Двигатель для космического аппарата и космический аппарат, содержащий такой двигатель

Двигатель (10) космического аппарата, содержащий химический маневровый двигатель, имеющий сопло (30) для испускания газа сгорания, вместе с маневровым реактивным двигателем на основе эффекта Холла. Двигатель сконфигурирован таким образом, что сопло служит в качестве канала испускания для частиц, выбрасываемых реактивный двигателем на основе эффекта Холла, когда он работает. Двигатель может обеспечить высокую тягу с низким удельным импульсом или относительно низкую тягу с большим удельным импульсом. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области двигателей для космических летательных аппаратов, в частности, - для спутников.

В контексте некоторых приложений было бы желательно, чтобы космический аппарат обладал двумя режимами работы - и с высокой тягой, и с высоким удельным импульсом. Могут быть приведены два примера:

- запуск спутника на станцию и поддержание его орбиты: запуск спутника на станцию требует высокой тяги для того, чтобы как можно скорее перевести его на геостационарную орбиту, и спутнику для того, чтобы удерживать его в заданном положении в течение пятнадцати лет, требуется сообщение движения с высоким удельным импульсом;

- эксплуатация: было бы предпочтительно иметь маневровый реактивный двигатель, позволяющий снимать космический объект с орбиты, а находящемуся в космосе - обеспечивать реактивное движение с высокими удельными импульсами.

В известном способе сообщение спутнику реактивного движения осуществляется посредством двух способов: реактивное движение с использованием химического движителя и реактивное движение посредством электрического движителя. Эти два способа реактивного движения имеют соответствующие специфические области работы на графике зависимости удельного импульса (I_sp) от тяги: в общих чертах - химическая тяга дает возможность достичь тягу высокой величины, а удельные импульсы остаются ограниченными 450 секундами. С другой стороны, - "электрическое" реактивное движение обеспечивает достижение высоких удельных импульсов (2000 с), но тяга остается относительно низкой.

Поэтому для придания движения спутникам в системах управления высоты и положения на орбите (СУВП) используются маневровые реактивные двигатели на основе эффекта Холла - они используются для космических аппаратов и особенно - в СУВП геостационарных спутников. Маневровые реактивные двигатели на основе эффекта Холла позволяют получить очень высокие удельные импульсы (I_sp) порядка 1500 с, обуславливая, таким образом, возможность точного управления ориентацией и/или положением аппарата при использовании значительно меньшей массы топлива и значительно менее сложного управления, чем это было бы необходимо в обычных системах с использованием инерциальных устройств, таких как гироскопы, в комбинации с химическими маневровыми реактивными двигателями с целью вывода их из режима насыщения.

Тем не менее, присущий маневровому реактивному двигателю на основе эффекта Холла высокий удельный импульс обычно развивает лишь очень низкую тягу. Поэтому СУВП, содержащие в своем составе маневровые двигатели на основе эффекта Холла, для выполнения некоторых быстрых маневров, таких как изменение орбиты или вывод аппарата в заданное положение, обычно связаны с химическими маневровыми двигателями. Это, однако, имеет недостаток в виде увеличения общей стоимости и сложности космического аппарата в ущерб его надежности.

В заключение - ни одна из существующих технологий ("химическое" реактивное движение и "электрическое" реактивное движение) не позволяют обеспечить реактивное движение в обеих из этих целевых областей, то есть, сначала - с высокой тягой и с относительно малым удельным импульсом, а затем - с высоким удельным импульсом и с относительно малой тягой.

Таким образом, целью настоящего изобретения является предложить двигатель космического аппарата, способный обеспечивать тягу в обеих из этих рабочих областей, и обеспечивать это, не делая космический аппарат чрезвычайно тяжелым или сложным.

Для решения этой задачи настоящее изобретение предлагает двигатель космического аппарата, включающий в себя и химический маневровый двигатель, содержащий сопло для испускания сгорающего газа, а также маневровый двигатель на основе эффекта Холла, причем, двигатель сконфигурирован таким образом, что упомянутое сопло действует в качестве канала испускания частиц, выбрасываемых двигателем на основе эффекта Холла, когда он работает.

Таким образом, внутри одного двигателя совмещены обе технологии, то есть, "химическое" реактивное движение и "электрическое" реактивное движение. Посредством объединения некоторых средств, в частности сопла, появилась возможность сделать составленный таким образом двигатель относительно компактным. Следовательно, двигатель, будучи составлен таким образом, остается относительно простым и недорогим, имея в виду его рабочие возможности, которые расширены вследствие одновременного наличия обоих маневровых двигателей.

В одном варианте осуществления маневровый реактивный двигатель на основе эффекта Холла имеет магнитную цепь, и эта магнитная цепь в сечении или в меридиональной полуплоскости имеет подковообразную форму с воздушным зазором, открытым в сторону заднего конца сопла, таким образом, что эта магнитная цепь применима для создания магнитного поля в воздушном зазоре этой магнитной цепи.

Магнитное поле, созданное в воздушном зазоре, предпочтительно, по существу радиальное.

Термины "передний" и "задний" в настоящем контексте определены по отношению к обычному направлению истекания создающего реактивную тягу газа в направлении, определенном центральной осью сопла.

Магнитное поле не обязательно создается в воздушном зазоре, но оно создается по крайней мере в его части, как правило, расположенной в его заднем конце.

Меридиональная полуплоскость есть полуплоскость, определенная какой-либо осью, а именно, - осью сопла.

В этом варианте осуществления магнитное поле можно создать в сопле, в частности, потому что, вместо того, чтобы быть полым и пустым, как большинство сопел обычных химических реактивных маневровых двигателей, это сопло содержит участок магнитной цепи. Этот внутренний участок магнитной цепи, как правило, расположен по оси сопла, и он, обычно, осесимметричной формы или даже - в форме тела вращения вокруг этой оси.

Меридиональные полуплоскости, в которых сечение магнитного поля имеет форму подковы, предпочтительно, имеют равномерное угловое распределение вокруг оси сопла. В идеальном случае магнитное поле представляет такое сечении в каждой меридиональной полуплоскости, то есть, по всем 360° вокруг оси сопла.

На виде меридиональной полуплоскости камера сгорания химического реактивного маневрового двигателя расположена внутри магнитной цепи.

В одном варианте осуществления магнитная цепь имеет по меньшей мере один внешний магнитный сердечник, расположенный вокруг сопла, и внутренний магнитный сердечник, расположенный радиально внутри сопла, а в сечении по меридиональной полуплоскости секции упомянутого внутреннего сердечника и упомянутого по меньшей мере одного внешнего сердечника образуют ветви упомянутой подковообразной формы.

В одном варианте осуществления маневровый двигатель на основе эффекта Холла, дополнительно включает в себя электрическую цепь, выполненную с возможностью генерации в этом сопле электрического поля, а электрическая цепь включает в себя анод и катод, расположенные, соответственно, до и после упомянутого воздушного зазора.

Анод и катод могут быть сконфигурированы различными способами.

В одном варианте осуществления анод содержит участок сопла. Например, он может составлять собой участок стенки сопла.

В другом варианте осуществления анод расположен внутри сопла.

В одном варианте осуществления, в частности, в предыдущем варианте осуществления анод является электрически изолированным от сопла.

Анод может быть расположен вблизи форсунок для инжектирования компонентов топлива (топливные форсунки) в камеру сгорания химического маневрового двигателя и/или вблизи инжекторов частиц маневрового двигателя на основе эффекта Холла, то есть, как общее правило - полностью с передней стороны пути тока в двигатель текучей субстанции.

В одном варианте осуществления аксиально на уровне воздушного зазора внутренняя и внешняя стенки сопла выполнены из электрически изолирующего материала.

Эти внутренняя и внешняя стенки сопла могут быть, в частности, выполнены из керамического материала, который является особенно благоприятным вследствие его электрических, магнитных и коррозионностойких свойств. В качестве примера, - эти изолирующие стенки могут быть образованы двумя электрический изолирующими кольцами, которые определяют упомянутый воздушный зазор по его внутренней и внешней стороне.

В одном варианте осуществления сопло на переднем конце представляет камеру сгорания, которая на заднем конце соединена с расширяющейся частью.

Маневровый двигатель на основе эффекта Холла, кроме того, включает в себя по меньшей мере один инжектор частиц. В одном варианте осуществления инжектор частиц пригоден для инжекции частиц в упомянутую камеру сгорания.

Эти частицы могут быть инертным газом, например, ксеноном.

Настоящее изобретение, кроме того, обеспечивает космический аппарат, включающий в себя по меньшей мере один двигатель в том виде, как он описан выше.

Изобретение может стать более понятным, а его преимущества станут более очевидными по прочтении нижеследующего подробного описания двух его вариантов осуществления, приведенных в виде не ограничивающих примеров. Это описание дается со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

- фиг. 1 представляет собой частичный схематичный вид по осевому сечению космического аппарата, включающего в себя первый вариант осуществления двигателя по настоящему изобретению, а

- фиг. 2 представляет собой частичный схематичный вид в перспективе первого варианта осуществления двигателя, показанного на фиг. 1.

Фиг. 1 и 2 показывает двигатель 10 по настоящему изобретению. Он составляет часть космического аппарата 100, в данном случае - спутника.

Двигатель представляет собой гибридный двигатель, который может работать или как химический маневровый реактивный двигатель, или как маневровый двигатель на основе эффекта Холла. Для того чтобы он мог работать как химический маневровый двигатель и как маневровый двигатель на основе эффекта Холла, двигатель 10 подсоединен к бакам с ракетным топливом (не показаны; это может быть одно ракетное топливо или два ракетных топлива), а кроме того, он подсоединен к баку с газом, создающим реактивную тягу.

Двигатель 10, как правило, выполнен в виде тела вращения относительно оси Х.

Он расположен внутри корпуса 20, который является по существу цилиндрическим относительно оси Х. Первый осевой торец 22 корпуса, то есть, его передний торец, закрыт по существу плоской торцевой стенкой 24, перпендикулярной оси Х, в то время как другой конец 26 (его задний торец) частично закрыт по существу плоской торцевой стенкой 25, которая аналогичным же образом, перпендикулярна оси Х. Эта торцевая стенка 25 имеет широкий проходящий через нее кольцевой проход 28 для испускания газа.

Торцевая стенка 25 обычно выполнена в виде диска, перпендикулярного оси Х. Из-за присутствия кольцевого прохода 28 эта торцевая стенка 25 составлена диском 56 и кольцевым кольцом 58, расположенным радиально вокруг кольцевого прохода 28. Кольцо 58 выполнено интегрально с корпусом 20.

Двигатель 10 включает в себя химический маневровый двигатель 11.

Химический маневровый двигатель 11 имеет сопло 30, расположенное внутри корпуса 20.

Сопло 30 обычно имеет круговую форму относительно оси Х. В более общем смысле, сопло 30 может быть также и асимметричным. Тем не менее, в качестве альтернативы предусмотреть формы, которые не являются осесимметричными, то есть, являются овальными или имеют форму беговой дорожки.

Независимо от того, является или не является сопло 30 по форме телом вращения или осесимметричным, это сопло 30, как правило, является по своей форме кольцевым и поэтому имеет не только радиально внешнюю стенку 34, но также и радиально внутреннюю стенку 32.

Эти стенки являются концентричными относительно оси Х.

Сопло 30 по своему переднему концу (с левой стороны на фиг. 1) является закрытым, а по своему заднему концу является открытым.

От переднего конца до заднего сопло 30 представляет собой сначала камеру 36 сгорания, затем наименьшее сечение 38, за которым следует расширяющаяся часть 40. Эти элементы сконфигурированы таким образом, что обеспечивают работу двигателя 10 как химического маневрового двигателя 11.

Этот химический маневровый двигатель 11 имеет также инжекторы 42 для впрыска компонентов реактивного топлива. Они расположены таким образом, чтобы обуславливать впрыск компонентов реактивного топлива в переднем конце камеры 36 сгорания. С этой целью они соединены с источниками компонентов топлива (не показаны) посредством канала 44 подачи.

Двигатель 10 имеет также маневровый двигатель 50 на основе эффекта Холла. Этот маневровый двигатель, прежде всего, содержит магнитную цепь 52.

Магнитная цепь 52 содержит сам корпус 20, который выполнен из ферромагнитного материала и, таким образом, образует внешний магнитный сердечник, торцевые стенки 24 и 25, выполненные из ферромагнитного материала, и центральный магнитный сердечник 54 в виде стержня, продолжающийся вдоль оси X. Диск 56, составляющий участок торцевой стенки 25, образует задний конец стержня 54.

Вышеперечисленные элементы магнитной цепи 52 собраны вместе, чтобы обусловить прохождение магнитного поля без потерь по магнитному контуру.

Для того чтобы защитить заднюю часть сопла от износа и для того чтобы удерживать электронное облако, образованное в воздушном зазоре магнитной цепи, образованные кольцами задние осевые участки стенок 32 и 34 (им даны соответствующие ссылочные позиции 82 и 84) выполнены из керамического материала. Эти кольца расположены на уровне воздушного зазора магнитной цепи 52.

Эта магнитная цепь 52 тоже имеет внутреннюю кольцевую катушку 70 и внешнюю кольцевую катушку 71, которые предназначены для создания магнитного поля, необходимого для обеспечения работы маневрового двигателя на основе эффекта Холла. Эти две катушки сформированы концентрично относительно оси Х. Катушка 70 образована (радиально) вокруг стержня 54 внутри стенки 32 (то есть, между стержнем 54 и стенкой 32). Катушка 72 образована на внутренней поверхности цилиндрического корпуса 20, а более точно - между этой внутренней поверхностью и внешней стенкой 34 сопла 30.

Вдоль оси катушки 70 и 72 расположены немного дальше от горловины 38 сопла 30. В более общих словах, аксиально эти катушки могут быть расположены на любом расстоянии вдоль оси Х от камеры сгорания на переднем конце до места, непосредственно перед керамическими кольцами 82, 84 на заднем конце.

Катушки 70 и 72 запитываются от источника электроэнергии (не показан).

В магнитной цепи 52 центральный магнитный сердечник 54 и внешний магнитный сердечник (корпус 20) расположены таким образом, что имеют противоположные полярности.

Цепь 52 сконфигурирована таким образом, чтобы в кольцевом проходе 28 создавать по существу радиальное магнитное поле, образуя таким образом, воздушный проход магнитной цепи 52.

В других вариантах осуществления магнитная цепь может быть такой конфигурации, которая отлична от конфигурации магнитной цепи 52. Важным моментов является то, что эта является магнитная цепь подходящей для создания радиального магнитного поля в кольцевом проходе (более конкретно, - в проходе 28) маневрового двигателя на основе эффекта Холла.

Интенсивность магнитного поля от кольцевого прохода 28 до наименьшего сечения 38 сопла постепенно уменьшается. В показанном варианте осуществления магнитное поле (которое достигает своего максимума по осевому направлению в проходе 28) ослаблено внутренним и внешним магнитными экранами 77, с тем, чтобы уменьшить интенсивность магнитного поля вблизи анода 62)

Эти экраны образованы, соответственно, на внутренней поверхности корпуса 20 и на внешней поверхности сердечника 54, и они механически удерживают катушки 70 и 72.

Катушки 70 и 72 является катушками по существу цилиндрической формы, в которых каждый из витков имеет по существу форму окружности вокруг оси Х. В другом варианте осуществления катушка 72 могла бы быть заменена множеством одинаковых катушек 72, каждая - вокруг соответствующей оси, параллельной оси Х, причем, катушки намотаны асимметричным образом вокруг внешней стенки 34 сопла 30.

Задняя часть сопла 30 проходит через воздушный зазор 28 цепи 52 или продолжается в него.

Таким образом, в сечении или в меридиональной полуплоскости (см. фиг. 1) магнитная цепь имеет подковообразную форму с воздушным зазором 28, который открыт в сторону заднего конца сопла 30. Перемещаясь от торцевой стенки 24, эта подковообразная форма образована, соответственно, сечением корпуса 20 с внешней стороны и сечением центрального сердечника 54 изнутри, что составляет две ветви подковы.

Маневровый двигатель 50 имеет также электрическую цепь 60. Эта цепь содержит анод 62, расположенный на полпути по оси вдоль расширяющейся части 40, катод 64, расположенный дальше от конца 26 сопла 30, и источник 66 электрического напряжения, соединяющий анод 62 с катодом 64.

В более общем смысле, анод 62 может быть расположен по оси на любом расстоянии вдоль оси Х при перемещении от переднего конца камеры сгорания до положения непосредственно перед керамическими кольцами 82, 84 на заднем конце.

Анод 62 образован главным образом внутренней стенкой 34 сопла 30, то есть, он, таким образом, встроен в сопло 30, будучи электрически изолирован от него.

Катод 64 прикреплен снаружи к диску 56, то есть, с задней стороны стержня 54. На фиг. 2 катод 64 изображен пунктирными линиями.

Катод 64 подсоединен к источнику 66 электрического напряжения посредством провода, проходящего внутри внутренней стенки 32 сопла 30.

Этот провод, предпочтительно, проходит внутри стержня 54.

Наконец, на переднем конце сопла 30 маневровый двигатель содержит инжекторы 75 создающего реактивную тягу газа. Они расположены таким образом, чтобы обуславливать инжектирование создающего реактивную тягу газа со стороны переднего конца камеры 36 сгорания. С этой целью они подсоединены к источнику создающего реактивную тягу газа (не показан) посредством цепи 76 инжекции. Создающим реактивную тягу газом может быть ксенон, преимущества которого заключаются в его высоком молекулярном весе и в относительно низком потенциале ионизации. Тем не менее, как и в других маневровых двигателях на основе эффекта Холла, может быть использовано широкое разнообразие создающих реактивную тягу газов.

Двигатель 10 представляет два режима работы, а именно, - создающие "электрическое" реактивное движение и "химическое" реактивное движение.

Для создания "химического" реактивного движения компоненты реактивного топлива через инжекторы 42 инжектируются в камеру 36 сгорания. Они сгорают в камере, при этом газ как продукт сгорания ускоряется горловиной 38 сопла и расширяющейся частью 40 и с большой скоростью испускается через заднее отверстие 28 сопла 30.

Для создания реактивного движения на основе эффекта Холла двигатель 10 работает нижеописанным образом.

Если в качестве создающего реактивную тягу газа используется ксенон, то между катодом 64 за задним концом сопла 30 и анодом 32 создается электрическое напряжение порядка от 150 вольт (В) до 800 В. Затем катод 64 начинает испускать электроны, бóльшая часть которых захватывается в магнитном замкнутом пространстве, образованном магнитным полем, созданным магнитной цепью 52, которое создано с требуемыми характеристиками и с учетом используемого создающего реактивную тягу газа, и которое, когда в качестве создающего реактивную тягу газа используется ксенон, обычно имеет величину порядка от 100 гаусс (Гс) до 300 Гс. Таким образом, захваченные в этом магнитном замкнутом пространстве электроны, образуют виртуальную катодную сетку.

До тех пор, пока создающий реактивную тягу газ продолжает через инжекторы 75 инжектироваться в сопло 30, высокоэнергетичные электроны (обычно с энергией от 10 электрон-вольт (эВ) до 40 эВ) выходят из этого магнитного замкнутого пространства в направлении анода 62. Соударения между этими электронами и атомами создающего реактивную тягу газа ионизируют этот создающий реактивную тягу газ, который затем ускоряется в сторону заднего конца сопла 30 электрическим полем Е, созданным катушками 70 и 72. Поскольку масса ионов создающего реактивную тягу газа составляет величину, в несколько порядков большую, чем масса электронов, то магнитное поле не удерживает ионы тем же самым образом, которым оно удерживает электроны. Таким образом, маневровый двигатель 50 создает плазменную реактивную струю, которая истекает с чрезвычайно высокой скоростью через задний конец сопла 30, тем самым создавая реактивную тягу, которая по существу центрирована с центральной осью Х.

Работа этого маневрового двигателя 50 аналогична работе маневрового двигателя, описанного в документе US 2003/0046921 A1.

Как вариант, двигатель 10 мог бы также включать в себя дополнительный сегмент сопла за кольцами 82 и 84 с целью обеспечения дополнительного расширения создающего реактивную тягу газа, когда работает химический маневровый двигатель.

Кольцевая форма сопла 30, таким образом, делает возможным его использование не только в качестве канала для сжигания компонентов реактивного топлива и выброса создающего реактивную тягу газа при химическом реактивном движении, но и в качестве канала ускорения ионов во время его "электрической" работы. В частности, конфигурация магнитного сердечника 54 в виде стержня по оси сопла никоим образом не препятствует работе химического маневрового двигателя 11. Кроме того, положение катода за концевой стенкой 25 и защищенного концом сердечника 54 (катод 64 находится в прямом контакте с центром диска 56) делает возможным обеспечение того, что катод не входит в контакт с потоком сгорающего газа, в котором он не может находиться длительное время.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретный вариант осуществления, ясно, что в этот вариант осуществления могут быть внесены различные модификации и изменения, не выходя за рамки общего объема изобретения в том виде, как он определен пунктами формулы изобретения. Кроме того, отдельные характеристики упомянутого варианта осуществления могут быть объединены в дополнительных вариантах осуществления. Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать в том смысле, что они являются скорее иллюстративными, чем ограничивающими.

1. Двигатель космического аппарата, содержащий химический маневровый двигатель, имеющий сопло для испускания газа сгорания, причем двигатель отличается тем, что он включает в себя маневровый реактивный двигатель на основе эффекта Холла, сконфигурированный таким образом, что упомянутое сопло действует как канал испускания частиц, выбрасываемых реактивным двигателем на основе эффекта Холла, когда он работает.

2. Двигатель по п. 1, в котором

- маневровый реактивный двигатель на основе эффекта Холла имеет магнитную цепь, и

- в сечении или в меридиональной полуплоскости магнитная цепь имеет подковообразную форму с воздушным зазором, открытым в сторону заднего конца сопла таким образом, что эта магнитная цепь применима для создания магнитного поля в воздушном зазоре этой магнитной цепи.

3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что сопло имеет поперечное осевое сечение кольцевой формы и проходит через воздушный зазор этой магнитной цепи.

4. Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что магнитная цепь имеет по меньшей мере один внешний магнитный сердечник, расположенный вокруг сопла, и внутренний магнитный сердечник, расположенный радиально внутри сопла, а в сечении по меридиональной полуплоскости секции упомянутого внутреннего сердечника и упомянутого по меньшей мере одного внешнего сердечника образуют ветви подковообразной формы.

5. Двигатель по .2, в котором маневровый двигатель на основе эффекта Холла дополнительно включает в себя электрическую цепь, выполненную с возможностью генерации в этом сопле электрического поля, а электрическая цепь включает в себя анод и катод, расположенные соответственно до и после упомянутого воздушного зазора.

6. Двигатель по п. 5, в котором анод содержит участок сопла.

7. Двигатель по п. 5, в котором анод расположен в сопле и является от него электрически изолированным.

8. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что аксиально на уровне воздушного зазора внутренняя и внешняя стенки сопла выполнены из электрически изолирующего материала.

9. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что аксиально на уровне воздушного зазора внутренняя и внешняя стенки сопла выполнены из керамики.

10. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что сопло на переднем конце представляет камеру сгорания, которая на заднем конце соединена с расширяющейся частью.

11. Двигатель по п. 10, в котором маневровый двигатель на основе эффекта Холла дополнительно включает в себя по меньшей мере один инжектор частиц, пригодный для инжекции частиц в упомянутую камеру сгорания.

12. Космический аппарат, включающий в себя по меньшей мере один двигатель по любому из пп. 1-11.