение и процесс ионизации рабочего тела внутри газоразрядной камеры будет невозможным, т.е. двигатель выйдет из строя. Предлагаемое местоположение инжектора для ввода газа в газоразрядную камеру является неэффективным с точки зрения вложения мощности в плазму и ионизации рабочего тела. При ионизации рабочего тела в начале газоразрядной камеры и при использовании в ионизаторе антенны, которая генерирует электромагнитные волны в плазме (предложенные в рассматриваемом изобретении антенны Double-Saddle и Loop), будет затрачиваться больше мощности на ионизацию и будет вкладываться меньше мощности в плазму, т.к. образование волн в плазме происходит за антенной, а именно волны эффективно ионизируют газ и вкладывают мощность в плазму. Использование большого количества магнитных систем является нецелесообразным, т.к. для ускорения плазмы достаточно одного магнитного сопла на выходе из газоразрядной камеры. Большое количество магнитных систем утяжеляет массу двигателя и занимает полезный объем, что делает непригодным использование такого двигателя на борту малых КА. В изобретении отсутствует система электромагнитного экранирования. Устройство, использующего электромагнитные волны и магнитное поле для генерации и ускорения плазмы, создает электромагнитное излучение, которое при поглощении элементов конструкции КА может вызвать возникновение магнитного момента, который начнет вращать КА, а также вызвать сбои в работе целевой нагрузки КА или вывести ее из строя.

Раскрытие изобретения

Задачами предлагаемого изобретения являются:

- устранение недостатков аналогов и прототипа, а именно:

- возникновение паразитных разрядов, разрушающих элементы конструкции двигателя и малого космического аппарата;

- потери при вкладе мощности в плазму на электромагнитной линии электромагнитной связи антенна-плазма;

- влияние электромагнитного излучения на элементы конструкции двигательной установки и элементы конструкции космического аппарата, приводящее к разрушению элементов конструкции;

- и улучшение следующих характеристик:

- уменьшение занимаемых двигательной установкой массы и объема для выполнения маршевых операций, коррекции и поддержания орбиты КА, его ориентации, маневров между орбитами, увода КА в конце его срока активного существования;

- увеличение эффективности использования рабочего тела;

- увеличение удельных тяги и удельного импульса двигателя на единицу потребляемой мощности.

Для решения задач и достижения технического результата предлагается волновой ионный двигатель с замкнутой газоразрядной камерой, содержащий:

- газоразрядную камеру замкнутой кольцевой формы;

- минимум одну направляющую трубку, герметично соединенную с газоразрядной камерой с одного конца, а с другого конца открытую во внешнее пространство;

- минимум одну антенну, имеющую линию электрической связи с высокочастотным генератором (ВЧ-генераторам), расположенную с внешней стороны газоразрядной камеры;

- минимум одну втулку (по количеству антенн), закрывающую внешнюю поверхность антенны от остального объема двигателя;

- ВЧ-генератор, имеющий линии электрической связи с минимум одной антенной, модулем преобразования бортового питания и управляющим модулем;

- магнитную систему, расположенную с внешней стороны газоразрядной камеры, имеющей линию электрической связи с источником питания магнитной системы;

- источник питания магнитной системы, имеющий линии электрической связи с магнитной системой, модулем преобразования бортового питания и управляющим модулем;

- минимум одну ионно-оптическую систему (по количеству направляющих трубок), расположенную на торце направляющей трубки, открытом во внешнее пространство, имеющей линию электрической связи с источником питания ионно-оптической системы;

- источник питания ионно-оптической системы, имеющий линии электрической связи с минимум одной ионно-оптической системой, модулем преобразования бортового питания и управляющим модулем;

- систему хранения и подачи рабочего тела, имеющую линию газодинамической связи с газоразрядной камерой, соединенной с газоразрядной камерой через радиальный газоввод, имеющей линии электрической связи с модулем преобразования бортового питания и управляющим модулем;

- модуль преобразования бортового питания, имеющий линии электрической связи с ВЧ-генератором, источником питания магнитной системы, источником питания ионно-оптической системы, системой хранения и подачи рабочего тела, управляющим модулем;

- управляющий модуль, имеющий линии электрической связи с ВЧ-генератором, источником питания магнитной системы, источником питания ионно-оптической системы, системой хранения и подачи рабочего тела, модулем преобразования бортового питания.

Волновой ионный двигатель с замкнутой газоразрядной камерой предлагается использовать на космических аппаратах для их до выведения с опорной на целевую орбиту, коррекции и поддержания орбиты, прецизионной ориентации, разгрузки систем ориентации, маневров между орбитами, межпланетных перелетов, увода КА с целевой орбиты в конце его срока активного существования (САС).

Перечень чертежей

На фиг. 1 представлена конструктивная блок-схема предлагаемого волнового ионного двигателя с замкнутой газоразрядной камерой в исполнении с тремя направляющими трубками.

На фиг. 2 представлена развернутая диаграмма высокочастотного пульсирующего тока, подающегося на ионно-оптическую систему. На фиг. 2 U_ИОС – напряжение на ускоряющем электроде ионно-оптической системы.

Осуществление изобретения

Устройство состоит из следующих элементов с их функциями:

- газоразрядной камеры (1) замкнутой кольцевой формы, имеющей внутреннюю полость любого поперечного сечения, выполненную из диэлектрического материала, герметично соединенную с минимум одной направляющей трубкой (2), с внешней стороны которой расположена минимум одна антенна (3), имеющей линию газодинамической связи с системой хранения и подачи рабочего тела (11) через радиальный газоввод (10), при этом внутри газоразрядной камеры (1) происходит ионизация рабочего тела, вводимого через радиальный газоввод (10) в газоразрядную камеру (1) из системы хранения и подачи рабочего тела (11), под действием переменного электромагнитного поля, создаваемого во внутренней полости газоразрядной камеры (1) минимум одной антенной (3), при этом внутри газоразрядной камеры (1) вследствие взаимодействия переменного электромагнитного поля, генерируемого антенной (3), и внешне приложенного постоянного магнитного поля, соосного с осью газоразрядной камеры (1), создаваемого магнитной системой (6), возникает процесс волнообразования в плазме, при этом за счет того, что газоразрядная камера (1) является замкнутой трубкой, генерируемые волны циркулируют внутри газоразрядной камеры (1) вдоль линий внешне приложенного магнитного поля, передавая энергию электронам, что в последствии приводит к эффективному вкладу мощности в плазму на линии электромагнитной связи антенна-плазма, при этом за счет замкнутой циркуляции волн в плазме практически вся их энергия передается в газовый разряд;

- минимум одной направляющей трубки (2), герметично соединенной с газоразрядной камерой (1) с одного конца, а с другого конца открытой во внешнее пространство. Со стороны конца направляющей трубки (2), открытого во внешнее пространство расположена ионно-оптическая система (8). Ось каждой направляющей трубки (2) совпадает с направлением вектора тяги, соответствующего заданной направляющей трубки (2). Основная функция каждой направляющей трубки (2) – это направление потока плазмы из газоразрядной камеры (1), притягиваемого ионно-оптической системой (8), для последующего вытягивания и ускорения попеременно ионов и электронов из этого плазменного потока. При этом, когда выход потока плазмы из газоразрядной камеры (1) не желателен в направлении оси определенной направляющей трубки (2), направляющая трубка (2) является буфером между газоразрядной камерой (1), где горит разряд, и внешним пространством, т.е. направляющая трубка (2) предотвращает истечение плазмы из газоразрядной камеры (1) в случае отсутствия напряжения на ионно-оптической системе (8) за счет того, что между циркулирующей внутри газоразрядной камеры (1) плазмой под действием волн и внешним пространством есть область, в которой отсутствуют электрические и магнитные поля и замагниченная в газоразрядной камере (1) плазма не будет течь во внутреннюю полость направляющей трубки (2);

- минимум одной антенны (3), имеющей линию электрической связи с высокочастотным генератором (ВЧ-генератором) (5), расположенной с внешней стороны газоразрядной камеры (1), с внешней стороны закрытой от остального объема двигателя втулкой (4). При приложении к антенне (3) высокочастотного тока от ВЧ-генератора (5), антенна (3) создает переменное магнитное поле внутри газоразрядной камеры (1), которое создает вихревые электрические поля, под действием которых электроны, находящиеся внутри газоразрядной камеры (1), набирают энергию и начинается процесс ионизации рабочего тела внутри газоразрядной камеры (1), вводимого в нее через радиальный газоввод (10) из системы хранения и подачи рабочего тела (11). По завершении процесса первичной ионизации рабочего тела внутри газоразрядной камеры (1), под действием электромагнитного излучения, генерируемого антенной (3) и внешне наложенного на внутреннюю полость газоразрядной камеры (1) постоянного магнитного поля магнитной системой (6), соосного с осью газоразрядной камеры (1), в плазменном объеме начинается процесс волнообразования, в частности генерация волн Трайвелписа-Гоулда, Ленгмюровских косых волн и геликонных волн, которые затем циркулируют по плазменному объему, находящемуся во внутренней полости газоразрядной камеры (1), вдоль линий внешне наложенного постоянного магнитного поля, генерируемого магнитной системой (6). Таким образом, волны замкнуты во внутренней полости газоразрядной камеры (1), что приводит к процессу эффективной передачи энергии на линии электромагнитной связи антенна-плазма;

- минимум одной втулки (по количеству антенн) (4), закрывающей внешнюю поверхность антенны (3) от остального объема двигателя. Втулка (4) предотвращает распространение электромагнитного излучения, генерируемого антенной (3), в объем двигателя. Процесс предотвращения распространения электромагнитного излучения может быть осуществлен, если втулка (4) выполнена из диэлектрического материала – таким образом втулка (4) предотвращает емкостное связывание антенны (3) и элементов конструкции двигателя;

- ВЧ-генератора (5), имеющего линии электрической связи с минимум одной антенной (3), модулем преобразования бортового питания (12) и управляющим модулем (13)ю ВЧ-генератор (5) генерирует ток высокой частоты, который затем подается на антенну (3);

- магнитной системы (6), расположенной с внешней стороны газоразрядной камеры (1), имеющей линию электрической связи с источником питания магнитной системы (7). Магнитная система (6) создает постоянное магнитное поле во внутренней полости газоразрядной камеры (1), линии которого параллельны оси газоразрядной камеры (1). Взаимодействие магнитного поля, генерируемого магнитной системой (6), и электромагнитного поля, генерируемого антенной (3), приводит к возникновению в объеме плазмы, находящемся во внутренней полости газоразрядной камеры (1), электромагнитных волн и их последующему распространению. Наличие индуцируемых в плазменном объеме электромагнитных волн приводит к эффективному вкладу мощности в плазму, т.к. наличие волн приводит к тому, что мощность от антенны (3) вкладывается в плазму, находящуюся во внутренней полости газоразрядной камеры (1), изнутри объема плазмы, т.е. антенна (3) при наличии внешнего постоянного магнитного поля, генерируемого магнитной системой (6), генерирует электромагнитные волны в плазме, которые затем передают энергию электронам, которые затем передают энергию ионам, а также производят ионизацию рабочего тела. Магнитная система (6) может состоять из нескольких соленоидов, располагающихся с внешней стороны газоразрядной камеры (1), при этом оси этих соленоидов соосны с осью газоразрядной камеры (1);

- источника питания магнитной системы (7), имеющего линии электрической связи с магнитной системой (6), модулем преобразования бортового питания (12) и управляющим модулем (13). Источник питания магнитной системы (7) служит для питания электрическим током магнитной системы (6), а также способен подавать различные параметра тока, в частности различную силу тока, в магнитную систему (6), при этом при изменении параметров тока изменяется индукция магнитного поля, генерируемого магнитной системой (6);

- минимум одной ионно-оптической системы (по количеству направляющих трубок) (8), расположенной на торце соответствующей направляющей трубки (2), открытом во внешнее пространство, имеющей линию электрической связи с источником питания ионно-оптической системы (9). Ионно-оптической система (8), в частности, может состоять из одного электрода – ускоряющего электрода с многочисленными отверстиями, к которому прикладывается высокочастотный пульсирующий ток от источника питания ионно-оптической системы (9), при этом пики напряжения – отрицательные. В моменты максимального напряжения из плазмы, направляемой направляющей трубкой (2) в сторону ионно-оптической системы (8), вытягиваются и ускоряются ионы, а в моменты минимумов напряжения выходят электроны (см. фиг. 2). Таким образом, ионно-оптическая система (8), работающая при подаче на нее высокочастотного пульсирующего тока, позволяет эксплуатировать двигатель ионного типа без необходимости использования катода-нейтрализатора;

- источника питания ионно-оптической системы (9), имеющего линии электрической связи с минимум одной ионно-оптической системой (8), модулем преобразования бортового питания (12) и управляющим модулем (13). Источник питания ионно-оптической системы (9) генерирует высокочастотный пульсирующий ток, подаваемый на ионно-оптическую систему (8);

- системы хранения и подачи рабочего тела (11), имеющей линию газодинамической связи с газоразрядной камерой (1), соединенной с газоразрядной камерой (1) через радиальный газоввод (10), имеющей линии электрической связи с модулем преобразования бортового питания (12) и управляющим модулем (13). Система хранения и подачи рабочего тела (11) служит для хранения, подготовки, и подачи в газоразрядную камеру (1) рабочего тела, используемого в двигателе в качестве плазмообразующего вещества;

- модуля преобразования бортового питания (12), имеющего линии электрической связи с ВЧ-генератором (5), источником питания магнитной системы (7), источником питания ионно-оптической системы (9), системой хранения и подачи рабочего тела (11), управляющим модулем (13). Модуль преобразования бортового питания (12) служит для преобразования параметров тока, получаемого от бортовой сети космического аппарата, на котором установлен двигатель, в параметры тока, необходимые для работы ВЧ-генератора (5), источника питания магнитной системы (7), источника питания ионно-оптической системы (9), системы хранения и подачи рабочего тела (11), управляющего модуля (13);

- управляющего модуля (13), имеющего линии электрической связи с ВЧ-генератором (5), источником питания магнитной системы (7), источником питания ионно-оптической системы (9), системой хранения и подачи рабочего тела (11), модулем преобразования бортового питания (12). Управляющий модуль (13) служит для управления системами и модулями двигателя.

Основная задача, которую выполняет волновой ионный двигатель с замкнутой газоразрядной камерой - это создание векторов тяги, расположенных в разных проекциях, оси которых со направлены с осями направляющих трубок (2), для создания суммарного вектора тяги, выполняющего управляющие воздействия на КА, т.е. для до выведения КА с опорной орбиты на целевую орбиту, коррекции и поддержания орбиты, прецизионной ориентации, разгрузки систем ориентации, маневров между орбитами, межпланетных перелетов, увода КА с целевой орбиты в конце его срока активного существования (САС).

Предлагаемый волновой ионный двигатель с замкнутой газоразрядной камерой имеет один источник плазмы, представляющий собой газоразрядную камеру (1) замкнутой кольцевой формы, при этом к газоразрядной камере (1) могут быть присоединены несколько направляющих трубок (2), которые определяют несколько направлений векторов тяги. Таким образом, с помощью одного источника плазмы – газоразрядной камеры (1) замкнутой кольцевой формы возможно создание нескольких разнонаправленных векторов тяги. Способность генерировать несколько векторов тяги приводит к способности одного двигателя создавать управляющие воздействия в космосе на КА в любых направлениях, что означает, что с помощью одного двигателя можно до выводить КА, управлять положением КА, поддерживать орбиту, выполнять маневры между орбитами, выполнять межпланетные полеты, уводить КА в конце срока активного существования.

Предлагаемый волновой ионный двигатель с замкнутой газоразрядной камерой может состоять из нескольких идентичных направляющих трубок (2) или может включать в себя несколько идентичных направляющих трубок (2) и одну или несколько направляющих трубок (2) с большим диаметром и более мощными ионно-оптическими системами (8) и источниками питания ионно-оптических систем (9). Первый случай может быть применен для управления ориентацией КА и маневров между низкими околоземными орбитами (НОО) - до 2000 км - или маневров между НОО и геостационарной орбиты (ГСО) – до выведение КА, что означает, что КА может не использовать услуги космических буксиров. Во втором случае идентичные газовые трубки (2) могут работать для управления ориентацией, а направляющая трубка (2) с большим диаметром будет работать для маршевых операций, требующих очень плотных потоков плазмы, которые ускоряются мощными ионно-оптическими системами (8) для высокоинтенсивных двигательных операций, например для межпланетных полетов - к Марсу, Юпитеру, другим объектам космического пространства.

В случае, когда антенна (3) окружена диэлектрической втулкой (4), что предлагается использовать в настоящем изобретении, не будет воздействия электромагнитных полей, создаваемых антенной (3), на окружающие ее элементы двигателя и КА, а также не будет возникновения ёмкостно связанных разрядов между поверхностью антенны (3) и окружающими ее поверхностями элементов двигателя и КА, следовательно, не будет плазменного распыления элементов, и в результате срок службы двигателя будет увеличен.

В предлагаемом волновом ионном двигателе с замкнутой газоразрядной камерой электромагнитные волны в плазме, генерируемые при взаимодействии электромагнитного излучения, генерируемого антенной (3) и внешне наложенного на внутреннюю полость газоразрядной камеры (1) постоянного магнитного поля магнитной системой (6), соосного с осью газоразрядной камеры (1), непрерывно циркулируют во внутренней полости газоразрядной камеры (1) по замкнутой траектории, т.е. электромагнитные волны замагничены и замкнуты за счет замкнутой кольцевой формы газоразрядной камеры (1) и замкнутых линий постоянного магнитного поля, генерируемого магнитной системой (6). Термин замагниченные электромагнитные волны связан с тем, что на самом деле генерируемые во внутренней полости газоразрядной камеры (1) электромагнитные волны являются колебаниями плотности плазмы, а именно плотности электронов в плазме, и на самом деле замагниченными являются электроны, но за счет их направленного движения по определенным траекториям – спиралевидным, и возможности описания этого движения с точки зрения распространения электромагнитной волны, замагниченными могут быть электромагнитные волны. Это приводит к значительному повышению эффективности вклада мощности в плазму и, как результат, значительному повышению эффективности работы двигателя. Это связано с тем, что электромагнитные волны передают свою энергию в плазменный разряд на длине в десять раз превышающую длину антенны. В прямолинейных газоразрядных камерах, т.е. в газоразрядных камерах в форме цилиндра, этот физический факт приводит к потерям электромагнитной мощности, поскольку генерируемые электромагнитные волны покидают прямолинейную газоразрядную камеру слишком рано для передачи ее энергии – обычно длина прямолинейных газоразрядных камер не превышает двух длин антенны. Факт низкого КПД из-за потери мощности электромагнитной волны можно найти в Такахаши и др. (2020) [https://doi.org/10.2514/1.B37940].

В предлагаемом изобретении за счет замагниченности генерируемых электромагнитных волн во внутренней полости газоразрядной камеры (1) замкнутой кольцевой формы, вся энергия, переносимая электромагнитными волнами, вкладывается в плазму. Таким образом, для работы предлагаемого двигателя могут быть снижены энергетические затраты на создание такого же уровня тяги как в других электрических ракетных двигателях с электростатическим принципом ускорения – ВЧ-ионном, Коллоидном, СПД, ДАС, что важно в случае малых КА или при том же уровне мощности интегральные характеристики двигателя, такие как удельный импульс и тяги могут быть значительно увеличены.

За счет того, что газоразрядная камера (1) имеет замкнутую кольцевую форму, за счет замагниченности генерируемых во внутренней полости газоразряднлой камеры (1) электромагнитных волн и за счет того, что газоразрядная камера (1) имеет связь с внешним пространством только через направляющие трубки (2), возможна практически полная ионизация рабочего тела, подаваемого в газоразрядную камеру (1) через радиальный газоввод (10) из системы хранения и подачи рабочего тела (11), т.к. будет минимизирована утечка неионизированного рабочего тела из газоразрядной камеры (1).

Изобретение относится к космической технике, в частности к электроракетным двигательным установкам с электрическим ракетным двигателем (ЭРД) с безэлектродным источником плазмы и электродной ускорительной ступенью. Предложенный волновой ионный двигатель с замкнутой газоразрядной камерой содержит: газоразрядную камеру замкнутой кольцевой формы; минимум одну направляющую трубку; минимум одну антенну; минимум одну втулку (по количеству антенн); ВЧ-генератор; магнитную систему; источник питания магнитной системы; минимум одну ионно-оптическую систему (по количеству направляющих трубок); источник питания ионно-оптической системы; радиальный газоввод; систему хранения и подачи рабочего тела; модуль преобразования бортового питания; управляющий модуль. При реализации заявленного изобретения обеспечивается устранение возникновения паразитных разрядов, разрушающих элементы конструкции двигателя и малого космического аппарата; уменьшение потерь при вкладе мощности в плазму на электромагнитной линии электромагнитной связи антенна-плазма; устранение влияния электромагнитного излучения на элементы конструкции двигательной установки и элементы конструкции космического аппарата. 2 ил.

Волновой ионный двигатель с замкнутой газоразрядной камерой, содержащий газоразрядную камеру, магнитную систему, ВЧ-генератор, отличающийся тем, что газоразрядная камера имеет замкнутую кольцевую форму, при этом со стороны внешней поверхности газоразрядной камеры расположена магнитная система, обеспечивающая создание постоянного магнитного поля во внутренней полости газоразрядной камеры, линии которого параллельны оси газоразрядной камеры, и имеющая линию электрической связи с источником питания магнитной системы, имеющим линии электрической связи с модулем преобразования бортового питания и управляющим модулем, при этом со стороны внешней поверхности газоразрядной камеры расположена минимум одна антенна, имеющая линию электрической связи с ВЧ-генератором, имеющим линии электрической связи с модулем преобразования бортового питания и управляющим модулем, при этом внешняя поверхность антенны закрыта от остального объема двигателя втулкой, предотвращающей распространение электромагнитного излучения, генерируемого антенной, в объем двигателя, при этом газоразрядная камера имеет герметичное соединение минимум с одной направляющей трубкой, ось которой определяет направление вектора тяги, один конец которой соединен с газоразрядной камерой, а другой конец открыт во внешнее пространство, при этом на конце направляющей трубки, открытом во внешнее пространство, имеется ионно-оптическая система, имеющая линию электрической связи с источником питания ионно-оптической системы, имеющим линии электрической связи с модулем преобразования бортового питания и управляющим модулем, при этом газоразрядная камера имеет линию газодинамической связи с системой хранения и подачи рабочего тела, имеющей линии электрической связи с модулем преобразования бортового питания и управляющим модулем.