Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель

Изобретение относится к электрореактивным двигателям импульсного действия на жидких рабочих средах, использующих электронно-детонационный тип разряда. Двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком в виде рабочей поверхности из диэлектрика, контактирующей с источником подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела. Рабочая поверхность выполнена подвижной, в виде двух дисков вращения, а в зоне между анодом, установленным на ведомом диске, и катодом, установленным на ведущем диске, помещены промежуточный электрод и источник подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела. Подвижная рабочая поверхность дисков выполнена в виде желоба (канавки), с углублением которого и контактирует источник подачи рабочего тела, представляющий собой пористо-капиллярный эластичный фитиль. В качестве рабочего тела применяют жидкофазный диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров, например вакуумное масло, а рабочую поверхность выполняют из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например керамики или капролона. Предложенное позволяет исключить периоды вынужденного молчания двигателя и повышение кпд ЭРД за счет оптимизации углов истечения плазмы путем их настройки элементами конструкции ЭРД без классических средств плазмооптики. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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

Известна схема ЭРД с электронно-детонационным типом разряда (заявка №2005102848 от 04.02.2005, МПК 7 F03H 1/00, опубликована 10.07.2006, бюллетень №19), где проблема повышения кпд за счет снижения угла разлета плазмы решается путем выполнения разрядного промежутка в виде желоба на неподвижной рабочей поверхности. При этом в зоне между анодом и катодом с возможностью возвратно-поступательного движения помещен источник подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела (смачиватель).

Неподвижная рабочая поверхность в плоскости, перпендикулярной линии, соединяющей электроды, выполненная в виде желоба, существенно снижает угол разлета плазмы. Поступление рабочего тела в межэлектродный промежуток желоба происходит методом смачивания желоба через пористо-капиллярный эластичный смачиватель (фитиль), установленный на подвижной каретке. Периодическое перемещение каретки со смачивателем вдоль желоба осуществляется с помощью электропривода. Смачивание желоба пленкой происходит периодически через определенное количество разрядных импульсов (на практике это через сотни, тысячи включений ЭРД) и зависит по времени в основном от вкладываемой в разрядный единичный импульс энергии и кпд преобразования ее в плазму.

По истечении определенного количества разрядных импульсов, соответствующих выработке пленки рабочего тела в углублении желоба, система управления вновь генерирует команду на перемещение смачивателя. Такая цикличность действий продолжается на всем протяжении работы ЭРД. При этом на время смачивания процесс генерации плазмы прекращается путем временного отключения подачи высоковольтных импульсов на электроды ЭРД.

Конструкция разрядного промежутка в виде желоба (канавки), например, параболической формы позволила значительно уменьшить угол разлета продуктов истечения, при этом одновременно снизить и потери рабочего тела из-за эффектов вакуумного испарения за счет резкого уменьшения площади смачиваемой поверхности, не участвующей в разрядном процессе.

Однако эта конструкция выявила ограничения по работоспособности при увеличении частоты включений. Так, при работе в рабочем диапазоне частот от 100 до 1000 Гц с целью повышения импульса тяги за секунду цикличность перемещений каретки со смачивателем должна увеличиться на порядок, чтобы восполнять расход рабочего тела, а это, в свою очередь, значительно увеличивает продолжительность режима вынужденного молчания ЭРД.

Известен импульсный плазменный реактивный двигатель по патенту РФ №2266428 (заявка №2002135702 от 27.10.2002), МПК 7 F03H 1/00 с электронно-детонационным типом разряда на жидком рабочем теле. Данный ЭРД имеет ресурс >10⁹ включений при частоте разрядных импульсов 1…1000 Гц за счет реализации в нем способности к самовосстановлению работоспособности разрядных промежутков на жидком или гелеобразном рабочем теле. При работе этого двигателя организуется разряд на пленке из жидкофазного рабочего тела. В таком ЭРД, состоящем из анода и катода с разрядным промежутком и рабочего тела, заключенного между ними, в зоне между анодом и катодом расположена подвижная смачиваемая жидким или гелеобразным рабочим телом поверхность разрядного промежутка. Подвижная часть поверхности может быть выполнена цилиндрической или дисковой форм с электроприводом, обеспечивающим скорость вращения, пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов, и с разрядным промежутком, выполненным вдоль образующей линии на поверхности вращения. Источником подачи 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, например синтетическую жидкость, вакуумное масло и другие. При этом подвижная поверхность выполняется из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например капролона.

Однако по результатам испытаний этого конструктивного исполнения выявлен ряд недостатков, а именно значительный угол разлета продуктов плазмы в плоскости, перпендикулярной линии, соединяющей электроды, что снижает кпд. Это вызвано в основном тем, что зона разряда, имеющая конечные геометрические размеры, организована на выпуклой части подвижной поверхности по отношению к вектору истечения плазмообразующих продуктов. Второй недостаток связан со значительной смачиваемой площадью незадействованной в разрядном процессе поверхности цилиндра или диска при их вращении, при этом сам разряд сосредоточен на узком линейном межконтактном промежутке. Такой способ организации смачивания ведет к непроизводительным потерям жидкофазного рабочего тела вследствие испарения пленки в условиях глубокого вакуума с поверхности, не участвующей в разряде.

Целью предлагаемого изобретения является исключение периодов вынужденного молчания двигателя и повышение кпд ЭРД за счет оптимизации углов истечения плазмы путем их настройки элементами конструкции ЭРД без классических средств плазмооптики («Введение в плазмодинамику». Морозов А.И., Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2005 г.).

Предлагаемый импульсный плазменный электрический реактивный двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком в виде подвижной рабочей поверхности с направленным и управляемым перемещением, выполненной из диэлектрика, контактирующей с источником подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела. Согласно изобретению разрядный промежуток выполнен в виде кольцевых канавок на подвижных цилиндрических поверхностях минимум двух дисков, расположенных симметрично относительно общей оси устройства.

В предпочтительном варианте источник рабочего тела расположен между дисками и контактирует с поверхностью канавок каждого из них.

В зоне оси симметрии двигателя установлен промежуточный электрод с наводимым при разряде потенциалом, имеющий контакт с каждой канавкой.

Анод и катод могут быть установлены с возможностью перемещения вдоль канавок.

Выполнение желоба на двух и более сопряженных между собой цилиндрических поверхностях дисков (роликов), обеспечивающих возможность установки на них электродов анода и катода в зонах, где касательная к поверхности вращения перпендикулярна вектору истечения плазмообразующих продуктов, дает возможность управления углом истечения струи плазмообразующих продуктов.

Предлагаемая схема ЭРД поясняется чертежом.

Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель с электронно-детонационным типом разряда, работающий на жидком рабочем теле, состоит из электродов: анода 1, катода 2, и разрядного промежутка между ними в форме желоба (кольцевой канавки) 3, например, параболической формы, выполненного на цилиндрических поверхностях минимум двух расположенных симметрично относительно оси устройства дисков 4 и 5. Вращение дисков для смачивания разрядного промежутка осуществляется электроприводом 6, при этом подача рабочего тела в разрядный промежуток осуществляется через смачиватель 7, являющийся источником рабочего тела. Направление вращения дисков выбирается от смачивателя 7 к электродам. Для оптимизации разрядного процесса в зоне сопряжения дисков установлен промежуточный электрод 8 с наводимым в процессе разряда потенциалом. Электрод 8 имеет контакт с поверхностью канавок каждого диска. Разряд инициируется путем подачи на электроды высоковольтного импульса напряжения от генератора 9. С помощью изменения геометрических характеристик желоба (канавки) и промежуточного электрода, расположения электродов, анода 1 и катода 2, на дисках 4 и 5 оптимизируют углы истечения плазмы для достижения максимального кпд.

Следует заметить, что в такой схеме ЭРД имеет место кумулятивный эффект (ЖТФ, том 46, выпуск 8, 1976 г., стр.1617 «О возможности газодинамического ускорения потока в зоне кумуляции плазменных факелов под разными углами»), способствующий дополнительному ускорению продуктов истечения в зоне встречи плазменных факелов с дисков 4 и 5 соответственно.

Работает данный ЭРД следующим образом. При подаче низковольтного напряжения на электропривод 6 ведущий 5 и ведомый 4 диски приходят во вращение, при этом их желоба (канавки) 3, соприкасаясь со смачивателем 7, покрываются пленкой рабочего тела (РТ), в том числе и в зоне разрядного промежутка, образованного электродами 1, 8, 2. После чего через несколько секунд, требуемых для появления пленки в зоне разрядного промежутка, с генератора 9 на электрод 2 (анод) подается высоковольтное напряжение. Подача высоковольтного напряжения на электроде 2 приводит к появлению скользящего разряда в направлении от анода к катоду (электронно-детонационный тип разряда), распространяющегося по поверхности жидкой пленки. Данный разряд генерирует в процессе перекрытия высокоскоростные ионы рабочего тела, образующие первичную реактивную струю истечения. Последующее замыкание разрядом межэлектродного промежутка 1, 8, 2 приводит к появлению дуговой фазы разряда, нейтрализации первичной реактивной струи и истечению вторичной реактивной струи в виде плазмы.

1. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель состоящий из анода, катода и разрядного промежутка между ними, выполненного из диэлектрика и контактирующего с источником подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела, отличающийся тем, что разрядный промежуток выполнен в виде кольцевых канавок на подвижных цилиндрических поверхностях минимум двух дисков, расположенных симметрично относительно общей оси устройства.

2. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что источник рабочего тела расположен между дисками и контактирует с поверхностью канавок каждого из них.

3. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в зоне между дисками по оси симметрии двигателя установлен промежуточный электрод с наводимым при разряде потенциалом, имеющий контакт с каждой канавкой дисков.

4. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1 или 3, отличающийся тем, что анод и катод установлены с возможностью перемещения вдоль канавок.