Устройство для подачи пылеобразного рабочего тела в электроракетный двигатель

Устройство для подачи пылеобразного рабочего тела в электроракетный двигатель относится к области электрических ракетных двигателей (ЭРД), в которых используют пыль в качестве рабочего тела для создания тяги. В устройстве для подачи пылеобразного рабочего тела в электроракетный двигатель пылеобразное рабочее тело хранится в одном или большем числе капсул, размещенных в магазине, имеется механизм для перемещения пылеобразного рабочего тела, который выполнен таким образом, что он имеет возможность вынимать капсулу из ячейки магазина и задвигать капсулу в ускоряющее пространство ЭРД и выдвигать капсулу обратно из ускоряющего пространства ЭРД. При этом капсула для хранения пылеобразного рабочего тела имеет обечайку из диэлектрического материала, донышко и быстросъемную крышку, которая имеет возможность сбрасываться вблизи первого, по ходу перемещения пылеобразного рабочего тела, ускоряющего электрода электроракетного двигателя. Изобретение позволяет исключить непосредственный контакт и трение механизмов с пылеобразным рабочим телом, регулировать подачу пылеобразного рабочего тела в ЭРД, а также уменьшить размеры ЭРД с пылеобразным рабочим телом. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Устройство для подачи пылеобразного рабочего тела в электроракетный двигатель относится к области электрических ракетных двигателей (ЭРД), в которых в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического летательного аппарата и использующих силу реакции струи рабочего тела ускоренного в электрическом и(или) магнитном полях, а именно к ЭРД, которые используют пыль в качестве рабочего тела для создания тяги.

В настоящее время мировая космонавтика стоит на пороге освоения и колонизации нашего ближайшего естественного спутника - Луны. Существующие ракетные системы на химическом топливе хорошо отработаны и успешно справляются с доставкой на земную орбиту различных космических грузов. Но использование ракетных двигателей на химическом топливе неприемлемо по экономическим соображениям для освоения Луны ввиду малой скорости истечения рабочего тела. Что, согласно формуле Циолковского о конечной скорости ракеты, обеспечивает чрезвычайно малый процент массы, которую может доставить ракета на химическом топливе с Земли на Луну, и соответственно высокую стоимость доставки грузов. Существуют электрические ракетные двигатели (ЭРД), имеющие высокую скорость истечения, но они могут работать в вакууме или в сильно разреженной среде. Очевидно, наиболее перспективным в ближайшем времени способом доставки грузов с Земли на Луну является вначале доставка грузов с Земли на околоземную орбиту ракетами на химическом топливе, а затем с помощью космических летательных аппаратов (КЛА) с электроракетными двигателями дальше на Луну. Для таких ЭРД необходимо иметь источник электрической энергии и рабочее тело на борту КЛА. В качестве источника электрической энергии может использоваться ядерный реактор, позволяющий обеспечить ЭРД достаточной энергией на длительный период времени. Доставка рабочего тела на КЛА с Земли экономически невыгодно, выгодней его забирать с Луны, так как космический летательный аппарат с ЭРД может самостоятельно легко прилуняться и взлетать из-за фактического отсутствия атмосферы на Луне и ее малой гравитации. Известны ЭРД использующие разнообразные рабочие тела: низкомолекулярные или легко диссоциирующие газы и жидкости; щелочные или тяжелые, легко испаряющиеся металлы, а также органические жидкости; различные газы и твердые вещества. В источнике [1] описан коллоидный ЭРД в котором рабочее тело разгоняется в виде положительно заряженных микроскопических, размером в доли мкм ("коллоидных"), частиц (капель, пылинок и т.д.), которые по размерам и массе на 4-6 порядков превышают ионы. Наиболее легко добываемым веществом, которое без особых затрат может быть добыто на поверхности Луны и использоваться в качестве рабочего тела для ЭРД является лунная пыль.

Известны аналоги: «Wick injection of liquids for colloidal propulsion» US 2003209005 (A1); МПК В05В 5/025, B64G 1/40, F02K 9/44, F02K 99/00, F03H 1/00, F03H 99/00, (IPC1-7): F03H 1/00; ECLA B05B 5/025 A, B64G 1/40 B, B64G 1/40 D, F02K 11/00, F02K 9/44, F03H 1/00 D2, опубл. 13.11.2003 и «Wick injection of colloidal fluids for satellite propulsion» US 2004226279 (A1); МПК F02K 9/52, F02K 9/72, F03H 1/00, (IPC1-7): F03H 1/00; ECLA F02K 9/52, F02K 9/72, F03H 1/00 D2, опубл. 18.11.2004, в которых используется жидкое рабочее тело, подаваемое в ЭРД через фитиль благодаря капиллярным силам смачивания жидкости. В другом аналоге «Iodine electric propulsion thrusters» US 6609363 (B1); МПК F03H 1/00; (IPC1-7): F03H 1/00, ECLA F03H 1/00 D2, опубл. 26.08.2003, в качестве рабочего тела используется йод, который хранится в кристаллической форме и затем преобразуется в газообразный и далее используется в ЭРД. Данные аналоги имеют недостатки, заключающиеся в том, что жидкость и кристаллический йод на Луне добыть в больших количествах пока нет возможности и, следовательно, их необходимо доставлять с Земли, что экономически дорого и значит использовать такие ЭРД в качестве основных тяговых двигателей КЛА также не выгодно.

Другим аналогом к заявляемому устройству, который может быть принят в качестве прототипа, является патент «Ускорительная система и метод ускорения частиц (Accelerator system and method of accelerating particles)» US 7773362 (B1), МПК B05B 5/053, ECLA F03H 1/00 D2, опубл. 10.08.2010, в котором описаны многообразные варианты устройств и способы ускорения пыли с помощью электрических и магнитных полей для создания силы тяги космического летательного аппарата. В данном изобретении пылеобразное рабочее тело поставляется в разрядную камеру ускорителя активным или пассивным способом. Под активным введением частиц пыли понимается любой известный метод механического введения, например, с помощью вентилятора. Пассивное введение может быть достигнуто за счет формирования заряда на частицах пыли, когда они находятся в резервуаре источника, а затем изгнание их из резервуара источника силами их взаимного отталкивания или индуцированными. По-другому можно сказать, что пылевые частицы выводятся из резервуара, в котором они содержатся либо механическим путем, либо электромагнитным. К числу известных механических способов подачи пылеобразного рабочего тела относятся использование шнеков(винтов), ленточных(скребковых) конвейеров, пневматического способа. На самом деле в рассматриваемом изобретении питание ускорителя пылеобразным рабочим телом является самым узким местом. Проблема заключается в следующем. В рассматриваемом прототипе и в предлагаемом изобретении основным наиболее выгодным направлением их применения является использование в качестве рабочего тела лунной пыли. Известно, что лунная пыль хорошо электризуется и при этом склонна к слипанию и по-видимому не только благодаря электростатическим силам притяжения, но и благодаря Ван-дер-Ваальсовым силам взаимного притяжения молекул пыли, что особенно усугубляется в условиях вакуума, где нет воздуха, а, следовательно, и воздушной прослойки между частичками пыли. Со свойствами лунной пыли американские астронавты столкнулись во время лунных экспедиций Аполлонов. Они обнаружили, что лунная пыль неожиданно превратилась для них в серьезную проблему. Она не только оказалась настолько абразивной, что частично проникала через наружные перчатки космического скафандра, но также прилипала ко всему. Чем больше они старались отряхнуть ее, тем больше она забивалась в ткань скафандра. Частично лунная пыль обязана своим прочным прилипанием острым, неровным краям отдельных крупинок пыли, сформировавшихся за миллионы лет метеоритных ударов и отсутствию водной и атмосферной эрозии. Заостренные края этих крупинок были словно зацепки, которые цеплялись за различные предметы подобно микроскопическим заусенцам. Таким образом, если для перемещения частичек лунной пыли в вакууме использовать механические системы, которые при трении о пыль (что неизбежно) дополнительно ее электризуют, что приведет к ее налипанию на части механизма, то скорей всего это приведет к их торможению и заклиниванию, а вследствие высоких абразивных свойств пыли к интенсивному износу частей механизма. Если для введения в ЭРД частичек пыли использовать электромагнитные силы, то здесь возникают другие проблемы. Заключаются они в том, что размеры сечения, через которые рабочее тело подается в ЭРД, не должны превышать, а точнее должны быть меньше размеров ускоряющих электродов. А поскольку пыль не обладает текучими свойствами, как жидкость или газ, поперечное сечение резервуара по всей его длине, в котором она хранится, не должно сильно отличаться от размера его выходного сечения. При малых объемах рабочего тела, например при использовании ЭРД в качестве ЭРД управления, это вполне приемлемо. Но при использовании лунной пыли в основных (маршевых) разгонных ЭРД необходимо на борту КЛА с полезным грузом около 10-30 тонн иметь как минимум 5-10 тонн частичек пыли. Тогда получается, что размеры ЭРД сильно увеличатся. При этом нужно обратить внимание на то обстоятельство, что при использовании электромагнитных сил для введения частичек пыли в ЭРД затруднена возможность оперативно регулировать тягу двигателя. К тому же при этом способе тяга ЭРД будет зависеть от заряда частичек пыли и потенциала на электродах, и следовательно для уменьшения тяги двигателя необходимо уменьшать заряды частичек пыли и(или) электродов, что приведет к падению скорости ускоряемых частичек и неэффективному их использованию.

Задачей данного изобретения является создание надежной системы питания ЭРД пылеобразным рабочим телом для создания высоких тяговых усилий и обеспечения эффективной управляемости ЭРД КЛА. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для подачи пылеобразного рабочего тела в электроракетный двигатель пылеобразное рабочее тело хранится в одном или большем числе капсул, размещенных в магазине, а механизм для перемещения пылеобразного рабочего тела выполнен таким образом, что он имеет возможность вынимать капсулу из ячейки магазина и задвигать капсулу в ускоряющее пространство электроракетного двигателя и выдвигать капсулу обратно из ускоряющего пространства электроракетного двигателя. При этом капсула для хранения пылеобразного рабочего тела имеет обечайку из диэлектрического материала, донышко и быстросъемную крышку, которая имеет возможность сбрасываться вблизи первого, по ходу перемещения пылеобразного рабочего тела, ускоряющего электрода электроракетного двигателя. В данном устройстве пылеобразное рабочее тело (или просто рабочее тело) заранее, при подготовке КЛА к полету, упаковано в отдельные капсулы, а сами капсулы размещены и ориентированы в ячейках магазина таким образом, чтобы обеспечить срабатывание механизма для перемещения рабочего тела. Основными конструктивными элементами капсулы являются диэлектрическая обечайка (боковая поверхность капсулы) из диэлектрического материала без покрытия из проводника, быстросъемная крышка и донышко. Диэлектрическая обечайка имеет прочное соединение с донышком и при работе предлагаемого устройства они не разъединяются между собой в отличие от быстросъемной крышки. Быстросъемная крышка капсулы устроена таким образом, что имеет возможность сбрасываться, т.е. отсоединяться от диэлектрической обечайки вблизи первого, по ходу перемещения рабочего тела, ускоряющего электрода электроракетного двигателя. В ЭРД, согласно источнику [1] и прототипу, могут быть два или один ускоряющих электрода. Здесь первым считается ускоряющий электрод, который располагается в начале (по ходу движения рабочего тела) ускоряющего пространства ЭРД и оказывает отталкивающее действие на частички пыли рабочего тела. Второй ускоряющий электрод располагается в конце ускоряющего пространства, т.е. на выходе рабочего тела из ЭРД и оказывает притягивающее действие на частички пыли рабочего тела. Под ускоряющим пространством ЭРД понимается область между двумя ускоряющими электродами (при наличии первого и второго ускоряющего электрода) или область в близи одного электрода (при наличии в ЭРД только одного ускоряющего электрода), в которых происходит активное ускорение рабочего тела в ЭРД. Понятно, чтобы частицы пыли могли свободно ускоряться в ускоряющем пространстве электродов ЭРД, сброс быстросъемной крышки должен осуществляться вблизи первого ускоряющего электрода. В предлагаемом устройстве быстросъемная крышка отбрасывается в сторону известным способом. Например, отбрасывание крышки может производиться путем срабатывания пиропатрона либо путем предварительного фиксирования крышки защелкой или фиксатором на капсуле с предварительным поджатием упругого элемента (например, пружины) с последующим срабатыванием защелки или убиранием фиксатора в близи первого ускоряющего электрода ЭРД. Сигнал или команда на сброс крышки может поступать дистанционно от командного центра (КЦ) либо происходить автоматически при механическом касании защелкой или фиксатором упора, установленного в нужном месте. В каждой ячейке магазина может иметься фиксатор, который четко фиксирует положение капсулы в ячейке. Такой фиксатор может располагаться и на самой капсуле. Эти фиксаторы могут представлять собой защелку по типу дверных защелок с пружиной для преодоления, для которых необходимо определенной величины силовое воздействие отжима защелки либо управляемый фиксатор, который может выдвигаться и задвигаться дистанционно по команде командного центра (КЦ). Сам фиксирующий элемент при фиксации заходит в паз или выточку в контактирующей детали (в капсуле или в ячейке). Фиксация может происходить и благодаря неконтактному электромагнитному воздействию, т.е. посредством действия электромагнитных сил. Диэлектрическая обечайка выполняется из любого диэлектрического материала, так как благодаря свойствам диэлектрического материала при воздействии на капсулу внешнего электрического, магнитного или электростатического поля это поле может воздействовать на заряженные частички пыли, которые находятся внутри капсулы. Донышко капсулы может иметь на своей внешней поверхности конструктивный элемент (например, зацеп или выточку) для того, чтобы можно было захватить капсулу с помощью механизма для перемещения рабочего тела. Магазин может быть подвижным или не подвижным относительно ускоряющих электродов ЭРД, т.е. может иметь свой привод или не иметь. В случае, когда у магазина нет привода, механизм для перемещения рабочего тела сам выбирает нужные капсулы из ячеек магазина. Если же у магазина имеется привод, то его работа согласовывается с работой механизма для перемещения рабочего тела. Подвижные магазины могут быть такими. Магазин может быть револьверного типа, когда он имеет ось вращения, а ячейки расположены по кругу на одном радиусе относительно оси вращения магазина. Поворот такого магазина может производиться от любого двигателя с выходным вращающимся валом непосредственно или через редуктор. Магазин может быть линейного типа, когда ячейки в нем расположены на одной линии. В этом случае смещение магазина может осуществляться посредством любой известной линейной передачи, например винтовой, прямой зубчатой рейки, гидроцилиндра, пневмоцилиндра, передачи лебедочного типа и т.д., которые в свою очередь приводятся в движение через редукторы, насосы, компрессоры и т.д. Магазин может быть двух координатным, в котором ячейки расположены рядами в прямом и перпендикулярном направлениях или подобно ячейкам в пчелиных сотах. В этом случае привод может осуществляться двумя независимыми (отдельными) линейными приводами, описанными выше при описании привода линейного типа. Магазин может быть и цепного типа, в котором ячейки капсул соединены между собой подобно звеньям пластинчатой цепи и, соединяясь друг с другом, образуют цепь конечной длины или бесконечную (замкнутую) цепь, а привод цепи осуществляется от любого двигателя с выходным вращающимся валом непосредственно или через редуктор. Магазин может быть выполнен в одном из смешанных вариантах с использованием одновременно нескольких типов, описанных выше. Например, магазин револьверного типа имеет возможность с помощью дополнительного привода менять положение своей оси вращения и иметь при этом не один ряд ячеек, а несколько расположенных по окружности относительно оси вращения магазина на разных радиусах от него. Привод магазина работает таким образом, что при каждом очередном срабатывании смещает ячейки по порядку на один шаг и положение последующей ячейки точно совпадает с положением предыдущей ячейки. Смещение ячеек магазина из одного положения в другое может осуществляться с помощью любого известного механизма (например, мальтийского механизма), которое может обеспечить такое пошаговое смещение ячеек или автоматически как это делается в автоматическом огнестрельном оружии. Либо это смещение ячеек магазина может производиться по команде командного центра (КЦ). Механизм для перемещения пылеобразного рабочего тела (или просто механизм для перемещения рабочего тела) с помощью захвата или зацепа захватывает капсулу за донную часть капсулы (донышко) или диэлектрическую обечайку и вынимает капсулу из ячейки магазина, а затем вдвигает капсулу в ускоряющее пространство ЭРД. Причем собственная ось капсулы, которая представляет собой ось, проходящую через центры масс внутренних поперечных сечений диэлектрической обечайки, должна быть как можно ближе к соосному положению с осью ЭРД. Под осью ЭРД понимается ось симметрии ускоряющих электродов или ускоряющего электрода (если в ЭРД только один ускоряющий электрод). Ось ЭРД совпадает обычно с вектором равнодействующей реактивной силы, воздействующей со стороны рабочего тела на ЭРД. После опустошения капсулы или для остановки работы ЭРД механизм для перемещения рабочего тела задвигает капсулу обратно, т.е. в направление обратное истечению рабочего тела из ЭРД. Управление предлагаемым устройством может осуществляться по командам командного центра (КЦ). Командным центром может быть оператор управляющий устройством в ручном режиме по показаниям датчиков и(или) приборов контроля. При этом оператор следит за показаниями датчиков и(или) приборов и подает команды на включение (отключение), изменение направления, изменение скорости движения элементов предлагаемого устройства (магазин, части механизма для перемещения рабочего тела, фиксаторов капсулы в магазине, фиксаторов быстросъемной крышки и т.д.). Командным центром может быть автоматическое устройство (контроллер) и(или) программируемое устройство (компьютер, процессор) следящее за движениями элементов предлагаемого устройства с помощью датчиков. По показаниям этих датчиков КЦ выдает команды на соответствующие приводы. В этом случае автоматическое или программируемое устройство согласно заложенного в нем алгоритма (программы) дает команды по включению и отключению того или иного элемента предлагаемого устройства (магазин, части механизма для перемещения рабочего тела, фиксаторов капсулы в магазине, фиксаторов быстросъемной крышки и т.д.) по сигналам от датчиков. При этом могут применяться управления приводами с обратной связью для задания им более точного движения. Возможны смешанные варианты управления. Подобные КЦ применяются в современных станках (обрабатывающих центрах) с числовым программным управлением, осуществляющих и контролирующих перемещение инструмента и деталей с помощью датчиков. Данные станки могут совершать различные технологические операции с деталью, применяя самостоятельно различные режимы резания (обработки) и различные инструменты, которые размещены в магазине станка.

Здесь необходимо отметить, что зарядка пыли может производиться непосредственно у первого электрода, как это описано в одном из вариантов прототипа, либо при нахождении капсул в магазине через проводники в донышках капсул с подачей электрического потенциала через отдельный проводник. А также при подаче электрического потенциала через механизм перемещения рабочего тела при контакте с донышком капсулы. Зарядка пыли, по крайней мере, частичная, может производиться и при набивке капсулы пылью или после набивки до размещения в магазине.

Хранение пылеобразного рабочего тела в отдельных капсулах, размещенных в магазине и последовательное управляемое их введение в ускоряющее пространство ЭРД и выведение капсул обратно из ускоряющего пространства ЭРД исключает применение известных механизмов для переноса пылеобразного рабочего тела, имеющих непосредственный контакт и трение механизмов с ним, и дают возможность регулировать подачу пылеобразного рабочего тела и соответственно управлять силой тяги ЭРД без снижения электрических потенциалов ускоряющих электродов и заряда частичек пыли рабочего тела и соответственно обеспечить эффективное использование рабочего тела. Поскольку размер одной капсулы много меньше объема, в котором может быть размещено все пылеобразное рабочее тело, то и размеры ЭРД будут много меньше, чем могли бы быть без его применения.

Устройство для подачи пылеобразного рабочего тела в электроракетный двигатель может иметь магазин с приводом, позволяющий магазину смещать положение ячеек таким образом, что положение последующей ячейки точно совпадает с положением предыдущей ячейки, а механизм для перемещения пылеобразного рабочего тела содержит толкатель и неподвижную относительно ускоряющих электродов электроракетного двигателя направляющую. При этом толкатель имеет возможность сцепляться и расцепляться с донышком капсулы и перемещаться вдоль своей оси, совпадающей с одной из осей ячейки магазина и направляющей, установленных соосно оси электроракетного двигателя (ЭРД), (п.2 формулы изобретения). Донышко капсулы имеет зацеп, с помощью которого он может соединиться с толкателем и разъединится. Капсулы, заполненные и закрытые быстросъемными крышками заранее (при подготовке КЛА к полету), размещаются в ячейках магазина таким образом, чтобы крышки капсул находились со стороны выходных сечений магазина, а донышки капсул с другой стороны. Ячейки магазина имеют выходные сечения, расположенные с одной стороны магазина, через которые происходит выдвижение капсул из ячеек. Со стороны противоположной выходным сечениям ячейка может иметь стенку с отверстием для прохода в нем толкателя или может иметь сквозное отверстие. Толкатель представляет собой продольный силовой элемент, который может, создавая определенное усилие, выдвигаться и задвигаться со скоростью, управляемой из КЦ. В конструктивном исполнении это может быть, например шток гидроцилиндра, пневмоцилиндра, шарико-винтовой, винтовой или любой другой линейной передачей, а также и угловой соединенной с линейно перемещающимся стержнем. На конце толкателя имеется зацеп, который может сцепиться с зацепом в глухом донышке капсул. Сцепка зацепа на толкателе с зацепом на глухом донышке капсулы может производиться автоматически по типу дверной защелки или управляться по команде из КЦ. В простейшем случае это может быть резьбовым соединением. В этом случае в глухом донышке делается отверстие с резьбой, а на конце толкателя нарезается наружная резьба. Сцепка будет производиться так: при приближении конца толкателя к глухому донышку толкатель начинает вращаться и закручиваться в глухое донышко, при расцепке - все действия производятся в обратном порядке. Направляющая может представлять собой сквозную обечайку или сквозной корпус, у которого есть входное сечение и выходное сечение и служит для того, чтобы точно по отношению к ускоряющим электродам ЭРД ориентировать капсулы при их введении толкателем в ускорительное пространство ЭРД. Направляющая неподвижна относительно ускоряющих электродов ЭРД. Капсула должна перемещаться внутри направляющей с минимально возможным (по техническим возможностям) колебанием собственной оси. Контакт капсулы и направляющей может быть осуществлен механическим скольжением, качением роликовых опор или благодаря электромагнитному отталкиванию взаимно смещающихся поверхностей (например, как поезда на магнитных подушках). Естественно, в случае, когда стенки направляющей расположены близко к ускоряющим электродам или расположены между управляющими электродами ЭРД, то они должны быть выполнены из диэлектрика для исключения электрического пробоя. Управление устройством осуществляется из КЦ.

В случае, когда пылеобразное рабочее тело капсул, размещенных в магазине, имеет заряд, а на первом ускоряющем электроде ЭРД при этом уже имеется заряд того же знака, то для уменьшения электростатической силы отталкивания ускоряющего электрода ЭРД и пылеобразного рабочего тела капсул часть или вся наружная поверхность устройства до (не включая) ускоряющих электродов электроракетного двигателя имеет экранирующее (проводящее) покрытие наружной поверхности (п.3 формулы изобретения).

Для того, чтобы передать электрический заряд пылеобразному рабочему телу, находящемуся внутри капсулы, донышко капсулы для хранения пылеобразного рабочего тела может иметь проводящий элемент или может быть полностью изготовлено из проводника (п.4 формулы изобретения).

Диэлектрическая обечайка капсулы может быть выполнена из материала, прозрачного для ионизирующего излучения (например, рентгеновских, альфа-лучей, гамма-лучей, потока электронов и т.д.) для обеспечения возможности ионизации пылеобразного рабочего тела внутри капсулы (п.5 формулы изобретения).

В качестве направляющей в устройстве по п.2 можно использовать ячейку магазина. В этом варианте устройства направляющая как отдельный элемент отсутствует, магазин располагается ближе к первому ускоряющему электроду ЭРД, а капсула может иметь удлиненную хвостовую част (донышко) для обеспечения контакта с ячейкой магазина, выполняющей функцию направляющей (п.6 формулы изобретения).

В качестве направляющей в устройстве по п.2 можно использовать толкатель. В этом варианте устройства направляющая как отдельный элемент отсутствует, толкатель может совершать линейные перемещения параллельно или соосно оси ЭРД, а сцепка толкателя с капсулой жесткая без смещений и поворотов (п.7 формулы изобретения).

В случае, когда для ЭРД не требуется пылеобразного рабочего тела больше, чем может быть размещено в одной капсуле, то в устройстве по п.2 отсутствует магазин как отдельный элемент, и он либо совмещен функционально с направляющей, либо роль направляющей несет жесткая связь капсулы с толкателем, который может совершать линейные перемещения параллельно или соосно оси ЭРД (п.8 формулы изобретения).

Устройство для подачи пылеобразного рабочего тела в электроракетный двигатель может иметь магазин с приводом, позволяющий магазину смещать положение ячеек таким образом, что положение последующей ячейки точно совпадает с положением предыдущей ячейки, а механизм для перемещения пылеобразного рабочего тела содержит толкатель с боковым захватом. При этом толкатель имеет возможность двигаться вдоль своей оси, а боковой захват вращаться вокруг оси толкателя и, зацепляясь за донышко капсулы выдвигать капсулу из ячейки магазина и задвигать капсулу в ускоряющее пространство электроракетного двигателя и выдвигать капсулу обратно из ускоряющего пространства электроракетного двигателя (п.9 формулы изобретения). В предлагаемом варианте устройства применен толкатель с боковым захватом, который может совершать не одно, а несколько действий: самостоятельно зацепляться за донышко капсулы, вынимать из ячейки магазина капсулу, перемещать и задвигать ее в ЭРД и выдвигать обратно. Таким образом, толкатель с боковым захватом имеет, как минимум, три степени свободы и три независимых привода. Первый привод обеспечивает линейное смещение толкателя вдоль своей оси, второй - поворот бокового захвата вокруг оси толкателя, третий - обеспечивает сжатие и разжатие зацепа. В этом случае расстояние от оси толкателя с боковым захватом до оси ячейки, откуда производится выемка капсулы, должна совпадать с расстоянием от оси толкателя с боковым захватом до оси электроракетного двигателя. В противном случае необходимо добавить дополнительный привод для компенсации несовпадения указанных межосевых расстояний. Работа магазина и управление устройством такое же, как в варианте устройства по п.2 формулы изобретения. Сам толкатель без бокового захвата представляет собой продольный силовой элемент, который может, создавая определенное усилие выдвигаться и задвигаться со скоростью, управляемой из КЦ. В конструктивном исполнении это может быть, например шток гидроцилиндра, пневмоцилиндра, шарико-винтовой, винтовой или любой другой линейной передачей. Боковой захват установлен на толкателе и вращается вокруг толкателя благодаря приводу вращения, установленного на толкателе. А захват капсулы может осуществляться благодаря линейному приводу или приводу вращения или другому известному приводу, установленному на боковом захвате. Управление устройством осуществляется из КЦ. Для осуществления надежного фиксирования капсулы боковым зацепом толкателя на донышке капсул имеется выточка или зацеп, а сами донышки находятся на определенном выдвижении от стенок магазина и на определенном расстоянии между собой позволяющие боковому захвату толкателя осуществить захват капсул в магазине.

Данное изобретение поясняется чертежом фиг.1, где изображено устройство для подачи пылеобразного рабочего тела в электроракетный двигатель в разрезе по п.2 формулы изобретения.

Устройство имеет магазин поз.1 с приводом поз.2 (электродвигатель). В ячейках магазина поз.1 размещены капсулы поз.3. Капсула поз.3 содержит быстросъемную крышку поз.4, диэлектрическую обечайку поз.5 и неподвижно закрепленное на ней донышко поз.6. Быстросъемная крышка поз.4 выполняется таким образом, что на диэлектрической обечайке поз.5 имеются пазы по полукругу, в которые перпендикулярно оси капсулы поз.3 входят своими пазами крышка поз.4. На крышке поз.4 имеется пиропатрон поз.7 с контактом поз.8. При срабатывании пиропатрона поз.7 крышка поз.4 отбрасывается в сторону, с которой эта крышка входит в пазы диэлектрической обечайки поз.5. Все капсулы поз.3 размещены в магазине поз.1 симметрично относительно оси его вращения MN и зафиксированы в ячейках благодаря наличию в донышке поз.6 кольцевой проточки по наружной поверхности, в которую входят подпружиненные шарики фиксаторные, размещенные в гнездах магазина поз.1. Основными элементами механизма для перемещения рабочего тела, в данном случае, являются направляющая поз.9 с электрическим контактом поз.10, датчик поз.11 и толкатель поз.12 с приводом поз.13 и упор поз.14. При касании контакта поз.10, расположенного на направляющей поз.9 и контакта поз.8 на быстросъемной крышке поз.4, от контакта поз.10 передается электрический импульс на контакт поз.8 и таким образом срабатывает пиропатрон поз.7. Датчик поз.11 установлен на оси вращения магазина поз.1, который является датчиком угловых смещений и отслеживает угол поворота магазина поз.1. Упор поз.14 неподвижен (относительно ЭРД) и расположен с минимальным зазором от магазина поз.1 на расстоянии от оси толкателя поз.12 меньшем радиуса донышка поз.6, но большем радиуса толкателя поз.12. Оси толкателя поз.12, одной из капсул поз.3, находящейся внутри магазина поз.1, и ось ЭРД совмещены. На конце толкателя поз.12 имеется зацеп поз.15 в виде кольцевой проточки подобной той, которая имеется на наружной поверхности донышка поз.6. На внутреннем глухом отверстии донышка поз.6 имеется ответный зацеп поз.16, в котором имеются гнезда с подпружиненными шариками фиксаторными подобно тому как это сделано в гнездах магазина поз.1. Необходимо отметить, что фиксаторы с подпружиненными шариками фиксаторными для фиксации капсулы поз.3 в ячейке магазина поз.1 и донышко поз.6 капсулы поз.3 на зацепе поз.15 толкателя поз.12 работают таким образом, что они фиксируют положение двух контактирующих деталей между собой с определенным усилием сдвига, которого достаточно для того, чтобы надежно удерживать данные детали неподвижно относительно друг друга в процессе эксплуатации ЭРД. Но, если вдоль поверхности контакта деталей приложить большую силу, то шарики фиксаторные отжимаются от центра и входят внутрь своих гнезд, а детали разъединяются. Но стоит детали сдвинуть между собой до контакта шариков фиксаторных с кольцевой выточкой, так тут, же шарики фиксаторные входят под действием пружин в кольцевую выточку, и происходит фиксация контактирующих деталей между собой. Элементы ЭРД: первый ускоряющий электрод поз.17, второй ускоряющий электрод поз.18. Датчик поз.19 - датчик линейных смещений толкателя поз.12. Другие элементы ЭРД, необходимые для его работы, но не касающиеся принципа работы предлагаемого устройства напрямую, такие как источник питания ускоряющих электродов, приводов магазина и толкателя, источник ионизации рабочего тела, источник нейтрализации заряженного реактивного потока отбрасываемого ЭРД, и др. элементы не показаны.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В ячейках магазина поз.1 револьверного типа с приводом поз.2 заранее перед подготовкой к полету КЛА загружаются заполненные частичками пыли капсулы поз.3. Частичкам пыли до загрузки капсулы поз.3 в магазин поз.1 и(или) после загрузки передается электростатический заряд определенного знака. По команде КЦ с помощью привода поз.2 выходное сечение одной из ячеек магазина поз.1 устанавливается напротив входного сечения направляющей поз.9. благодаря срабатыванию датчика поз.11. По команде КЦ через малый промежуток времени после срабатывания датчика поз.11 начинает работать привод поз.13 толкателя поз.12, который касаясь своим зацепом поз.15 зацепа поз.16 на донышке поз.6 капсулы поз.3, сцепляется с ним. Далее толкатель поз.12 перемещает капсулу поз.3 через направляющую поз.9 по направлению к первому ускоряющему электроду поз.17. В этом случае при совмещении контактов поз.8 и 10 срабатывает пиропатрон поз.7 и происходит сброс быстросъемной крышки поз.4 с капсулы поз.3. В этот момент капсула поз.3 еще не дошла до ускоряющего электрода поз.17 ЭРД. К этому моменту пыль, находящаяся в капсуле имела определенный заряд, совпадающий с зарядом первого ускоряющего электрода поз.16. Отталкиваясь от ускоряющего электрода поз.17, заряженные частицы пыли сдерживаются силами электростатического отталкивания от просыпания из капсулы. Затем, открытая часть капсулы попадает в ускоряющую область между ускоряющими электродами поз.17 и 18, где благодаря силам электростатического отталкивания частичек пыли от первого ускоряющего электрода поз.17 они начинают двигаться в сторону второго противоположно заряженного электрода поз.18 или если второго электрода нет, то от первого электрода поз.17, создавая тем самым тяговую силу. Далее на выходе из ЭРД заряженные частицы в выбрасываемой струе с помощью источника нейтрализации нейтрализуются. В дальнейшем по мере опустошения капсулы поз.3 с помощью толкателя поз.12 она продвигается в направлении выброса рабочего тела. После израсходования запаса пыли в капсуле поз.3,толкатель в своем линейном перемещении достигает предельного вылета. В этот момент срабатывает датчик поз.19 линейных перемещений толкателя поз.12. Сигнал поступает в КЦ, который в свою очередь выдает команду приводу поз.13 остановиться и двигаться в обратном направлении. Толкатель поз.12 начинает двигаться в обратном направлении, задвигая опустошенную капсулу поз.3 на свое исходное место в ячейке магазина поз.1. При достижении капсулой поз.3 своего исходного фиксированного положения в ячейке магазина поз.1 капсула поз.3 упирается в упор поз.14, а толкатель поз.12 продолжая свое перемещение разъединяется с капсулой поз.3. После достижения толкателем поз.12 своего исходного положения снова срабатывает датчик поз.19 и выдает сигнал на КЦ, который выдает команду на остановку привода поз.13 толкателя поз.12, а через небольшой промежуток времени после остановки толкателя поз.12 КЦ выдает команду на привод поз.2 магазина поз.1. для смещение ячеек. В дальнейшем цикл повторяется и может повторяться до использования всей пыли в капсулах. Благодаря тому, что движение толкателя поз.12 может контролироваться и управляться КЦ, можно не снижая заряда на ускоряющих электродах поз.17, 18 регулировать тягу ЭРД и останавливать его работу, подав команду на втягивание капсулы поз.3 в сторону исходного положения (до входа в ускоряющее пространство ЭРД). Таким образом, управляя смещением толкателя поз.12, получаем, управление тягой ЭРД не за счет снижения зарядов ускоряющих электродов поз.17, 18 или зарядов частичек пыли, а благодаря изменению объема подаваемого рабочего тела в ЭРД. Быстросъемные крышки поз.4, отбрасываясь, могут собираться и впоследствии использоваться повторно вместе с оставшимися частями капсул поз.3, собираемыми в магазине поз.1.

На фиг.2 изображена возможная блок-схема управления предлагаемым устройством по варианту п.2 формулы изобретения изображенного на фиг.1. Номера в кружочках обозначают номера действий (команд КЦ, сигналы датчиков) и изменяются в большую сторону по мере их выполнения по времени, т.е. сначала происходит действие 1, затем 2, 3 и так далее. Действия: 1 - команда на пуск ЭРД; 2 - команда КЦ на включение привода поз.2 магазина; 3 - срабатывание датчика поз.11; 4 - сигнал с датчика поз.11 на КЦ; 5 - команда КЦ на остановку привода поз.2 магазина; 6 - команда КЦ на пуск привода поз.13 толкателя; 7 - срабатывание датчика поз.19; 8 - сигнал с датчика поз.19 на КЦ; 9 - команда с КЦ на остановку привода поз.13 толкателя; 10 - команда с КЦ на обратное движение (реверс) привода поз.13 толкателя; 11 - срабатывание датчика поз.19; 12 - сигнал с датчика поз.19 на КЦ; 13 - команда с КЦ на остановку привода поз.13 толкателя; 14 - команда с КЦ на пуск привода поз.2 магазина - цикл работы устройства замкнулся. Команда 1 на пуск ЭРД задается на КЦ оператором (пилот, космонавт). Команды КЦ 5 и 6 выдаются на приводы поз.2 и 3 по сигналу 2 датчика поз.11. Команды КЦ 9 и 10 выдаются на привод поз.13 по сигналу 8 датчика поз.19. Команды КЦ 13 и 14 выдаются на приводы поз.13 и 2 по сигналу 12 датчика поз.19.

На фиг.3 изображен вариант устройства по п.3 формулы изобретения, который имеет такое же строение как вариант устройства по п.2 формулы изобретения, но кроме этого, у него имеется снаружи оболочка поз.21, которая выполнена из проводящего материала (из сплошного или не сплошного металла), создающая экранирующий эффект от электростатического воздействия ускоряющих электродов поз.17,18 на элементы устройства.

На фиг.4 и 5 изображены варианты конструкции донышек по п.4 формулы изобретения. Фиг.4 - донышко поз.6 изготовлено из непроводящего материала со вставышем поз.22 из проводящего материала. Фиг.5 - донышко поз.6 изготовлено целиком из проводника.

На фиг.6 изображен вариант предлагаемого устройства по п.6 формулы изобретения, который имеет такое же строение как вариант устройства по п.2 формулы изобретения, но в котором в качестве направляющей используется ячейка магазина поз.1. Контакт поз.10 в этом варианте устройства установлен отдельно неподвижно относительно ускоряющих электродов поз.17, 18.

На фиг.7 изображен вариант предлагаемого устройства по п.7 формулы изобретения, который имеет такое же строение как вариант устройства по п.2 формулы изобретения, но в котором в качестве направляющей используется направляющие, в которых совершает свое линейное перемещение толкатель поз.12. При этом капсула поз.3 имеет жесткую связь с толкателем поз.12 через зацепы поз.15 и 16.

На фиг.8 изображен вариант предлагаемого устройства по п.8 формулы изобретения, который имеет такое же строение как вариант устройства по п.2 формулы изобретения, но в котором имеется только одна капсула поз.3 и находится она внутри направляющей поз.9.

На фиг.9 и 10 изображены вариант предлагаемого устройства по п.9 формулы изобретения. Данный вариант устройства содержит магазин поз.1 с приводом поз.2, капсулами поз.3, имеющие конструкции подобные тем, которые описаны в варианте предлагаемого устройства по п.2 формулы изобретения, изображенной на фиг.2 за исключением некоторых отличительных особенностей. Донышки поз.6 своими габаритами выдаются из ячеек магазина и имеют кольцевую выточку на своей боковой части, находящейся вне ячейки магазина поз.1. Основными элементами механизма для перемещения рабочего тела, в данном случае, являются толкатель поз.12 на котором установлен боковой захват. Боковой захват включает в себя детали: поз.23 - кронштейн с полузахватом на котором закреплена неподвижно ведомая шестерня поз.24 соосно оси толкателя поз.12; поз.25 - малый полузахват, скрепленный шарнирно с деталью поз.23 через ось полузахвата; поз.26 - линейный силовой элемент, через шарниры связывающий детали поз.23 и 25; поз.27 - ведущая шестерня; поз.28 - привод вращения детали поз.27; поз.29 - датчик угловых смещений привода поз.28. На деталях поз.23 и 25 имеются кольцевые шипы для захвата капсулы поз.3 через кольцевую выточку в донышке поз.6. Расстояние от оси толкателя поз.12 до оси капсулы поз.3 и до оси ЭРД одинаковые.

Работа варианта предлагаемого варианта по п.9 формулы изобретения осуществляется следующим образом.

Работа магазина поз.1 и срабатывание открытия быстросъемной крышки поз.4 капсулы поз.3 подобны тому, как это описано в варианте предлагаемого устройства по п.2 формулы изобретения, изображенного на фиг.2. По команде КЦ, после срабатывания датчика поз.11 начинает работать привод поз, 13 толкателя поз.12 и продолжает работать до срабатывания датчика поз.19. Датчик поз.19 срабатывает в момент, когда детали поз.23, 25, находящиеся первоначально в разомкнутом состоянии, входят в хвостовую часть капсулы поз.3 - донышко поз.6. так, что кольцевые шипы деталей поз.23, 25 становятся напротив кольцевой выточки донышка поз.6. На фиг.10 штриховыми линиями показано положение малого полузахвата поз.25 в разомкнутом положении. Далее из КЦ поступает команда на линейный привод поз.26 и происходит смыкание деталей поз.23 и 25. При смыкании деталей поз.23 и 25 кольцевые шипы входят в кольцевую выточку в детали поз.6, осуществляя тем самым захват капсулы поз.3. Затем по команде КЦ включается привод поз.13 и происходит смещение толкателя поз.12 в сторону от магазина поз.1 до полного вывода капсулы поз.3 из ячейки магазина поз.1. При достижении требуемого положения капсулы, что соответствует определенному показанию датчика поз.19 КЦ останавливает привод поз.13 и включает привод поз.28. Привод поз.28 работает до достижения датчиком поз.29 определенных значений соответствующих требуемому соосному положению оси капсулы поз.3 с осью ЭРД. После остановки привода поз.28 КЦ подает команду на привод поз.13 толкателя поз.12 на осуществление линейного смещения капсулы в сторону ускоряющих электродов поз.17, 18 ЭРД. На фиг.9 штриховыми линиями показано положение бокового захвата вместе с капсулой поз.3 в момент его подвода в ускоряющее пространство ЭРД. При достижении максимального смещения толкателя поз.12 с капсулой поз.3 внутрь ЭРД показания датчика поз.19 достигают значения, по которому на привод поз.13 из КЦ поступает команда на его остановку и включении реверсивного движения опустошенной капсулы поз.3 в порядке обратном его подаче с использованием привода поз.28 через датчики поз.29 и 19 вплоть до введения использованной капсулы в исходную ячейку магазина поз.1. В дальнейшем цикл повторяется и так далее. Таким образом, в предлагаемом варианте устройства применен толкатель с боковым захватом, который может совершать не одно, а несколько действий: самостоятельно зацепляясь за донышко капсулы вынимать из ячейки магазина капсулу, перемещать и задвигать ее в ЭРД. После израсходования рабочего тела, находящегося в капсуле, толкатель с боковым захватом, пустую капсулу, обратным движением переносит в пустую ячейку магазина. Затем магазин смещает положение ячеек. Захват после этого вынимает очередную полную капсулу из ячейки магазина, перемещает и вставляет ее в ЭРД и так далее. Циклы могут повторяться до полного использования рабочего тела. Данный механизм для перемещения рабочего тела, управляемый от КЦ, подобен устройствам для смены режущего инструмента, применяемым в современных обрабатывающих центрах.

Источники информации

1. Энциклопедия "Космонавтика", под редакцией В.П.Глушко. Москва. "Советская Энциклопедия", 1985.

1. Устройство для подачи пылеобразного рабочего тела в электроракетный двигатель, содержащее капсулу для хранения пылеобразного рабочего тела и механизм для перемещения рабочего тела, отличающееся тем, что пылеобразное рабочее тело хранится в одном или большем числе капсул размещенных в магазине, а механизм для перемещения пылеобразного рабочего тела выполнен таким образом, что он имеет возможность вынимать капсулу из ячейки магазина и задвигать капсулу в ускоряющее пространство электроракетного двигателя и выдвигать капсулу обратно из ускоряющего пространства электроракетного двигателя; при этом капсула для хранения пылеобразного рабочего тела имеет обечайку из диэлектрического материала, донышко и быстросъемную крышку, которая имеет возможность сбрасываться вблизи первого, по ходу перемещения пылеобразного рабочего тела, ускоряющего электрода электроракетного двигателя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магазин имеет привод позволяющий магазину смещать положение ячеек таким образом, что положение последующей ячейки точно совпадает с положением предыдущей ячейки, а механизм для перемещения пылеобразного рабочего тела содержит толкатель и неподвижную относительно ускоряющих электродов электроракетного двигателя направляющую, и при этом толкатель имеет возможность сцепляться и расцепляться с донышком капсулы и перемещаться вдоль своей оси совпадающей с одной из осей ячейки магазина и направляющей, установленных соосно оси электроракетного двигателя.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что часть или вся его наружная поверхность до ускоряющих электродов электроракетного двигателя имеет экранирующее (проводящее) покрытие.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что глухое донышко капсулы для хранения пылеобразного рабочего тела имеет проводящий элемент или глухое донышко капсулы полностью изготовлено из проводника.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диэлектрическая обечайка капсулы для хранения пылеобразного рабочего тела изготавливается из прозрачного для ионизирующего излучения материала.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве направляющей используется ячейка магазина.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве направляющего канала используется направляющая толкателя благодаря жесткой связи капсулы с толкателем.

8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в электроракетном двигателе используется одна капсула и магазин совмещен функционально с направляющей или отсутствует.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что магазин имеет привод, позволяющий магазину смещать положение ячеек таким образом, что положение последующей ячейки точно совпадает с положением предыдущей ячейки, а механизм для перемещения пылеобразного рабочего тела содержит толкатель с боковым захватом, и при этом толкатель имеет возможность двигаться вдоль своей оси, а боковой захват - вращаться вокруг оси толкателя и, зацепляясь за донышко капсулы, выдвигать капсулу из ячейки магазина, и задвигать капсулу в ускоряющее пространство электроракетного двигателя, и выдвигать капсулу обратно из ускоряющего пространства электроракетного двигателя.