Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель

Изобретение относится к электрореактивным двигателям, использующим электронно-детонационный тип разряда. Двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком, между которыми расположена подвижная поверхность с направленным и управляемым перемещением, контактирующая с источником жидкого или гелеобразного рабочего тела. Подвижная поверхность может быть выполнена в виде криволинейной поверхности, например цилиндра, или плоскости, например диска, с приводом, обеспечивающим скорость вращения, пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов. При этом разрядный промежуток представляет собой образующую криволинейной поверхности или зону на плоскости между анодом и катодом. Изобретение позволяет создать импульсный плазменный двигатель, обладающий самозалечиванием дефектов на поверхности рабочего тела в зоне разрядного промежутка и самовосстановлением работоспособности в условиях появления различных неблагоприятных факторов в процессе импульсных разрядов. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия.

Известны импульсные плазменные двигатели на газообразном рабочем теле (РТ), например ксеноне, аргоне, водороде, и импульсные двигатели эрозионного типа с твердофазным рабочим телом типа тефлон, расположенным внутри разрядного промежутка [1], [2], [3]. Основным недостатком первого типа двигателей является сложность синхронизации (согласования) во времени подачи строго дозируемой порции газообразного рабочего тела в зону разрядного промежутка с временными характеристиками подачи импульсных напряжений на электроды разрядного промежутка и, как следствие, низкий коэффициент использования рабочего тела. Во втором случае - эрозионный тип, удельные параметры имеют низкие значения, максимальный кпд не превышает 15%, из-за доминирующего газодинамического механизма ускорения плазмы.

Более совершенным типом двигателя данного класса является импульсный плазменный реактивный двигатель [4] торцевого типа на твердом рабочем теле - тефлоне, как эталонном рабочем теле. В этом двигателе с преобладающим электронно-детонационным типом разряда [5] (взрывная инжекция электронов с поверхности рабочего тела в сторону анодного электрода, вызванная высоким положительным потенциалом на анодном электроде по отношению к катодному электроду, находящемуся под нулевым потенциалом и наносекундным диапазоном длительности разрядного импульса) реализуется выход ионной компоненты в режиме перекрытия разрядом разрядного промежутка и его последующей нейтрализации на завершающей дуговой фазе разряда. Такой ЭРД, названный по типу реализуемого в нем разряда как ЭДРД - электронно-детонационный ракетный двигатель, позволяет получать на рабочем теле - тефлоне более высокие удельные параметры за счет значительного уменьшения дуговой фазы разряда. Однако в нем при наработке ресурса возникают неустойчивости процесса генерации плазмы в виде плазменных жгутов (пинчей) с образованием на поверхности рабочего тела каналов с повышенной проводимостью, и, как следствие, к интенсивному местному уносу рабочего тела с данной зоны, что ведет к снижению ресурсных характеристик ввиду неравномерности выработки рабочего тела в разрядном промежутке и низкого уровня стабильности выходных характеристик.

Задачей, решаемой с помощью предлагаемого изобретения, является создание импульсного плазменного ЭРД с ресурсом >10⁹ включений и частотой импульсов 1...1000 Герц, в котором должны быть реализованы принципы самозалечивания дефектов на поверхности рабочего тела в зоне разрядного промежутка и самовосстановления работоспособности в условиях появления различных неблагоприятных факторов в процессе импульсных разрядов.

Задача решается путем изменения конструкции известного ЭДРД. В известном импульсном плазменном реактивном двигателе торцевого типа, состоящем из анода и катода с разрядным промежутком и рабочего тела, заключенного между ними, предлагается в зоне между анодом и катодом расположить подвижную криволинейную поверхность или плоскость с направленным и управляемым перемещением с обеспечением ее контакта перед разрядным промежутком с источником жидкого или гелеобразного рабочего тела.

Для упрощения управления процессом подвижная криволинейная поверхность может быть выполнена цилиндрической или сферической формы, а в случае с подвижной плоскостью - в виде диска или ленты с приводом, обеспечивающим скорость перемещения (вращения), пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов, при этом разрядный промежуток будет представлять собой образующую цилиндрической поверхности или зону на плоскости между анодом и катодом.

Источником жидкого рабочего тела может являться пористо-капиллярный эластичный фитиль, сообщенный с системой хранения рабочего тела.

В качестве рабочего тела можно применять жидкий диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров [6], например синтетическую жидкость, вакуумное масло и другие, для повышения эффективности работы и снижения утечек рабочего тела в условиях глубокого вакуума космического пространства. При этом подвижная поверхность выполняется из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например капролона, керамики и т.д.

Указанная совокупность признаков и физических эффектов позволяет получить в предлагаемом импульсном ЭРД высокий ресурс и стабильный уровень характеристик, упрощает систему подачи РТ, что ведет к упрощению электрической реактивной двигательной установки в целом.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом. На фиг.1 показана конструктивная схема двигателя с цилиндрической подвижной поверхностью. На фиг.2 показана конструктивная схема двигателя с плоской подвижной поверхностью в виде диска. Основным его элементом является барабан 1 цилиндрической формы, изготовленный из диэлектрика, например капролона, материал которого обладает эффектом смачивания в зоне его контакта с рабочим телом, например вакуумным маслом, поступающим из бака хранения рабочего тела 2. Разрядный промежуток для генерации плазмы организуется на цилиндрической образующей барабана между обострителями 3 двух противоположно установленных электродов. Один из электродов находится под положительным потенциалом - анод 4, а второй под нулевым потенциалом - катод 5. Для вращения барабана используется электропривод 6, например двигатель шагового типа, скорость которого зависит от частоты разрядных импульсов, подаваемых на электроды 4 и 5. Внешняя поверхность цилиндра имеет контакт с жидкой рабочей средой посредством касания пористо-капиллярной структуры эластичного фитиля 7 внешней стенки цилиндра. Аналогичное устройство может быть выполнено на базе любых криволинейных поверхностей, например сфера, конус и т. д. в зависимости от конкретного функционального назначения.

На фиг.2 приведено исполнение устройства, где подвижная поверхность выполнена в виде плоского диска 8, изготовленного из диэлектрического материала, например капролона, обладающего эффектом смачивания в зоне его контакта с рабочим телом, например вакуумным маслом, поступающим из бака хранения рабочего тела 2. Диск вращается вокруг собственной оси при помощи электродвигателя 6, например шагового типа, скорость которого зависит от частоты подачи разрядных импульсов. Особенностью данного типа ЭРД является то, что разрядный промежуток для генерации плазмы организуется на поверхности диска между обострителями 3 двух противоположно установленных электродов. При этом один из электродов, находящийся под положительным потенциалом - анод 4, может быть расположен как на оси диска (фиг.2), так и на периферии диска, а второй, находящийся под нулевым потенциалом - катод 5, представляющий из себя либо одиночный обостритель, либо сумму обострителей, расположен на периферии диска по окружности (фиг.2). Рабочая поверхность диска имеет контакт с жидкой рабочей средой посредством касания пористо-капиллярной структуры эластичного фитиля 7.

ЭРД такого типа работает следующим образом. Цилиндрический барабан 1 приводится во вращение перед началом подачи высоковольтных разрядных импульсов на электроды 4 и 5 с упреждением в несколько секунд. За этот период в зону разрядного промежутка, за счет смачивания на поверхность барабана поступает рабочее тело в виде тонкой пленки. При подаче разрядных импульсов на электроды 4 и 5, между обострителями электродов 3 по поверхности жидкой пленки возникает разряд, генерирующий ионную, а затем плазменную составляющие разряда и создающий реактивный импульс тяги. При этом пропорционально темпу частоты разрядов ЭРД путем изменения скорости вращения барабана 1 в зону разрядного промежутка через фитиль 7 на внешнюю поверхность вращающегося барабана 1 все время поступает новая порция рабочего тела.

Проверка износа материала барабана 1 путем контроля показателей шероховатости его цилиндрической поверхности после многочасовых испытаний с частотой до 100 Гц не выявила изменений. В таком исполнении разрядный промежуток и система подачи в него рабочего тела органично взаимосвязаны и взаимозависимы. Вся система имеет низкий уровень нагрева конструктивных элементов. Появление в дуговой фазе разряда неустойчивостей процесса генерации плазмы в виде плазменных жгутов (пинчей) вследствие местных нарушений поверхности рабочего тела не приводит к дефектам, так как в разрядный промежуток, в темпе разрядных импульсов происходит подача свежих (новых) порций рабочего тела с толщиной пленки, определяемой явлением смачивания поверхности барабана рабочим телом. Реализация такой схемы двигателя предполагает удобную схему подвода рабочего тела к поверхности барабана от баков хранения рабочего тела через пористо-капиллярную структуру эластичного фитиля 7.

Кроме того, ЭРД с подвижной цилиндрической поверхностью, позволяет с помощью одного двигателя, имеющего четыре разрядных промежутка, управлять по двум каналам, например крена и тангажа, рыскания и тангажа, рыскания и крена, в зависимости от места расположения ЭРД на поверхности летательного аппарата.

По принципу работы ЭРД с диском (фиг.2) работает так же, как ЭРД с барабаном (фиг.1). При этом в схеме с диском можно реализовать торцевой тип разряда [4] за счет применения цилиндрического катода с большим числом обострителей, расположенного на периферии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975 г. Стр.198...223.

2. Фаворский О.Н., Фишгойт В.В., Янтовский Е.И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М.: Машиностроение, Высшая школа, 1978 г, стр.170...173.

3. Космические двигатели - состояние и перспективы. Под редакцией Л.Кейвни (перевод с английского под ред. А.С.Коротеева). М.:, 1988 г. Стр.186...193.

4. Патент на изобретение №2146776 от 14 мая 1998 г. Импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле.

5. Ю.Н.Вершинин Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков. Екатеринбург. УрО РАН. 2000 г.

6. Синтетические жидкости для электрических аппаратов. М.И.Шахнович. М., Энергия. 1972 г.

1. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель, состоящий из анода и катода с разрядным промежутком и рабочего тела, заключенного между ними, отличающийся тем, что в зоне между анодом и катодом расположена подвижная поверхность с направленным и управляемым перемещением, контактирующая с источником жидкого или гелеобразного рабочего тела.

2. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что подвижная поверхность выполнена в виде криволинейной поверхности, например цилиндра с приводом, обеспечивающим скорость перемещения, пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов, а разрядный промежуток представляет собой образующую криволинейной поверхности.

3. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что подвижная поверхность выполнена в виде плоскости, например диска с приводом, обеспечивающим скорость перемещения, пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов.

4. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что источником жидкофазного рабочего тела является пористо-капиллярный эластичный фитиль, сообщенный с системой хранения рабочего тела.

5. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочим телом является жидкофазный диэлектрик, например вакуумное масло, а подвижная поверхность выполнена из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например капролона.