ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2024 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к космической технике, в частности к электроракетным двигательным установкам с индуктивным источником плазмы, использующим в качестве рабочего тела забортную атмосферу и предназначенным для увеличения срока эксплуатации и осуществления управляемого перемещения летательных космических аппаратов в пространстве на низких орбитах небесных тел, обладающих атмосферой.

Известен воздушно-реактивный электростатический ионный двигатель (см. патент US № 758I380B2 от 01.09.2009 г., кл. МПК F03HI/0043). Электростатический ионный двигатель, который использует атмосферный газ в качестве рабочего тела, содержит корпус, газоразрядную камеру, образованную непроводящей внешней поверхностью и проводящей внутренней поверхностью, в которую поступает атмосферный газ и ионизируется электронами, испускаемыми внутренним электродом (электронной пушкой). Двигатель содержит электрически заряженные электроды на концах камеры, при этом эмиссионный пропускает атмосферный газ в камеру, ионизируя его, а ионно-оптическая система, состоящая из пары электродов, притягивает заряженные ионы и ускоряет их. Один или несколько магнитов образуют внешнее магнитное поле. Узел нейтрализации (катод-нейтрализатор) в задней части корпуса выравнивает ионно-электронное равновесие и поддерживает ионный двигатель в нейтральном электрическом потенциале посредством катода-нейтрализатора.

Основным недостатком приведенной конструкции является ионная эрозия электродов системы, ограничивающая ресурс работы, изменяющая в процессе разрушения электродов скорость и направление движения частиц, и, как следствие, параметры формируемой тяги. Электроды также накладывают ограничения на диапазон передаваемой плазме волновой мощности из-за ограничения предельно допустимой концентрации заряженных частиц, что приводит к зависимости производительности двигателя от конструктивно достижимой разницы потенциалов на электродах. Еще одним недостатком является принцип ускорения рабочего тела, приводящий к пространственному разделению зарядов на ионы и электроны, необходимости использования катода-нейтрализатора и катода в камере двигателя, отбирающего избыток электронов из объема газоразрядной камеры.

Также существенный недостаток заключается в отсутствии возможности накопления атмосферного газа, что ставит работу двигательной установки в прямую зависимость от локальных изменений плотности забортного газа, что обуславливает нестабильность рабочих параметров двигателя, таких как потребляемая мощность и производимая тяга, что провоцирует, в свою очередь, нагрузку на системы бортового питания и управления.

Также существенный недостаток заключается в отсутствии термостабилизации набегающих молекул газа, поскольку частицы атмосферы обладают высокими скоростями (относительно рассматриваемой системы «космический аппарат - частица»), и, попадая во внутренний объем газоразрядной камеры через первый электрод, будут подвергать его сильной эрозии, при этом частично не подвергнувшись процессу ионизации.

Известен прямоточный электрореактивный двигатель (см. патент RU № 2614906 от 05.04.2016 г., кл. МПК F03H 1/00, МПК H05H 1/54), содержащий нейтрализатор пространственного заряда ионного тока, диэлектрический транспортирующий канал, цилиндрический прямоточный канал, на входе в который установлено газосборное устройство с осевыми каналами, вход которых сообщен с входной камерой. Ионно-оптическая система расположена в выходном отверстии прямоточного канала и включает в себя эмиссионный электрод, ускоряющий электрод и замедляющий электрод, подключенные к источнику электропитания. В камере установлен соосный спиралевидный индуктор с переменной площадью поперечного сечения поверхности вращения, увеличивающейся в направлении от газосборного устройства к электродам ионно-оптической системы.

Недостатком указанного изобретения является отсутствие возможности запасать и регулируемо расходовать атмосферный газ, что делает работу электрореактивного двигателя зависимой от локальных скачков плотности атмосферного газа, характеристики двигателя - переменными, а выполнение орбитальных маневров - более сложными в части контроля и выполнения. Также недостатком является пространственное разделение зарядов, требующее компенсации посредством применения нейтрализатора, и использование подверженных эрозии электродов для ускорения ионизированных частиц.

Наиболее близким из известных технических решений является двигатель на забортном воздухе с геликонным источником плазмы для поддержания малых космических аппаратов на низкой околоземной орбите (см. патент № RU2703854 CI, от 22.10.2019 г, кл. МПКF03H1/00).

Изобретение относится к электроракетным двигательным установкам, в частности к электрическим ракетным двигателям с геликонным источником плазмы, использующим в качестве рабочего тела забортную атмосферу, предназначенным, главным образом, для установки на малых летательных аппаратах. Двигатель содержит термостабилизирующий канал, ресивер и газоразрядную камеру в едином двигательном тракте, ВЧ-антенну, ВЧ-генератор, устройство согласования нагрузки и ВЧ-генератора, постоянные или электромагниты и по меньшей мере один источник электропитания.

Недостатком данного прототипа является отсутствие возможности регулировать количество забираемого атмосферного газа, что делает управление двигательной установкой менее гибким, а программу выполнения орбитального маневра более сложной. Нерегулируемая полезная площадь воздухозаборника обуславливает увеличение значения аэродинамического сопротивления космического аппарата по мере роста давления внутри термостабилизирущего канала и ресивера, связанного с уменьшением массового расхода газа в двигателе или при его постоянстве с уменьшением давления окружающего пространства, что приводит к необходимости увеличить продолжительность работы двигателя или его мощность для компенсации потери орбитальной скорости аппарата.

Также недостатком данного прототипа является отсутствие возможности запасать атмосферный газ, так как набегающего потока частиц в различных условиях эксплуатации космического аппарата может не хватать для формирования тяги, компенсирующей аэродинамическое торможение космического аппарата, но схема прототипа не предусматривает каких-либо резервов рабочего тела для орбитальных маневров космического аппарата.

Также недостатком данного прототипа является наличие единого двигательного тракта, что накладывает существенные ограничения на конструкцию летательного аппарата, поскольку применение двигательной установки такой компоновки предполагает либо рост лобового сопротивления за счет размещения двигательной установки в отдельной гондоле, либо применение относительно двигательной установки соосного расположения остальных элементов космического аппарата.

Технический эффект, достигаемый предложенной электрореактивной двигательной установкой, заключается в увеличении маневренности космического аппарата, возможности его эксплуатации на низких орбитах небесных тел, обладающих атмосферой, и росте КПД, вызванных применением в конструкции двигательной установки регулируемого газосборного устройства, эффективно собирающего забортную атмосферу, нагнетателя и газонакопительной емкости, контролируемо запасающих и расходующих рабочее тело, предотвращающих его обратный ход при одновременной стабилизации и замедлении, приводящих к росту значения объемной концентрации ионизированных частиц в газоразрядной камере, а также газовых магистралей, обеспечивающих промышленную реализуемость за счет применения свободной компоновки двигательной установки в составе летательного аппарата посредством разнесения узлов и агрегатов двигательной установки. Устраняется необходимость увеличения габаритов летательного аппарата за счет вынесения двигательной установки или конструктивные ограничения на его компоновку. Повышается плотность тяги и величина удельного импульса тяги за счет применения индуктивного источника плазмы, повышающего степень ионизации рабочего тела.

Указанный технический эффект достигается в электрореактивной двигательной установке, содержащей газосборное устройство, термостабилизирующую камеру, герметично соединенную с газосборным устройством и накопительной емкостью, газоразрядную камеру, установленную соосно газосборному устройству и представляющую собой полый цилиндр, стенки которого выполнены из радиопрозрачного диэлектрического материала, один торец которой соединен через газовые магистрали, включающие запорно-регулирующую арматуру, с накопительной емкостью, а другой открыто сообщен с внешней средой, систему ионизации и ускорения рабочего тела, включающую антенну, расположенную соосно газоразрядной камере, высокочастотный генератор, блок согласования высокочастотного генератора и антенны, постоянные или электромагниты и источник питания, отличающейся тем, что устройство сбора забортного газа регулируемое и выполнено в виде конструкции переменного поперечного сечения и/или переменного угла раскрытия, термостаблизирующая камера через нагнетатель и устройство, предотвращающее обратный ход газа, герметично соединена с накопительной емкостью газовыми магистралями.

Двигательный тракт выполнен в виде газовых магистралей, а узлы и агрегаты двигательной установки разнесены в составе летательного аппарата.

Суть изобретения поясняется на чертеже, где показано, что в состав низкоорбитального электрореактивного двигателя входят:

1 - газосборное устройство;

2 - термостабилизирующая камера;

3 - газовая магистраль;

4 - нагнетатель;

5 - накопительная емкость;

6 - газоразрядная камера;

7 - охлаждающая система;

8 - антенна;

9 - ВЧ-генератор;

10 - согласующее устройство;

11 - постоянные или электромагниты;

12 - источник питания;

13 - запорно-регулирующая арматура.

Конструктивно низкоорбитальный электрореактивный двигатель содержит регулируемое устройство сбора забортного газа (1) и герметично соединенную с ним одним торцом термостабилизирующую камеру (2), другой торец которой посредством газовых магистралей (3) герметично соединен с нагнетателем (4). Накопительная емкость (5) герметично соединена газовыми магистралями (3) последовательно между нагнетателем (4) и газоразрядной камерой (6), на внешней оболочке которой последовательно расположены охлаждающая система (7) и соосная плазмообразующая антенна (8), подключенная к ВЧ-генератору (9) через согласующее устройство (10); магнитная система состоит из постоянных или электромагнитов (11), питание осуществляется, по крайней мере, одним источником питания (12). Газовые магистрали (3) оснащены элементами запорно-регулирующей арматуры (13).

Работа низкоорбитального электрореактивного двигателя осуществляется следующим образом. Газосборное устройство (1) собирает частицы разреженной забортной атмосферы и направляет в герметично соединенную с газосборным устройством (1) термостабилизирующую камеру (2), в которой частицы атмосферного газа за счет многократных соударений с внутренними стенками термостабилизируещей камеры (2) и друг с другом выравнивают свою энергию, замедляя скорость, что в конечном итоге приводит к росту значения объемной концентрации ионизированных частиц в газоразрядной камере (6). Применение в конструкции двигательной установки нагнетателя (4), отбирающего разреженный газ из термостабилизирующей камеры (2) через газовые магистрали (3) в накопительную емкость (5), позволяет помимо эффективного сбора частиц газа также увеличить количество проходящего через единицу площади газосборного устройства (1) атмосферного газа за счет поддержания необходимого соотношения объемных концентраций частиц между термостабилизирующей камерой (2) и пространством перед газосборным устройством (1). Для обеспечения наилучшей энергоэффективности нагнетатель (4) может оснащаться устройством, включающим его только по достижении в термостабилизирующей камере (2) определенной концентрации частиц забортного газа. Накопительная емкость (5) герметично соединена газовыми магистралями (3) последовательно с нагнетателем (4) и газоразрядной камерой (6), и оснащена элементами запорно-регулирующей арматуры (13), предотвращающими обратный ход рабочего тела и регулирующей его массовый расход с целью поддержания неизменных величин рабочих параметров двигателя, таких как тяга и удельный импульс. В газоразрядной камере (6), выполненной из радиопрозрачного диэлектрического материала в виде полого цилиндра со с внутренним диаметром, удовлетворяющим критерию Дебая для требуемых рабочих условий, частицы забортного газа, собранные устройством сбора забортного воздуха (1), замедленные и выравненные по скоростям в термостабилизирующей камере (2), отведенные по газовым магистралям нагнетателем (4) в накопительную емкость (5), запасенные и равномерно расходуемые из накопительной емкости (5), ионизируются под действием волн Трайвелписа-Гоулда или косых волн Ленгмюра, т.е. под действием спирального электромагнитного поля, являющегося суперпозицией полей: постоянного внешнего магнитного, создаваемого магнитной системой, состоящей из постоянных или электромагнитов (11) и по крайней мере одного источника питания (12), и электромагнитного поля, создаваемого плазмообразующей антенной (8), при подаче на которую ВЧ-мощности через согласующее устройство (10) от ВЧ-генератора (9) по линии электрической связи плазмообразующая антенна (8) - согласующее устройство (10). Согласующее устройство (10) нагрузки (плазмообразующей антенны (8) и плазмы в газоразрядной камере (6)) с ВЧ-генератором (9), находящегося на линии электрической связи плазмообразующей антенны (8) с ВЧ-генератором (9), доводит импеданс нагрузки (плазмообразующей антенны (8) и плазмы в газоразрядной камере (6)) до значений, равных импедансу ВЧ-генератора (9). Таким образом, на линии электрической связи плазмообразующей антенны (8) с ВЧ-генератором (9) понижаются потери ВЧ-мощности.

Преимуществом приведенной электрореактивной двигательной установки является повышение маневренности летательного аппарата, возможность его эксплуатации на низких орбитах небесных тел, обладающих атмосферой, и рост КПД, промышленная реализуемость и отсутствие конструктивных ограничений на компоновку при сохранении миниатюризации массогабаритных параметров летательных аппаратов, высокая энергоэффективность, достигаемая повышением плотности и значения тяги и удельного импульса двигательной установки.

Таким образом, реализация изобретения приведет к возможности промышленной применимости и эксплуатации нового сегмента низкоорбитальных двигательных установок и научно-исследовательской эксплуатации неосвоенных орбит небесных тел, обладающих атмосферой.

Изобретение относится к космической технике, в частности к электроракетным двигательным установкам с индуктивным источником плазмы, использующим в качестве рабочего тела забортную атмосферу. Электрореактивная двигательная установка содержит газосборное устройство, термостабилизирующую камеру, герметично соединенную с газосборным устройством и накопительной емкостью, газоразрядную камеру, установленную соосно газосборному устройству. Газоразрядная камера представляет собой полый цилиндр, стенки которого выполнены из радиопрозрачного диэлектрического материала. Один торец газоразрядной камеры соединен через газовые магистрали, включающие запорно-регулирующую арматуру, с накопительной емкостью, а другой открыто сообщен с внешней средой. Система ионизации и ускорения рабочего тела включает антенну, расположенную соосно газоразрядной камере, высокочастотный генератор, блок согласования высокочастотного генератора и антенны, постоянные или электромагниты и источник питания. Устройство сбора забортного газа регулируемое и выполнено в виде конструкции переменного поперечного сечения и/или переменного угла раскрытия. Термостаблизирующая камера через нагнетатель и устройство, предотвращающее обратный ход газа, герметично соединена с накопительной емкостью газовыми магистралями. При реализации обеспечивается увеличение маневренности космического аппарата, возможность его эксплуатации на низких орбитах небесных тел, обладающих атмосферой, и рост КПД. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электрореактивная двигательная установка, содержащая газосборное устройство, термостабилизирующую камеру, герметично соединенную с газосборным устройством и накопительной емкостью, газоразрядную камеру, установленную соосно газосборному устройству и представляющую собой полый цилиндр, стенки которого выполнены из радиопрозрачного диэлектрического материала, один торец которой соединен через газовые магистрали, включающие запорно-регулирующую арматуру, с накопительной емкостью, а другой открыто сообщен с внешней средой, систему ионизации и ускорения рабочего тела, включающую антенну, расположенную соосно газоразрядной камере, высокочастотный генератор, блок согласования высокочастотного генератора и антенны, постоянные или электромагниты и источник питания, отличающаяся тем, что устройство сбора забортного газа регулируемое и выполнено в виде конструкции переменного поперечного сечения и/или переменного угла раскрытия, термостаблизирующая камера через нагнетатель и устройство, предотвращающее обратный ход газа, герметично соединена с накопительной емкостью газовыми магистралями.

2. Двигательная установка по п. 1, отличающаяся тем, что двигательный тракт выполнен в виде газовых магистралей, а узлы и агрегаты двигательной установки разнесены в составе летательного аппарата.