Плазменный электрореактивный двигатель и способ создания реактивной тяги

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а более точно касается конструкции электрореактивных двигателей космических аппаратов с переменным удельным импульсом тяги в диапазоне от 500 до более 10 тыс. секунд.

Из существующего уровня техники известны различные способы создания тяги и конструкции электрореактивных плазменных двигателей, в том числе с магнитной изоляцией стенок плазменного канала и с магнитным соплом, что делает их потенциально пригодными для работы с мощностями более 100 кВт в стационарном режиме.

Надо отметить известный двигатель VASIMR (US 6334302 В1, опубл. 01.01.2002), в котором плазма ионизуется в продольном магнитном поле высокочастотным геликонным разрядом, затем попадает в магнитное сопло, где ионная компонента плазмы селективно нагревается в циклотронном резонансе и ускоряется диамагнитной силой, формируя реактивную струю.

Изменением удельного вклада мощности в циклотронном резонансе можно добиться изменения скорости истечения плазмы и, следовательно, удельного импульса тяги. Имеются и другие конструкции с радиочастотным нагревом и магнитным соплом, например US 6293090 В1, опубл. 25.09.2001; WO 2013098505 А1, опубл. 04.07.2013).

Во всех этих конструкциях используется радиочастотный нагрев замагниченной плазмы, который имеет следующий недостаток: требуется полная ионизация плазмы и достаточно высокая температура ионов.

Это означает, что мощность, затраченная на ионизацию рабочего тела, расходуется бесполезно и к.п.д. двигателя с удельным импульсом менее 3000 с низкий. Кроме того, к.п.д. снижается и из-за потерь при генерации и поглощении радиоволн.

Альтернативой могли бы служить конструкции двигателя с электродуговым нагревом плазмы, но в этом случае недостатком является быстрая эрозия электродов из-за большого тока разряда и недолговечность конструкции.

Способ создания тяги во всех этих случаях схож и основан на преобразовании поперечного (к магнитному полю) движения замагниченных частиц плазмы в их направленное движение в магнитном сопле. Дополнительная тяга может создаваться в магнитном сопле также за счет доускорения ионов на перепаде электростатического потенциала плазмы.

Наиболее близок по конструкции к заявляемому изобретению магнитоплазмодинамический ускоритель МПДУ (Кубарев Ю.В. Источник газоразрядной плазмы, авторское свидетельство СССР 166974 от 04.02.63, патент RU 2472324 С2, опубл. 20.03.2012), в котором ионизация, нагрев и ускорение плазмы в осесимметричной конструкции с продольным магнитным полем и магнитным соплом происходят в сложном газовом разряде, горящем, в том числе, поперек основного магнитного поля.

В этом двигателе рабочий газ подается через полый катод, находящийся на оси системы в ионизационной камере, а анодные кольца расположены на периферии, как в ионизационной камере, так и в расширяющейся части сопла. Конструкция очень простая, но из-за этого недостаточно эффективная.

Поскольку автор МПДУ ссылается на сложную авторскую природу разряда, а способ создания тяги в этом случае не вполне ясен, критика основывается на законе сохранения импульса. Реактивный импульс в МПДУ может передаваться либо магнитному полю сопла (а также задней стенке через давление горячего газа), либо электродам через электрическое поле.

В первом случае для увеличения удельного импульса требуется увеличение температуры плазмы и связанных с этим эрозии и потерь, поскольку по способу работы магнитное сопло подобно соплу Лаваля.

А во втором случае создаваемая тяга на единицу площади сечения двигателя будет очень низкой, как в ионных двигателях.

В заявляемом изобретении эти проблемы решаются включением в конструкцию между ионизационной камерой и соплом электромагнитного ускорителя плазмы, в котором магнитное поле имеет спиральную гофрировку, а плазма ускоряется без существенного нагрева с передачей импульса магнитной системе ускорителя.

Автор данного изобретения предлагает назвать его «винтовым» по аналогии принципа действия с винтовым насосом.

Кроме того, в отличие от МПДУ, где осевой электрод является катодом, а периферийный – анодом, в заявляемом изобретении возможна смена варианта полярности электродов с одновременной сменой знака магнитного поля, а также более тонкая регулировка с целью изменения режима работы «винтового» ускорителя и удельного импульса тяги двигателя в процессе работы.

Плазменных или ионных двигателей со спиральной гофрировкой продольного магнитного поля в канале двигателя, являющейся признаком ускорителя «винтового» типа, не выявлено.

Магнитное поле обладает винтовой гофрировкой в замкнутых тороидальных системах магнитного удержания термоядерной плазмы типа «токамак».

Плазма в токамаке вращается по двум направлениям, тороидальному и полоидальному, что можно представить как комбинацию вращения в скрещенных электрическом и магнитном полях и течения вдоль силовых линий. Вращение обычно связано с самосогласованным радиальным амбиполярным электрическим полем, однако его можно существенно менять путем инжекции момента импульса с пучками частиц.

Экспериментально наблюдается связь и взаимопревращения тороидальной и полоидальной компонент вращения плазмы (deGrassie J.S. "Tokamak rotation sources transport and sinks", Plasma Physics and Controlled Fusion, V. 51, 2009, p. 124047), что можно интерпретировать как аналог превращения вращения в поступательное движение плазмы в «винтовом» ускорителе.

Преобразование вращения в поступательное движение плазмы в поле со спиральной гофрировкой было ранее предложено автором в качестве способа нагнетания плазмы вдоль магнитного поля и способа улучшения продольного удержания в многопробочных линейных магнитных ловушках (A.D. Beklemishev, Fusion Science and Technology, V63 1T, 2013, p. 355).

Способа создания реактивной тяги путем ускорения вращающейся плазмы в спирально-гофрированном магнитном поле не выявлено.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание такой конструкции электрореактивного двигателя мегаваттного класса, которая была бы способна обеспечить работу с большой тягой, в режимах с изменяемым удельным импульсом реактивной струи, от 500 до 10000 секунд, с высоким к.п.д. длительное время.

Данная задача решается тем, что конструкция плазменного электрореактивного двигателя, предназначенного преимущественно для работы в космосе, содержит ионизационную камеру на входе для подачи и первичной ионизации рабочего тела, выпускное магнитное сопло для ускорения потока плазмы и для отрыва реактивной струи от магнитного поля, а также по меньшей мере два электрода, соединенных с внешним источником электрического тока, один из которых находится на оси ионизационной камеры, а другой выполнен в виде кольца, охватывающего поток плазмы.

В отличие от ближайшего аналога, МПДУ, в заявляемой конструкции между ионизационной камерой и соплом расположен «винтовой» электромагнитный ускоритель плазмы, содержащий продольный ускорительный канал, окруженный одно- или многозаходными винтовыми обмотками с током или соленоидом с винтовыми ферромагнитными вставками, создающими в ускорительном канале продольное магнитное поле с одно- или многозаходной спиральной гофрировкой.

Кроме электродов в ионизационной камере может быть расположена антенна для создания геликонного или электронно-циклотронного разряда, подключенная к отдельному высокочастотному источнику питания. Конструкция плазменного электрореактивного двигателя реализует один из вариантов способа создания реактивной тяги с помощью «винтового» ускорителя.

Этот способ создания реактивной тяги, характеризуется тем, что рабочее тело в состоянии плазмы ускоряют вдоль магнитного поля в канале «винтового» ускорителя путем приведения его во вращение в скрещенных продольном магнитном и радиальном электрическом полях, причем магнитное поле создают с одно- или многозаходной спиральной гофрировкой, с постоянным или увеличивающимся в сторону ускорения плазмы шагом, а электрическое поле поддерживают с помощью электродов, соединенных с источником тока, один из которых находится на магнитной оси, а другой охватывает плазму.

Это создает условия для преобразования вращения в поступательное ускорение при диамагнитном захвате плазмы в спиральные зоны пониженного магнитного поля.

Темп ускорения плазмы вдоль канала, реактивную тягу и удельный импульс системы регулируют значением и полярностью приложенного к электродам напряжения, значением и знаком магнитного поля в канале ускорителя, плотностью и состоянием плазмы на входе в ускоритель.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием и чертежом.

На чертеже показана схема магнитной поверхности плазменного электрореактивного двигателя с винтовым ускорителем.

Плазма из ионизационной камеры 1 поступает в канал винтового ускорителя 2, в котором с помощью внешних спиральных проводников с током и/или винтовой ферромагнитной вставки реализована спиральная гофрировка (модуляция) напряженности магнитного поля. На чертеже показан вариант однозаходной гофрировки с переменным шагом.

Линия 3 иллюстрирует примерный ход силовой линии магнитного поля на магнитной поверхности, глубина серого цвета – напряженность магнитного поля.

Важно, что направление силовых линий скрещивается с направлением винтовой гофрировки. Благодаря этому скрещиванию вращение плазмы в магнитном и радиальном электрическом полях приводит к ее попаданию в области сильного магнитного поля, откуда она выталкивается диамагнитными силами вдоль силовых линий.

В случае слабостолкновительной плазмы будут существовать популяции ионов и электронов, запертых в локальных минимумах магнитного поля, дрейф которых в приложенном поле будет также направлен в сторону магнитного сопла.

Продольная скорость появляется за счет преобразования вращения плазмы (как в шнековом насосе с неподвижным шнеком), так что электрическая мощность вкладывается в плазму посредством системы электродов 4 для поддержания радиального электрического поля и вращения плазмы.

Электроды разнесены вдоль системы для уменьшения вероятности пробоев по задней стенке. Центральный электрод может быть коротким (только в ионизационной камере) или длинным (также и вдоль оси винтового ускорителя).

В ионизационной камере и вдоль винтового ускорителя могут быть дополнительные электроды или антенны для обеспечения первичной ионизации рабочего тела и разнесения потенциала вдоль установки. При работе с плотной слабо-ионизованной или рекомбинирующей плазмой, обладающей низкой проводимостью вдоль силовых линий магнитного поля, целесообразно применение дополнительных кольцевых электродов, расположенных вдоль винтового ускорителя.

Важной особенностью винтового ускорителя является то, что направление ускорения определяется тремя параметрами: правой или левой винтовой симметрией гофрировки и направлениями магнитного и радиального электрического полей. Поэтому возможны реализации разряда с катодом или анодом на оси системы, в зависимости от чего будут реализовываться режимы радиально узкого или радиально широкого плазменного потока.

Протекание тока в плазме приводит к ее угловому ускорению, радиальному дрейфу, нагреву и ионизации. Ток, создающий вращающую силу Ампера, течет поперек сильного магнитного поля, причем его величина существенно ниже ионного тока плазмы, так что эрозия электродов мала.

Равновесные скорость вращения плазмы и скорость плазменного потока пропорциональны напряжению на электродах и магнитному полю в винтовом ускорителе, т.е., варьируя магнитное поле, полярность, напряжение и расход рабочего тела, можно изменять удельный импульс двигателя в широких пределах.

В заявляемой конструкции ускорение плазмы происходит главным образом в канале винтового ускорителя. Магнитное сопло 5 является необходимым элементом конструкции при работе с замагниченной плазмой, так как обеспечивает отрыв плазмы от магнитной системы в слабом поле на срезе сопла.

Кроме того, оно служит для повышения к.п.д. путем преобразования остаточной тепловой энергии ионов в кинетическую и доускорения ионов за счет положительного амбиполярного электростатического потенциала плазмы.

Таким образом, большая часть реактивной силы передается магнитным системам винтового ускорителя и сопла. Поскольку стенки двигателя магнитно изолированы, а достижимые радиальные перепады потенциала в сильном магнитном поле могут быть порядка нескольких киловольт, ток на электроды даже в двигателе мегаваттной мощности имеет порядок сотен ампер.

Поэтому нагрев и эрозия электродов, а также соответствующие потери мощности с полностью замагниченной плазмой будут допустимыми, в пределах десятков киловатт.

Первичная ионизация в ионизационной камере может сопровождаться химическим горением топлива и хемо-ионизационными процессами, что может быть эффективным при работе с относительно низким удельным импульсом, когда надо достичь большой тяги при ограниченной электрической мощности, поскольку снижает ионизационные затраты.

Снижения ионизационных затрат можно достичь и при работе с плотной частично-ионизованной или рекомбинирующей плазмой. В случае если полярность напряжения на электродах выбрана так, что на оси ионизационной камеры находится анод, в отсутствие других источников ионизации самоподдерживающийся разряд сможет реализоваться только в узком прианодном слое.

Чтобы этого избежать, в качестве дополнительного источника ионизации можно использовать высокочастотный геликонный или циклотронный разряд в ионизационной камере. Кроме того, наличие независимого источника ионизации и нагрева плазмы на входе в «винтовой» ускоритель создает дополнительный канал регулировки режима работы двигателя.

Вообще, поскольку работа «винтового» ускорителя сильно зависит от параметров потока плазмы на входе в него, т.е. на выходе из ионизационной камеры, значительная доля управляющего воздействия на режим работы двигателя должна быть реализована через функцию ионизационной камеры.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является длительная стационарная работа электрореактивного двигателя мегаваттного класса с высоким к.п.д. и изменяемым в процессе работы удельным импульсом.

При проектировании двигателя большой мощности (более 100кВт) на рабочем веществе с большой атомной массой для замагничивания ионов электромагнитная система должна быть рассчитана на стационарное поддержание магнитного поля порядка 1Т. Это возможно при использовании в конструкции высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

Следует также учитывать возможность появления небольшого осевого момента силы, создаваемого работающим двигателем, из-за вращения плазмы реактивной струи. Для его компенсации двигатели, в частности, можно использовать попарно (с противоположными направлениями магнитного поля и спиральности гофрировки). Такая компоновка позволит также замкнуть большую часть магнитного потока от магнитной системы двигателей.

Изобретение может быть использовано в качестве двигателя основной тяги для межорбитального маневрирования, полетов на Луну и межпланетных полетов.

1. Плазменный электрореактивный двигатель, предназначенный для работы в космосе, содержащий ионизационную камеру на входе для подачи и первичной ионизации рабочего тела, выпускное магнитное сопло для ускорения потока плазмы и для отрыва реактивной струи от магнитного поля, а также по меньшей мере два электрода, соединенных с внешним источником электрического тока, один из которых находится на оси ионизационной камеры, а другой выполнен в виде кольца, охватывающего поток плазмы, отличающийся тем, что между ионизационной камерой и соплом расположен электромагнитный ускоритель плазмы, содержащий продольный ускорительный канал, окруженный одно- или многозаходными винтовыми обмотками с током или соленоидом с винтовыми ферромагнитными вставками, создающими в ускорительном канале продольное магнитное поле с одно- или многозаходной спиральной гофрировкой.

2. Плазменный электрореактивный двигатель с винтовым ускорителем по п. 1, отличающийся тем, что кроме электродов в ионизационной камере расположена антенна для создания геликонного или электронно-циклотронного разряда, подключенная к отдельному высокочастотному источнику питания.

3. Способ создания реактивной тяги, характеризующийся тем, что рабочее тело в состоянии плазмы ускоряют вдоль магнитного поля в канале электромагнитного ускорителя путем приведения его во вращение в скрещенных продольном магнитном и радиальном электрическом полях, причем магнитное поле создают с одно- или многозаходной спиральной гофрировкой, с постоянным или увеличивающимся в сторону ускорения плазмы шагом, а электрическое поле поддерживают с помощью электродов, соединенных с источником тока, один из которых находится на магнитной оси, а другой охватывает плазму, что создает условия для преобразования вращения в поступательное ускорение при диамагнитном захвате плазмы в спиральные зоны пониженного магнитного поля, а темп ускорения плазмы вдоль канала, реактивную тягу и удельный импульс системы регулируют значением и полярностью приложенного к электродам напряжения, значением и знаком магнитного поля в канале ускорителя, плотностью и состоянием плазмы на входе в ускоритель.

Патент 2594937