Электрический ракетный двигатель
ELECTRICAL ROCKET ENGINE

Изобретение относится к области создания электрических реактивных двигателей.
Известен электрический ракетный двигатель (см., патент РФ №2225533, МПК F03 Н1/00, опубл. 10.03.2004), содержащий сверхзвуковые сопла, канал магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику переменной ЭДС, при этом устройство снабжено импульсным высокочастотным источником напряжения, подключенным к дополнительной катушке, установленной на входе канала ускорителя, и диффузором с радиальными диэлектрическими ребрами, при этом катушка возбуждения магнитного поля подключена к источнику переменной ЭДС.
Недостатком является сложность доставки и хранения газообразного топлива, а также небольшой ресурс, что практически не приемлемо для корректирующих двигателей космических аппаратов многолетнего использования.
Известен электрический ракетный двигатель (см., патент РФ №2551140, МПК F03 Н1/00, опубл. 20.05.2015, бюл. №9), содержащий сверхзвуковые сопла, канал магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику переменной ЭДС, при этом устройство снабжено импульсным высокочастотным источником напряжения, подключенным к дополнительной катушке, установленной на входе канала ускорителя, и диффузором с радиальными диэлектрическими ребрами, при этом катушка возбуждения магнитного поля подключена к источнику переменной ЭДС, причем электрический ракетный двигатель снабжен источником плазмообразующего вещества, который состоит из электродов с фиксатором положения твердого топлива, состоящее из бобины с намотанной проволокой из металла высокой плотности и привода вращения бобины, а также направляющего приспособления для прямоточного перемещения твердого топлива в источнике плазмообразующего вещества импульсного источника напряжения.
Недостатком является снижение при длительной эксплуатации надежности задаваемой временной периодичности включения в работу двигателя из-за изменяющейся скорости подачи твердого топлива в источник плазмообразующего вещества, вследствие возрастания трения скольжения в зоне контакта между проволокой с высокой плотностью и внутренней поверхностью направляющего приспособления для прямоточного перемещения.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение надежной подачи твердого топлива в источник плазмообразующего вещества при длительной эксплуатации электрического ракетного двигателя в условиях низких отрицательных температур, способствующих возрастанию трения скольжения в зоне контакта проволоки из металла с высокой плотностью и поверхности приспособления для ее прямоточного перемещения.
Технический результат достигается тем, что электрический ракетный двигатель содержит сверхзвуковые сопла, канал магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода, катушку возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику переменной ЭДС, при этом устройство снабжено импульсным высокочастотным источником напряжения, подключенным к дополнительной катушке, установленной на входе канала ускорителя, и диффузором с радиальными диэлектрическими ребрами, при этом катушка возбуждения магнитного поля подключена к источнику переменной ЭДС, причем электрический ракетный двигатель снабжен источником плазмообразующего вещества, который состоит из электродов с фиксатором положения твердого топлива, состоящее из бобины с намотанной проволокой из металла высокой плотности и привода вращения бобины, а также направляющего приспособления для прямоточного перемещения твердого топлива в источнике плазмообразующего вещества и импульсного источника напряжения, при этом поверхность направляющего приспособления со стороны прямоточного перемещения твердого топлива покрыта стеклоподобной пленкой в виде наноматериала.
На фиг. 1 представлено поперечное сечение электрического ракетного двигателя; на фиг. 2 – внутренняя поверхность направляющего приспособления для прямоточного перемещения твердого топлива с нанопокрытием в виде стеклоподобной пленки.
Электрический ракетный двигатель содержит сверхзвуковые сопла 1, канал 2 магнитогидродинамического ускорителя, расположенного в цилиндрической полости между полюсами коаксиального магнитопровода 3, катушку 4 возбуждения магнитного поля, подключенную к источнику 5 переменной ЭДС, импульсный высокочастотный источник напряжения 6, подключенный к дополнительной катушке 7, установленной на входе в канал 2 ускорителя. Двигатель также содержит диффузор 8 с радиальными диэлектрическими ребрами 9 и источник плазмообразующего вещества 10. Источник плазмообразующего вещества 10 состоит из электродов 11 с фиксатором положения 12 твердого топлива 13, в виде, например, проволоки из металла с высокой плотностью, а также включает устройство подачи твердого топлива 14, состоящее из бобины 15 с намотанной проволокой из металла высокой плотности и привода 16 вращения бобины 15, а также направляющего приспособления 17 для прямоточного перемещения твердого топлива 13 в источнике плазмообразующего вещества 10 и импульсного источника напряжения 18. Поверхность 19 направляющего приспособления 17 для прямоточного перемещения твердого топлива 13 покрыта стеклоподобной пленкой в виде наноматериала 20.
Электрический ракетный двигатель работает следующим образом.
1
2
1
2
В процессе выпрямления сматываемой с бобины 15 проволоки из металла с высокой плотностью, являющейся твердым топливом 13, в зоне контакта с поверхностями 19 возникает теплота трения скольжения. В связи с тем, что масса направляющего приспособления 17 для прямоточного перемещения твердого топлива значительно превышает  массу проволоки 13 из металла с высокой плотностью и соответственно обладает большей тепловой инерцией (grad t) в соответствии с тепловой инерцией проволоки (grad t) по условию взаимного нахождения в среде с низкими температурами окружающей среды, то в зоне контакта – выпрямления сматываемой с бобины 15 проволоки образуются термонапряжения, обусловленные встречно направленными градиентами температур (grad t и grad t) при нестационарном режиме теплообмена (см., например, стр. 136-141, П.В. Цой «Методы расчета отдельных задач тепломассопереноса», М. Энергия – 1971, 384 с., ил.). В результате скорость перемещения твердого топлива 13 из-за более скоростного прогрева проволоки и соответственно возрастание сопротивление скольжению по поверхностям 19 направляющего устройства 17 уменьшаются, нарушая режим работы электрического ракетного двигателя, т.е. надежной его работы.
1
2
При нанесении на поверхности 19 наноматериала 20 путем электрохимического растворения металла (см., например, Киш Л. Кинематика электрохимического растворения металлов. М.: Мир, - 1990, 272 с., ил.; Литвинова В.А.. Саврук Е.В. Нанообразная, стеклообразная пленка из тантала. Наноразмерные пленки оксида тантала, полученные ионно-плазменным методом//Сб. трудов региональной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве, растениеводстве и экономике»- Томск: ТЕХИиГАУ-Вып.12, -2010, - с. 299-301) с образованием стеклоподобной пленки, встречно направленные температурные градиенты (grad t и grad t) недостаточны по суммарному абсолютному значению для разрушения наноматериала 20 и твердое топливо 13 в заданном режиме в процессе выпрямления скользит между поверхностями 19 в источник плазмообразующего вещества 10, обеспечивая надежную работу при длительной эксплуатации электрического ракетного двигателя.
Твердое топливо 13 в виде проволоки из металла с высокой плотностью перемещается из устройства подачи 14 посредством сматывания с бобины 15 при вращении привода 16 через направляющее устройство 17, где выпрямляется и прямоточно подается в источник плазмообразующего вещества 10, а при контакте с фиксатором положения 12 закрепляется на электродах 11. После этого включается система импульсного источника напряжения 18 и подается разряд между электродами 11, что способствует возникновению плазменных сгустков перед входом в сверхзвуковое сопло 1. Затем включается система, содержащая источник импульсного высокочастотного напряжения 6, который подключен к дополнительной катушке 7. Расход топлива определяется скоростью подачи проволоки, скважностью источника импульсного напряжения 18 и его мощностью.
Систему импульсного высокочастотного разряда 6 периодически включают с заданной временной скважностью, и каждое включение формирует в газовом потоке плазменный сгусток на входе канала 2 МГД ускорителя. Внешним источником переменной ЭДС создается переменный ток в катушке возбуждения 4, что порождает переменное во времени радиальное магнитное поле между полюсами коаксиального магнитопровода 3. Это генерирует вихревое электрическое поле азимутального направления. Под воздействием азимутального электрического и радиального магнитного полей из плазменных сгустков формируются самоподдерживающиеся азимутальные плазменные токовые витки (Т-слои), которые в свою очередь действуют на газовый поток как ускоряющие поршни. После канала МГД-ускорителя ускоренный поток попадает в расширяющийся канал-диффузор 8, в котором установлены радиальные диэлектрические ребра 9. Ребра обтекаются газовым потоком, но на них разрываются электрические цепи Т-слоев, что позволяет прервать электродинамическую стадию ускорения потока. В диффузоре 8, являющемся продолжением канала МГД-ускорителя, осуществляется дальнейшее ускорение газового потока за счет тепловой энергии, перешедшей из Т-слоев в поток.
Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в поддержании надежной работы при длительной эксплуатации электрического ракетного двигателя как корректирующего устройства для космических аппаратов, путем обеспечения заданной временной периодичности поступления твердого топлива в источник плазменного вещества, вследствие устранения снижения, скорости перемещения проволоки из металла с высокой плотностью за счет покрытия поверхностей направляющего устройства для прямоточного перемещения стеклоподобной пленкой в виде наноматериала, способствующей постоянству скольжения в процессе выпрямления в независимости от температурных градиентов, т.е. термонапряжения.