Способ создания электрореактивной тяги



Способ создания электрореактивной тяги

 


Владельцы патента RU 2635951:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГУ им. М.Ф. Решетнева) (RU)

Изобретение относится к способу создания электрореактивной тяги. Способ состоит в том, что после создания электрореактивной тяги в режиме горения топлива при импульсном давлении в усеченной сферической камере сгорания с образованием огненного ядра в камере сгорания и плазменного ядра в индукторе магнитного поля при воздействии СВЧ-полем в электронно-циклотронном резонансном режиме, а также создания прямого ускоряющего импульсного напряжения со стороны ускорителя катионов, расположенного перед соплом, дополнительно обеспечивают путем создания обратного ускоряющего импульсного напряжения со стороны изолированного электрода, установленного в камере сгорания, детонационный режим горения топлива в импульсно-пульсирующем режиме, при котором происходит формирование устойчивой детонационной волны в огненном ядре за счет импульсного потока ионизационно-термических волн катионов из плазменного ядра. Причем на поток ионизационно-термических волн катионов при действии обратного ускоряющего напряжения и на поток продуктов сгорания при действии прямого ускоряющего напряжения воздействуют магнитным полем, вектор индукции которого совпадает с вектором скорости этих потоков. Изобретение позволяет

повысит удельную тягу, КПД и эффективность преобразования энергии продуктов сгорания топлива в электроэнергию. 2 з.п. ф-лы, 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 РФ №2024785; «Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель», патент РФ №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.

Известен 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.

Известен также способ создания электрореактивной тяги (патент РФ №2567896, МПК F03H 1/100), заключающийся в формировании потока низкотемпературной плазмы, полученной в процессе сгорания при постоянном давлении в камере сгорания углеводородного, химического или ядерного топлива, движущегося с заданной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока продуктов сгорания. Одновременно с воздействием магнитным полем поток низкотемпературной плазмы подвергают воздействию резонансным СВЧ излучением, после чего поток плазмы разделяют на пучок катионов, направляемый в сопло для создания реактивной тяги, и пучок электронов, энергию которого преобразуют в электрическую мощность, дополнительно направляемую на ускорение пучка катионов, создающего увеличенную реактивную тягу. Данный способ выбран за прототип.

Недостатком прототипа является низкая удельная тяга из-за недостаточного общего объема плазмы, ускоряемого электрическим полем, что снижает ускорение космического летательного аппарата на низких высотах; недостаточная энергетическая эффективность, вызванная тем что, в электрическую мощность рекуперируется лишь часть энергии пучка электронов продуктов сгорания топлива, так как другая часть тратится на компенсацию заряда пучка катионов за срезом сопла и на его поверхности, дополнительные затраты электроэнергии на заряд сопла, нейтрализующий заряд катионов, и невысокая надежность из-за возможности эрозии поверхности сопла под действием ионизированных продуктов сгорания топлива.

Задачей изобретения является повышение удельной тяги, КПД и эффективности преобразования энергии продуктов сгорания топлива в электроэнергию и энергетические процессы по созданию реактивной тяги.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе создания электрореактивной тяги, заключающемся в формировании потока продуктов сгорания углеводородного топлива, направляемого в магнитное поле индуктора, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока, при одновременном воздействии СВЧ-полем; разделении потока продуктов сгорания на пучок катионов и пучок электронов, причем энергию пучка катионов, направляемых в сопло, преобразуют в реактивную тягу, а энергию пучка электронов преобразуют в электрическую мощность, в дальнейшем направляемую на ускорение пучка катионов, согласно техническому решению, после создания электрореактивной тяги в режиме горения топлива при импульсном давлении в усеченной сферической камере сгорания с образованием огненного ядра в камере сгорания и плазменного ядра в индукторе магнитного поля при воздействии СВЧ-полем в электронно-циклотронном резонансном режиме и создании прямого ускоряющего импульсного напряжения со стороны ускорителя катионов, расположенного перед соплом, дополнительно обеспечивают путем создания обратного ускоряющего импульсного напряжения со стороны изолированного электрода, установленного в камере сгорания, детонационный режим горения топлива в импульсно-пульсирующем режиме, при котором происходит формирование устойчивой детонационной волны в огненном ядре за счет импульсного потока ионизационно-термических волн катионов из плазменного ядра, причем на поток ионизационно-термических волн катионов при действии обратного ускоряющего импульсного напряжения и на поток продуктов сгорания при действии прямого ускоряющего импульсного напряжения воздействуют магнитным полем, вектор индукции которого совпадает с вектором скорости этих потоков.

Энергию пучка катионов, вышедшего за срез сопла, преобразуют в дополнительную электрическую мощность путем рекуперации электрической энергии катионов за счет пропускания их сначала через усилитель-концентратор для получения плотных униполярных пучков с повышенной скоростью, а затем электростатического торможения в электростатических ловушках.

На пучок катионов, направленный в сопло, воздействуют продольным магнитным полем.

В заявленном способе повышение тяги обеспечивается за счет энергии созданной устойчивой детонационной волны, полученной путем воздействия на процесс горения топлива сфокусированными ионизационно-термическими волнами, образованными действием обратного ускоряющего импульсного напряжения на ионизированные продукты сгорания, причем на поток ионизационно-термических волн катионов при действии обратного ускоряющего импульсного напряжения и на поток продуктов сгорания при действии прямого ускоряющего импульсного напряжения воздействуют магнитным полем, вектор индукции которого совпадает с вектором скорости этих потоков.

Повышение КПД происходит за счет детонационного процесса сгорания топлива и рекуперации энергии положительно заряженных частиц ионизированного топлива за срезом сопла.

Схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на чертеже.

Устройство (импульсно-детонационный электрический двигатель) содержит усеченную сферическую камеру сгорания 1, агрегат формирования детонационного режима сгорания топлива 2, канал продуктов сгорания 3, индуктор магнитного поля 4, канал положительно заряженных ионов продуктов сгорания 5, электрический ускоритель положительно заряженных ионов 6, сопло 7, мембрану электронов 8, которая пропускает электроны и не пропускает ионы и молекулы продуктов сгорания, аксиальный анод 9, канал пучка электронов 10, усилитель-концентратор электронов 11, аксиальный ускоряющий анод 12 электростатической ловушки электронов 13, преобразователь энергии электронов в электрический ток 14, бортовую систему электропитания 15, блок аккумуляторов 16, преобразователь энергии ионов 17, усилители-концентраторы положительно заряженных ионов электростатических ловушек 18, отрицательно заряженные электроды 19 электростатической ловушки катионов 20, пучки катионов за срезом магнитного сопла 21, выход нейтральных частиц 22, электромагниты 23 прямого продольного магнитного поля сопла 7, генераторы СВЧ-квантов 24, волноводные каналы с облучателями 25, радиопрозрачные мембраны 26, прямая ударная волна 27, обратная ударно-ионизационная волна 28, электромагниты прямого продольного электромагнитного поля заряженных частиц плазмы канала положительно заряженных ионов 29, резонансное СВЧ-поле 30, плазменное ядро 31, высокопроводящие электромагниты обратного продольного электромагнитного поля канала продуктов сгорания 32, лазер с блоком импульсного включения 33, фокусирующая линза 34, огненное ядро 35, переменный управляющий электрод 36, расположенный на торцевой стенке корпуса камеры сгорания 1 и изолированный от нее, бак для топлива 37, клапан обратного действия 38, трубопровод 39, термоионизационные волны 40, детонационный фронт 41, образованный устойчивыми ударными волнами 42.

Способ осуществляется следующим образом. Для запуска импульсно-детонационного электрического двигателя необходимо подать напряжение на все энергетические системы от блока аккумуляторов 16. При этом напряжение на переменном управляющем электроде 36 равно нулю (0), а на электрическом ускорителе ионов 6 - минус 3-5 кВ.

Перед началом воспламенения в камеру сгорания 1 из бака 37 через клапан обратного действия 38 и трубопровод 39 подается тонко распыленное (40-100 мкм) углеводородное топливо, перемешанное с окислителем (см. патент РФ №2442008, МПК F02K 7/02, F02K 9/50).

Воспламенение топлива происходит после подачи импульсной искры с помощью луча лазера с импульсным включением 33 через фокусирующую линзу 34, установленную в стенке камеры сгорания 1. В результате воспламенения образуется фронт пламени, который быстро распространяется на весь объем камеры сгорания, с созданием огненного ядра 35, сопровождающееся микровзрывным горением при импульсном давлении с образованием ударной волны, которая отражается от сферической поверхности камеры сгорания и фокусируется на продольной оси агрегата формирования детонационного режима сгорания топлива 2, например, в точке А, что приводит при повторном воспламенении новой порции топлива лазером к большему повышению энергии ударных волн 41 и скорости горения до 300-400 м/с. Затем продукты неполного сгорания топлива частично ионизированные поступают в канал продуктов сгорания 3, где на них воздействует продольное магнитное поле, создаваемое сверхпроводящими магнитами 32, за счет чего происходит сжатие ионизированных компонентов сгорания и дополнительный нагрев при движении заряженных частиц против направления индукции магнитного поля до t=2500-3000°K. По каналу 3 продукты сгорания топлива, содержащие ионизированные компоненты, попадают в зону действия поперечного магнитного поля, создаваемого индуктором 4, где на них одновременно оказывается воздействие резонансным СВЧ-полем 30 с частотой f=34-37 ГГц. Волны с частотой миллиметрового диапазона создаются в электронно-циклотронном резонансном режиме при помощи генераторов СВЧ-квантов 24, затем по волноводным каналам с облучателями 25 через радиопрозрачную мембрану, выполненную в стенке канала 3 (см. Cass R. В., Fibor Rein - forced ceramic radome material with improved resistance to thermal shock, high temperature and erosin / R. B. Cass // Advanced Cerametrics, Inc., 2006. - p. 1-7), воздействуют на продукты сгорания топлива с образованием плазменного ядра 31 (t=3000-3500°С и выше). В поле поперечного магнитного поля, создаваемого индуктором 4 под действием силы Лоренца (см. патент РФ №2567896, МПК F03H 1/00, Способ создания электрореактивной тяги, опубл. 10.11.2015) происходит разделение потока продуктов сгорания на электроны и катионы, движущиеся в противоположных направлениях.

Под действием (-) электрического поля ускорителя положительно заряженных ионов 6 (прямого ускоряющего электрического поля) в канале 5 образуется пучок катионов, движущихся со скоростью vк, который ускоряется электрическим полем до скорости vку0.

Под действием электрического поля аксиального анода 9, электроны ускоряются, проходят через мембрану 8, которая пропускает через себя электроны и не пропускает через себя анионы, катионы и нейтральные частицы ионизированных продуктов сгорания. Рассеивающие электроны на выходе из мембраны 8 образуют пучок электронов, который движется в усилителе-концентраторе 11 под действием электрического поля положительно заряженного аксиального ускоряющего анода 12, имеющего напряжение 5 кВ. В усилителе-концентраторе 11, а затем в канале 10, пучок электронов дополнительно уплотняется, концентрируется и ускоряется, приобретая скорость vey, а затем направляется в электростатическую ловушку электронов 13, в которой происходит рекуперация его энергии путем электростатического торможения с накоплением электростатического заряда и напряжения. Затем в преобразователе 14 накопленный электростатический заряд преобразуется в постоянный электрический ток, а часть в переменный электрический ток с требуемым напряжением и далее направляется в бортовую систему питания 15 и на разгон или торможение катионов ускорителем 6.

После выхода на импульсный электрореактивный режим, являющийся предварительным режимом работы двигателя, на ускоритель положительно заряженных ионов 6 в импульсном режиме подается потенциал (0), а на управляющий электрод 36 отрицательный потенциал (-) напряжением U=3-5 кВ. При этом создается обратное ускоряющее электрическое поле в течение времени (0,001-0,03)t, где t - время прямого действия импульсно-детонационного двигателя, когда на ускоритель подается потенциал (-), ускоряющий поток катионов, согласованный по времени со скоростью движения устойчивой детонационной волны.

Под действием обратного ускоряющего электрического поля, действующего со стороны управляющего электрода 36, катионы по каналу ионов продуктов сгорания 5 и со стороны плазменного ядра 31, вращаясь, движутся в виде пучков 40 в агрегат формирования продуктов сгорания топлива 2 и камеру сгорания 1, создавая ионизационно-термические волны, которые фокусируются продольным магнитным полем 32. При встрече с фронтом горения продуктов сгорания топлива, обладающего меньшей температурой, происходит детонация и взрывное горение за счет термоудара и ионизации со сверхзвуковой скоростью. При этом клапан обратного действия 38 перекрывает подачу топлива в камеру сгорания 1. Температура и давление резко повышаются с образованием прямой ударной волны 27, движущейся со скоростью 103-104 м/с, линии поперечного магнитного поля 4 при этом сжимаются, магнитное поле усиливается. Электроны, обладающие большей подвижностью, чем катионы, бегущие со стороны агрегата формирования детонационного режима горения 2 в поперечное магнитное поле с большей энергией, направляются через электронную мембрану 8 для преобразования их в электрическую энергию. При подаче напряжения (-) на ускоритель 6, а на управляющий электрод 36 потенциала 0, согласованных повременно со скоростью движения детонационной волны, продукты детонационного горения топлива выбрасываются через сопло 7 в течение времени t, создавая реактивную тягу.

Часть электроэнергии от аккумулятора 16 направляется на преобразователь 17, с которого подается отрицательное напряжение U=5 кВ на усилители-концентраторы 18 заряда катионов через заряженные электроды 19 электростатических ловушек 20.

За срезом сопла 7 вылетевший поток катионов образует рассеянные пучки 21, которые залетают под действием отрицательного потенциала на электродах 19 через усилитель-концентратор 18 в диффузор электростатической ловушки катионов 20 с высокой скоростью, а затем в каналы, где расположены заряжающие электроды и электроды-коллекторы рекуператора электростатических ловушек 20, в которых происходит их электростатическое торможение. Энергия катионов преобразуется за счет электростатического торможения в электрическую мощность. При этом одновременно происходит нейтрализация положительно заряженных частиц - катионов, а затем выход нейтральных молекул в окружающую среду из электростатических ловушек через специальные каналы, в которых установлены положительно заряженные аксиальные аноды круглого сечения, препятствующие выходу заряженных частиц в окружающую среду.

Известно, что масса катионов mk в 104-105 раз больше массы электронов те, поэтому кинетическая энергия катионов больше кинетической энергии электронов, радиус траектории движения катионов rк2 м больше радиуса траектории движения электронов ге≈10-2 м, а частота ротации электронов fe≈105 Гц больше частоты ротации катионов в mk/me раз, и вектор скорости vey в раз больше, чем вектор скорости vку, и соответственно электрическая мощность ускоренного пучка электронов в (vey./vky)2 или в mk/mе раз больше, чем электрическая мощность ускоренного пучка катионов, согласно расчетам [Яворский Б.М. и др. Курс физики. Т. 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/mе раз больше, чем у пучка катионов, поэтому энергию электронного пучка эффективно превращают в электрическую мощность в электростатической ловушке 13 путем торможения электронного пучка в электростатическом поле ловушки с электродами, связанными с электростатическим конденсатором ионисторного типа, в котором происходит накопление электростатического заряда и преобразование его в постоянный электрический ток для питания энергетических систем.

Напряжение постоянного тока бортовой системы электропитания 15 формируется в преобразователях 14 и 17 путем последовательного соединения электростатических ловушек 13 и 20 в блоки и специально установленных аккумуляторов энергии 16. Полученную электрическую мощность, равную произведению силы тока на рабочее напряжение, используют для создания импульсного детонационного процесса горения и дополнительной электрореактивной тяги, а также трансформируют в бортовую систему электропитания 15, например, для твердотельного преобразования энергии постоянного тока в радиоволны генераторов СВЧ-квантов 24 и электроснабжения других систем летательного аппарата. Известно использование радиоволн для ионизации и нагрева рабочего тела с защитой всех частей магнитным полем от воздействия плазмы (https://ru.wikipedia.org/wiki/Электромагнитный ракетный_ускоритель). Генерация плазмы двигателя с образованием плазменного ядра 31 с помощью радиоволн частотой f=34-37 ГГц может быть эффективной из-за резонансного эффекта ее ионизации (см. патент РФ №2117398, МПК Н04В 13/00, Способ передачи энергии в вакууме). Дополнительная энергия, полученная за счет рекуперации энергии заряженных частиц электростатическими ловушками, представляет собой электрическую мощность, полученную путем использования электрической энергии ионизированных продуктов сгорания топлива, и может быть применена для создания электрореактивной тяги электрических ракетных двигателей средней мощности. Для увеличения тяги в 1,5-2 раза необходимо создать импульсный детонационный режим или импульсно-пульсирующий режим. Эффективность преобразования энергии заряженных частиц в электрическую мощность во многом обусловлена работой усилителей-концентраторов их в пучки.

Усилитель-концентратор пучка электронов (УКЭ) 11 с электронной мембраной 8 и аксиальными анодами 9 и 12 содержит корпус с внутренней осевой сужающейся полостью, имеющей форму усеченного конуса, на поверхность которой нанесена кремниевая решетка с верхним алмазным слоем.

Увеличение концентрации электронов и усиление тока электронного пучка можно получать за счет вторичной эмиссии электронов с поверхности алмазной мембраны под воздействием первичных электронов электронного пучка (см. Усиление потока электронов с помощью алмазной мембраны / Гаврилов С.А., Дзибановский Н.Н., Ильичев Э.А. и др. // Письма ЖТФ, 2004, т. 74, вып. 1, с. 108-114).

При помощи УКЭ возможно увеличение плотности тока в 30-40 раз (см. Усилитель Электронного потока на кремниевых решетках, покрытых алмазной пленкой // Белоусов М.Э., Ильичев Э.А., Кулешов А. Е. и др. // НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина, М. 2011 // Письма ЖТФ, 2012, т. 38, вып. 6, с. 45-51).

В большем отверстии осевой полости УКЭ может быть установлена многослойная электронная мембрана, основой которой является динамически устойчивая высокотемпературная вольфрамовая пластина, имеющая сложную форму: внешняя высокотемпературная поверхность выполнена плоской, а внутренняя низкотемпературная поверхность имеет вогнутую полусферического форму для фокусирования электронов в пучок. Пластина изготовлена из сплава с пористостью до 85% и диаметром пор 10-3 - 10-4 мкм.

Известна микропористая мембрана, выполненная из микропористого вольфрама с пористостью до 85%, диаметром пор порядка 10-3-10-4 (патент РФ №2444418, МПК B22F 3/12, С22С 1/08, С22С 27/04, Способ изготовления спеченных пористых изделий из псевдосплава на основе вольфрама, опубл. 10.03.2012). Мембрана изготовлена из композиционного вольфрамового псевдосплава W-Ni-Fe и обладает высокой термостойкостью и прочностью, но имеет большой диаметр микропор, через которые могут проходить не только электроны, но и крупные частицы плазмы рабочей среды. В связи с отмеченным, на мембрану из вольфрама может быть нанесена многослойная композитная графеновая нанопленка толщиной 5-20 мкм, выполненная, например, путем нанесения нескольких слоев наномодифицированного графена (http://www.russiandectronics.ru/. Графен в электронике сегодня и завтра), обеспечивающая свободное прохождение через мембрану электронов, под воздействием электрического поля при разделении потока плазмы на поток электронов и поток катионов. Такая графеновая пленка может работать в условиях высоких температур (до 3700°С), воздействия ускоряющегося электрического поля и больших динамических нагрузок.

Таким образом, на внешнюю высокотемпературную поверхность вольфрамовой пластины может быть нанесен слой из нанокомпозитного графена с нанопорами, а на внутреннюю низкотемпературную - слой из оксида алюминия с нанопорами 0,003÷0,06 нм.

Известны мембраны из оксида алюминия толщиной 5-10 нм с размером пор менее 0,1 нм, полученные перфорацией электронными пучками, которые под действием ускоряющегося электрического поля свободно пропускают через нанопоры электроны и задерживают тяжелые крупные частицы (анионы, катионы, радикалы, нейтральные частицы - атомы и молекулы рабочей среды) (см. журнал США Advanced Materials (Highly Sensitive, Mechanically Stable Nanopore for DNA) / - 2011). Тонкие мембраны из оксида алюминия обладают большим КПД при прохождении через них электронов под действием электрического поля.

Мембраны могут быть также изготовлены селективным травлением и окислением алюминиевой фольги до оксида алюминия (патент РФ №2350380, МПК B01D 67/00, Способ получения пористых мембран на основе алюминия).

К недостаткам мембран из оксида алюминия можно отнести невысокую температуру эксплуатации - 2044°С, что делает невозможным их применение для удаления пучков электронов из плазмы при более высокой температуре (более 3000°С). Кроме того, тонкие мембраны из оксида алюминия имеют малую прочность и неспособны выдерживать динамические нагрузки, связанные с импульсно-детонационным горением движущимся потоком ударно-сжатой плазмы. Эти недостатки существенно сужают область применения мембран из оксида алюминия. Однако установка их на внутреннюю низкотемпературную поверхность подложки возможна.

Корпус УКЭ снабжен аксиальными анодами (9), (12), установленными со стороны входного и выходного отверстий и служащими для подачи ускоряющих потенциалов, обеспечивающих соответственно электрический вывод электронов из потока плазмы и управление энергией электронов и их концентрацией в пучке, входящем в УКЭ и управление повышением их концентрацией, а также силой тока и энергией электронов пучка, выходящего из УКЭ. УКЭ с многослойной электронной мембраной обеспечивает температурную и динамическую устойчивость, повышение энергетической эффективности, а также дает возможность управлять электроэнергетическими параметрами сформированных электронных пучков, что повышает КПД преобразования энергии потока плазмы в электрическую мощность в электростатической ловушке.

За счет полученной дополнительной электрической мощности ускоряют пучок катионов путем подачи необходимого напряжения 0 или (-) с преобразователя 14 на электрический ускоритель 6-0 или (-) и аксиальный анод 9 (+).

Получив ускорение, катионы входят в магнитное сопло 7, получают с поверхности сопла импульс силы, за счет воздействия силовых линий продольного магнитного поля, практически не взаимодействуют с его поверхностью, т.е. магнитное поле защищает поверхность камеры и сопла от теплового воздействия эрозии (https://ru.wikipedia.org/wiki/Элeктpoмaгнитный_paкeтный_ycкopитeль). Для создания магнитного сопла могут быть использованы высокопроводящие электромагниты 23 и 29. Катионы, вылетая из сопла, создают реактивную тягу, пропорциональную средней скорости ускоренного пучка катионов, с последующей рекуперацией их энергии в электростатических ловушках катионов 20 и преобразованием в нейтральные частицы 22, что решает проблему нейтрализации заряженных частиц электрореактивного двигателя.

Изменением напряжения преобразователя 14 регулируют скорость катионов vку, электрически управляя процессом импульсного детонационного горения в камере сгорания 1 и электрореактивной тягой. Не использованную на электрореактивную тягу электрическую мощность, получаемую из электронного пучка и пучка катионов, трансформируют в бортовую систему электропитания 15 для электроснабжения других систем космического аппарата, что повышает энергообеспечение процессов ЭРД.

Усилители-концентраторы катионов 18 представляют собой аксиально-конический канал, поверхность которого покрыта эрозионно-стойким материалом на основе наномодифицированного графена, выдерживающим температуру 3700°С, и состыкованы с отрицательно заряженным аксиальным электродом 19.

Электростатические ловушки электронов и катионов 13 и 20 могут содержать системы электродов-коллекторов электронов и положительно заряженных ионов, выполненных из высокоэффективных поглощающих электростатический заряд материалов (Димитров С.К., Обухов В.А., Системы торможения и рекуперации энергии плазменных потоков, (Ионные инжекторные и плазменные ускорители). Под ред. А.И. Морозова и Н.Н. Семашко, - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 193-219), (Пат. РФ №2117398, МПК Н04В 13/00. Способ передачи энергии в вакууме).

Для достижения эффективной рекуперации энергии плазмы в электроэнергию при помощи электростатических ловушек путем преобразования энергии заряженных частиц в электростатический заряд и обеспечения при этом большой энергоемкости за счет поглощения заряда нанопористыми электродами-коллекторами, выполненными из углеродного наномодифицированного материала, интегрированных в качестве заряжающего электрода с конденсатором ионисторного типа, можно обеспечить накопление электростатического заряда в двойном электрическом слое конденсатора ионисторного типа в течение времени от нескольких секунд до нескольких минут при передаче электроэнергии потребителю. (Д.Р. Рыжов, И.В. Трифанов, Б.Н.. Казьмин, Л.И. Оборина. Рекуперация энергии квазиуниполярных пучков электронов и ионов в электроэнергию ЭРД. ХГХ Международная научная конференция «Решетневские чтения» - СибГАУ, 2015, ч. 1, с. 171-172).

Создание электрореактивной тяги с применением импульсного детонационного, импульсно-пульсирующего и чисто электрореактивного режимов может позволить создавать одноступенчатые летательные аппараты с разными видами по эффективности топлива, по энергетическим параметрам и химическому составу.

Работа импульсного лазера 33 типа Nal-Yag (см., например, Tran X.PHUOS and FREDRICK Р, WHITE. Laser-Incuced Spark Ingnition of CH4/Air Mixtures. // Combustion and Flame. November 1999, volume 119, Number 3), системы подачи топлива 37, 38, 39 и других энергетических систем должны быть согласованы в соответствии с импульсно-детонационными процессами (см. А. А. Васильев. Особенности применения детонации в двигательных установках. Под ред д.ф.-м.н. С.М. Фролова, Торус Пресс, М, 2006 г.). При воздействии термоионизационных волн 40 на распыленное топливо в камере сгорания 1 снижается порог пробоя и энергия воспламенения его лазером (см. патент РФ №2458248, МПК F03H 1/00, B64G 1/26). Скорость истечения продуктов сгорания топлива из сопла может составлять 50-300 км/с в зависимости от импульсно-детонационного электрического режима работы.

В предлагаемом способе повышается удельная тяга в 1,5-2 раза при работе в импульсно-детонационном и импульсно-пульсирующем режиме, эффективность сгорания топлива повышается на 60-80%, однако удельный импульс при этом может быть меньше, чем при работе в электрореактивном режиме. Работа в импульсно-пульсирующем режиме при частоте более 300 Гц может позволить повысить удельный импульс при снижении удельной тяги, не затрачивается электроэнергия на рекомбинацию положительно заряженных ионов продуктов сгорания в виде катионов, как в прототипе, а также применяется защита стенок камеры сгорания и сопла продольным магнитным полем, что исключает температурное воздействие и эрозию их поверхностного слоя, поэтому повышается КПД системы электропитания, экономится топливо и другие расходные материалы, увеличивается надежность, коэффициент полезной нагрузки, радиус действия и срок жизни космического аппарата.

Предлагаемый способ также может быть эффективно использован для широкого решения задач от низких орбит до высоких, например, в космосе для построения последней ступени космических летательных аппаратов, что позволит сократить потребность в топливе при транспортировке грузов на высокие орбиты, а также будет целесообразно его применение для полета со сверхвысокими скоростями к дальним космическим объектам.

1. Способ создания электрореактивной тяги, заключающийся в формировании потока продуктов сгорания углеводородного топлива, направляемого в магнитное поле индуктора, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока, при одновременном воздействии СВЧ-полем, разделении потока продуктов сгорания на пучок катионов и пучок электронов, причем энергию пучка катионов, направляемых в сопло, преобразуют в реактивную тягу, а энергию пучка электронов преобразуют в электрическую мощность, в дальнейшем направляемую на ускорение пучка катионов, отличающийся тем, что после создания электрореактивной тяги в режиме горения топлива при импульсном давлении в усеченной сферической камере сгорания с образованием огненного ядра в камере сгорания и плазменного ядра в индукторе магнитного поля при воздействии СВЧ-полем в электронно-циклотронном резонансном режиме, а также создания прямого ускоряющего импульсного напряжения со стороны ускорителя катионов, расположенного перед соплом, дополнительно обеспечивают путем создания обратного ускоряющего импульсного напряжения со стороны изолированного электрода, установленного в камере сгорания, детонационный режим горения топлива в импульсно-пульсирующем режиме, при котором происходит формирование устойчивой детонационной волны в огненном ядре за счет импульсного потока ионизационно-термических волн катионов из плазменного ядра, причем на поток ионизационно-термических волн катионов при действии обратного ускоряющего напряжения и на поток продуктов сгорания при действии прямого ускоряющего напряжения воздействуют магнитным полем, вектор индукции которого совпадает с вектором скорости этих потоков.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что энергию пучка катионов, вышедшего за срез сопла, преобразуют в дополнительную электрическую мощность путем рекуперации электрической энергии катионов за счет пропускания их сначала через усилитель-концентратор для получения плотных униполярных пучков с повышенной скоростью, а затем электростатического торможения в электростатических ловушках.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на пучок катионов, направленный в сопло, воздействуют продольным магнитным полем.



 

Похожие патенты:

Предлагаемое изобретение относится к области электроракетных двигательных установок (ЭРДУ) и может быть использовано в системах хранения и подачи рабочего тела ЭРДУ.

Изобретение относится к области двигателей на эффекте Холла, в частности к двигателю (1) на эффекте Холла с регулируемой тягой, в котором конечная ступень магнитного контура содержит взаимно противоположные внутренний полюс (18) и внешний полюс (15), причем внутренний полюс (18) смещен по оси вниз по потоку по отношению к внутреннему полюсу (15) таким образом, что магнитное поле (M) наклонено относительно поперечной плоскости двигателя (1).

Изобретение относится к межорбитальным маневрам космических аппаратов (КА). Способ включает выведение КА на переходную орбиту с высотой апогея больше высоты геостационарной орбиты (ГСО) и высотой перигея ниже ГСО.

Изобретение относится к области двигателей на эффекте Холла и, в частности, к двигателю (1), в кольцевом канале (2) которого нижний по потоку край имеет изменяемое поперечное сечение для обеспечения возможности изменения тяги и удельного импульса.

Изобретение относится к области создания электрических реактивных двигателей. Для обеспечения надежной подачи твердого топлива в источник плазмообразующего вещества при длительной эксплуатации электрического ракетного двигателя в условиях низких отрицательных температур предложено поверхность направляющего приспособления для прямоточного перемещения твердого топлива в источнике плазмообразующего вещества со стороны прямоточного перемещения твердого топлива покрыть стеклоподобной пленкой в виде наноматериала.

Изобретение относится к системам подачи рабочего тела в импульсный плазменный электрический реактивный двигатель. Способ подачи жидкого рабочего тела из бака хранения в импульсном плазменном электрическом реактивном двигателе на подвижную поверхность разрядного промежутка заключается в смачивании поверхности путем контакта капиллярного фитиля, смоченного рабочим телом, с указанной поверхностью.

Изобретение относится к электрореактивным двигателям прямоточного типа (ПЭРД), в которых в качестве рабочего вещества используется газообразная окружающая среда. ПЭРД предназначен для управления движением низкоорбитального космического аппарата.

Изобретение относится к средствам управления движением космических аппаратов, а именно к электрическим (плазменным) ракетным двигателям для коррекции орбиты искусственного, преимущественно низкоорбитального спутника планеты с атмосферой.

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано при испытаниях и эксплуатации ионных двигателей. Ионный двигатель снабжен устройством для защиты от дугового разряда, вызванного межэлектродным пробоем между эмиссионным и ускоряющим электродами ионно-оптической системы.

Изобретение относится к технике стационарных плазменных двигателей (СПД). В динамический имитатор СПД, содержащий имитатор поджигного промежутка, имитатор регулятора рабочего тела, содержащий резистивную токоограничивающую нагрузку, транзисторный узел, введены имитатор магнитной системы, содержащий катушки, имитатор нагревателя катода, подключенный к шине катода, имитатор броска пускового разрядного тока, подключенный между плюсовой шиной и шиной катода, силовой ключ с характеристикой тиристорного типа, датчик тока, своим входом подключенный между вторым выводом резистивной токоограничивающей нагрузки и плюсовой шиной, генератор, имитирующий напряжение колебаний разрядного тока и суммирующий усилитель, первый вход которого подключен к функциональному выходу имитатора регулятора расхода рабочего тела, второй вход подключен к выходу генератора, имитирующего напряжение колебаний тока разряда, третий вход подключен к выходу датчика тока, выход суммирующего усилителя подключен к управляющему входу транзисторного узла с регулируемой проводимостью, а шина катода подключена к минусовому входу динамического имитатора СПД через катушки имитатора магнитной системы.

Изобретение относится к технологии питания рабочим газом ионного реактивного двигателя малой тяги. Способ питания ионного реактивного двигателя малой тяги рабочим газом, поступающим из резервуара с избыточным давлением, осуществляется посредством устройства питания, содержащего клапан on/off и, последовательно по ходу от упомянутого клапана on/off, дроссель высокого давления, буферный резервуар и по меньшей мере один дроссель низкого давления. Способ содержит этапы вычисления заданного значения давления (pc) для буферного резервуара как функции заданного значения расхода (Qc), вычисление разности (Δp) между заданным значением давления (pc) для буферного резервуара и давлением (pt), измеренным в буферном резервуаре, вычисление заданного значения (tc) для времени открытия клапана on/off как функции упомянутой разности (Δp) и давления (pr) в упомянутом резервуаре с избыточным давлением, и открытия клапана on/off в соответствии с упомянутым заданным значением (tc) времени открытия. Изобретение позволяет повысить надежность питания рабочим газом ионного реактивного двигателя малой тяги. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх