Коллоидный электроракетный двигатель
COLLOIDAL ELECTRIC PROPULSION

Изобретение относится к области электроракетных двигателей, а конкретно к коллоидным электроракетным двигателям, основанным на электростатическом распылении электропроводящих жидкостей. Разработка технологии космических аппаратов (КА) масштаба микро КА и нано КА является одним из трендов развития космической техники на ближайшие годы, что стало возможным вследствие прогресса в таких базовых технологиях как: микроэлектроника и электромеханика (MEMS технология). Небольшие размеры микро КА и нано КА накладывают ограничения на их энерговооруженность, поэтому КА указанной размерности должны быть оснащены двигателями с уровнем потребляемой мощности от единиц до десятков Ватт и тягой от единиц до сотен мкН. Коллоидные электроракетные двигатели, основанные на электростатическом распылении электропроводящей жидкости, являются одним из наиболее приемлемых вариантов двигателей для микро КА и нано КА.
6
Электростатическое распыление жидкости осуществляется путем подачи жидкости в распылитель в виде, например, металлической капиллярной трубки (далее капилляр) или в виде пористого тела малого диаметра, в область высокого электрического поля. Характерные размеры распылителей по диаметру 0,2-0,4 мм, напряженность электрического поля свыше 10 В/м. В предлагаемом изобретении рассматривается использование капиллярной технологии распылителей. В качестве рабочей жидкости двигателя используется ионно-проводящая жидкость.
В результате распыления при выборе соответствующей полярности образуются положительно или отрицательно заряженные капли наноразмерности, которые при ускорении в электростатическом поле создают тягу.
1. Аналог
-2
-1
-1
Известен коллоидный электроракетный двигатель, содержащий эмиттер заряженных частиц, образованный системой распылителей ионно-проводящей жидкости, ускоритель заряженных частиц, включающий последовательно установленные извлекающий и ускоряющий электроды, источники цепей электропитания, извлекающего и ускоряющего электродов, систему хранения и подачи электропроводящей жидкости в распылители эмиттера заряженных частиц [Патент США US 3,122,882, кл. США 60-202, 03.1964]. В качестве рабочей жидкости использованы растворы солей (NaI и KI) в глицерине. Недостатком известного технического решения, как показали исследования, является то, что при использовании рабочей жидкости на основе глицерина по причине низкой электропроводности (менее 10 Омм) можно получить лишь слабо заряженные частицы с удельным зарядом до 100 Кл/кг. Для того, чтобы ускорить частицы с таким зарядом до скорости свыше 1 км/с, что отличает электроракетные двигатели от других типов ракетных двигателей, необходимо приложить ускоряющую разность потенциалов свыше 50 кВ. В связи с этим в конструкции двигателя, как это показано в известном техническом решении, должны использоваться ускоряющие системы с множеством последовательно установленных электродов, а источником электрического питания рассматривается ядерный реактор с машинным преобразованием энергии. Известное техническое решение не удовлетворяет требованиям применения на КА малой размерности.
Многочисленные исследования выявили физические особенности электростатического распыления, что привело к прогрессу в этой области техники [V.V. Nigmatzyanov, V.V. Obukhov, G.A. Popov, V.V. Svotina. Colloid thrusters. Development Status and Prospects for Application. IOP Conference Series. Materials Science and Engineering 927 (2020) 012030. Doi: 10.1088/1757-899X/927/1/012030].
В настоящее время известно, что:
1) для применения в коллоидном электроракетном двигателе распыление должно осуществляться в одноструйном режиме при формировании конического мениска (конуса Тэйлора);
-1
-1
2) для получения заряженных частиц с высоким удельным зарядом должны применяться жидкости с электропроводностью не менее 1 Омм;
3) параметры одноструйного режима описываются параметрической зависимостью удельного заряда частиц q/m от режимных параметров двигателя и физических свойств жидкости:
q/m=C/ρ⋅(Kα/Q)<sup>1/2</sup>
(1)
где С - константа, определяемая для каждой жидкости экспериментально, ρ - плотность, К - электропроводность, α - поверхностное натяжение, Q - объемный расход жидкости.
Удельный заряд является важнейшим параметром, так как его величина определяет величины электрических потенциалов, тяги и удельного импульса тяги двигателя. Для практической реализации коллоидного электроракетного двигателя должно выполняться условие: q/m>5000 Кулон/кг.
Из зависимости (1) следует, что удельный заряд частиц тем выше, чем меньше расход жидкости. Однако, как показывают эксперименты, одноструйный режим при использовании капиллярной технологии имеет ограничение по минимальному значению расхода, как это следует из приведенной экспериментальной диаграммы Фиг.1, на которой область одноструйной моды разряда имеет отчетливый минимум по расходу [В.А. Обухов. А.Ф Штырлин. Исследование электростатического источника тяжелых заряженных частиц. Труды МАИ, выпуск 199, 1971]. Ограничение по минимальному расходу при одноструйном режиме распыления обуславливает ограничение по максимальной величине удельного заряда.
Удельный заряд при использовании жидкости с теми же свойствами можно обеспечить лишь при выполнении указанных выше условий 1 и 2 и при изменении конструкции распылителя.
2. Прототип
Ближайшим техническим решением является коллоидный электроракетный двигатель, содержащий эмиттер заряженных частиц, образованный системой распылителей ионно-проводящей жидкости, ускоритель заряженных частиц, включающий последовательно установленные извлекающий и ускоряющий электроды, источники цепей электропитания извлекающего и ускоряющего электродов, систему хранения и подачи электропроводящей жидкости в распылители эмиттера заряженных частиц, каждый из которых образован наружным полым корпусом и внутренним электродом, вершина которого выступает за торец полого корпуса [P.L. Wright, H. Huh, N.M. Uchizono, A. Thuppul, R.E. Wirz, A Novel Variable Mode Emitter for Electrospray. IEPC-2019-650, 2019, 11 p.].
Основным элементом двигателя, определяющим основные параметры двигателя: тягу и удельный импульс тяги, является эмиттер заряженных частиц, который работает как кластер единичных распылителей. Конструкция распылителя по прототипу приведена на Фиг. 2.
Распылитель образован наружным полым корпусом 3 и внутренним электродом 4, вершина которого выступает за торец полого корпуса 3. Такая конструкция распылителя позволяет реализовать два режима работы эмиттера заряженных частиц при соблюдении режима одноструйного распыления. На Фиг. 3 в определенном диапазоне по расходу в соответствии с диаграммой, изображенной на Фиг. 1, реализуется режим распыления с конуса Тэйлора, при этом внутренний электрод 4 находится внутри мениска. На этом режиме (далее «первый режим») внутренний электрод 4 не влияет на параметры распыления, происходящего с вершины конуса Тэйлора, как в случае обычного капиллярного распылителя, при этом наблюдается параметрическая зависимость (1).
При уменьшении расхода ниже минимального в соответствии с диаграммой Фиг. 1 конструкция распылителя по прототипу позволяет осуществить другой режим распыления (далее «второй режим»), показанный на Фиг. 3.
На этом режиме распыление происходит также с вершины конуса Тэйлора, который привязан к вершине внутреннего электрода 4, но при существенно меньшем расходе и при существенно меньших размерах конуса, чем на режиме, изображенном на Фиг. 2. В результате в соответствии с условием (1) получаются заряженные частицы с более высоким удельным зарядом.
Недостатком известного решения является то, что, как показали исследования, режим распыления с вершины внутреннего электрода осуществим при слишком низком с точки зрения применения в двигателе расходе жидкости. Это иллюстрируется сравнением величин тока, на первом режиме (верхняя кривая) и втором режиме (нижняя кривая), приведенных на Фиг. 4.
Из Фиг. 4 следует, что ток на первом режиме (верхняя кривая) превышает ток на втором режиме примерно в 200 раз (в конкретном эксперименте: на первом режиме от 360 до 430 нА, а на втором 2 нА). Такое снижение тока объясняется снижением расхода жидкости, поступающего к вершине внутреннего электрода. Расход жидкости на этом режиме определяется капиллярными силами при смачивании внешней поверхности. Используя теорию капиллярного движения [В.Г. Левич. Физико-химическая гидродинамика. Изд. 2-е. ГИФ-МЛ. Москва. 1959, стр. 378-381], можно оценить расход жидкости к вершине внутреннего электрода по формуле:
Q≈πr<sup>2</sup>дум<sup>-1</sup>l<sup>-1</sup>
(2)
-8
-9
-8
2
-3
-16
3
-12
3
где r - радиус внутреннего электрода 4, δ - толщина пленки жидкости при смачивании, σ - поверхностное натяжение, μ - динамическая вязкость жидкости, l - длина выступающей части внутреннего электрода 4. В приведенном эксперименте: r = 6,1⋅10м, δ ≈ 5⋅10м, l = 1,5⋅10м, σ = 5 Н/м, μ = 3,4⋅10Па⋅с. Расчет по (2) дает величину расхода Q≈5,5⋅10м/с. В то время, как на первом режиме расход составлял около 3⋅10м/с, что и объясняет разницу в токе заряженных частиц более, чем на два порядка величины.
УД
Оценивая оба режима с точки зрения их реализации в двигателе, воспользуемся следующими формулами для расчета тяги Т и удельного импульса тяги I:
Т=ρQw<sub>ист</sub>, I<sub>УД</sub>=w<sub>ист</sub>
(3)
ист
0
где w – скорость истечения ускоренных заряженных частиц. При ускоряющем потенциале U
w<sub>ист</sub>=2<sup>1/2</sup>U<sub>0</sub><sup>1/2</sup>(q/m)<sup>1/2</sup>
(4)
Подставляя (1) и (4) в (3), получим:
Т=2<sup>1/2</sup>U<sub>0</sub><sup>1/2</sup>C<sup>1/2</sup>ρ<sup>1/2</sup>(Kα)<sup>1/4</sup>Q<sup>3/4</sup>
(5)
I<sub>УД</sub>=2<sup>1/2</sup>U<sub>0</sub><sup>1/2</sup>C<sup>1/2</sup>(Kα)<sup>1/2</sup>Q<sup>-1/4</sup>
(6)
3
-12
-13
3
3
Из (5) и (6) следует, что в коллоидном электроракетном двигателе тяга и удельный импульс тяги зависят от расхода Q разнонаправлено. Увеличение удельного импульса тяги сопряжено с резким снижением тяги. В большинстве применений коллоидного электроракетного двигателя приходится ограничивать удельный импульс величиной около 5⋅10м/с, что соответствует расходу около 10 - 10м/с и удельному заряду частиц не менее 5⋅10Кл/кг. Из анализа результатов, полученных при экспериментальном исследовании распыления с использованием распылителя, выполненного в соответствии с прототипом, режимы с высоким удельным импульсом тяги получаются при слишком низком расходе и, соответственно, при слишком низком значении тяги.
Целью предлагаемого технического решения является расширение рабочего режима с высоким удельным зарядом распыленных частиц в сторону более высоких расходов. Решение этой задачи позволит определить режимы работы двигателя, позволяющие достичь более высокого значения удельного импульса тяги при высоком значении тяги двигателя.
Заявленный технический результат достигается тем, что в известном коллоидном электроракетном двигателе внутренний электрод распылителя размещен в корпусе из диэлектрического материала за исключением его выступающей вершины, при этом введен дополнительный источник электропитания, подключенный между полым корпусом и внутренним электродом распылителя.
Заявленное изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1. Режимы распыления.
Фиг. 2. Конструкция распылителя по прототипу на режиме распыления с вершины конуса Тэйлора.
Фиг. 3. Конструкция распылителя по прототипу на режиме распыления с вершины внутреннего электрода.
Фиг. 4. Изменение тока эмиссии заряженных частиц при переходе от первого ко второму режиму распыления.
Фиг. 5. Принципиальная схема предлагаемого коллоидного двигателя.
Фиг. 6. Конструкция эмиттера.
Фиг. 7. Режимы распыления с конуса Тэйлора.
Фиг. 8. Режимы распыления с вершины внутреннего электрода.
Фиг. 9. Режим распыления при подаче напряжения.
Двигатель содержит: эмиттер заряженных частиц 1 выполненный в виде кластера распылителей 2, каждый из которых содержит изолированные друг от друга наружный корпус 3 и внутренний электрод 4, размещенный в корпусе из диэлектрического материала 5, ускорительную систему, содержащую последовательно установленные извлекающий электрод 6 и ускоряющий электрод 7. На выходе из ускорительной системы установлен нейтрализатор 8. Двигатель содержит систему хранения и подачи рабочего тела, представляющего собой ионопроводящую жидкость. Система хранения и подачи рабочей жидкости содержит резервуар 9 с рабочей жидкостью, помещенный в металлическую емкость 10 с возможностью управления избыточным давлением в ней. Для этого, например, емкость 10 соединена с газовой камерой 11 с размещенным в ней сорбентом и нагревателем 12. Резервуар 9 связан с эмиттером 1 магистралью подачи 13. На магистрали подачи 13 установлен отсечной клапан 14. Двигатель содержит также систему электропитания и управления, содержащую, источник электропитания 15 цепи эмиттера, положительный полюс которого соединен с эмиттером, а отрицательный – с извлекающим электродом 5 и источник электропитания 16 цепи ускоряющего электрода. При этом, положительный полюс источника питания 16 соединен с ускоряющим электродом 6, а отрицательный полюс – с извлекающим электродом 6. Ускоряющий электрод гальванически напрямую или через балластное сопротивление (на чертеже не показано) связан с корпусом КА («заземлен»). Система электропитания содержит также источник электропитания нагревателя газовой камеры 17 и источник электропитания 18, подключенный к внутреннему электроду и наружному корпусу распылителей. Система управления (электроника) выполнена с возможностью управления током нагревателя 12, напряжениями источников питания 15, 16, 17, 18, а также отсечным клапаном 14.
Двигатель работает следующим образом. С помощью источника электропитания 17 создают требуемое давление в газовой камере 11. В качестве примера приведена система подачи с резервуаром 9 с рабочей жидкостью, выполненным, например, в виде сильфона из эластичного диэлектрического материала, например из фторопласта, и помещенным в металлическую емкость 10 с возможностью управления избыточным давлением в ней. Для этого, например, емкость 10 соединена с газовой камерой 11 с размещенным в ней сорбентом, например, циолитом и нагревателем 12. При нагреве сорбент выделяет содержащийся в нем газ при давлении, определяемом температурой его нагрева. Таким образом, в емкости 10 и резервуаре 9 с рабочей жидкостью задают избыточное давление. После этого с помощью источников электропитания 15 и 16 задают электрические напряжения на электродах 6 и 7 ускорительной системы. Например, на извлекающий электрод подают плюс 3000 В, а на ускоряющий минус 300 В. Затем подачей напряжения открывают отсечной электромагнитный клапан 14. Под действием избыточного давления в емкости 10 рабочая жидкость, например, раствор NaJ в формабиде из резервуара 9 по магистрали рабочего тела 13 поступает в распылители 2 эмиттера 1. При истечении жидкости из распылителя она под действием сильного электрического поля, образованного разностью потенциалов между эмиттером 1 и извлекающим электродом 6, распыляется на мелкие заряженные частицы (капли), которые ускоряются электрическим полем, создаваемым разностью потенциалов между эмиттером 1 и электродами 6 и 7 системы ускорения. На выходе из двигателя положительно заряженные частицы смешиваются с электронами, эмиттируемыми нейтрализатором 8 одного из известных типов, например выполненного в виде нагреваемой вольфрамовой нити. Поток ускоренных в электростатической системе заряженных капель нейтрализуется на выходе из двигателя по току и пространственному заряду частицами противоположного знака из нейтрализатора. Истекающий квазинейтральный поток заряженных частиц создает тягу.
3. Пример реализации
Пример конструкции эмиттера 1 с распылителями 2, выполненными согласно изобретению, приведен на Фиг. 6. Для возможности подачи разности потенциалов между внутренним электродом 4 и корпусом 3 распылителя 2 в конструкции эмиттера введена диэлектрическая разделительная прокладка 19, изолирующая внутренний электрод 4 от корпуса 20 эмиттера 1.
На фигуре 7 схематично показан режима распыления с мениска в виде конуса Тейлора (первый режим), а на Фиг. 8 - с вершины внутреннего электрода 4 (второй режим). При реализации второго режима между корпусом 3 и внутренним электродом 4 с помощью источника электропитания 18 подается разность потенциалов ΔU, при этом внутренний электрод 4 задается положительным по отношению к корпусу 3 распылителя 2. Возможность поддержания разности потенциалов между внутренним электродом 4 и корпусом 3 обеспечивается наличие изолирующего корпуса 5. За счет этой разности потенциалов в мениске жидкости создается электрическое поле:
E≈ΔU/R
(7)
где R – наружный радиус корпуса 3 распылителя 2.
Наведенное таким образом электрическое поле действует на объемную плотность зарядов σ (отрицательных анионов и положительных катионов) в ионопроводящей жидкости, за счет чего создается сила F с удельной объемной плотностью:
f = σE
(8)
Сила F действует в том же направлении, что и рассмотренная выше сила смачивания. Схематично это показано на Фиг. 9. За счет этой силы расход жидкости к вершине внутреннего электрода 4 увеличивается. При этом, изменяя напряжение на источнике электропитания 18, управляют расходом жидкости к вершине внутреннего электрода 4, чем и достигают заявленный положительный эффект: расширение рабочего режима с высоким удельным зарядом (второго режима) в сторону более высоких расходов.
В эксперименте использовался единичный распылитель следующей геометрии:
ВН
Д
0
наружный радиус внешнего корпуса 3: R = 0,4 мм; внутренний радиус R= 0,33 мм; наружный радиус диэлектрического корпуса 5: R = 0,2 мм; диаметр внутреннего электрода 0,1 мм. Материал внешнего корпуса 3 нержавеющая сталь, материал диэлектрического корпуса 5 окись алюминия, материал внутреннего электрода 4 вольфрам. Напряжение на источнике электропитания 18 варьировалось в пределах ΔU=1,5-3В. В экспериментах использовался плоский извлекающий электрод, установленный на расстоянии от вершины распылителя 8 мм. Разность потенциалов между распылителем и извлекающим электродом варьировалась в диапазоне U =5-6 кВ.
0
Подбирая значения потенциалов U и ΔU в указанных диапазонах, варьировали режимом распыления с вершины внутреннего электрода по расходу, что и являлось целью изобретения.