МЕМБРАННЫЙ ИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Рубрики международной патентной классификации (МПК) полезной модели:
F03H - Особые способы и устройства для создания реактивной тяги, не отнесенные к другим подклассам (от использования продуктов сгорания F02K).
Название полезной модели: «Мембранный ионный двигатель».
Полезная модель относится, к электрическим ракетным двигателям. Полезная модель может быть применена при создании не пилотируемых реактивных аппаратов, пилотируемых реактивных космических аппаратов (далее - «космических кораблей»).
Из уровня техники известно, что космические корабли в настоящий момент приводятся в движение: химическими реактивными (ракетными) двигателями внутреннего сгорания, электрическими ракетными двигателями. Для старта и полетов на орбиту в настоящее время используются химические ракетные двигатели (ХРД). Большинство ХРД используют горючее и окислитель (вместе - топливо), продукты сгорания нагреваются в камере сгорания до высоких температур, расширяясь, разгоняются в сверхзвуковом сопле и истекают из двигателя. Распространены жидкостные и твердотопливные ракетные двигатели (ЖРД и ТРД, соответственно). В ТРД горючее и окислитель хранятся в форме смеси твердых веществ, а топливная емкость одновременно выполняет функции камеры сгорания. В ЖРД горючее и окислитель пребывают в жидком агрегатном состоянии. Они подаются в камеру сгорания с помощью турбонасосной или вытеснительной систем подач. ЖРД допускают регулирование тяги в широких пределах, и многократное включение и выключение, что особенно важно при маневрировании в космическом пространстве. Оба вида ХРД имеют достаточные удельные импульсы для старта и выхода на орбиту (до 4500 м/с). Однако, для маневрирования на орбите и движения в космическом вакууме ХРД не удобны. Топливо имеет значительную массу, занимает достаточно большой объем, а также практически всегда либо токсично, либо взрывоопасно. Для того, чтобы использовать химический ракетный двигатель на орбите, требуется доставить на орбиту соответствующие запасы топлива. Кроме того ХРД обладают крайне низким КПД (около 1%), так как большая часть химической энергии топлива превращается, в конечном счете, в энергию теплового излучения.
Электрические ракетные двигатели (ЭРД), в качестве источника энергии для создания тяги используют электрическую энергию. Разнесение источника энергии и ускоряемого вещества позволяет обеспечить высокую скорость истечения рабочего тела (РТ), а также и меньшую массу космического корабля за счет снижения массы хранимого РТ. Это позволяет увеличить полезную нагрузку, либо улучшить массо-габаритные характеристики самого космического корабля. Удельный импульс ЭРД может достигать 10000-210000 м/с. ЭРД может получать питание от солнечных батарей, аккумуляторов, конденсаторов. Из-за несовершенства применяемых источников питания тяга существующих ЭРД не велика, соответственно ускорение космического корабля составляет десятые и даже сотые доли ускорения свободного падения. ЭРД характеризуются не очень высоким КПД - от 30 до 60%.
Ионные ракетные двигатели используют процессы ионизации рабочего тела путем бомбардировки электронами. Далее происходит удаление электронов, и ускорение ионов стационарным электрическим полем. Выбрасываемые ионы создают реактивную тягу. Очевидно, что для ионизации необходимо сообщить рабочему телу с помощью электронов соответствующую энергию ионизации, а для разгона ионов надо тоже потратить энергию на создание разницы потенциалов. При этом источниками энергии ионного двигателя являются солнечные батареи, поэтому мощность двигателей невелика.
Наиболее известны организации, создающие космические корабли: ОАО "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева", NASA, SpaceX. Указанные космические корабли используют химические ракетные двигатели для старта и выхода на орбиту и электрические ракетные двигатели для маневрирования космических кораблей.
Задачей создания данной полезной модели было проектирование таких реактивных двигателей, которые обладали бы небольшой массой, высоким КПД, были бы экологичны, безопасны и просты в эксплуатации. При старте и выходе на орбиту указанные двигатели использовали бы оптимальный для условий полета вид РТ. Таким образом, мембранные ионные двигатели позволяли бы: старт, выход на орбиту, осуществление корректировок и маневров космических кораблей, а также служили бы для достаточно быстрого покрытия космическими кораблями космических расстояний.
Результатом использования данной полезной модели станет появление космических кораблей, которые будут достаточно легкими в обслуживании, способным на большой скорости перемещаться на значительные расстояния, экологически безвредными, дешевыми в использовании. Для решения поставленной задачи необходимо осуществить следующие существенные решения:
- рассчитать оптимальные рабочие процессы;
- спроектировать специальные камеры преобразования и ионизации;
- подобрать оптимальные рабочие тела для выхода на орбиту и взаимодействия с источником питания;
а также:
- разработать особые источники питания системы.
Таким образом, сущностью полезной модели является сочетание специальных камер преобразований и ионизации для оптимального протекания рабочих процессов, а также возможность использования принципиально новых в ракетостроении источников питания.
Мембранный ионный двигатель (далее - «МИД») может напоминать компоновкой ионный ракетный двигатель и может быть, в принципе, создан путем:
- конструирования специальной камеры преобразований с нагревательными элементами;
- конструирования камеры ионизации, оснащенной специальными мембранами, проходя через которые атом водорода распадается на протон и электрон (ионизируется); а также:
- подбора источников питания, оптимальных для определенного режима полета (сверхпроводящие индуктивные накопители энергии, аккумуляторы, солнечные батареи).
Как уже упоминалось ранее, высокий удельный импульс ЭРД (10000-210000 м/с) достигается благодаря тому, что ионизированный газ ускоряется электростатически и фокусируется магнитным полем. При этом плотность указанного ионизированного газа невысока (так как, во-первых, мощность источников питания ограничена; во-вторых для ионизации плотного газа потребовался бы уже дуговой разряд и, соответственно, увеличились бы тепловые потери, сопутствующие такому электрическому току). Поэтому такой двигатель может быть использован только в вакууме и не годится для старта космического корабля. Предлагается использовать ионизационные камеры, которые вместо сложных электронных излучателей и коллекторов электронов содержали бы большие площади мембран, проходя через которые атом водорода распадался на протон и электрон (ионизировался).
Как известно, рабочее тело для реактивного двигателя стараются подбирать таким образом, чтобы оно было способно получать максимальный импульс. При этом, одинаковыми импульсами могут обладать и легкие частицы с большой скоростью и тяжелые частицы с небольшой скоростью. Однако легкого вещества можно запасти больше, поэтому предпочтительнее выбирать рабочее тело с меньшей атомной массой. Тем не менее, наиболее распространенными рабочими телами ионных двигателей являются ксенон и ртуть, вещества с достаточно тяжелыми атомами. Это объясняется тем, что, во-первых, указанные вещества имеют низкую энергию ионизации, во-вторых, в условиях длительной работы (для которой проектировались ранее ионные двигатели) указанные вещества могут легко храниться и обслуживаться; в третьих, они инертны и не повреждают ионизационную камеру.
Рабочим телом мембранного ионного двигателя выбран водород (вернее, ядра водорода - протоны) по следующим причинам. Во-первых, это - самое легкое вещество. Во-вторых, водород гораздо дешевле ртути и ксенона. В третьих, ионизация водорода (разделение атомов на протоны и электроны мембраной) может происходить с меньшими энергетическими затратами и в больших объемах. В четвертых, ионизационная камера может быть расположена внутри камеры преобразования и ее стенки являются мембранами, через которые водород диффундирует, не повреждая материала.
Когда водород растворяется в металлах, могут происходить следующие процессы: образование отрицательно заряженных ионов водорода и, соответственно, гидридов металлов с изменением структуры и вида вещества (например, образование гидрида лития) либо образование положительных ионов водорода (протонов) без изменения структуры и вида вещества (например, диффузия водорода в титане, тантале, палладии, ванадии,…). Именно второй из описанных процессов представляет интерес и может быть использован для целей создания мембранного ионного двигателя.
Как известно, при прохождении водорода под давлением сквозь металлические мембраны второго вида происходят последовательно следующие процессы: адсорбция («налипание» молекул), диссоциация (дробление молекул водорода на атомы), ионизация (разделение атома водорода на протоны и электроны), диффузия (прохождение протона кристаллические решетки мембраны), образование атомов (воссоединение протонов и электронов на другой стороне мембраны), рекомбинация (воссоединение атомов в молекулы), десорбция («отлипание» молекул водорода на другой стороне мембраны). Некоторые указанные процессы используются в технологиях топливных элементов: при прохождении водорода через мембранный электрод происходит его ионизация, и электроны, благодаря создаваемой разнице потенциалов, попадают в сеть и выполняют определенную работу, а после этого соединяются с атомами кислорода, и протонами на другом электроде.
В случае мембранного ионного двигателя водород, проходя через мембрану, также распадался бы на протоны и электроны. При этом, электроны удалялись бы с мембраны способом, аналогичным тем, какие используются в иных ионных двигателях для сбора и удаления электронов после бомбардировки и ионизации атомов ксенона в вакуумной ионизационной камере. Указанные электроны могут выводиться за пределы космического аппарата и выбрасываться в струю протонов, создаваемых мембранным ионным двигателем. На другой стороне мембраны появлялись бы протоны, не воссоединившиеся с электронами, которые разгонялись бы электростатически (с помощью сеток с разницей потенциалов), подобных сеткам, применяемым в обычных ионных двигателях либо благодаря эффекту Холла. Таким образом, отличие предлагаемого мембранного ионного двигателя от уже существующих ионных двигателей в способе получения рабочего тела (ионов газа - протонов, в нашем случае), а также в плотности указанного ионного газа. Представляется, что применяемые ранее методы ионизации (бомбардировка разреженного ксенона быстрыми электронами) не является энергетически выгодной и не позволяет создать высокое давление в камере ионизации. Так, энергия ионизации ксенона равна 12,13 эВ или 1170,0 кДж/моль. Для ионизации килограмма этого газа потребуется потратить 1170*1000/131=8931 кДж=2,4 кВт*ч. Ионизация водорода при прохождении через мембрану потребует следующих энергетических затрат: испарение и активация диффузии. Удельная теплота испарения килограмма водорода составляет 904 кДж=0,24 кВт*ч. Для растворения килограмма водорода в ванадии энергия активации диффузии равна 45 кДж=0,01 кВт*ч. Таким образом, суммарные энергетические затраты на ионизацию килограмма водорода с помощью мембраны равны всего лишь 0,25 кВт*ч (почти в 10 раз меньше, чем на ионизацию ксенона). Более того, прохождение водорода через некоторые металлы (например, палладий, тантал) является экзотермическим процессом (сопровождается выделением тепла), то есть сама мембрана будет нагреваться.
Представляется оптимальным хранить водород в жидком состоянии. Однако водород может использоваться и в связанном состоянии, например, в виде сжиженного метана. В обоих случаях и водород, и метан могут быть использованы еще и как хладагенты в сверхпроводящих индуктивных накопителях энергии (СПИНЭ), которые (наряду с аккумуляторами, солнечными батареями и другими источниками энергии) могут выступать источниками энергии мембранного ионного двигателя. Однако во втором случае потребуется не только испарение, но и расщепление метана в камере преобразования для того, чтобы получить газообразный водород под давлением. Технологии получения водорода из метана давно уже существуют, простейшая из них - это сильный нагрев метана.
СПИНЭ представляют собой замкнутые сверхпроводящие катушки индуктивности (соленоиды), погруженные в хладагент. Если такой соленоид намотан на тороидальную поверхность, то все линии магнитного поля содержатся внутри тора, и рассеяние магнитного поля за пределы тора и его влияние на какие либо электрические приборы практически исключается. Электрический ток, в таких катушках может циркулировать неограниченно долго. СПИНЭ запасает энергию магнитного поля.
Энергия СПИНЭ могла бы расходоваться частично на испарение и нагрев хладагента (жидкого водорода либо метана), поступающего в камеру преобразования из дополнительного бака либо поступающего из уже разряженного прежде СПИНЭ. Частично энергия СПИНЭ расходовалась бы на создание разницы потенциалов на сетках в ионизационной камере (для ускорения протонов), на обогрев мембраны и на удаление избытка электронов, образующихся на мембране. Таким образом, самый первый СПИНЭ в процессе электрической разрядки нагревал бы запас хладагента (например, водорода), поступающий в камеру преобразования из дополнительного бака. Водород в камере преобразования испарялся бы, создавал определенное давление и начинал проникать сквозь мембрану в ионизационную камеру, граничащую с камерой преобразования. Идеально было бы создать ионизационную камеру из материала мембран и расположить ионизационную камеру внутри камеры преобразования, оставив лишь выход для ионов (протонов). Тогда почти вся площадь ионизационной камеры была бы мембраной, через которую проходили бы протоны. Возможно также иное увеличение площади мембран, являющихся границей между камерой преобразования и ионизационной камерой. Материалом мембран может быть ванадий, покрытый тонкой пленкой палладия. Ванадий - металл, через который быстрее всего диффундируют протоны (через мембрану, толщиной d=1 мм при температуре Т=400 K и атмосферном давлении водород проходит всего за 1,2 секунды). Тонкое палладиевое напыление предохраняет поверхность ванадия от окисления. Процесс диффузии водорода через металлы зависит от природы металла, толщины стенки и связан с давлением газа и температурой металла следующим уравнением:
где V - объем диффундируемого газа; t - время диффузии; S - площадь диффузии; a и b - константы для данной пары металл - газ; d - толщина стенки; р - давление у поверхности металла, в которую входит газ; Т - абсолютная температура. Применительно к случаю мембранного ионного двигателя из формулы видно, что чем тоньше мембрана больше ее площадь и выше давление водорода в камере преобразования, тем больше протонов проходит в камеру ионизации. Таким образом, увеличивая площадь поверхности ионизационной камеры (она может быть увеличена, в очень больших пределах без изменения объема камеры, созданием любой прихотливой геометрии), уменьшая толщину ее стенок, уменьшая объем ионизационной камеры и увеличивая давление в камере преобразования можно добиться ситуации, когда давление протонов в ионизационной камере будет выше давления атмосферы, тем более, что частицы с одноименным зарядом (протоны) будут, благодаря кулоновским силам, создавать большее давление, чем обычный газ с той же атомной массой. Так, если, как уже упоминалось, при температуре 400 К водород проходит мембрану, толщиной 1 мм, за 1,2 секунды, то создав давление в камере преобразования в 700 атм, мы увеличим скорость прохождения указанной мембраны в корень квадратный из 700, или, примерно, в 26 раз. Это означает, что мембранный ионный двигатель сможет работать не только в космосе, но и обеспечивать старт космического корабля с земли. Протоны в ионизационной камере мембранного ионного двигателя могут быть разогнаны тем же способом, что и в обычном ионном двигателе, например, с помощью установки сеток, между которыми создается разность потенциалов. Пучок фотонов может, также как и в обычных ионных двигателях, концентрироваться кольцевыми магнитами, расположенными в камере ионизации (хотя в случае, если камера ионизации находится внутри камеры преобразования и выполнена из материала мембран, кольцевые магниты могут не применяться).
После разрядки первого СПИНЭ его обмотка уже не нуждается в хладагенте (жидком водороде) для перевода обмотки в сверхпроводящее состояние. Поэтому хладагент из разряженного СПИНЭ поступает в камеру преобразования, где его нагревает в процессе своей разрядки уже следующий СПИНЭ и так далее.
Нагрев хладагента в камере преобразования может производиться до той температуры и того давления, которого требуют конкретные условия полета. В случае если ионизационная камера находится внутри камеры преобразования, нагрев стенок камеры преобразования создавал бы двойной эффект. Во-первых, нагрев стенок, выполняющих роль мембран, увеличивал бы скорость диффузии протонов сквозь них. Во-вторых, некоторые стенки камеры ионизации являются частями камеры преобразования, и их нагрев способствует переводу впрыскиваемого жидкого водорода в газообразное состояние.
3
3
2
Одним из перспективных сверхпроводящих материалов для изготовления сверхпроводящих обмоток катушки СПИНЭ мог бы являться материал на основе иттриевых купратов (обычно обозначается как «YBCO»). Плотность указанного вещества (p) составляет всего лишь 6,3 г/см (6300 кг/м). Критическая температура сверхпроводимости (Тс) YBCO выше 100 К, критическое поле (Вс) может быть 70-100 Тл и выше. В указанном сверхпроводящем материале в настоящее время достигаются плотности критического тока (Jc) порядка 7×10^6 А/см (знаком «^» здесь и далее обозначается степень). Камера преобразования должна быть выполнена таким образом, чтобы выдерживать высокие внутренние давления. Внутри камеры преобразования располагается нагревательный элемент, благодаря которому магнитная энергия, запасенная в СПИНЭ либо выработанная солнечными батареями, преобразуется в тепло. Импульс тока от СПИНЭ может длиться в течение времени t=L/r, где L - индуктивность СПИНЭ, а r - сопротивление нагрузки. Импульс тока может быть также преобразован, выровнен или растянут инвертором, в том числе, постоянный ток может быть преобразован в переменный, если этого требует выбранный нагревательный элемент.
Нагревательный элемент в камере преобразования может быть выполнен в виде соленоида вокруг внешних стенок ионизационной камеры, ток в котором будет нарастать и затухать постепенно. Указанный нагревательный элемент может быть выполнен из материала, имеющего относительно высокое сопротивление, например, из графита.
На фиг. 1 отражена возможная схема конструкции Мембранного ионного двигателя.
Первоначально, из водородного бака с жидким водородом (3) подается по криогенной трубе (2) жидкий водород в камеру преобразования (4). Одновременно, от источника питания, в данном случае, одного из СПИНЭ (1), подается напряжение: на нагревательный элемент (5) вокруг ионизационной камеры (6), на ускоряющие сетки в ионизационной камере (7) и на излучатель электронов (8). Вследствие этого, жидкий водород в камере преобразования (4) испаряется и создает давление. Под давлением ядра атомов водорода (протоны) проникают в ионизационную камеру (6), стенки которой выполнены из мембранного материала. Далее протоны электростатически разгоняются ускоряющими сетками (7), на которых образовалась разница потенциалов. Электроны со стенок ионизационной камеры удаляются благодаря соответствующей разнице потенциалов и излучаются излучателем электронов (8) в струю ускоренных протонов.
После того, как весь жидкий водород из бака с жидким водородом (3) израсходован, а первый СПИНЭ разряжен, жидкий водород, являвшийся хладагентом в этом первом СПИНЭ, поступает по криогенной трубе (2) в камеру преобразования (4) и весь процесс повторяется, с той разницей, что теперь энергия другого СПИНЭ расходуется на испарение водорода и создание разниц потенциалов.
Произведем расчет энергии, генерируемой СПИНЭ из YBCO. Допустим, что сверхпроводящая тороидальная катушка находится в отсеке с жидким водородом, диаметр отсека 5 м и высота 3 м, при этом СПИНЭ создает магнитное поле с индукцией 30 Тл. Указанное поле заведомо меньше, чем Вс при данной температуре для YBCO. Тогда энергия такого СПИНЭ:
2
0
W=B*V/2*μ*μ=900*58,875/2*1,25*10^(-6)=21,195 ГДж
0
0
здесь В - значение магнитной индукции, V - объем тора, μ - магнитная проницаемость (для расчетов используем магнитную проницаемость вакуума μ=1,25×10^(-6) Гн/м).
Чем больше объем тора - тем большую энергию может запасти СПИНЭ.
2
2
Для того чтобы оценить массу и плотность энергии СПИНЭ из YBCO посчитаем массу провода (предположим, его сечение 1 см и по нему проходит ток, плотностью J=5*10^6A/см, заведомо меньший Jc) из которого состоит обмотка СПИНЭ. Известно, что для соленоида энергия магнитного поля рассчитывается также по формуле:
2
2
W=L*I/2, или L=2W/I
где I - сила тока, L - индуктивность соленоида. Индуктивность тороидального соленоида рассчитывается также по формуле:
0
2
L=μ*(D-d)*h*n/(D+d),
где n - количество витков соленоида, D и d - внешний и внутренний диаметры тора, соответственно, h - высота тора. В нашем случае тор занимает весь цилиндрический отсек, тогда внутренний диаметр тора d стремится к нулю, отсюда:
0
2
2
L=μ*h*n, отсюда: n=L/ μ*h или через энергию W:
2
2
0
n=2W/I*μ*h=2*21,195*10^9/25*10^12*1,25*10^(-6)*3=12,7
Подставляя в указанную формулу известные уже значения, получаем, что количество витков п равно, примерно, 12. В случае тора с прямоугольным сечением длина каждого витка тора равна сумме длин сторон (а и b) его сечения:
2a+2b=2*2,5+2*3=11 м
3
3
Всего 12 витков, тогда длина всех витков тора примерно равна 11*12=132 м. Тогда, объем сверхпроводящего провода равен произведению его сечения на его длину: 0,0001*132=0,0132 м. Умножая полученный объем на плотность YBCO (6300 кг/м), получаем примерную массу сверхпроводящего провода: 83,16 кг.
Вычисленная ранее энергия расходуется на испарение водорода, создание разницы потенциалов на сетках камеры ионизации и на излучателе электронов. Удельная теплота испарения водорода составляет 904 кДж/кг. Указанный отсек со сверхпроводящим проводом может заполняться полностью m=V*p=4121,25 кг жидкого водорода. Таким образом, для того, чтобы испарить весь водород в отсеке со СПИНЭ необходимо 4121,25*904=3,72 ГДж энергии СПИНЭ. Оставшиеся 17,475 ГДж энергии могут быть потрачены на создание разницы потенциалов на сетках ионизационной камеры и на удаление электронов с мембран ионизационной камеры.
Представляется, что чем легче заряженная частица - тем меньше энергии потребуется на ее ускорение. Масса протона превышает массу электрона почти в тысячу раз. Следовательно, энергией, требуемой для вывода электронов с мембран и выведение их излучателем в струю ускоренных протонов можно пренебречь в принципиальных расчетах и считать, что оставшаяся энергия расходуется на создание разницы потенциалов на ускоряющих сетках в ионизационной камере.
Для того чтобы оценить разность потенциалов на ускоряющих сетках используем формулу, связывающую энергию, напряжение и силу тока W=U*I*t. Тогда напряжение может быть определено по формуле:
U=W/(I*t). В случае если цепь СПИНЭ разомкнуть и одновременно соединить с сетками в ионизационной камере, то в течение времени t на одной сетке возникнет отрицательный заряд, а на другой - положительный. В существующих ионных двигателях на ускоряющих сетках создается разность потенциалов, равная 1,3 кВ. Хотя, в случае мембранного ионного двигателя для ускорения протонов до той же скорости, что и положительно заряженных ионов ксенона потребуется гораздо меньшая разность потенциалов (вследствие того, что масса протона меньше массы ядра ксенона в 131 раз), рассчитаем, какое время заряда сеток потребуется. Из уже упомянутой формулы U=W/(I*t) получаем, t=W/(U*I)=2,7 секунды.
2
Полезная модель может быть материализована путем создания мембранного ионного двигателя с источниками питания в виде СПИНЭ в форме тороидальных катушек (например, из YBCO), позволяющих накапливать и сохранять электрический ток порядка 5*10^6 А/см. СПИНЭ будут помещены в отсеки с хладагентами (например, в жидкий водород). СПИНЭ соединяются посредством инверторов и электронно-управляемых электрических ключей с нагревательным элементом, находящимся в камере преобразования. В камеру преобразования из водородного бака или отсеков с разряженными СПИНЭ через криогенную трубу попадает хладагент (водород), который нагревается и испаряется, создавая давление. Далее водород попадает в мембраны, где происходит распад его атомов на электроны и протоны (ионизация). Электроны удаляются из мембран с помощью, электронных излучателей, которые выбрасывают их в протонную струю позади мембранного ионного двигателя. Протоны выделяются на другой стороне мембран и с помощью сеток с разностью потенциалов разгоняются и выбрасываются через сопло мембранного ионного двигателя.
1. СПИНЭ (сверхпроводящий индуктивный накопитель энергии). Может являться тороидальным соленоидом из сверхпроводящего материала (например, YBCO). СПИНЭ может замыкаться посредством сверхпроводящих электронных ключей и соединяться с помощью таких же ключей и инверторов либо только с помощью указанных ключей с нагревательным элементом, ускорительными сетками, излучателем электронов. Каждый СПИНЭ находится в криогенном отсеке. Криогенные отсеки могут быть выполнены из тех же материалов, которые используются при производстве некоторых криогенных установок (например, оцинкованная сталь). Внутри криогенного отсека содержится хладагент (например, жидкий водород), который, является одновременно рабочим телом. Криогенный отсек соединяется с криогенной трубой, через которую рабочее тело (хладагент) закачивается в камеру преобразований.
2. Криогенная труба для хладагента может иметь двойные стальные стенки, разделенные вакуумом. Труба соединяется с клапаном (либо клапанами) криогенных отсеков, через которые хладагент всасывается насосом внутри трубы и попадает через еще один клапан в камеру преобразования.
3. Водородный бак для хранения жидкого водорода может быть выполнен из стали либо из алюминия, усиленного карбоном. Водородный бак соединен через клапан с криогенной трубой.
4. Камера преобразования может быть изготовлена из оцинкованного алюминия, усиленного карбоном. Камера преобразования может быть соединена с криогенной трубой. Внутри камеры преобразований расположена ионизационная камера и нагревательный элемент.
5. Нагревательный элемент может представлять собой спираль вокруг ионизационной камеры, выполненную из тугоплавкого материала (например, вольфрам), покрытого материалом, в котором не растворяется водород, например, цинком.
6. Ионизационная камера находится внутри камеры преобразований. Ионизационная камера имеет максимальную площадь при минимальном для такой площади и наружном давлении объеме. Ионизационная камера изготовлена из материала, хорошо пропускающего ядра водорода (протоны), например, ванадия покрытого палладиевой пленкой. Вокруг ионизационной камеры располагается спираль нагревательного элемента. Внутри ионизационной камеры находятся ускоряющие сетки и могут находиться круговые фокусирующие магниты. Ионизационная камера соединена с соплом.
7. Ускоряющие сетки находятся внутри ионизационной камеры у сопла. Изготавливаются из материалов, хорошо проводящих электрический ток, покрытых металлами, не абсорбирующими водород, например, цинком.
8. Излучатель электронов соединен с ионизационной камерой и может представлять собой электронную пушку, где катод, подвергающийся нагреву находится за пределами космического корабля. Анод разгоняет электроны и направляет их в струю протонов, разгоняемых ускоряющими сетками и выбрасываемых из мембранного ионного двигателя.
При старте мембранного ионного из водородного бака с жидким водородом жидкий водород подается по криогенной трубе в камеру преобразования. От первого СПИНЭ подается напряжение: на нагревательный элемент и на ускоряющие сетки в ионизационной камере, а также на излучатель электронов. Жидкий водород в камере преобразования испаряется и создает давление. Под давлением протоны проникают в ионизационную камеру. После этого протоны разгоняются ускоряющими сетками. Электроны со стенок ионизационной камеры удаляются и излучаются излучателем электронов в струю ускоренных протонов. После того, как весь жидкий водород из бака с жидким водородом израсходован, а первый СПИНЭ разряжен, жидкий водород, являвшийся хладагентом в этом первом СПИНЭ, поступает по криогенной трубе в камеру преобразования и весь процесс повторяется, с той разницей, что теперь энергия другого СПИНЭ расходуется на испарение водорода и создание разниц потенциалов.
Таким образом, полезная модель «Мембранный ионный двигатель» позволяет создать ракетный двигатель, который является достаточно простым в управлении, легким, экологическим, безопасным и дешевым в эксплуатации и обладает высоким КПД.