Двигательная установка с импульсным электрическим реактивным двигателем
PROPULSION SYSTEM WITH PULSE ELECTRIC PROPULSION ENGINE

Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия и двигательных установок (ДУ) на их основе.
Известны импульсные плазменные реактивные двигатели на твердофазном рабочем теле (ТРТ) типа фторопласт [Электрические ракетные двигатели. Гришин С.Д, Лесков Л.В., Козлов Н.П., Машиностроение, 1975, стр. 198…208.], [Новый этап развития абляционных импульсных плазменных двигателей в НИИ ПМЭ, Антропов Н.Н. и другие, вестник ФГУП «НПО Лавочкина», №5 за 2011 год, стр. 30…40]. ДУ на основе такого двигателя для подачи шашек ТРТ содержат пружинные механизмы подачи шашек ТРТ в разрядную зону по мере их выработки. Существенные ограничения на габариты шашек и пружинный механизм их подачи приводят к снижению располагаемого суммарного импульса тяги ДУ на ТРТ. Кроме того, удельные характеристики для двигателей на ТРТ низкие, вследствие доминирующего газодинамического механизма плазмообразования, а необходимость иметь в своем составе специальную свечу для инициирования начало разряда, усложняет систему управления и электропитания ДУ.
Более прогрессивные решения в части улучшения удельных характеристик по импульсным ЭРД на ТРТ типа фторопласт и керамика с высоким значением диэлектрической проницаемости предложены в изобретениях по патентам [Импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле. Патент РФ №2146776, 1998 год, Ю.Н. Вершинин и другие], [Импульсный электрический реактивный двигатель. Патент РФ №2211952, 2001 год, Ф.А. Казанкин, Л.А. Потабачный, Ю.Н. Вершинин, Р.В. Емлин], где доминирующим механизмом плазмообразования служит электронно-детонационный тип разряда [Способ получения реактивной тяги. Патент РФ №2129594, 1996 год, Ю.Н. Вершинин, Б.А. Некрасов]. Однако и этим решениям присущи те же недостатки в части габаритов шашек, механизма их подачи и ограничений по суммарному импульсу тяги. Следует отметить, что для достижения электронно-детонационного типа разряда, в обеспечение высоких выходных характеристик импульсного ЭРД на электроды двигателя подают высокий электрический потенциал с длительностью в наносекундном диапазоне [Способ получения реактивной тяги. Патент РФ №2129594, 1996 год, Ю.Н. Вершинин, Б.А. Некрасов], что требует применение дорогостоящих генераторов импульсных напряжений (ГИН) по типу разработок в ИЭФ УрО РАН.
Известен импульсный электрический двигатель [Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель. Патент РФ №2266428, 2005 год, Ф.А. Казанкин, Л.А. Потабачный, С.Н. Бухвастов] на жидкофазном рабочем теле (ЖРТ) с электронно-детонационным типом разряда, система подачи ЖРТ из емкости хранения в нем организована с использованием фитиля, контактирующего с подвижной поверхностью, имеющей разрядный промежуток. Разряд в таком двигателе осуществляется по пленке из жидкофазного рабочего тела. В таком двигателе, взятом за прототип, состоящем из анода, катода, и разрядного промежутка между ними, рабочее тело в зону между анодом и катодом подается в виде пленки ЖРТ, как результат смачивания подвижной поверхности. Форма подвижной поверхности может быть цилиндрической или дисковой. В качестве ЖРТ применен жидкий диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров, например синтетическая жидкость, вакуумное масло и другие. При этом подвижная поверхность выполняется из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например капролона. В такой компоновке ДУ не имеет принципиальных ограничений по величине суммарного импульса тяги, не содержит специальных дополнительных средств инициирования разрядного процесса.
К недостаткам данного технического решении следует отнести смачивание пленкой ЖРТ всей подвижной поверхности цилиндра (барабана) или диска, хотя площадь, участвующая в разрядном процессе на практике более чем на порядок меньше площади пленки ЖРТ, нанесенной на подвижную поверхность, что ведет к непроизводительным потерям ЖРТ из-за испарения и растекания ЖРТ. Вторым недостатком такой компоновки системы подачи ЖРТ в разрядный промежуток является трудность настройки канала подачи на организацию пленки ЖРТ оптимальной толщины, тем более для работы в условиях изменяемой частоты импульсной работы двигателя. Как правило, система подачи настраивается на избыточную толщину пленки ЖРТ, наносимую на подвижную поверхность, что ведет в процессе ресурсной наработки двигателя к перерасходу ЖРТ и ухудшению удельных характеристик двигателя.
Кроме того, следует отметить, что существует ряд общих проблем для всех типов импульсных электрических двигателей, связанных с потерями и искажениями в линиях передач электрических импульсов от емкостных накопителей, входящих в состав ДУ [Новый этап развития абляционных импульсных плазменных двигателей в НИИ ПМЭ, Антропов Н.Н. и другие, вестник ФГУП «НПО Лавочкина», №5 за 2011 год, стр. 30…40], к электродам разрядного промежутка. Особенно это касается индуктивной составляющей линий электропередач, сведении к минимуму ее значений является важнейшей задачей, так как ее величина оказывает существенное влияние на крутизну фронта нарастания токов разряда, приводит к синусоидальным колебаниям тока разряда и снижению КПД разрядного процесса.
Для исправления подобной ситуации в установках с емкостным накопителем энергии для получения озона используют многозазорные разрядники (МЗР) конденсаторного типа, которые улучшают крутизну фронта нарастания разрядного тока, обеспечивают коммутацию тока на нагрузку в наносекундном диапазоне [Высоковольтные искровые разрядники для технологических установок. Н.И. Бойко и др., журнал «Приборы и техника эксперимента», №2, 2001, стр. 79…88], способствуют росту тока разряда [Воздушные разрядники атмосферного давления для работы в режиме с высокой частотой коммутации. Л.С. Евдошенко, журнал «Электротехника и электромеханика», №5, 2013, стр. 60…64], что обеспечивается оптимизацией зазоров разрядных промежутков МЗР и включением их последовательно друг за другом.
Сущностью предлагаемого технического решения по устранению вышеперечисленных недостатков является исполнение емкостного накопителя и импульсного ЭРД на ЖРТ как единого конструкционного элемента, что позволяет при применении диэлектрика с высоким значением диэлектрической проницаемости, как для емкостного накопителя, так и в качестве подложки (основания) для разрядных промежутков ЭРД реализовать электронно-детонационный тип разряда на основе общедоступной номенклатуры источников электропитания и управления работой ДУ. Для чего, дополнительно, каждый разрядный промежуток импульсного ЭРД ограниченный системой из двух электродов по типу «катод-анод», соединен между собой последовательно.
При этом в импульсном ЭРД, выполненном на основе нескольких разрядных промежутков линейного типа, включенных в разрядную цепь емкостного накопителя последовательно по типу многозазорного искрового разрядника, электрические поля в приэлектродных зонах будут усилены пропорционально величине диэлектрической проницаемости диэлектрика [Месяц Г.А.. Эктоны, часть 1. УИФ «Наука», г. Екатеринбург, 1993, стр. 68…73], а сам разрядный ток будет по форме апериодичен и иметь крутой фронт по нарастанию.
Эта комбинация технических решений позволяет реализовать в импульсном ЭРД электронно-детонационный тип разряда при значительно (на порядок) меньших уровнях напряжения подаваемого на электроды, что будет способствовать упрощению устройств выработки электрических команд и снижению массы и габаритов ДУ в целом.
С учетом вышеизложенного, двигательная установка с импульсным электрическим реактивным двигателем состоит из собственно ЭРД импульсного действия с электродами и линейным разрядным промежутком на подвижной поверхности, бака хранения жидкого рабочего тела, трубопровода подачи рабочего тела с насосом подачи к капиллярному фитилю, установленному перед разрядным промежутком, после разрядного промежутка с подвижной поверхностью контактирует фитиль, сообщенный с трубопроводом отсоса рабочего тела, снабженного насосом и соединенного с баком хранения рабочего тела, зарядного устройства и накопителя электрической энергии емкостного типа.
Отличие предлагаемого решения заключается в том, что разрядные промежутки импульсного ЭРД выполнены на цилиндрической поверхности минимум двух конденсаторов с обкладками на боковых поверхностях дисков с высокой диэлектрической проницаемостью, входящих в состав емкостного накопителя, с промежуточными электродами, установленными в этих промежутках, соединенных в последовательную цепь.
Обкладки емкостного накопителя, установленные на боковых поверхностях диска удалены от электродов разрядных промежутков, установленных на цилиндрической поверхности диска на расстояние, предотвращающее совместный электрический пробой в период зарядки емкостного накопителя.
На практике, устройство, совмещающее функции емкостного накопителя энергии, линий передач электрических импульсов и собственно импульсного ЭРД на ЖРТ в едином конструкционном узле может быть реализовано на основе стандартных дисковых высоковольтных конденсаторов типа КВИ (например, конденсатор КВИ-3, 10 кВ, 3300 пф) с высокой диэлектрической проницаемостью диэлектрика. Высокие значения диэлектрической проницаемости более 1000 для конденсаторов типа КВИ резко усиливают напряженность электрических полей в приэлектродных зонах разрядных промежутков, сформированных на цилиндрических поверхностях конденсаторов, что способствует пробою и ионизации продуктов истечения ЖРТ при низких значениях по напряжению и энергии вкладываемой в разряд. При этом, входящие в состав емкостного накопителя высоковольтные конденсаторы дискового типа подвергаются доработке в части изменения размеров их боковых электрод-обкладок для устранения паразитных пробоев между боковыми электрод-обкладками емкостного накопителя и электродами разрядных промежутков, установленными на цилиндрической части дисковых конденсаторов, при этом сам емкостной накопитель имеет возможность вращаться для нанесения на цилиндрические поверхности конденсаторов пленки ЖРТ. Кроме того, включение разрядных промежутков, размещенных на цилиндрических поверхностях конденсаторов электрически последовательно друг за другом, реализует положительные свойства, присущие многозазорным разрядникам применительно теперь и к условиям вакуума.
На фигуре 1 дана общая схема двигательной установки с импульсным электрическим реактивным двигателем, а на фигуре 2 - схема доработки высоковольтного конденсатора, являющегося основой емкостного накопителя и совмещенных с ним разрядных промежутков импульсного электрического ракетного двигателя.
Импульсный электрический реактивный двигатель, входящий в состав ДУ, состоит из разрядных промежутков, заключенных между электродами 1, расположенных на цилиндрической поверхности конденсаторов 2. Кроме импульсного ЭРД в состав ДУ входят: емкостной накопитель энергии на основе конденсаторов 2, система хранения 3 жидкого рабочего тела и двухканальная система подачи жидкофазного рабочего тела (приток-отток) к цилиндрической поверхности конденсаторов 2, содержащих разрядные промежутки, на основе насоса 4, например, перистальтического типа.
Доставка ЖРТ в зону разрядных промежутков ограниченных электродами 1 и отсос его осуществляется через смачиватели (капиллярные фитили) 5, путем вращения конденсаторов 2 емкостного накопителя с помощью электропривода 6. Электропривод 6 одновременно является и приводом насоса 4, синхронизируя скорость вращения конденсаторов с темпом подачи рабочего тела.
Зарядка емкостного накопителя на основе конденсаторов 2, может осуществляется высоковольтными импульсами, через диодный выпрямитель 7 от стандартного двухкатушечного автомобильного модуля зажигания 8 (например, модуль зажигания универсальный 55.3705), управление работой которого в данном устройстве обеспечивается симметричным (двухплечевым) мультивибратором 9. При достижении в емкостном накопителе уровня напряжения достаточного для пробоя разрядных промежутков ЭРД по электродам 1, происходит пробой последних и выброс плазмообразующих продуктов ЖРТ.
На фигуре 2 показан вариант доработки дисковых конденсаторов типа КВИ для исключения паразитных пробоев между боковыми обкладками конденсаторов 10, выполняющих функцию емкостного накопителя и электродами 1 (катод-анод) разрядных промежутков импульсного ЭРД, монтируемых на цилиндрической части дисковых конденсаторов.
Основным критерием при доработке боковых обкладок дисковых конденсаторов служит величина промежутка Δ периферийной части боковых обкладок, подвергаемых удалению, которая должна в общем случае превышать ширину разрядного промежутка - L.
Работает двигательная установка на основе импульсного ЭРД (фиг. 1) следующим образом. Вначале электрический сигнал поступает на электропривод 6, который приводит во вращение дисковые конденсаторы емкостного накопителя и насос 4 подачи ЖРТ через смачиватели 5 к цилиндрическим поверхностям конденсаторов 2 емкостного накопителя.
По истечению времени, достаточного для смачивания разрядных промежутков (как правило, менее одной минуты, обеспечивается установкой стандартного реле времени) электрический сигнал подается на блок управления 9 (типа мультивибратора) и блок выработки высоковольтных импульсов 8 (типа модуля зажигания автомобильного), что приводит к генерации высоковольтных импульсов на модуле зажигания и их подаче на боковые обкладки 10 конденсаторов 2 емкостного накопителя энергии. После зарядки емкостного накопителя 2 и роста напряжения на его боковых обкладках до величины достаточной для пробоя разрядных промежутков, сформированных на цилиндрических поверхностях дисковых конденсаторов, смоченных ЖРТ, происходит электрический пробой их через электроды 1 и генерация плазмообразующих продуктов истечения, которые и создают тяговый импульс. При этом энергия емкостного накопителя переходит в энергию продуктов истечения (плазмы).
После чего в ДУ снова повторяется процесс зарядки емкостного накопителя энергии 2 и происходит повторный процесс пробоя разрядных промежутков через электроды 1 и генерации плазмообразующих продуктов истечения на разрядных промежутках, сформированных на цилиндрических поверхностях дисковых конденсаторов, для создания следующего тягового импульса.