RU2761693C1 - Ion rocket engine, method of its operation and coroning electrode - Google Patents
Ion rocket engine, method of its operation and coroning electrode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2761693C1 RU2761693C1 RU2020126367A RU2020126367A RU2761693C1 RU 2761693 C1 RU2761693 C1 RU 2761693C1 RU 2020126367 A RU2020126367 A RU 2020126367A RU 2020126367 A RU2020126367 A RU 2020126367A RU 2761693 C1 RU2761693 C1 RU 2761693C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- chamber
- nozzle
- emitter
- rocket engine
- cold
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к области ракетного двигателестроения на жидком топливе с применением ионов и плазмы.The group of inventions relates to the field of rocket propulsion on liquid fuel using ions and plasma.
Пока люди ступили только на Луну, высадка на дальние объекты была зарезервирована только для беспилотных летательных аппаратов и роботов.While humans have only set foot on the moon, landings on distant objects have been reserved only for unmanned aerial vehicles and robots.
Однако люди очень заинтересованы в посещении Марса и др. планет. Помимо реальных проблем приземления и больших затрат существует проблема длительности полета. В среднем, до Марса около 225,3 миллиона километров от Земли. Даже в ближайшей точке он все еще находится на расстоянии около 56,3 миллионов километров от нашей планеты. Используя обычные химические ракеты, которые переносят нас в космическое пространство, потребуется не менее семи месяцев, чтобы добраться туда - не совсем короткий промежуток времени. Есть ли способ сделать это быстрее? Да! С применением плазменных ракетных двигателей!However, people are very interested in visiting Mars and other planets. In addition to real landing problems and high costs, there is the problem of flight duration. On average, Mars is about 225.3 million kilometers from Earth. Even at its closest point, it is still about 56.3 million kilometers from our planet. Using conventional chemical rockets that transport us into outer space, it will take at least seven months to get there - not exactly a short amount of time. Is there a way to make it faster? Yes! With the use of plasma rocket engines!
В этом типе двигателей используется сочетание электрических и магнитных полей для разрушения атомов и молекул пропеллентов в коллекцию частиц, которые имеют либо положительный заряд (ионы), либо отрицательный заряд (электроны). Другими словами, газ-пропеллент становится плазмой.This type of motor uses a combination of electric and magnetic fields to break down propellant atoms and molecules into a collection of particles that are either positively charged (ions) or negatively charged (electrons). In other words, the propellant gas becomes plasma.
Во многих конфигурациях этого двигателя затем применяется электрическое поле для извлечения ионов из задней части двигателя, которые обеспечивают тягу космическому аппарату в противоположном направлении. Благодаря этой технологии, космический корабль мог теоретически достичь скорости 198000 км/ч. В итоге Марс можно достичь за 40 дней.Many configurations of this engine then apply an electric field to extract ions from the rear of the engine, which thrust the spacecraft in the opposite direction. Thanks to this technology, the spacecraft could theoretically reach speeds of 198,000 km / h. As a result, Mars can be reached in 40 days.
Плазменная технология также используется в ракетах, чтобы помочь нам преодолевать космическое пространство, и она обещает доставить людей в места, о которых мы могли только мечтать. Эти ракеты должны находиться в вакууме космического пространства для работы, поскольку плотность воздуха вблизи земной поверхности замедляет ускорение ионов в плазме, необходимых для создания тяги, поэтому мы не можем фактически использовать их для старта с Земли. Однако некоторые из этих плазменных двигателей работают в космосе с 1971 года. NASA обычно использует их на Международной космической станции и спутниках, а также для основного источника для движения в глубокое пространство.Plasma technology is also being used in rockets to help us traverse outer space, and it promises to take people to places we could only dream of. These rockets must be in the vacuum of outer space to operate, since the density of the air near the earth's surface slows down the acceleration of the ions in the plasma needed to create thrust, so we cannot actually use them to launch from Earth. However, some of these plasma thrusters have been in space since 1971. NASA typically uses them on the International Space Station and satellites, as well as the primary source for deep space propulsion.
Известен плазменный ракетный двигатель по патенту РФ на изобретение №2219371, МПК F03H 1/00, опубл. 20.12.2003.Known plasma rocket engine for RF patent for invention No. 2219371, IPC
Этот плазменный ракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов использует магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале для ионизации и ускорения. Магнитная система содержит по существу радиальный первый внешний полюсный наконечник, конический второй внешний полюсный наконечник, по существу радиальный первый внутренний полюсный наконечник, конический второй внутренний полюсный наконечник, множество внешних магнитных сердечников, окруженных внешними катушками, для соединения между собой первого и второго внешних полюсных наконечников.This closed electron drift plasma rocket engine uses a magnetic system to create a magnetic field in the main annular channel for ionization and acceleration. The magnetic system comprises a substantially radial first outer pole piece, a tapered second outer pole piece, a substantially radial first inner pole piece, a tapered second inner pole piece, a plurality of outer magnetic cores surrounded by outer coils for interconnecting the first and second outer pole pieces ...
Недостатком таким двигателей является низкий КПД и сложность конструкции.The disadvantage of such motors is their low efficiency and design complexity.
Известен плазменно-реактивный двигатель, содержащий соединенные между собой и расположенные соосно камеру сгорания, состоящую из камеры воспламенения и сжигания топлива и имеющую форсунку подачи, магнитный ускоритель плазмы и гидродинамическое сопло (заявка DE №3900427, МКИ F03H 1/00, опубл. 1990).Known plasma jet engine containing interconnected and located coaxially a combustion chamber, consisting of an ignition and combustion chamber and having a feed nozzle, a magnetic plasma accelerator and a hydrodynamic nozzle (application DE No. 3900427, MKI
Недостатком данного двигателя является большой расход топлива при малой реактивной тяге.The disadvantage of this engine is high fuel consumption with low jet thrust.
Теплотворная способность топлива и количество кислорода (воздуха) определяют температуру горения. От режима горения зависит мощность двигателя и расход топлива. Чрезвычайно важным в реактивном двигателестроении является не только подъем температуры горения, но и скорость сгорания и распространение фронта горения горючей смеси. Процесс работы двигателя включает характер подвода реагентов в зону горения и взаимную "диффузию" в зоне реакции. Интенсивное испарение и газообразование топлива, диффузия окислителя и ускорение фронта горения приводят к увеличению давления и образованию ударной (взрывной) волны, распространяющейся по направляющим сопла.The calorific value of the fuel and the amount of oxygen (air) determine the combustion temperature. The engine power and fuel consumption depend on the combustion mode. Extremely important in jet engine building is not only the rise in the combustion temperature, but also the rate of combustion and the propagation of the combustion front of the combustible mixture. The process of engine operation includes the nature of the supply of reagents to the combustion zone and mutual "diffusion" in the reaction zone. Intensive evaporation and gassing of fuel, diffusion of the oxidizer and acceleration of the combustion front lead to an increase in pressure and the formation of a shock (explosive) wave propagating along the nozzle guides.
В зависимости от высоты полета летательного средства (самолета или ракеты) работа двигателя будет в разных режимах: плотных слоях атмосферы; в стратосфере (до 50 км над Землей) и мезосфере (свыше 50 км).Depending on the flight altitude of the aircraft (aircraft or rocket), the engine will operate in different modes: dense layers of the atmosphere; in the stratosphere (up to 50 km above the Earth) and the mesosphere (over 50 km).
Известен плазменный реактивный двигатель по патенту РФ на изобретение №2099572, МПК F02K 11/00, опубл. 20.12.1997 г., прототип.Known plasma jet engine for RF patent for invention No. 2099572, IPC F02K 11/00, publ. 12/20/1997, prototype.
Этом плазменно-реактивный двигатель содержит соединенные между собой и расположенные соосно камеру сгорания, состоящую из камеры воспламенения с форсунками подачи горючего и окислителя и сужающееся - расширяющуюся торовую часть, к которой присоединен магнитный ускоритель плазмы и долее - сверхзвуковое газодинамическое сопло с сужающейся торовой и конической расширяющейся частями, по меньшей мере один запальник на камере воспламенения, на торовой расширяющейся части камеры, коронирующие электроды.This plasma jet engine contains a combustion chamber connected to each other and located coaxially, consisting of an ignition chamber with fuel and oxidizer supply nozzles and a converging - expanding torus part, to which a magnetic plasma accelerator is connected, and moreover - a supersonic gas-dynamic nozzle with a converging torus and conical expanding parts, at least one igniter on the ignition chamber, on the torus expanding part of the chamber, corona electrodes.
Недостатки этого двигателя: невозможность работы в космосе, плохое зажигание, ненадежное охлаждение сопла и неэффективное управления вектором тяги.Disadvantages of this engine: inability to work in space, poor ignition, unreliable cooling of the nozzle and ineffective thrust vector control.
Задачи создания группы изобретений: повысить тягу двигателя при его небольших габаритах и обеспечить надежный запуск.The tasks of creating a group of inventions: to increase the engine thrust with its small dimensions and to ensure a reliable start.
Достигнутый технический результат: повысить тягу двигателя при его небольших габаритах и обеспечить надежный запуск.The achieved technical result: to increase the engine thrust with its small dimensions and to ensure a reliable start.
Решение указанных задач достигнуто в ионном ракетном двигателе, содержащем соединенные между собой и расположенные соосно камеру, содержащую головку и цилиндрическую часть, к которой присоединен магнитный ускоритель плазмы и далее - сверхзвуковое газодинамическое сопло с сужающейся и расширяющейся частями, средство создания коронирующего разряда, отличающийся тем, что средство создания коронирующего разряда выполнено виде коронирующего электрода, установленного вдоль оси симметрии камеры и содержащего «холодную» часть в головке и «горячую» часть с излучателем в полости камеры, излучатель содержит остроконечные конусы, внутри камеры установлены по меньшей мере два разгонных электрода, на выходном торце сверхзвукового газодинамического сопла установлен электрод-нейтрализатор, камера и сверхзвуковое газодинамическое сопло выполнены с охлаждающим зазором между «холодной» и «горячей» стенками, полость зазора соединена с коллектором горючего, установленным концентрично выходному торца сопла, а лазерные свечи зажигания установлены в полости «холодной» части коронирующего электрода.The solution of these problems has been achieved in an ion rocket engine containing a chamber connected to each other and located coaxially, containing a head and a cylindrical part to which a magnetic plasma accelerator is connected and then a supersonic gas-dynamic nozzle with converging and expanding parts, a means of creating a corona discharge, characterized in that, that the means for creating a corona discharge is made in the form of a corona electrode installed along the axis of symmetry of the chamber and containing a "cold" part in the head and a "hot" part with an emitter in the chamber cavity, the emitter contains pointed cones, at least two accelerating electrodes are installed inside the chamber, on the outlet end of the supersonic gas-dynamic nozzle is equipped with a neutralizing electrode, the chamber and the supersonic gas-dynamic nozzle are made with a cooling gap between the “cold” and “hot” walls, the gap cavity is connected to a fuel manifold mounted concentrically to the outlet end of the nozzle, and laser spark plugs are installed in the cavity of the "cold" part of the corona electrode.
Магнитный ускоритель содержит установленную концентрично его корпусу осевую обмотку, к ней присоединены электрические провода, в которых установлен регулятор тока.The magnetic accelerator contains an axial winding installed concentrically to its body, to which electric wires are connected, in which a current regulator is installed.
Камера может содержать форсуночную головку с форсунками пропеллента, а на излучателе между остроконечными конусами выполнены форсунки пропеллента.The chamber may contain a nozzle head with propellant nozzles, and propellant nozzles are made on the emitter between the pointed cones.
Разгонные электроды могут быть выполнены в виде кольцевых втулок, закрепленных внутри камеры через электроизоляционную прокладку.The accelerating electrodes can be made in the form of annular bushings fixed inside the chamber through an electrical insulating gasket.
На выходном торце расширяющейся части газодинамического сопла шарнирно с возможностью поворота закреплен насадка-зонд.At the outlet end of the expanding part of the gas-dynamic nozzle, a nozzle-probe is hinged and rotatable.
Насадка-зонд может быть выполнена в виде телескопических стержней.The probe attachment can be made in the form of telescopic rods.
Решение указанных задач достигнуто в коронирующем электроде ионного ракетного двигателя, содержащем холодную и горячую части в виде усеченных конусов с излучателем на конце горячей части, в полости холодной части установлены несколько лазерных свеч зажигания, фокус которых находится на внутренней поверхности излучающего торца, на боковой стенке корпуса выполнены соединяющие отверстия, на излучающем торце - форсунки пропеллента, отличающийся тем, что излучатель выполнен пустотелым в виде сферы с двумя концентричными стенками: стенкой внешней и стенкой внутренней с зазором охлаждения между ними и остроконечными конусами на «горячей» внешней стенке излучателя.The solution of these problems is achieved in the corona electrode of an ion rocket engine, containing cold and hot parts in the form of truncated cones with a radiator at the end of the hot part, several laser spark plugs are installed in the cavity of the cold part, the focus of which is on the inner surface of the radiating end, on the side wall of the housing connecting holes are made, on the emitting end face - propellant nozzles, characterized in that the emitter is made hollow in the form of a sphere with two concentric walls: an outer wall and an inner wall with a cooling gap between them and pointed cones on the “hot” outer wall of the emitter.
Коронирующий электрод ионного ракетного двигателя может содержать центральную свечу зажигания, установленную вдоль оси камеры сгорания и несколько боковых установленных под углом к ее оси от 7 до 10°.The corona electrode of an ion rocket engine may contain a central spark plug installed along the axis of the combustion chamber and several lateral ones installed at an angle to its axis from 7 to 10 °.
Излучающая поверхность коронирующего электрода выполнена в виде остроконечных конусов, установленных радиально на внешней стенке излучателя.The emitting surface of the corona electrode is made in the form of pointed cones installed radially on the outer wall of the emitter.
В месте пересечения продольной оси симметрии двигателя со стенками излучателя выполнена центральная площадка, на которой установлен один из остроконечных конусов.At the intersection of the longitudinal axis of symmetry of the engine with the walls of the radiator, a central platform is made, on which one of the pointed cones is installed.
Предлагаемый двигатель схематически изображен на фиг. 1…10, где:The proposed engine is shown schematically in FIG. 1 ... 10, where:
на фиг. 1 приведен продольный разрез двигателя,in fig. 1 shows a longitudinal section of the engine,
на фиг. 2 приведен вид А на фиг. 1,in fig. 2 shows a view A in FIG. one,
на фиг. 3 приведен коронирующий электрод с лазерными свечами зажигания,in fig. 3 shows a corona electrode with laser spark plugs,
на фиг. 4 приведен вид С,in fig. 4 shows view C,
на фиг. 5 приведен вид D,in fig. 5 shows the view D,
на фиг. 6 приведена схема лазерной свечи зажигания,in fig. 6 shows a diagram of a laser spark plug,
на фиг. 7 приведен фрагмент излучающего торца коронирующего электрода,in fig. 7 shows a fragment of the emitting end of the corona electrode,
на фиг. 8 приведена более подробно конструкция лазерной свечи зажигания,in fig. 8 shows in more detail the construction of a laser spark plug,
на фиг. 9 приведено крепление ускоряющих электродов, разрез В-В,in fig. 9 shows the fastening of the accelerating electrodes, section B-B,
на фиг. 10 приведена схема разрядов в камере.in fig. 10 shows a diagram of the discharges in the chamber.
Перечень условных обозначений, принятых в описании.List of conventions used in the description.
камера 1,
головка 2,
форсуночная плита 3,
цилиндрическая часть 4,
коронирующий электрод 5,
магнитный ускоритель плазмы 6,
сверхзвуковое газодинамическое сопло 7,supersonic gas-dynamic nozzle 7,
конический корпус 8,
полость пропеллента 9,propellant cavity 9,
«холодная часть» 10,"Cold part" 10,
«горячая часть» 11,"Hot part" 11,
излучатель 12,
корпус 13,building 13,
внешний торец 14,
стенка внешняя 15,
стенка внутренняя 16,
зазор охлаждения 17.cooling
отверстия 18,
«холодная полость» 19."Cold cavity" 19.
«горячая» внешняя стенка 20,Hot
«холодная» внутренняя стенка 21,"Cold"
зазор для охлаждения 22,cooling
центральная полость 23.
остроконечный конус 24,
центральная площадка 25,
полость камеры 26,
внешняя поверхность 27,
полость электрода 28,electrode cavity 28,
«горячая» стенка сопла 29,"Hot" wall of the
«холодная» стенка сопла 30,"Cold"
зазор охлаждения 31,cooling
ребра 32,
контактная сварка 33,contact welding 33,
выходной торец 34,
коллектор пропеллента 35,
лазерная свеча зажигания 36,
сообщающее отверстие 37,communicating
отверстия охлаждения 38,cooling holes 38,
форсунки пропеллента 39,
ионно-динамический зонд 40,ion
телескопический стержень 41,
шарнир 42,hinge 42,
шток 43,
привод 44,
насосный агрегат 45,
привод агрегата 46,
насос пропеллента 47,
выходной трубопровод пропеллента 48,
регулятор расхода 49,
привод регулятора 50,
входной трубопровод пропеллента 51,
отсечной клапан пропеллента 52,shut-off
осевая обмотка 53,axial winding 53,
блок управления 54,
электрические провода 55,electrical wires 55,
регулятор тока 56,
блок питания 57,power supply unit 57,
силовой кабель 58,
блок накачки 59,
оптиковолоконный кабель 60,
оптическое волокно 61,
источник высокого напряжения 62,
первый высоковольтный провод 63,first high-
второй высоковольтный провод 64,second high-
ускоряющий электрод 65,accelerating
электрический провод 66,
сужающаяся часть 67,the tapering
коническая расширяющаяся часть 68,conical expanding
компенсационный электрод 69,
канал управления 70,
стакан 71,
полость 72,
микрочип-лазер 73,
металлическая втулка 74,
вакуумная металлическая трубка 75,
фокусирующая линза 76,focusing
цилиндрический корпус 77,
торец 78,
днище 79.bottom 79.
резьбовой участок 80,threaded
отверстие 81,
уплотнение 82,seal 82,
заглушка 83,plug 83,
осевое отверстие 84,
уплотнение 85.
гайка 86,
центральное отверстие 87,
уплотнение 88,seal 88,
средство демпфирования 89,damping means 89,
заземление 90,grounding 90,
отводящий провод 91,outlet wire 91,
дополнительный постоянный кольцевой магнит 92,optional
изоляционная прокладка 93,insulating
токоввод 94,
электроизоляционная втулка 95,electrical insulating
линия разряда 96.discharge line 96.
Двигатель (фиг. 1) состоит из четырех основных блоков: соединенных между собой и соосно расположенных вдоль оси симметрии.The engine (Fig. 1) consists of four main blocks: interconnected and coaxially located along the axis of symmetry.
Сначала идет камера сгорания 1, с головкой 2 и плитой 3 и цилиндрическую часть 4. На плите 3 установлен коронирующий электрод 5. На цилиндрической части 4 установлен магнитный ускоритель плазмы 6, и далее идет сверхзвуковое газодинамическое сопло 7.First there is a
Камера 1 с головкой 2 более подробно показаны на фиг. 2. Головка 2 имеет конический корпус 8. Между плитой 3 и коническим корпусом 8 выполнена полость пропеллента 9.The
Коронирующий электрод 5 содержит «холодную часть» 10 и «горячую часть» 11 с излучателем 12 на конце.The
«Холодная часть» 10 выполнена в форме корпуса 13 в виде усеченного конуса с внешним торцом 14 и соединена с плитой 3 и «горячей частью» 11.The "cold part" 10 is made in the form of a
«Горячая часть» 11 имеет две коаксиально расположенные стенки внешнюю 15 и внутреннюю 16 с зазором охлаждения 17 между ними. В корпусе 13 «холодной части» 10 имеются отверстия 18 для прохода пропеллента в «холодную полость» 19.The "hot part" 11 has two coaxially located walls, an outer 15 and an inner 16 with a
Зазор охлаждения 17 сообщается с «холодной полостью» 19.The
Излучатель 12 выполнен сферической формы с двумя стенками внешней стенкой» 20 и внутренней стенкой 21. Между ними выполнен зазор для охлаждения 22. Центральная полость 23 выполнена сферической формы и предназначена для фокусировки лучей лазера всех лазерных свеч зажигания 36 на центральной площадке 25, выполненной в месте пересечения продольной оси симметрии ОО со стенками 20 и 21. Зазор для охлаждения 22 в этом месте отсутствует для прогрева одного из остроконечных конусов 24. Для создания объемного насыщенного разряда электрического поля применено множество остроконечных конусов 24, установленных радиально на «горячей» внешней стенке 20. С этой же целью применено несколько ускоряющих электродов 65.The
Конус 21 (фиг. 3) имеет угол при вершине:The cone 21 (Fig. 3) has an apex angle:
ϕ - 7…10°ϕ - 7 ... 10 °
Диметр основанияBase diameter
d=(0,08…0,12)D, где:d = (0.08 ... 0.12) D, where:
d - диаметр основания остроконечного конуса 24,d is the diameter of the base of the pointed
D - внутренний диаметр излучателя 12.D is the inner diameter of the
Назначение коронирующего электрода 5 - ионизация продуктов сгорания в смеси с пропелленом или чистого пропеллентента без присадок.The purpose of the
Цилиндрическая часть 4 камеры 1 и сверхзвуковое газодинамическое сопло 7 содержат «горячую» стенку сопла 29 и «холодную» стенку сопла 30 и охлаждающий зазор 31 с ребрами 32 между ними. Ребра 32 выполнены на стальной горячей стенке 29 и приварены к «холодной стенке сопла» 30 контактной сваркой 33.The
На выходном торце 34 сверхзвукового газодинамического сопла 7 установлен коллектор пропеллента 35 для подвода пропеллента с целью охлаждения сверхзвукового газодинамического сопла 7, цилиндрической части 4 камеры 1 и лазерных всех зажигания 24.At the outlet end 34 of the supersonic gas-dynamic nozzle 7, a
На коронирующем электроде 5 внутри полости электрода 16 установлено несколько лазерных свеч зажигания 36. Лазерная свеча зажигания 36 повышает температуру центральной площадке 25 коронирующего электрода 5 при работе двигателя.Several laser spark plugs 36 are installed on the
Фокус Ф лазерных свеч зажигания 36 расположен на внутренней поверхности центральной площадки 25, которая имеет сферическую форму.The focus F of the laser spark plugs 36 is located on the inner surface of the
При работе двигателя на ионах его тяга по сравнению с двигателями, работающими на химическом топливе, многократно уменьшается. Но удельный импульс увеличивается в 5…10 раз, и время работы возрастает в тысячи раз. При этом запасы энергии могут пополняться из космоса при помощи солнечных батарей (не показано).When the engine is running on ions, its thrust is significantly reduced in comparison with engines running on chemical fuel. But the
Сообщающие отверстия 37 выполнены на корпусе «холодной» части 10 коронирующего электрода 5 для прохождения пропеллента в полость пропеллента 9, а отверстия охлаждения 38 для охлаждения лазерных свеч зажигания 25.Communication holes 37 are made on the body of the "cold"
Пропеллент выходит в полость камеры 26 через форсунки пропеллента 39. На выходном торце 34 закреплен ионно-динамический зонд 40, который содержит телескопические стержни 41, установленные на шарнирах 42, Телескопические стержни 41 выполнены в виде штоков 43, к котором прикреплены привода 44.The propellant enters the
Двигатель (фиг. 1) содержит насосный агрегат 45, который содержит привод агрегата 46 и насос пропеллента 47, соединенные с приводом агрегата 46.The engine (Fig. 1) contains a
Выходной трубопровод пропеллента 48 через регулятор расхода 49 и привод регулятора 50 соединены с коллектором пропеллента 35.The
Входной трубопровод пропеллента 51 соединен с входом в насос пропеллента 47. Во входном трубопроводе пропеллента 51 установлен отсечной клапан пропеллента 52.The
Двигатель одержит осевую обмотку 53 для ускорения ионов в магнитном ускорителе плазмы 6, установленном на стальной цилиндрической части 4.The engine has an axial winding 53 for accelerating ions in a
Двигатель для управления всеми его системами имеет блок управления 54, который электрическими проводами 55 соединен с регулятором тока 56, блоком питания 57, который силовыми кабелями 58 соединен с блок накачки 59.The engine for controlling all of its systems has a
Блок накачки 59 оптиковолоконным кабелем 60, содержащим оптические волокна 61 соединен с лазерными свечами зажигания 24.The
Двигатель содержит источник высокого напряжения 62, первым высоковольтным проводом 62 соединен с плитой 3, а второй высоковольтный провод 64 соединен с ускоряющим электродом 65. По линии низкого напряжения источник высокого напряжения 62 соединен электрическими проводами 66 с блоком питания 57. В качестве блока питания 57 может быть использованы солнечные батареи или генератор.The engine contains a high-
Сверхзвуковое газодинамическое сопло 7 содержит сужающуюся часть 67, коническую расширяющуюся часть 68. На выходном торце 23 сверхзвукового газодинамического сопла 7 установлен компенсационный электрод 69 для отвода отрицательных электронов.The supersonic gas-dynamic nozzle 7 contains a converging
Двигатель содержит каналы управления 70, соединенные с выходами блока управления 54 и всеми приводами.The engine contains
Двигатель обязательно содержит несколько лазерных свеч зажигания 24 при этом одна размещена вдоль оси ОО двигателя а другие параллельно ей или под углом к оси 7…10°.The engine must contain several laser spark plugs 24 with one located along the axis of the engine RO and the others parallel to it or at an angle to the axis of 7 ... 10 °.
Конструкция лазерной свечи зажигания 24 приведена на фиг. 4.The construction of the
На головке 2, параллельно оси OO камеры 1 установлен коронирующий электрод 5 с встроенными в них свечами лазерного зажигания 24 (фиг. 1 и 4). Применение нескольких лазерных свеч зажигания 24 необходимо потому что их ремонт в полете практически невозможен и при отказе единственной лазерной свечи зажигания будет невозможно дальнейшее продолжение полета.On the
Свеча лазерного зажигания 24 выполнена в виде стакана 60 с полостью 61\, в которой установлен микрочип-лазер 73 (фиг. 4 и 5).The
Наиболее распространенные типы лазерных кристаллов для лазеров на микрочипах являются: Nd:YAG и Nd:YVO4 с длиной волны в диапазоне от 1-1,3 мкм, в исключительных случаях 0,95 мкм. Спектральный диапазон излучения достаточно широкий из-за короткой длины резонаторной области. Конструктивно лазер может быть выполнен с использованием еще одного элемента, который располагается между активной средой и торцами зеркал. Например, это может быть нелинейный кристалл, который используется как электрооптический модулятор для добротности или внутрирезонаторного удвоения частоты; также может быть использована нелегированная прозрачная пластина для увеличения мощности или эффективной площади. Лазеры на микрочипах с пассивной модуляцией добротности позволяют создавать частоту импульса свыше 100 кГц, а иногда даже нескольких мегагерц. При очень низких временах импульса пиковая мощность такого лазера может составлять несколько киловатт. Для воспламенения компонентов топлива в газогенераторе может понадобиться мощность, в несколько раз превышающая мощность запальных устройств камеры сгорания. Это обусловлено двумя причинами: применением криогенных компонентов топлива и неоптимальным соотношением компонентов топлива.The most common types of laser crystals for microchip lasers are: Nd: YAG and Nd: YVO 4 with wavelengths ranging from 1-1.3 microns, in exceptional cases 0.95 microns. The spectral range of radiation is rather wide due to the short length of the resonator region. Structurally, the laser can be made using one more element, which is located between the active medium and the ends of the mirrors. For example, it can be a nonlinear crystal that is used as an electro-optical Q-switch or intracavity frequency doubling; an unalloyed transparent plate can also be used to increase power or effective area. Passively Q-switched microchip lasers allow pulse frequencies in excess of 100 kHz, and sometimes even several megahertz. At very low pulse times, the peak power of such a laser can be several kilowatts. To ignite the fuel components in the gas generator, power may be required several times higher than the power of the ignition devices of the combustion chamber. This is due to two reasons: the use of cryogenic fuel components and non-optimal ratio of fuel components.
На фиг. 6 приведен практически идентичен коронирующему электроду 5 на фиг. 4, кроме применения одной форсунки пропеллена 39 вместо нескольких и применения кольцевой излучающей поверхности 27 вместо конической и размещения фокуса лазерной свечи зажигания Ф во внутренней полости 26 камеры сгорания 1.FIG. 6 is shown almost identical to the
На фиг. 6 приведена схема подогрева центральной площадки 25 коронирующего электрода 5.FIG. 6 shows a diagram of heating the
На фиг. 7 приведена более детально излучатель 12, точнее его фрагмент с центральной площадкой 25FIG. 7 shows in more detail the
Более подробно конструкция свечи лазерного зажигания показана на фиг. 8.A more detailed design of the laser spark plug is shown in FIG. eight.
Она содержит полость 72 стакана 71 соединена металлической втулкой 74 с зоной горения Внутри металлической втулки 74 установлена вакуумная металлическая трубка 75 с фокусирующей линзой 76 на конце. Другой конец вакуумной металлической трубки 75 соединен с микрочип-лазером 73. Микрочип-лазер 73 оптическим волокном 61 соединен с блоком накачки 59. Блок накачки 59 электрическими проводами 66 соединен с блоком питания 57.It contains a
Лазерная свеча зажигания 24 (фиг. 4 и 5), как упомянуто ранее, содержит стакан 71, который, в свою очередь, содержит цилиндрический корпус 77 и торец 78 на днище 79. На днище 79 выполнен резьбовой участок 80 с отверстием 81 для прохода вакуумной металлической трубки 75, которая уплотнена уплотнениями 82. Сверху стакан 71 закрыт заглушкой 83, имеющей осевое отверстие 84 для вывода оптического волокна 61, которое уплотнено уплотнением 85, поджато гайкой 86 с центральным отверстием 87. Заглушка 83 уплотнена относительно стакана 71 уплотнением 88.The laser spark plug 24 (Figs. 4 and 5), as mentioned earlier, contains a
Микрочип-лазер 73 и вакуумная металлическая трубка 75 установлены внутри средства демпфирования 89, которое выполнено из металлорезины.The
Минусовой вывод блока питания 57 заземлен заземлением 90, к нему же присоединен отводящий провод 91.The negative terminal of the power supply 57 is grounded by
На кольцевой части 4 камеры 1 может быть установлен дополнительный постоянный кольцевой магнит 92 с осевой намагниченностью (фиг. 1). Он предназначен для интенсификации образования ионов без потребления электрической энергии.On the
На фиг. 9 приведен разрез В-В для демонстрации крепления ускоряющих электродов к горячей стенке сопла 29 через изоляционную прокладку 93. Токоввод 94 выведен через электроизоляционную втулку 95 для исключения попадания напряжения на металлические детали камеры 1 и стенок сопла 28 и 29.FIG. 9 shows a section B-B to demonstrate the attachment of the accelerating electrodes to the hot wall of the
На фиг. 10 показана камера с излучателем и разгонными электродами 65 и схема расположения линий разряда 96.FIG. 10 shows a chamber with an emitter and accelerating
Очевидно, применение нескольких разгонных электродов, ферического излучателя 12 с множеством радиально установленных остроконечных конусов 24 приводит к наполнение всего свободного объема полости камеры 26 линиями разряда 96.Obviously, the use of several accelerating electrodes, a
Это многократно повышает образование ионов и тяги ионного двигателя при небольших габаритах.This greatly increases the formation of ions and the thrust of the ion engine with a small size.
Работа двигателяEngine operation
При работе ионного двигателя (фиг. 1…10) включают блок накачки 59 и подают лазерный луч по оптиковолоконному кабелю 60 и по конкретному оптическому волокну 61 в одну из лазерных свечу зажигания 36 и далее через фокусирующую линзу 76 на центральную площадку 25 для подогрева центрального остроконечного конуса 99 (фиг. 1 и 2). Потом включают все лазерные свечи зажигания 36.When the ion engine is operating (Fig. 1 ... 10), the
Включают источник высокого напряжения 62 (фиг. 1 и 10) и подают высокое напряжение на коронирующий электрод 5, между коронирующим электродом 5, тоне излучателем 12, и всеми укоряющими электродами 65, к которым присоединен второй высоковольтный провод 64 возникают коронные разряды и происходит ионизация продуктов сгорания и превращение ее в плазму и образование ионов под воздействием магнитного поля создаваемого при помощи магнитного ускорителя плазмы 6 и при наличии дополнительного кольцевого постоянного магнита 79 при помощи этого магнита.A
Плазма выбрасывается из сверхзвукового газодинамического сопла 7 вместе с продуктами сгорания.Plasma is ejected from the supersonic gas-dynamic nozzle 7 together with the combustion products.
При этом энтальпия ионно-радиационной ионизированной плазмы возрастает. Источником электронов в вышеприведенных реакциях является коронный пульсирующий разряд в высокотемпературной ионизированной плазме. Горячая ионно-радиационная плазма из камеры 1 поступает в магнитный ускоритель 6, где вращающимся переменным магнитным полем она ускоряется и разделяется.In this case, the enthalpy of the ion-radiation ionized plasma increases. The source of electrons in the above reactions is a pulsating corona discharge in a high-temperature ionized plasma. Hot ion-radiation plasma from the
При концентрации и стечении поверхностных зарядов от ионизирующих газов с ионно-динамического зонда 40 возникает добавочная реактивная сила.With the concentration and flow of surface charges from ionizing gases from the ion-
Для управления вектором тяги ионного двигателя он содержит ионно-динамический зонд 40 (фиг. 1), который имеет телескопические стержни 41, которые могут поворачиваться вокруг шарниров 42 для управления вектором тяги. С выдвинутого ионно-динамического зонда 40 стекают электрические заряды, создавая реактивную силу и вращающий момент, обеспечивающий поворот летательного средства. При работе ионно-динамического зонда 40 истекающие положительные ионы создают добавочную реактивную силу.To control the thrust vector of the ion thruster, it contains an ion-dynamic probe 40 (FIG. 1), which has
Отрицательные заряды с компенсационного электрода 69 по отводящему проводу 91 передаются в блок питания 67 для его зарядки.Negative charges from the
Тяга, создаваемая ионно-динамическим зондом 40 двигателем, работающим в режиме ионного двигателя невелика, но она может действовать длительное время (несколько дней или месяцев) при небольшом расходе инертного газа-пропеллента. В связи с тем, что скорость истечения ионов и плазмы в десятки и сотни раз превышает скорость истечения продуктов сгорания (которая не превышает М=4,5), то происходит постоянное увеличение скорости полета летательного аппарата в течение длительного времени до очень больших скоростей.The thrust generated by the ion
Для активации процесса ионизации и образования плазмы с лазерных свеч зажигания 25 периодически подают импульсы лазерного луча на коронирующий электрод 5 для его разогрева и создания объемного коронного разряда.To activate the ionization process and the formation of plasma from the laser spark plugs 25, laser beam pulses are periodically applied to the
Дополнительный постоянный кольцевой магнит 79 с осевой намагниченностью, установленный на цилиндрической части 4 камеры 1 создает дополнительное магнитное поле в полости камеры 26 и усиливает ионизации в ней.An additional permanent
Применение группы изобретений позволило:The use of a group of inventions allowed:
- повысить тягу двигателя при его небольших габаритах за счет интенсификации образования ионов посредством применения нескольких ускоряющих электродов и применения излучателя шаровой формы,- to increase the engine thrust with its small dimensions due to the intensification of the formation of ions through the use of several accelerating electrodes and the use of a spherical emitter,
- повысить надежность двигателя за счет применения нескольких коронирующих охлаждаемых лазерных свеч зажигания инертным пропеллентом,- to increase the reliability of the engine through the use of several corona cooled laser spark plugs with an inert propellant,
- улучшить запуск двигателя за счет использования нескольких свеч лазерного зажигания и центральной площадки на излучателе с фокусом всех лазерных свеч зажигания на ней,- improve engine starting by using multiple laser spark plugs and a central platform on the emitter with the focus of all laser spark plugs on it,
- улучшить охлаждение двигателя, применив систему его охлаждения пропеллентом.- improve engine cooling by using a propellant cooling system.
- улучшить управляемость ракет с установленным на них разработанным двигателем за счет применения ионно-динамического зонда с телескопическими стержнями установленными на шарнирах,- improve the controllability of missiles with a developed engine installed on them through the use of an ion-dynamic probe with telescopic rods mounted on hinges,
- обеспечить безопасность полета за счет применения в качестве основного компонента топлива инертного газа-пропеллента.- to ensure flight safety by using an inert propellant gas as the main fuel component.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020126367A RU2761693C1 (en) | 2020-08-04 | 2020-08-04 | Ion rocket engine, method of its operation and coroning electrode |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020126367A RU2761693C1 (en) | 2020-08-04 | 2020-08-04 | Ion rocket engine, method of its operation and coroning electrode |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2761693C1 true RU2761693C1 (en) | 2021-12-13 |
Family
ID=79174993
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020126367A RU2761693C1 (en) | 2020-08-04 | 2020-08-04 | Ion rocket engine, method of its operation and coroning electrode |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2761693C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2099572C1 (en) * | 1995-01-16 | 1997-12-20 | Козлов Николай Степанович | Plasma-jet engine |
RU2162958C2 (en) * | 1999-03-26 | 2001-02-10 | Красноярский государственный технический университет | Method to accelerate working medium flow in rocket engine channel |
RU2527500C1 (en) * | 2013-08-05 | 2014-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Спектралазер" | Device for laser ignition of fuel in gas generator of liquid propellant rocket engine |
US20170088293A1 (en) * | 2014-05-21 | 2017-03-30 | Safran Aircraft Engines | Engine for a spacecraft, and spacecraft comprising such an engine |
-
2020
- 2020-08-04 RU RU2020126367A patent/RU2761693C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2099572C1 (en) * | 1995-01-16 | 1997-12-20 | Козлов Николай Степанович | Plasma-jet engine |
RU2162958C2 (en) * | 1999-03-26 | 2001-02-10 | Красноярский государственный технический университет | Method to accelerate working medium flow in rocket engine channel |
RU2527500C1 (en) * | 2013-08-05 | 2014-09-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Спектралазер" | Device for laser ignition of fuel in gas generator of liquid propellant rocket engine |
US20170088293A1 (en) * | 2014-05-21 | 2017-03-30 | Safran Aircraft Engines | Engine for a spacecraft, and spacecraft comprising such an engine |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2738136C1 (en) | Ionic rocket engine and method of operation thereof | |
US6334302B1 (en) | Variable specific impulse magnetoplasma rocket engine | |
US3122882A (en) | Propulsion means | |
EP3938653B1 (en) | Spacecraft propulsion devices and systems with microwave excitation | |
US8966879B1 (en) | Acoustic igniter | |
US4815279A (en) | Hybrid plume plasma rocket | |
US4893470A (en) | Method of hybrid plume plasma propulsion | |
US9410539B2 (en) | Micro-nozzle thruster | |
US7246483B2 (en) | Energetic detonation propulsion | |
US20200263674A1 (en) | Air-breathing pulsed plasma thruster with a variable spacing cathode | |
US7703273B2 (en) | Dual-mode chemical-electric thrusters for spacecraft | |
RU2761693C1 (en) | Ion rocket engine, method of its operation and coroning electrode | |
RU2339840C2 (en) | Method of igniting fuel mixture in engine combustion chamber and device to this effect | |
US6459205B1 (en) | Propulsion device and method of generating shock waves | |
RU2745180C1 (en) | Combined ion rocket engine and coroning electrode | |
RU2747067C1 (en) | Ion propulsion engine, method for operation thereof and corona forming electrode | |
RU2738522C1 (en) | Ionic rocket engine and method of operation thereof | |
RU2724375C1 (en) | Ionic rocket engine and method of its operation | |
CN110131120A (en) | Solid ablation type magnetic plasma thruster | |
RU2733076C1 (en) | Plasma-rocket engine | |
Mani | Combined chemical--electric propulsion design and hybrid trajectories for stand-alone deep-space CubeSats | |
JPH0771361A (en) | Production device for space navigation craft | |
CN109131943B (en) | Piston-driven charge structure for combined laser-chemical thrusters | |
RU2562822C2 (en) | Aircraft gas turbine engine and method of its speedup | |
Brandstein et al. | Laser propulsion system for space vehicles |