Плазменный двигатель на наночастицах металлов или металлоидов


 

F02K99/00 - Реактивные двигательные установки (размещение и крепление реактивных двигательных установок на наземных транспортных средствах или транспортных средствах вообще B60K; размещение и крепление реактивных двигательных установок на судах B63H; управление положением в пространстве, направлением и высотой полета летательного аппарата B64C; размещение и крепление реактивных двигательных установок на летательных аппаратах B64D; установки, в которых энергия рабочего тела распределяется между реактивными движителями и движителями иного типа, например воздушными винтами F02B,F02C; конструктивные элементы реактивных двигателей, общие с газотурбинными установками, воздухозаборники и управление топливоподачей в воздушно-реактивных двигателях F02C)

Владельцы патента RU 2534762:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" (RU)

Изобретение относится к области ракетно-космической техники. Плазменный двигатель на наночастицах металлов или металлоидов содержит последовательно расположенные камеру сгорания, один вход в которую служит для ввода твердых наночастиц металла или металлоида в качестве топлива, а другой - для ввода окислителя топлива в виде водяного пара или кислорода, при смешении которых в камере возникает горение, хемоионизационные реакции окисления, дающие тепловой эффект, высокие температуры и образование нагретой плазмы, содержащей жидкие оксиды металлов или металлоидов, устройство охлаждения плазмы до температуры ниже температуры плавления полученных оксидов и образования в нагретой плазме твердых пылевых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов, электростатическое или электромагнитное разгонное устройство, которое разгоняет электростатическим или электромагнитным полем истекающую из устройства охлаждения нагретую плазму и создает высокоскоростной поток нагретой пылевой плазмы с высокоскростными отрицательно заряженными оксидами металлов или металлоидов, который истекает в окружающую среду и создает реактивную тягу двигателя. Металл может быть применен любым из ряда алюминий, бериллий, цирконий, железо, титан, металлоид - из ряда бор, кремний. Изобретение обеспечивает увеличение удельного импульса тяги двигателя за счет дополнительного включения тепловой энергии хемоионизационных реакций и массы более тяжелых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов пылевидной плазмы. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а более точно касается плазменного двигателя на наночастицах металлов или металлоидов.

Известны ионные ракетные двигатели на газообразном топливе, относящиеся к электрическим ракетным двигателям

Принцип работы ионного двигателя заключается в ионизации газа и разгоне ионов электростатическим полем (журнал «В мире науки» №5, 2009, стр.34-42. Эдгар Чуэйри. Новый рассвет электрических ракет).

Источником ионов служит газ, например ксенон, аргон или водород. Газ из бака, стоящего в самом начале двигателя, подается в отсек ионизации (ионизатор), где образуется холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и истекает в окружающую среду. Таким образом, достигается тяга.

В ионизатор подается ксенон, который сам по себе нейтрален, но при столкновении с высокоэнергетическими электронами ионизуется. Таким образом, образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов может служить трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.

Недостатком ионного двигателя является малая тяга (порядка 50-100 миллиньютонов), поэтому пока сферой их применения является управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли, также он может использоваться в качестве главного тягового двигателя небольшой автоматической межпланетной космической станции.

Известен плазменный двигатель (также плазменный инжектор) - ракетный двигатель, рабочее тело которого приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы (Большая Советская энциклопедия. Третье издание. БСЭ. 1969-1978 г.).

Известен плазменный двигатель на ксеноне. Нейтральный газ ксенон подается через металлический кольцевой анод с отверстиями в двустенную (кольцевую) керамическую газоразрядную камеру, на выходе которой установлен полый газоразрядный (работающий также на ксеноне) катод-компенсатор для эмиссии электронов. В керамической газоразрядной камере внутренний и наружный полюса электромагнита создают радиальное магнитное поле в несколько сотен Гаусс, нарастающее вдоль камеры и быстро спадающее за ее пределами. Если между анодом и катодом-компенсатором приложить постоянное напряжение в несколько сотен Вольт, то в газоразрядном канале зажигается разряд и ксенон ионизируется, создавая плазму. Тяжелые однократнозаряженные положительные ионы ксенона ускоряются электрическим полем вдоль канала, почти не отклоняясь слабым магнитным полем, и набирают энергию несколько меньшую, чем обеспечивает приложенное напряжение. Электроны же, напротив, не могут свободно перемещаться вдоль канала, поскольку их ларморовский радиус очень мал. Впрочем, из-за коллективных процессов в плазме электроны все же составляют небольшую часть разрядного тока. Основной же ток разряда дают ионы ксенона. Поток однократнозаряженных ускоренных ионов, вылетающих из газоразрядной камеры, создает реактивную тягу двигателя. Вместе с ионами из плазменного двигателя уходит равный им по величине поток электронов из катода-компенсатора.

Известен импульсный плазменный электрический реактивный двигатель (Патент РФ №2358153), относящийся 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. 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.

В известных технических решениях рабочей средой служат газообразные или жидкие среды, ионизирующиеся и разгоняющиеся только за счет работы электрического поля системы электродов (фактически использующие для этого только энергию солнечного излучения в солнечных батареях) и создающие малую реактивную тягу двигателя. Увеличение импульса тяги требует теоретически требует больших затрат энергии для разгона их до больших скоростей. Это требует увеличения площади солнечных батарей, что трудно достижимо в космических условиях из-за возрастания при этом массы выводимой полезной нагрузки, возникновения проблем развертывания и стабилизации крупногабаритных солнечных батарей.

Плазменных или ионных двигателей на твердых средах, наночастицах металлов или металлоидов и использующих химическую энергию в ионизации и разгоне не выявлено.

В основу изобретения положена задача - создать двигатель, предназначенный преимущественно для работы в космосе, позволяющий достичь большего значения силы тяги.

Технический результат - увеличение тяги за счет дополнительного удельного импульса, создаваемого тепловым эффектом хемоионизационных реакций и массы более тяжелых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов пылевидной плазмы.

Поставленная задача решается тем, что плазменный двигатель на наночастицах металлов или металлоидов, предназначенный преимущественно для работы в космосе, содержит последовательно расположенные камеру сгорания, один вход в которую служит для ввода твердых наночастиц металла или металлоида в качестве топлива, а другой - для ввода окислителя топлива в виде водяного пара или кислорода, при смешении которых в камере возникает горение, хемоионизационные реакции окисления, дающие тепловой эффект, высокие температуры и образование нагретой плазмы, содержащей жидкие оксиды металлов или металлоидов, устройство охлаждения плазмы до температуры ниже температуры плавления полученных оксидов и образования в нагретой плазме твердых пылевых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов, электростатическое или электромагнитное разгонное устройство, которое разгоняет электростатическим или электромагнитным полем истекающую из устройства охлаждения нагретую плазму и создает высокоскоростной поток нагретой пылевой плазмы с высокоскоростными отрицательно заряженными оксидами металлов или металлоидов, который истекает в окружающую среду и создает реактивную тягу двигателя.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием и рисунком.

На рисунке показана принципиальная схема плазменного двигателя на наночастицах металлов и металлоидов, согласно изобретению.

Показанный на рисунке плазменный двигатель на наночастицах металлов и металлоидов содержит последовательно расположенные камеру 1 сгорания, устройство 2 охлаждения плазмы, полученной в камере сгорания, электростатическое или электромагнитное разгонное устройство 3.

Металл может быть применен любым из ряда алюминий, бериллий, цирконий, железо, титан, металлоид - из ряда бор, кремний.

Камера 1 сгорания имеет один вход 5 для ввода топлива в виде наночастиц металла или металлоида, и другой вход 6 - для ввода окислителя топлива в виде водяного пара или кислорода. Камера 1 сгорания предназначена для сжигания наночастиц. При смешении топлива и окислителя происходит химическая (хемоионизационная) реакция окисления наночастиц водяным паром или кислородом до оксидов в жидком состоянии и выделяется тепло, создающее в камере сгорания высокие температуры (до 3800°-4000° К) и образование нагретой плазмы, содержащей жидкие оксиды металлов или металлоидов.

Устройство 2 охлаждения плазмы предназначено для снижения температуры образовавшейся в камере 1 плазмы до температуры ниже температуры плавления оксидов и образования при этом в плазме твердых пылевых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов, Устройство 2 охлаждения плазмы может быть выполнено, например, как сопло Лаваля, где происходит расширение образовавшейся смеси, или теплообменника.

Электростатическое или электромагнитное разгонное устройство 3 разгоняет электростатическим или электромагнитным полем истекающую из устройства охлаждения плазму и создает высокоскоростной поток пылевой плазмы с высокоскростными отрицательно заряженными оксидами металлов или металлоидов, который вытекает в окружающую среду и создает реактивную тягу двигателя создавая на выходе двигателя высокоскоростную реактивную струю 10.

Разгонное устройство 3 может быть выполнено в виде разгонной камеры с разгонным участком, где размещена система электродов 7, в которой, по меньшей мере, один, первый по потоку, электрод имеет отрицательный потенциал и является компенсатором для положительно заряженных ионов, а второй по потоку электрод (и, при необходимости, последующие, по потоку), имеет положительный потенциал.

Целесообразно снабдить разгонное устройство 3 блоком 4 солнечных батарей для создания разности потенциалов на системе электродов.

Лучшим вариантом осуществления изобретения является применение в качестве топлива наночастиц алюминия Al.

Один вход 5 камеры 1 сгорания служит для ввода топлива в виде наночастиц Al, другой вход 6 - для ввода окислителя в виде водяного пара или кислорода. При сжигания наночастиц Al происходит химическая (хемоионизационная) реакция окисления водяным паром или кислородом до частиц Al2O3, и выделяется тепло, создающее в камере 1 сгорания температуру до 3800 К. Образуется плазма из жидких наночастиц Al2O3, положительных ионов и электронов, которая поступает в устройство 2.

Образовавшиеся продукты поступают (по направлению 8) в охлаждающее устройство 2, которое выполнено в виде сопла Лаваля, соответствующего рассчитанным тепловым нагрузкам.

Устройство 2 понижает температуру поступивших продуктов горения (по сравнению с температурой в камере 1 сгорания) до температуры ниже температуры плавления наночастиц Al2O3, но выше температуры нуклеации нейтральных частиц карбида Al2O3, чтобы в плазме образовывались отрицательно заряженные твердые наночастицы Al2O3 (температура около 1200 К). Как следствие, происходит замораживание химических реакций и образование в основном отрицательно заряженных твердых наночастиц оксидов металлов (например, наночастиц Al2O3 с зарядом -10-20е и диаметром 50-100 нм).

Такие частицы могут быть дополнительно разогнаны до 800 км/с в электростатическом или даже в электромагнитном поле заданной напряженности, в разгонном устройстве 3.

Образовавшаяся в устройстве 2 комплексная пылевая плазмы с отрицательно заряженными твердыми наночастицами Al2O3 истекает (по направлению 9) в электростатическое или электромагнитное разгонное устройство 3, где разгоняется электростатическим или электромагнитным полем, с образованием высокоскоростного потока пылевой плазмы, создающего при истечении в окружающую среду реактивную тягу двигателя. В разгонном устройстве 3 отрицательно заряженные твердые наночастицы Al2O3 многократно увеличивают свой импульс за счет взаимодействия с электростатическим (или электромагнитным) полем, созданным системой электродов 7, на которые подана разность потенциалов от блока солнечных батарей 4, и создают на выходе двигателя высокоскоростную реактивную струю 10. Первый из электродов (по потоку) имеет отрицательный потенциал и является компенсатором для положительно заряженных ионов, второй электрод имеет положительный потенциал.

Поскольку масса частиц Al2O3 на несколько порядков больше массы ионов, то создаваемый удельный импульс тяги гораздо больше, нежели в известных двигателях, плазменных и ионных, использующих при создании импульса массу ионов. Кроме того, предложенное в изобретении рабочее тело за счет теплового эффекта хемоионизационных реакций окисления создает дополнительный удельный импульс, в отличие от известных плазменных или ионных двигателей на инертном газе, например ксеноне.

Таким образом, за счет обоих эффектов достигается существенный прирост силы тяги отнесенной к единице массы рабочего тела при фиксированном расходе последнего (например, для топлива на основе наночастиц алюминия удельная тяга возрастает примерно в 20 раз) или экономится рабочее тело при фиксированной удельной тяге.

Дополнительным преимуществом такого двигателя является возможность посредством изменения интенсивности и конфигурации электромагнитных полей организовать без инерционное и простое управление тягой (т.к. управляющий механизм не содержит никаких подвижных частей).

Изобретение может быть использовано в космосе, например для межорбитальных буксиров и межпланетных полетов, оно способствует экономному расходу рабочего тела. В отличие от ионных двигателей предлагаемый плазменный двигатель может создавать тягу, на порядки большую (для топлива на основе наночастиц алюминия примерно в 20 раз), а поэтому пригоден не только для ориентации космического аппарата.

1. Плазменный двигатель на наночастицах металлов или металлоидов, предназначенный преимущественно для работы в космосе, характеризующийся тем, что содержит последовательно расположенные камеру сгорания, один вход в которую служит для ввода твердых наночастиц металла или металлоида в качестве топлива, а другой - для ввода окислителя топлива в виде водяного пара или кислорода, при смешении которых в камере возникает горение, хемоионизационные реакции окисления, дающие тепловой эффект, высокие температуры и образование нагретой плазмы, содержащей жидкие оксиды металлов или металлоидов, устройство охлаждения плазмы до температуры ниже температуры плавления полученных оксидов и образования при этом в плазме твердых пылевых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов, электростатическое или электромагнитное разгонное устройство, которое разгоняет электростатическим или электромагнитным полем истекающую из устройства охлаждения нагретую плазму и создает высокоскоростной поток нагретой пылевой плазмы с высокоскростными отрицательно заряженными оксидами металлов или металлоидов, который истекает в окружающую среду и создает реактивную тягу двигателя.

2. Плазменный двигатель на наночастицах металлов и металлоидов п.1, отличающийся тем, что металл применяют из ряда алюминий, берилий, цирконий, железо, титан, металлоид из ряда бор, кремний.

3. Плазменный двигатель на наночастицах металлов и металлоидов по п.1, отличающийся тем, что разгонное устройство выполнено в виде разгонной камеры с разгонным участком, где размещена система электродов, в которой, по меньшей мере, один, первый по потоку, электрод имеет отрицательный потенциал и является компенсатором для положительно заряженных ионов, а, по меньшей мере, один последующий по потоку электрод имеет положительный потенциал.

4. Плазменный двигатель на наночастицах металлов и металлоидов по п.3, отличающийся тем, что разгонное устройство снабжено блоком солнечных батарей для создания разности потенциалов на системе электродов.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к ионному двигателю (ИД) для космического аппарата и способу его эксплуатации. ИД (1) включает в себя ионизационную камеру (2) с высокочастотным генератором (4) ионизирующего электромагнитного поля.

Изобретение относится к плазменному маневровому реактивному двигателю на основе эффекта Холла, используемому для перемещения спутников с помощью электричества. Плазменный реактивный двигатель на основе эффекта Холла содержит основной кольцевой канал ионизации и ускорения.

Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, а именно, к широкому классу плазменных ускорителей (холловских, ионных, магнитоплазмодинамических и др.), использующих в своем составе катоды.

Группа изобретений относится к области электрореактивных двигателей, а именно к классу плазменных ускорителей (холловских, ионных), использующих в своем составе катоды.

Изобретение относится к реактивным средствам перемещения преимущественно в свободном космическом пространстве. Предлагаемое средство перемещения содержит корпус (1), полезную нагрузку (2), систему управления и не менее одной кольцевой системы сверхпроводящих фокусирующе-отклоняющих магнитов (3).
Изобретение относится к пучковым технологиям и может быть использовано для компенсации (нейтрализации) пространственного заряда пучка положительных ионов электроракетных двигателей, в частности, для применения в двигательных установках микро- и наноспутников.

Изобретение относится к космической технике, к классу электрореактивных двигателей и предназначено для управления движением космических аппаратов малой (до 5 Н) тягой.

Изобретение относится к плазменной технике и к плазменным технологиям и может использоваться в импульсных плазменных ускорителях, применяемых, в частности, в качестве электроракетных двигателей.

Изобретение относится к области плазменных двигателей. Устройство содержит, по меньшей мере: один главный кольцевой канал (21) ионизации и ускорения, при этом кольцевой канал (21) имеет открытый конец, анод (26), находящийся внутри канала (21), катод (30), находящийся снаружи канала на его выходе, магнитную цепь (4) для создания магнитного поля в части кольцевого канала (21).

Изобретение относится к электроракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов. Электроракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов содержит основной кольцевой ионизационный и ускорительный канал, по меньшей мере, один полый катод, кольцеобразный анод, трубку с коллектором для питания анода ионизируемым газом, и магнитную цепь для создания магнитного поля в основном кольцевом канале.

Конический ракетный двигатель бессоплового бескорпусного типа содержит шашку твердого топлива с одним или несколькими каналами на всю длину шашки, заполненными более быстро горящим топливом, чем основное топливо, или же шашка имеет несколько параллельных каналов, причем часть из них обрываются от поверхности шашки на расстоянии, равном или большем половине расстояния между соседними каналами.

Ракетный двигатель включает жидкое или твердое ракетное топливо, в котором окислитель и/или горючее содержит связанный азот, а также мелкодисперсный или связанный бор, причем количество атомов бора и азота 1:1 с отклонением ±20%.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в качестве корректирующей двигательной установки космического аппарата. Жидкостно-газовый реактивный двигатель (ЖГРД) содержит бак, заполненный жидким рабочим телом - водой, с выходным отверстием в крышке, камеру и реактивное сопло.

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.

Микроэлектромеханический ракетный двигатель предназначен для использования в составе космических разгонных блоков, наноспутников. Микроэлетромеханический ракетный двигатель выполнен в виде структуры из полупроводниковых кристаллов кремния, расположенных один над другим, в одном из которых выполнена камера сгорания с топливным элементом, и содержит блок поджига топлива с металлическими проводниками.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в двигательных и энергетических установках перспективных средств межорбитальной транспортировки, предназначенных для доставки космических аппаратов на различные высокоэнергетические орбиты и отлетные от Земли траектории.

Изобретение относится к двигателям, используемым в составе имитаторов боевых средств тренажеров для обучения и тренировки операторов переносных зенитных ракетных комплексов.
Изобретение относится к ракетным двигателям жидкого и твердого топлива. .

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно к ракетам для межзведных перелетов с жидкостным ракетным двигателем, выполненным по закрытой схеме, с дожиганием газогенераторного газа, и к средствам управления ракетой по крену, и предназначено для управления вектором тяги двигателя и ракетой по тангажу, рысканию и крену.

Изобретение относится к ракетно-космической технике. .

Использование: для диагностики реальной структуры кристаллов. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют электронно-микроскопическое и микродифракционное исследования кристалла, при этом в случае присутствия на электронно-микроскопическом изображении исследуемого нанотонкого кристалла картин изгибных экстинкционных контуров проводят анализ симметрии картин контуров и при выявлении элементов симметрии, отличных от тождественного преобразования, по результатам микродифракционного исследования диагностируют реальную структуру одного из симметрично равных участков нанотонкого кристалла, а затем диагностируют реальную структуру другого как симметрично равную реальной структуре исследованного участка, после чего диагностируют реальную структуру нанотонкого кристалла в целом.
Наверх