ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)
ELECTRIC ROCKET ENGINE (VERSIONS)

Изобретение относится к электрическому ракетному двигателю (ЭРД), используемому для управления движением космического аппарата (КА) в космическом пространстве.
2
Известны различные типы ЭРД для обеспечения движения космических аппаратов. В отличие от известных испарительных и химических ракетных двигателей с максимальной скоростью факела до 4000 м/с, ЭРД обеспечивают на порядок большую скорость. При использовании сжатых газов достигается плотность тяги до 1 Н/м, скорость истечения реактивной струи от 2 км/с до более чем 50 км/с при электрической мощности до 5 кВт и более. [Franklin R. Chang-Diaz, "Plasma Propulsion for Interplanetary Flight," Thin Solid Films, Vol. 506-507 (May 26, 2006.): - P. 449-453; Электростатические ракетные двигатели. / Под ред. Ю.А. Рыжова. - М: Мир, 1964. - 408 с.; Goebel D.M., Katz I. Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters. Wiley, 2008. 508 p.].
2
Каждый известный аналог представляет собой ионно-плазменное электродвигательное реактивное устройство в составе космического аппарата, имеющее накопитель с рабочим телом (РТ) в нем, реакторную камеру, в частности, газоразрядную камеру, подключенную к указанному накопителю, оснащенную электродами для преобразования структуры, ионизации, ускорения и нейтрализации частиц указанного рабочего тела посредством электромагнитного поля (ЭМП), систему для создания магнитного поля. Основным рабочим газом из возможных (N, Ar, Хе, и т.д.) служит Хе, что эффективно, но имеет большие ограничения, к которым относятся высокая стоимость и малые объемы производства газа, высокая стоимость наземных испытаний в вакуумных камерах при низких температурах, недостаток природных ресурсов для дальнейшего развития космических двигателей. Кроме инертных газов, в качестве расходуемых РТ испытывают цезий, ртуть, висмут, цинк, олово, магний, галлий, йод, тефлон, ионные жидкости, коллоидные растворы, аммиак. Тефлон (другие названия фторопласт, PTFE) в качестве твердого РТ используют в абляционном импульсном электроразрядном двигателе. Для РТ в виде расплавленного металла создана специальная конструкция с сильным электрическим полем. Для РТ в виде коллоидных, или ионных растворов применяется конструкция электро-распылительного источника с зарядом малых капель жидкости.
2
В устройствах-аналогах предлагаемого изобретения из частиц РТ создается объемная плазма, из которой экстрагируются ионы, в том числе с помощью перегородок с отверстиями. С целью устранения негативных явлений, связанных с существенной пространственной расходимостью ионов в ускорительном канале, применяются магнитные устройства - концентраторы пучка ионов. В патенте RU 2163309 (МПК: F03H 1/00, Н05Н 1/54, опубл. 20.02.2001 г.) описана конструкция расширенного магнитного полюсного наконечника в форме усеченного конуса, обеспечивающая формирование узконаправленного потока ускоренных ионов в заданном направлении. В патенте US 5581155 (опубл. 03.12.1996 г.) описан ракетный двигатель малой тяги, построенный на эффекте Холла. В этом двигателе малой тяги также используется электромагнитное поле для ускорения положительно заряженных частиц. Скорость истечения в двигателе малой тяги такого типа составляет около 15 км/с при плотности тяги менее 5 Н/м и мощности 1,3 кВт.
Изобретение 2525442 С2 (опубл. 10.08.2014 г.) относится к плазменному генератору и к способу управления им, путем контроля образовавшейся в генераторе плазмы с помощью высокочастотного переменного электрического или электромагнитного поля.
Аналогом, в том числе, является устройство для ускорения потока заряженных частиц (патент на изобретение РФ №2104411, опубл. 10.02.1998 г.), содержащее плазменный источник (газоразрядную камеру) и многолучевую ионно-оптическую систему, имеющую, по крайней мере, три электрода последовательно расположенных на удалении друг от друга, причем первый электрод (экранный) является торцевой стенкой газоразрядной камеры и заряжен положительно. Второй, ускоряющий электрод, заряжен отрицательно. Для улучшения структуры ионного потока после ускоряющего электрода устанавливают третий - замедляющий электрод, подтормаживающий наиболее быстрые ионы. Формирование многолучевого потока осуществляется за счет того, что в электродах ионно-оптической системы выполнена совокупность отдельных соосных отверстий для пролета индивидуальных ионных пучков.
Известно устройство для создания регулируемой силы тяги в электрическом ракетном двигателе (патент на изобретение US 4838021, МПК: F03H 1/00, опубл. 13.06.1989 г.), содержащее ионизационную камеру и ионно-оптическую систему с двумя электродами (экранный и ускоряющий), между которыми прикладывают постоянную ускоряющую разность потенциалов. Модуляцию тока многолучевого ионного потока осуществляют за счет импульсной модуляции тока разряда в ионизационной камере.
Для зарядовой нейтрализации экстрагированных ионов после их ускорения и, соответственно, получения импульса отдачи, используют термоэмиссионные или полевые (автоэлектронные) источники электронов.
Аналоги в виде ЭРД с объемной ионизацией газа и замкнутым холловским дрейфом электронов являются основными системами работающих космических аппаратов. Аналог RU 2527267 С2 (опубл. 27.08.2014 г.) есть ионно-плазменный реактивный двигатель с нейтрализующей электронной плазмой на основе эффекта Холла, содержащий основной кольцевой канал ионизации и ускорения, имеющий открытый выходной конец, по меньшей мере, один катод, кольцевой анод, концентричный основному кольцевому каналу, трубопровод и распределитель для подачи способного к ионизации газа в канал и магнитную цепь создания магнитного поля в основном кольцевом канале. В патенте ЕР 0900196 А1 (опубл. 10.03.1999 г.) описан ЭРД с замкнутым дрейфом электронов в магнитном поле. Он включает в себя наружный полюсный наконечник, который намагничивается кольцевой катушкой. В патентном документе Франции 2693770 А1 (опубл. 14.10.1994 г.) описан ЭРД с замкнутым дрейфом электронов в МП с тремя катушками, включающими кольцевую наружную катушку. Изобретение RU 2509918 С2 (опубл. 20.03.2014 г.) относится к электроракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов. Плазменные ЭРД с замкнутым дрейфом электронов в магнитном поле обладают недостатком в тепловом отношении, поскольку наружная кольцевая катушка заключает в себе провод большой длины, что приводит к высокому уровню рассеяния тепла, и в отношении массы катушки, которая также велика. Работа таких ЭРД сопряжена с большим энергопотреблением и существенными теплопотерями.
Изобретение-прототип [Пат. 2474984 Российская Федерация, МПК Н05Н 1/54, F03H 1/00. Плазменный ускоритель с замкнутым дрейфом электронов / Козлов В.И. [и др.]; заявитель и патентообладатель Фед. гос. бюдж. обр. учреждение высшего проф. образования «Московский авиационный институт», - заявл. 24.10.11; опубл. 10.02.13] относится к плазменной технике и может использоваться при разработке плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения. Катод-компенсатор (эмиттер электронов) установлен у среза ускорительного канала. К катоду предъявляются высокие требования, он должен обеспечивать стабильную высокую эмиссию, при этом требуются дополнительные устройства, увеличивающие массу и габариты. Кроме того, недостатки связаны с большой мощностью нагрева катода, падением эмиссионной способности, и повышенной рабочей температурой, следствием чего являются высокое энергопотребление, тепловые потери и относительно низкий энергетический КПД.
Задачей настоящего изобретения является создание ЭРД, имеющего простую конструкцию, более экономичную, в целом эффективную и надежную в эксплуатации. Согласно предлагаемому изобретению, достигается положительный эффект в увеличении эффективности использования электрической энергии ЭРД, как следствие, повышается количественный показатель энергоэффективности - энергетический КПД двигателя.
Как вариант, ЭРД содержит:
а) фотоэмиссионные катоды - источники электронов, которые производят эмиссию потока вторичных фотоэлектронов в вакуум;
б) фотоприемник светового излучения, создающий сигнал при регистрации фотонов;
в) фотоэлектронные панели, которые генерируют электрическую энергию при облучении фотонами.
Указанные фотоактивные устройства (а, б, в) установлены в основном вблизи границы ускорительного канала и подключены к бортовой системе электроснабжения и управления. Они предназначены для использования яркостного фотонного излучения, возникающего при работе двигателя на границе области ускорения ионов, в области нейтрализации электронами и в области экстракции факела. Излучение связано с эмиссией фотонов из ионов при их нейтрализации электронами, а также с релаксацией возбужденных нейтральных частиц, теряющих энергию при переходе в основное состояние.
Применение фотоэмиссионных катодов - источников электронов, фотоприемника и фотоэлектронных панелей позволяет существенно улучшить характеристики ЭРД, и, в частности, обеспечивает:
- образование нейтрализующих электронов за счет фотоэлектронной эмиссии;
- контроль функционирования двигателя;
- возврат в бортовую сеть части энергии, затраченной на ионизацию.
Поставленная задача изобретения решена в вариантах конструкции ЭРД, охарактеризованных в Формуле изобретения.
Согласно пп. 1-3 Формулы, заявляется ЭРД, имеющий накопитель с расходуемым рабочим телом в нем, экстрактор-инжектор, ускорительную камеру для ускорения ионов и выброса факела, катод-компенсатор для нейтрализации ионов. Недостатки прототипа устранены в данном изобретении путем оптимизации процессов в реакторной камере и в области нейтрализации за счет того, что в основном в ближней области нейтрализации ионов и выброса факела установлены устройства для сбора светового излучения и преобразования этого излучения, как вариант: в поток фотоэлектронов; в сигнал, управляющий движением КА; в электрическое напряжение. Например, смонтированы фотокатоды - источники электронов в виде фотоэмиссионных панелей, имеется фотоприемник светового излучения, установлены фотоэлектронные панели.
На фиг. 1. приведено схематическое изображение ЭРД с примером установки элементов конструкции: 1 - накопитель рабочего тела; 2 - канал транспортировки; 3 -экстрактор-инжектор; 4 - генератор управляющего напряжения, подключенный к экстрактору-инжектору 3; 5 - область поверхностной ионизации и плазмы; 6 - камера ускорения, содержащая электроды для создания электромагнитного поля (на фигуре не показаны); 7 - катод-компенсатор; 8 - срез камеры ускорения в области выхода ионного потока из двигателя; 9 - область нейтрализации ионов и выброса факела. Штрихпунктирной линией показана область реакторной камеры.
На фиг. 2 схематично показана область выхода ионного потока из двигателя с элементами: 8 - срез камеры ускорения в области выхода ионного потока из двигателя; 9 - область нейтрализации ионов и выброса факела (источник фотонного излучения); 10 -фотоэмиссионный катод - источник электронов, который производит эмиссию вторичных фотоэлектронов в ионный поток; 11 - фотон; 12 - вторичный фотоэлектрон; 13 - фотоприемник светового потока для сбора светового излучения, подключенный к системе управления движением КА (на фигуре не показана); 14 - фотоэлектронные панели, подключенные к системе энергоснабжения КА (на фигуре не показана).
3
5
Согласно п. 1 Формулы, в основном в ближней области нейтрализации ионов и выброса факела имеются фотокатоды - источники электронов в виде фотоэмиссионных панелей. В отличие от известных аналогов и прототипа, в предлагаемом устройстве нейтрализация осуществляется, в том числе, фотоэлектронами. Принцип действия основан на реализации теории внешнего фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта). Испускаемое факелом свечение излучается в виде фотонов, обладающих определенной энергией. При достижении фотокатода, в поверхностном слое его материала, фотон встречается с электроном и передает ему свою энергию (поглощается электроном). Если полученной энергии достаточно для совершения работы выхода, то электрон покидает материал, из которого изготовлен фотокатод, становится свободным и может быть использован для нейтрализации ионного потока. Каждому веществу (материалу) соответствует своя работа выхода. Предпочтительными материалами фотоэмиссионного катода являются калий, цезий с работой выхода 2,2 и 1,8 эВ, соответственно, а лучше ВаО или BaWO с работой выхода близкой к 1 эВ. Становится возможным создавать наиболее выгодную схему нейтрализации ионов, что позволяет упростить конструкцию двигателя, повысить КПД и надежность.
Согласно п. 2 Формулы, задача решается следующим образом: в основном в ближней области нейтрализации ионов и выброса факела имеется фотоприемник светового излучения, подключенный к системе управления движением КА. Рациональное использование получаемого с фотоприемника сигнала позволит осуществлять удаленный контроль за функционированием двигателя, а также применять его в системе автоматического управления движением КА.
Согласно п. 3 Формулы, в основном в ближней области нейтрализации ионов и выброса факела имеются фотоэлектронные панели - генераторы электрической энергии, подключенные к электрической сети на борту КА.
Согласно п. 4 Формулы, в основном в ближней к фотоэмиссионным/фотоэлектронным панелям области имеется не менее чем одно оптическое устройство, фокусирующее на них световое излучение из области нейтрализации ионов и выброса факела. Это позволяет увеличить интенсивность полезного облучения панелей.
Работу ЭРД рассмотрим на конкретных примерах реализации конструкции и рабочих режимов.
При переводе в рабочее состояние осуществляют энергетическое воздействие (например, нагревание) на рабочее тело в накопителе 1 (фиг. 1) и формируют поток нейтральных атомных, молекулярных, кластерных, малых или микрочастиц рабочего тела. Поток нейтральных частиц рабочего тела из накопителя 1 по каналу транспортировки 2 передается в экстрактор-инжектор 3, к которому подключен генератор управляющего напряжения 4. В области 5 образуется плазма, состоящая из ионов и электронов. С помощью электродов, содержащихся в ускорительной камере 6, создается электромагнитное поле, под воздействием которого ионы разгоняются и выбрасываются в факел. В области нейтрализации ионов и выброса факела 9 осуществляется компенсация поля объемного заряда за счет эмиссии в эту область свободных электронов. Релаксация возбужденных атомов (молекул) в основное состояние и перезарядка ионов сопровождается излучением фотонов и в целом ярким свечением в видимой и ультрафиолетовой частях спектра. В аналогах и прототипе это излучение рассеивается и теряется в пространстве, не принося пользы. В заявляемом изобретении предлагается извлечь положительный эффект из этого явления, который создается тем, что:
1. Устройство в виде фотоэмиссионных катодов - источников электронов под воздействием фотонного излучения формирует в вакууме поток фотоэлектронов, который втягивается электрическим полем ионов в ионный поток, где осуществляет нейтрализацию указанного ионного потока. Данное устройство предполагается к совместному использованию с катодом-компенсатором, описанным в изобретении-прототипе, и призвано существенно снизить потребляемую им мощность, потерю его эмиссионной способности, тепловые потери. Это благоприятно отразится на ресурсе ЭРД. При этом важным фактором является сокращение энергопотребления, а следовательно, повышение КПД. Кроме того, устройство в виде фотоэмиссионных катодов - источников электронов представляет собой дублирующую (параллельную) систему по нейтрализации ионного потока, поэтому применение такой схемы способствует повышению надежности аппарата.
2. Устройство в виде фото приемника светового излучения работает как фотодетектор - генератор сигнала, с помощью которого возможно осуществлять удаленный контроль функционирования двигателя. При этом появляется возможность контролировать: факт и стабильность запуска/не запуска двигателя, т.е. создание необходимых условий для осуществления процесса ионизации и формирования факела; интенсивность работы двигателя; продолжительность и возможные сбои/перебои при работе двигателя. Как вариант, данный сигнал может быть передан в систему управления двигателем. Некорректная работа двигателя будет своевременно обнаружена и принято оперативное решение, например на перезапуск. Кроме того, использование устройства представляется эффективным при высокоточном управлении КА на орбите, способствуя сокращению излишних маневров, а значит экономии не только энергетических ресурсов, но и РТ.
3. Устройство в виде фотоэлектронных панелей при облучении фотоэлементов фотонами вырабатывает дополнительную электрическую энергию, которая направляется в бортовую электрическую сеть. Такая рекуперация энергии особенно важна при слабой интенсивности освещения панелей солнечных батарей космического аппарата (период нахождения аппарата в теневой области планет, значительное удаление аппарата от источника света, дезориентация аппарата). Коэффициент фотоэлектрического преобразования современных кремниевых и галлиевых панелей достигает 24-25%, а многослойных панелей на основе галлия (GalnP/GaAs/Ge) - 32%. С учетом эффективности фотоэлементов доля рекуперируемой энергии может достигать приличных значений.
С целью повышения эффективности работы фотоэмиссионных и фотоэлектронных панелей дополнительно осуществляется фокусировка излучения с помощью оптического устройства (п.4 Формулы).
-4
-5
Для подтверждения возможности осуществления изобретения авторами были проведены практические эксперименты. При огневых испытаниях ионного электрического ракетного двигателя в вакуумной камере (10-10 мм рт.ст.), вблизи области выброса факела, были установлены фотоэлектронные панели - элементы солнечной батареи КА. Токопроводы от фотоэлектронных панелей с помощью герморазъемов были выведены наружу камеры. При работе ионного двигателя на различных режимах, с помощью измерительного прибора контролировали наличие и уровень сигнала. С формированием факела возникал электрический сигнал, а его уровень увеличивался с ростом интенсивности работы двигателя, т.е. яркости свечения факела. Дальнейшее использование такого сигнала не представляет больших трудностей и является вполне посильной технической задачей.
Положительный эффект от применения вариантов конструкции ЭРД согласно предлагаемому изобретению, заключающийся в увеличении эффективности использования бортовой электрической энергии, как следствия, повышении энергетического КПД, способствует росту общего и непрерывного времени работы аппарата, повышению ресурса, надежности, стабильности и эффективности тяговых характеристик. Изобретение направлено на преодоление общих недостатков ЭРД: низкая воспроизводимость импульсов тяги, малая надежность включения после паузы, недостаточная достижимая длительность импульса, ограниченный ресурс работоспособности.