СПОСОБ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНОЙ ТЯГИ
METHOD FOR CREATING ELECTRIC PROPULSION THRUST

Изобретение относится к аэрокосмической технике и может быть применено в электрореактивных двигателях и источниках электроэнергии для аэрокосмических транспортных средств и аппаратов.
Известны плазменно-ионные двигатели («Ионный двигатель», патент ФРГ №682150; «Электрореактивная двигательная установка», патент RU 2024785; «Плазменно-ионный комбинированный воздушно-реактивный двигатель», патент RU 2397363), содержащие ионизаторы рабочего тела, формирователи плазмы, ускорители заряженных частиц, поток которых создает реактивную тягу, движущую транспортное средство. Двигатели такого типа имеют следующие недостатки. Им требуются источники электроэнергии большой мощности и большие запасы топлива, так как они расходуют электроэнергию на ионизацию рабочего тела, получение плазмы, ускорение заряженных частиц, кроме того, они расходуют рабочее тело, запасы которого на борту весьма ограничены. Все это снижает КПД, коэффициент полезной нагрузки, ограничивает радиус действия транспортного средства и время жизни аэрокосмического аппарата.
Известен способ, реализуемый в двигательной установке для пилотируемой марсианской экспедиции (сборник тезисов докладов, СибГАУ, «Актуальные проблемы авиации и космонавтики», 2009, т. 1, с. 60-61), в которой сжигают углеводородное, химическое или ядерное топливо, создавая поток продуктов сгорания, движущийся с определенной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока, и магнитогидродинамическим (МГД) способом ускоряют поток нейтральной плазмы продуктов сгорания, создавая реактивную тягу, пропорциональную скорости выходящего из сопла потока газов.
Известен также способ создания электрореактивной тяги (RU 2567896, МПК P03H 1/100), заключающийся в формировании потока низкотемпературной плазмы из продуктов сгорания углеводородного, химического или ядерного топлива, движущегося с заданной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока продуктов сгорания. Одновременно с воздействием магнитным полем поток низкотемпературной плазмы подвергают воздействию резонансным СВЧ излучением, после чего поток плазмы разделяют на пучок катионов, направляемый в сопло для создания реактивной тяги, и пучок электронов, преобразуемый в электрическую мощность, дополнительно направляемую на ускорение пучка катионов, для создания увеличенной реактивной тяги. Данный способ выбран за прототип.
Недостатком прототипа является низкая тяга из-за недостаточной энергетической мощности для разгона электрореактивной струи, что не позволяет эффективно работать ЭРД на низких высотах.
Задачей изобретения является создание совмещенного электрореактивного импульсно-детонационного способа, обеспечивающего высокую тягу и КПД за счет использования химической и электрической энергии топлива, а также энергии сфокусированных отраженных ударных волн, ускоряющего электрического поля и воздействия заряженных частиц на продукты сгорания топлива.
Поставленная задача решается тем, что для обеспечения электрореактивной тяги совмещенной с импульсным детонационным процессом горения на продукты сгорания топлива в детонационной камере сгорания одновременно воздействуют отраженными сфокусированными ударными волнами, сверхзвуковым импульсным униполярным потоком катионов и импульсным ускоряющим электрическим полем, затем продукты детонационного горения разгоняют за счет энергии периодически инициируемой устойчивой детонационной волны и импульсного ускоряющего электрического поля, согласованного с частотой детонации, направляют в магнитное сопло и преобразуют в реактивную тягу. Энергию катионов или заряженных ионов, вышедших за срез магнитного сопла, сначала пропускают через усилитель-концентратор для получения плотных униполярных пучков, а затем преобразуют в дополнительную электрическую мощность и ускоряющее напряжение, а сами ионы нейтрализуют путем электростатического торможения и образования пучков медленных ионов для мягкого взаимодействия с электродами-коллекторами электростатических ловушек, выполненных из наномодифицированного углеродного материала, на основе механизмов ионно-электронной эмиссии и электронного торможения.
Известно, что горение - это цепная реакция последовательного дробления частиц топлива на все более мелкие заряженные радикалы. При эффективном горении внутренняя энергия топлива должна быть использована полностью. В предложенном способе горение осуществляется комбинированным способом: факельным воспламенением искрой импульсного лазера и объемным горением при воздействии высокотемпературного потока катионов (t=2800-3800°С), движущегося со сверхзвуковой скоростью 5 км/с и выше. При этом происходит перемешивание топлива в камере сгорания с большой турбулентностью и тепловой удар. С повышением теплонапряженности объема продуктов сгорания, давления, повышается скорость горения с образованием ударной волны, которая фокусируется и переходит в детонационную. Детонационная волна представляет собой совместное распределение механической ударной волны с фронтом пламени (см. Процессы воспламенения и горения топлива. http://www.studapedia.). Большая интенсивность турбулентности значительно увеличивает скорость горения за счет улучшения качества распыления топлива и высокой скорости его испарения при воздействии сверхзвукового потока катионов. Детонационное распространение пламени происходит при воспламенении горючей смеси вследствие ее сжатия в ударной волне (см. патент РФ 2442008). Ударная волна, проходя по горючей смеси, вызывает ее нагрев. Степень нагрева ее зависит от скорости ударной волны, температуры и давления. Катализатором горения в предлагаемом способе могут выступать также сверхзвуковые потоки катионов с избытком окислителя и электрическое поле. Электрическое поле выполняет роль электростатического насоса и диспергатора. Механизм электростатического дробления топлива объясняется силами кулоновского взаимодействия, за счет которого происходит отталкивания электрически одноименных заряженных частиц. Под действием электрического поля также происходит разрыв дипольных радикалов топлива активизированным окислителем, например, в виде катионов, а также лучшее перемешивание слоев горящего пламени, благодаря убиранию двойного электрического слоя на границе факела пламени (см. Электроогневая технология http://zaryad.com). Электрическое поле влияет на процесс горения посредством: ионного ветра, преобразования энергии электрического поля в тепловую энергию, а также оказывает прямое воздействие на кинетику реакций за счет вращающегося электромагнитного поля, воздействующего на заряженные частицы, которые движутся по спирали (см. Новая электроогневая технология экологически чистого горения. http://zaryad.com).
Тепловое движение горячих и дробящихся в пламени радикалов топлива препятствует их химическому соединению в зоне горения вновь в молекулы и способствует протеканию именно физико-химической цепной реакции горения (см. Дудышев В.Д. Электроогневая технология - эффективный путь решения энергетических и экологических проблем // жур. «Экология и промышленность России», №3, 1997 г.).
В результате воздействия указанных факторов и регулирования всех перечисленных параметров (температуры, давления, скорости и химического состава потока катионов, стехиометрического соотношения компонентов топлива, напряжения и частоты импульса ускоряющего электрического поля, а также импульсов лазера) достигается процесс горения с образованием детонационной волны, являющийся результатом сложения ударной волны и образующейся зоны сжатой быстрореагирующей (самовоспламеняющейся смеси) (см. Малиновский А.Э., Лавров Ф.А. «О влиянии электрического поля на процессы горения в газах» // ЖФХ, - 1931, т. 2, с. 530-534).
Воздействие внешнего электрического поля на заряженную компоненту пламени приводит к макроскопическим параметрам горения и к микровзрывам (см. Малиновский А.Э., Лавров Ф.А. «О влиянии электрического поля на процессы горения в газах» // ЖФХ, - 1931, т. 2, с. 530-534).
При ионизации распыленного топлива энергия его зажигания существенно уменьшается, а детонация происходит на очень коротких расстояниях, что улучшает технические характеристики импульсных электрореактивных детонационных ракетных двигателей (ИЭДРД).
Схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на чертеже.
Устройство содержит вспомогательные баки горючего 1 и окислителя 2, камеру сгорания топлива 3, канал продуктов сгорания 4, индуктор поперечного магнитного поля 5, канал положительно заряженных ионов катионов 6, ускоритель катионов 7, сопла с обратными клапанами 8, основной бак горючего 9, обратный клапан 10, форсунка горючего 11, основной бак окислителя 12, обратный клапан 13, форсунка окислителя 14, детонационная камера 15, отраженная сфокусированная ударная волна 16, агрегат формирования детонационного режима горения 17, канал продуктов сгорания 18, ускоритель потока продуктов сгорания 19, магнитное сопло 20, ускоритель катионов 21, электрод ускоряющий 22, электростатические ловушки 23, потоки положительно заряженных ионов (катионов) 24, мембрана электронов 25, аксиальный анод 26, канал пучка электронов 27, усилитель-концентратор электронов 28, аксиальный ускоряющий анод 29, электростатическая ловушка электронов 30, преобразователь энергии электронов в электрический ток 31, бортовая система электропитания 32, преобразователь энергии ионов в электрический ток 33, блок аккумуляторов 34, генератор СВЧ-излучения 35 (см. патент РФ 2541162, Генератор СВЧ-квантов на основе электронных пучков), волноводные каналы с облучателями и радиопрозрачными мембранами 36, высокопроводящие электромагниты продольного магнитного поля 37, согласующий датчик 38, блок импульсного включения лазера 39, лазер импульсный 40, фокусирующая линза 41, согласующий датчик лазера детонационной камеры 42, блок импульсного включения лазера 43, импульсный лазер 44, фокусирующая линза 45, огненное ядро 46.
6
Способ осуществляется следующим образом, из баков 1 и 2 горючее подается в камеру сгорания 3, где под действием искры импульсного лазера 40, энергия которой проходит через фокусирующую линзу 41, происходит воспламенение распыленного и перемешанного топлива с образованием огненного ядра 46 путем подачи сигнала от согласующего датчика 38, связанного с ускорителем 7, на блок импульсного включения лазера 39. Продукты сгорания под давлением 2⋅10 Па и температуре 2000-3000°С движутся (см. Cass R.В., Fibor Rein - forced ceramic radome material with improved resistance to thermal shock, high temperature and erosin / R.B. Cass // Advanced Cerametrics, Inc., 2006. - p. 1-7) по каналу 4, где на них воздействует поперечное магнитное поле, создаваемое индуктором 5, а также электронно-циклотронное резонансное СВЧ-поле частотой 34-37 ГГц, создаваемое генератором СВЧ-квантов 35. СВЧ-волны проходят по волноводам через радиопрозрачные мембраны 36, разогревают продукты сгорания до температуры 3500°С и выше (см. патент РФ 2567896. Способ создания электрореактивной тяги). В поперечном магнитном поле, создаваемом индуктором 5, под действием силы Лоренца и ускоряющего напряжения на аноде 26 (U=2-3 кВ) происходит разделение потока продуктов сгорания на катионы и электроны, движущиеся в противоположных направлениях, при этом электроны проходят через мембрану 25, усиливаются в усилителе-концентраторе 28 под действием ускоряющего поля анода 29 (U=2-3 кВ), а затем по каналу 27, разгоняясь, поступают в электростатическую ловушку 30, где преобразуются в электростатическое напряжение за сет торможения и взаимодействия с электродами-коллекторами, которые связаны с конденсаторами ионисторного типа (см. Д.Р. Рыжов, И.В. Трифанов, Б.Н. Казьмин, Л.И. Оборина. Рекуперация энергии квазиуниполярных пучков электронов и ионов в электроэнергию ЭРД. XIX Международная научная конференция «Решетневские чтения» - СибГАУ, 2015, ч. 1, с. 171-172). Часть пучков электронов поступают в преобразователь 31, где происходит преобразование энергии электронов в переменный ток по двухполупериодной схеме (см. Экспериментальная проверка перехода энергии взаимодействия электронной плазмы в электромагнитный процесс для создания электроэнергетической технологии. «Альтернативная энергетика и экология» Международный научный журнал, №11, 2012 с. 87-91).
Накопленный электростатический заряд преобразуется в постоянный электрический ток и ускоряющее напряжение, которое подается в импульсном режиме на ускоряющие электроды 7 (U=2-3 кВ) и 19 (U=3-5 кВ), а также используется для зарядки аккумуляторов 34. Переменный и постоянный ток, полученные при рекуперации энергии заряженных частиц, также подаются в систему питания 32 для электроснабжения всех систем электрического ракетного двигателя, в том числе для питания импульсных лазеров 40 и 44, высокопроводящих электромагнитов 37 продольного магнитного поля.
Разделенные пучки катионов под действием продольного магнитного поля сжимаются и не взаимодействуют практически со стенками канала катионов 6, ускоряются под действием импульсного ускоряющего напряжения U=2-3 кВ электрода 7, разгоняются до сверхзвуковой скорости в сверхзвуковых соплах 8, в которых установлены обратные клапаны, а затем в виде газовых ионизированных струй с избытком окислителя взаимодействуют с огненным ядром продуктов сгорания детонационной камеры 15. В камеру 15, где осуществляется тонкий распыл, горючее подается из бака 9 через обратный клапан 10, форсунку 11, а окислитель подается из бака 12, через обратный клапан 13, форсунку 14.
4
Распыленное топливо в камере 15 воспламеняется с образованием огненного ядра под действием искры импульсного лазера 44, энергия которого проходит через фокусирующую линзу 45. Сигнал на импульсный лазер 44 подается от согласующего датчика 42, связанного с ускорителем 19, на блок импульсного включения лазера 43, который управляет импульсным процессом зажигания распыленного топлива в детонационной камере 15 (см., например, Tran X.PHUOS and FREDRICK Р, WHITE. Laser-Incuced Spark Ingnition of CH/Air Mixtures. // Combustion and Flame. November 1999, volume 119, Number 3). Энергия пробоя лазерным лучом ионизированной среды снижается (см. патент РФ 2458248 // Способ организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе и лазерный ракетный двигатель / Дрегалин А.Ф., Саттаров А.Г., Мухамедзянов Р.А., Бикмучев А.Р., Муртазин Р.А., опубл. 10.08.2012).
На продукты сгорания топлива в детонационной камере 15 воздействуют высокоэнергетическим сверхзвуковым потоком катионов, вылетающих из сопел 8. При этом процесс горения переходит в режим детонационного горения и взрыва с повышением давления до 8-12 МПа и выше. В момент взрыва обратные клапаны 8 перекрывают вход в канал катионов 6, а также трубопроводы в баки 9 и 12 за счет работы обратных клапанов 10 и 13, при выбросе продуктов сгорания клапаны снова открываются и сверхзвуковой поток устремляется в камеру 15, а топливо из баков 9 и 12 через форсунки 11 и 14 снова поступает в детонационную камеру, где происходит детонационное горение. При этом ударные волны отражаются от полусферической стенки детонационной камеры сгорания 15, фокусируются и концентрируются в точке А, усиливая энергию периодически инициируемых детонационных волн 17, взрывное горение продолжается при движении продуктов сгорания по каналу 18, так как в продукты сгорания топлива постоянно поступают высокоэнергетические заряженные частицы - катионы, поддерживающие детонационный режим горения, а также процесс усиливается за счет энергии ускоряющего электрического поля. При воздействии энергии периодически инициируемой детонационной волны поток продуктов сгорания с заряженными частицами дополнительно ускоряется за счет импульсного ускоряющего напряжения, создаваемого электродом 19, на который подается напряжение 3-5 кВ от блока питания 32. Под действием химической энергии топлива, энергии бегущей периодически инициируемой детонационной волны и ускоряющего электрического поля поток разгоняется в магнитном сопле 20 до сверхзвуковых скоростей V=70-300 км/с, создавая реактивную тягу и высокий удельный импульс, за счет использования химической и электрической энергии топлива, а также энергии периодически инициируемой детонационной волны и ускоряющего электрического поля. Положительно заряженные продукты сгорания за срезом магнитного сопла 24 поступают через ускоритель 21 под действием ускоряющего электрического поля U=2-3 кВ, подаваемого с преобразователя 33 на электрод 22 электростатической ловушки 23, где происходит рекуперация энергии электронов в электростатическое напряжение, которое затем накапливается в конденсаторах ионисторного типа и сбрасывается в преобразователь 33. Катионы электростатическим торможением преобразуются в электростатической ловушке 23 с получением пучков медленных ионов для мягкого взаимодействия с электродами-коллекторами и последующей их нейтрализацией на основе механизма ионно-электронной эмиссии и электронного торможения. Неупругие столкновения, в основном связаны, с электронами углеродного наномодифицированного многослойного вещества электродов-коллекторов электростатической ловушки 23 и электронным механизмом торможения катионов (см. Курнаев В.А., Цветков И.В., Протасов Ю.С. Введение в пучковую электронику; М.: МИФИ, Учебное пособие, 2008 г.). Если посадить ионы на электроды-коллекторы электростатической ловушки с меньшей кинетической энергией, то такая рекуперация повышает КПД мощных пучковых систем. Таким же способом может быть рекуперирована и энергия отрицательно заряженных ионов, при этом на ускоряющих электродах электростатических ловушек 23 необходимо поменять полярность на (+). Ионисторные конденсаторы, связанные с электростатическими ловушками (на фиг. 1 не показаны), являются неполярными, в связи с этим процесс рекуперации энергии может осуществляться нормально.
Катионы, прошедшие через ловушки 23, нейтрализуются и выходят в окружающее пространство. Полученное электростатическое электричество используется также для питания электрических систем ЭРД (см. Димитров С.К., Обухов В.А., Системы торможения и рекуперации энергии плазменных потоков, (Ионные инжекторные и плазменные ускорители). Под ред. А.И. Морозова и Н.Н. Семашко, - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 193-219), (Пат. 2117398 РФ, МПК Н04В 13/00. Способ передачи энергии в вакууме / Аликаев В.В., Егоров А.Н., Семашко Н.Н., Латышев Л.А. №97103964/09; заявл. 13.03.1997; опубл. 10.08.1998).
Работа системы подачи, например, углеводородного топлива из баков 1, 2, 9, 12 и всех энергетических систем, работающих в импульсном режиме на частотах 200 Гц и выше, должна быть согласована с импульсно-детонационными процессами горения топлива. Частота импульсного ускоряющего поля , где t - длительность импульса, частота паузы между импульсами может быть (0,1÷0,3)t. В качестве рабочей смеси может быть использовано углеводородное топливо, желательно образующее простые катионы, в качестве окислителя - кислород.
Скорость продуктов сгорания за срезом магнитного сопла 20 может составлять 70-300 км/с в зависимости от импульсно-детонационного режима работы.
В предложенном способе повышается удельная тяга в 1,5-2 раза при работе в импульсно-детонационном и импульсно-пульсирующем режимах (см. А.А. Васильев. Особенности применения детонации в двигательных установках. Под ред д.ф.-м.н. С.М. Фролова, Торус Пресс, М, 2006 г.) при относительно высоком удельном импульсе за счет более полного сгорания топлива при одновременном воздействии сфокусированных отраженных ударных волн, сверхзвукового ионизированного потока катионов с избытком окислителя и ускоряющего электрического поля на процесс горения, увеличивающих кинетическую энергию реактивной струи. Способ позволяет обеспечить более высокую тягу на низких высотах и более высокий удельный импульс в космическом пространстве, что повышает эффективность ИЭДРД, коэффициент полезной нагрузки и КПД.