Способ создания электрореактивной тяги

Способ создания электрореактивной тяги может быть применен в электрореактивных двигателях и источниках электроэнергии для аэрокосмических транспортных средств и аппаратов. Способ заключается в формировании потока продуктов сгорания углеводородного, химического или ядерного топлива, движущегося с заданной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока продуктов сгорания, затем поток продуктов сгорания разделяют на пучок катионов и пучок электронов, причем энергию пучка электронов преобразовывают в дополнительную электрическую мощность, направляемую на ускорение пучка катионов, который создает реактивную тягу, пропорциональную кинетической энергии ускоренного пучка. Заявленный способ повышает КПД системы электропитания, экономит топливо и другие расходные материалы, увеличивает коэффициент полезной загрузки, радиус действия и срок жизни летательного аппарата. 1 ил.

 

Изобретение относится к аэрокосмической технике и может быть применено в электрореактивных двигателях и источниках электроэнергии для аэрокосмических транспортных средств и аппаратов.

Известны плазменно-ионные двигатели («Ионный двигатель», патент ФРГ №682150; «Электрореактивная двигательная установка», патент RU2024785; «Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель», патент RU 2397363), содержащие ионизаторы рабочего тела, формирователи плазмы, ускорители заряженных частиц, поток которых создает реактивную тягу, движущую транспортное средство. Двигатели такого типа имеют следующие недостатки. Им требуются источники электроэнергии большой мощности и большие запасы топлива, так как они расходуют электроэнергию на ионизацию рабочего тела, получение плазмы, ускорение заряженных частиц, кроме того, они расходуют рабочее тело, запасы которого на борту весьма ограничены. Все это снижает КПД, коэффициент полезной нагрузки, ограничивает радиус действия транспортного средства и время жизни аэрокосмического аппарата.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ, реализуемый в двигательной установке для пилотируемой марсианской экспедиции (сборник тезисов докладов, СибГАУ, «Актуальные проблемы авиации и космонавтики», 2009, т.1, с.60-61), в которой сжигают углеводородное, химическое или ядерное топливо, создавая поток продуктов сгорания, движущийся с определенной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока, и магнитогидродинамическим (МГД) способом ускоряют поток нейтральной плазмы продуктов сгорания, создавая реактивную тягу, пропорциональную скорости выходящего из сопла потока газов.

Недостатком прототипа являются существенные затраты электроэнергии на ионизацию электрическим разрядом продуктов сгорания и образование потока нейтральной плазмы, а также на создание источниками ЭДС электрического тока в нейтральной плазме для МГД-ускорения.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение непроизводительных затрат электроэнергии на ионизацию электрическим разрядом продуктов сгорания, а также на создание источниками ЭДС электрического тока в нейтральной плазме.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе создания электрореактивной тяги, заключающемся в формировании потока продуктов сгорания углеводородного, химического или ядерного топлива, движущегося с заданной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока продуктов сгорания, согласно изобретению поток продуктов сгорания разделяют на пучок катионов и пучок электронов, причем энергию пучка электронов преобразуют в дополнительную электрическую мощность, направляемую на ускорение пучка катионов, который создает реактивную тягу, пропорциональную кинетической энергии ускоренного пучка.

Схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на чертеже.

Устройство содержит систему сжигания соответствующего топлива 1, агрегат формирования потока продуктов сгорания 2 с каналом 3 продуктов сгорания, индуктор магнитного поля 4, канал катионов продуктов сгорания 5, электроускоритель 6 катионов, сопло 7, мембрану электронов 8, которая пропускает через себя электроны, практически не снижая электропроводимость материала электрода, и задерживает нейтральные частицы, катионы и анионы продуктов сгорания, снижая рассеяние электронов практически до нуля; аксиальный анод 9, канал пучка электронов 10, преобразователь энергии пучка электронов в электрическую мощность 11, бортовую систему электропитания 12.

Работает данное устройство по предлагаемому способу следующим образом. Из бортовой системы электропитания 12 подают напряжение холостого хода в индуктор 4, электрический ускоритель 6, аксиальный анод 9 и преобразователь 11. Топливо (углеводородное, химическое или ядерное) сжигают в системе 1. При помощи агрегата 2 формируют поток продуктов сгорания с температурой 2000-3000 K при давлении порядка 2·106 Па, который движется в канале 3 со скоростью νnc порядка 20 км/с и входит в магнитное поле индуктора 4, вектор магнитной индукции B которого ортогонален вектору скорости νnc. Кроме того на газовый поток продуктов сгорания воздействуют резонансным СВЧ излучением (показанным на фигуре в виде спиральных траекторий). В поле индуктора 4 под действием силы Лоренца (FЛ =qi[νxB], где qi - заряд электрона или катиона с учетом его знака) происходит разделение потока продуктов сгорания на электроны и катионы, движущиеся в противоположных направлениях. Под действием электрического поля ускорителя 6 в канале 5 образуется пучок катионов, движущихся со скоростью νк, ускоряясь электрическим полем ускорителя 6 до скорости νку. Под действием электрического поля аксиального анода 9, ускоряющего электроны, проходящие через мембрану 8, которая пропускает через себя электроны и не пропускает через себя анионы, катионы и нейтральные частицы продуктов сгорания, рассеивающие электроны, образуется пучок электронов, движущихся в канале 10 со скоростью ν. Масса катионов mk в 104-105 раз больше массы электронов mе, поэтому кинетическая энергия катионов больше кинетической энергии электронов, радиус траектории движения катионов rк≈102 м больше радиуса траектории движения электронов rе≈10-2 м, а частота ротации электронов fe≈105 Гц больше частоты ротации катионов в mk/me раз, и вектор скорости νey в (mk/me)½ раз больше, чем вектор скорости νку , и соответственно электрическая мощность ускоренного пучка электронов в (νey./νку)2 или в mk/me раз больше, чем электрическая мощность ускоренного пучка катионов, согласно расчетам [Яворский Б.М. и др. Курс физики. T.2. Электричество и магнетизм. - М.: Высшая школа, 1964, с.275-287]. Выделение пучка электронов практически не уменьшает кинетическую энергию потока продуктов сгорания, но электрическая мощность пучка электронов в mk/me раз больше, чем у пучка катионов, поэтому энергию электронного пучка превращают в электрическую мощность в преобразователе 11 путем двухполупериодного преобразования конвекционного тока и энергии электронного пучка в электрическую мощность, которое осуществляется следующим образом [см. Экспериментальная проверка перехода энергии взаимодействия электронной плазмы в электромагнитный процесс для создания электроэнергетической технологии. «Альтернативная энергетика и экология». Международный научный журнал, №11, 2012, с 87-91].

Под действием положительной полуволны напряжения рабочей частоты бортовой системы электропитания 12 в преобразователе 11 конвекционный ток электронного пучка 10 переходит в ток проводимости, создавая соответствующую мощность, равную произведению силы тока на рабочее напряжение, которую используют для создания дополнительной электрореактивной тяги и трансформируют в бортовую систему электропитания 12 для электроснабжения других систем летательного аппарата. При смене полярности полуволны напряжения преобразование конвекционного тока электронного пучка 10 происходит в другом плече симметричного трансформатора преобразователя 11. Электроны пучка 10, совершив работу в электрической цепи преобразователя 11 по созданию электрической мощности, через среднюю точку симметричного трансформатора преобразователя 11, соединенную с массой аппарата, заряжают отрицательно электропроводящее сопло 7, в котором происходит рекомбинация ускоренных катионов продуктов сгорания, вылетающих из сопла, создающих дополнительную электроракетную тягу.

За счет полученной дополнительной электрической мощности ускоряют пучок катионов путем подачи необходимого напряжения с преобразователя 11 на электрический ускоритель 6 и аксиальный анод 9. Получив ускорение, катионы входят в отрицательно заряженное электронами сопло 7, соприкасаясь с ним, получают с поверхности сопла электроны, рекомбинируясь (становясь) нейтральными частицами, и вылетая из сопел, создают реактивную тягу, пропорциональную средней скорости ускоренного пучка катионов, рекомбинируемых в нейтральные частицы.

Изменением напряжения преобразователя 11 регулируют скорость катионов νку, электрически управляя электрореактивной тягой. Не использованную на электрореактивную тягу электрическую мощность, получаемую из электронного пучка, трансформируют в бортовую систему электропитания 12 для электроснабжения других систем космического аппарата.

В предлагаемом способе не затрачивается электроэнергия на ионизацию продуктов сгорания электрическим разрядом и на создание источниками ЭДС электрического тока в нейтральной плазме, как в прототипе, поэтому повышается КПД системы электропитания, экономится топливо и другие расходные материалы, увеличивается коэффициент полезной загрузки, радиус действия и срок жизни аппарата.

Способ создания электрореактивной тяги, заключающийся в формировании потока продуктов сгорания углеводородного, химического или ядерного топлива, движущегося с заданной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока продуктов сгорания, отличающийся тем, что поток продуктов сгорания разделяют на пучок катионов и пучок электронов, причем энергию пучка электронов преобразовывают в дополнительную электрическую мощность, направляемую на ускорение пучка катионов, создающего реактивную тягу.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электроракетных двигателей. В крупногабаритном ионном двигателе, содержащем заключенную в корпус газоразрядную камеру, включающую узел подачи рабочего тела, ионно-оптическую систему, состоящую из плазменного и ускоряющего электродов, закрепленных на наружной стенке корпуса и изолированных от него и друг от друга, и катод-нейтрализатор, закрепленный на корпусе, вдоль центральной оси корпус имеет внутреннюю стенку, образующую сквозное отверстие, в котором установлен катод-нейтрализатор.

Изобретение относится к реактивному двигателю (1) на основе эффекта Холла. Двигатель содержит разрядный канал (50) с открытым, нижним по потоку концом (52), катод (100), расположенный снаружи разрядного канала (50), инжекционную систему (30) для инжекции атомов газа в разрядный канал (50), которая расположена на верхнем по потоку конце разрядного канала (50) и которая формирует анод, и нагреватель (60) для нагрева катода (100).

Изобретение относится к средствам управления электрическими ракетными двигателями с индукционным возбуждением разряда в газоразрядной камере. Устройство генерации ВЧ энергии содержит микроконтроллер (8), усилитель мощности (3) и источник (6) электропитания усилителя мощности.

Изобретение находит использование в спутнике. Электроракетная двигательная установка содержит, по меньшей мере, один электродвигатель (10), систему питания двигателя (10), содержащую резервуар (1) высокого давления для ионизируемого газа, буферный резервуар (2) низкого давления, связанный с резервуаром (1) высокого давления с помощью клапана (5, 6), и систему трубопроводов для передачи газа от буферного резервуара (2) низкого давления к аноду (26) и катоду (40) двигателя.

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей, в частности к системам хранения и подачи в них рабочего тела (иода). В системе хранения и подачи иода, содержащей снабженную нагревателем цилиндрическую емкость с иодом, которая сообщена с электроракетным двигателем трубопроводом с клапаном, на днище внутри цилиндрической емкости со стороны трубопровода установлена пористая шайба, контактирующая с кристаллическим иодом, причем цилиндрическая емкость со стороны, противоположной трубопроводу, содержит фланец и подпружиненный относительно него поршень, контактирующий с другой стороны с кристаллическим иодом, при этом нагреватель снабжен электрической изоляцией, контактирующей снаружи с днищем емкости со стороны трубопровода.

Изобретение относится к плазменному реактивному двигателю на основе эффекта Холла. Двигатель содержит окружающий основную ось кольцевой выпускной канал, который имеет открытый нижний по потоку конец и ограничен внутренней стенкой и наружной стенкой, катод, магнитный контур для создания магнитного поля в канале, трубопровод для подачи способного к ионизации газа в канал.

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигателей. В двигателе с замкнутым дрейфом электронов, содержащем электромагнит, магнитопровод с полюсами, анод и катод-нейтрализатор, жестко связанные с магнитопроводом, и расположенную внутри него кольцевую разрядную камеру, закрепленную на фланце, подпружиненном относительно магнитопровода, фланец с закрепленной на нем кольцевой разрядной камерой соединен со стержнем, другой конец которого прикреплен к магнитопроводу, причем стержень выполнен из материала, обладающего скоростью ползучести, равной линейной скорости эрозии стенок разрядной камеры.

Изобретение относится к области создания электрических реактивных двигателей. Предлагается электрический ракетный двигатель небольшой мощности в качестве корректирующего для космического аппарата многолетнего использования с применением вместо газообразной составляющей твердого топлива в виде металла высокой плотности, преобразованного в плазменный сгусток, под действием электрического разряда.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для коррекции космического аппарата (КА) с помощью электрореактивных плазменных двигателей (ЭРПД).

Изобретение относится к энергетике. Ионный двигатель, содержащий корпус, закрепленные жестко на наружной поверхности корпуса газоразрядную камеру и ионно-оптическую систему и катод-нейтрализатор, установленный на корпусе, при этом корпус ионного двигателя имеет торообразную форму, причем катод-нейтрализатор установлен по центральной оси корпуса, электроды ионно-оптической системы и газоразрядная камера выполнены кольцеобразной формы, при этом их внутренние поверхности по периметру жестко закреплены на внутренней поверхности корпуса ионного двигателя.

Изобретение относится к двигательным установкам (ДУ) малой тяги для коррекции орбит космических аппаратов (КА). ДУ содержит размещенные друг над другом ускорители плазмы (УП) с ускоряющими электродами: катодом (3) и анодом (4), а также узлами подачи рабочего тела: шашек (7), снабженных пружинными толкателями (8). Для инициирования плазмообразующего разряда служат электроды (9) в отверстии катода (3). Между электродами (3, 4) выполнен торцевой керамический изолятор (ТКИ). С электродами связан через анодную и катодную шины (на панели (15)) блок (13) накопительных конденсаторов (14). Отвод тепла от УП осуществляется тепловыми трубами (ТТ). Испарительная часть (22) ТТ примыкает к электродам (3, 4) и ТКИ, а конденсационная часть (23) ТТ закреплена на раме крепления ДУ к корпусу КА. В окне этой рамы размещена теплонапряженная плоская стенка блока питания и управления. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и тяговой эффективности ДУ за счет улучшенной системы теплоотвода. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области ракетных двигателей, в частности к ракетным двигателям с центральным телом с вихревым процессом горения, и может быть использовано в ракетно-космической технике. Способ формирования тяги двигателя с центральным телом, включающий подачу горючего и окислителя в камеру сгорания с созданием за центральным телом вихревой зоны, при этом в вихревую зону под давлением тангенциально подают мелкодисперсную фракцию воды или воды с добавлением органического вещества, создавая осевую закрутку смеси газов горения и, как следствие, вихревой поток холодной неравновесной пульсирующей плазмы, создавая дополнительную тягу двигателя. Предложен также двигатель с центральным телом для реализации способа, содержащий камеру сгорания и сопло, при этом на центральном теле выполнены винтовые канавки, введена емкость с водой или водой с добавлением органического вещества, сообщенная с помощью трубопровода с насосом, расположенным внутри центрального тела, который в свою очередь с помощью распределительных патрубков сообщен через коллектор с винтовыми канавками с помощью форсунок, открытые торцы которых расположены на внешней поверхности центрального тела, на торцевой плоскости которого установлены игольчатые термокатоды, обеспечивающие термоэмиссию. Изобретение обеспечивает увеличение тяги. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к энергетике. Способ запуска стационарного плазменного двигателя, при котором подачу напряжения разряда на катод и анод двигателя выполняют не до подачи поджигных импульсов, а после завершения нагрева катода, открытия клапанов двигателя и подачи поджигных импульсов. При этом достигается уменьшение, вплоть до полного устранения, броска тока в разрядной цепи двигателя и, соответственно, на первичной шине питания систем преобразования и управления стационарными плазменными двигателями. Изобретение позволяет снизить нагрузку на функциональные элементы системы электропитания и систем преобразования и управления стационарными плазменными двигателями. 2 табл., 9 ил.

Изобретение относится к космической технике, к классу электрореактивных двигателей. Двигатель содержит автономный источник низкотемпературной плазмы, систему улавливания нейтральных частиц и регенерации ионов, разделитель потоков электронов и ионов, плазменный ускоритель. Плазменный ускоритель представляет собой асинхронный циклотрон, разделенный вдоль на дуанты двумя соосными парами параллельных сеток с зазорами, создающими однородные, равные и постоянные ускоряющие электрические поля взаимно противоположного направления векторов напряженности, имеющий выходные газовые каналы плазменного ускорителя - основные переходники-ферромагнетики с соленоидами; выходные прямые газовые диэлектрические каналы двигателя, соединенные с основными переходниками через пропускные электроклапаны, а между собой - переходниками-ферромагнетиками с соленоидами. Магнитное поле внутри плазменного ускорителя создается группой соленоидов, размещенных внутри цилиндрического ферромагнетика, частью своей являющегося цилиндрической стенкой плазменного ускорителя. Техническим результатом изобретения является увеличение удельного импульса тяги с сохранением и возможным уменьшением массогабаритных характеристик двигательных установок при относительно невысокой мощности энергопотребления. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к высокочастотным ионным двигателям (ВЧИД) с индукционным возбуждением разряда в газоразрядной камере. Газоразрядный узел ВЧИД включает в свой состав газоразрядную камеру (1), выполненную из электротехнического корунда. Камера (1) содержит участок в форме сегмента сферы, расположенный со стороны патрубка (2) подачи рабочего газа, и сопряженный с ним участок цилиндрической формы, расположенный со стороны крепления электродов ионно-оптической системы (3). Индуктор (4) выполнен в виде спирали, охватывающей внешнюю поверхность камеры. Спираль индуктора образована медной трубкой. Трубчатые токоподводы (5 и 6) спирали индуктора соединены с ВЧ генератором. На внешней поверхности камеры выполнены четыре выступа (7), симметрично расположенные относительно оси симметрии камеры. На поверхность выступов (7) нанесено металлизационное покрытие. Витки спирали индуктора (4) соединены с внешней поверхностью камеры методом пайки в точках контакта с металлизированными поверхностями выступов (7). Эмиссионный и ускоряющий перфорированные электроды (8 и 9) изготовлены из сплава молибдена и соединены с металлизированными контактными поверхностями камеры (1) и промежуточных изоляторов (11 и 12) методом пайки. Технический результат заключается в повышении надежности и ресурса ВЧИД, при этом уменьшаются габаритные размеры и масса газоразрядного узла и ВЧИД в целом. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электроракетных двигательных установок с электромагнитным ускорением плазмы. Электроракетная двигательная установка содержит энергетическую установку, систему хранения и подачи рабочего тела и электроракетный двигатель. Электроракетный двигатель содержит соосно установленные катод, сопло-анод и соленоид, размещенный снаружи сопла-анода. Энергетическая установка и соленоид соединены через тоководы с электродвигателем-генератором. На валу электродвигателя-генератора соосно закреплены маховик и электроракетный двигатель. Электроракетный двигатель связан с системой хранения и подачи рабочего тела через изолирующую проставку и канал, выполненный внутри вала электродвигателя-генератора. Техническим результатом изобретения является снижение массы энергетической установки и повышение тяги электроракетной двигательной установки. 1 ил.
Наверх