Электростатический плазменный двигатель космического аппарата на заряженных частицах для работы в космическом пространстве
ELECTROSTATIC PLASMA ENGINE OF A SPACE VEHICLE DRIVEN BY CHARGED PARTICLES FOR OPERATION IN SPACE

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано в космосе для межорбитальных буксиров и длительных космических межпланетных перелетов.
Известны ионные ракетные двигатели на газообразном топливе, относящиеся к электрическим ракетным двигателям, принцип работы которых заключается в ионизации газа и разгоне ионов электростатическим полем [1].
В известных ракетных двигателях источником ионов служит газ, например ксенон, аргон или водород. Газ из бака, стоящего в самом начале двигателя, подается в отсек ионизации (ионизатор), где образуется холодная плазма, которая разогревается в следующем отсеке посредством ионного циклотронного резонансного нагрева. После нагрева высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где она формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и истекает в окружающую среду. Таким образом, достигается тяга.
В ионизатор подается ксенон, который сам по себе нейтрален, но при столкновении с высокоэнергетическими электронами ионизуется. Таким образом, образуется смесь из положительных ионов и отрицательных электронов. Для «отфильтровывания» электронов может служить трубка с катодными сетками, которая притягивает к себе электроны.
Недостатком ионного двигателя является малая тяга (порядка 50-100 миллиньютонов), поэтому пока сферой их применения является управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли.
Известен также импульсный плазменный электрический реактивный двигатель, работающий на жидких рабочих средах, использующих электронно-детонационный тип разряда. Двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком в виде рабочей поверхности из диэлектрика, контактирующей с источником подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела. В качестве рабочего тела применяют жидкофазный диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров, например вакуумное масло, а рабочую поверхность выполняют из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например керамики или капролона [2].
Недостатком изобретения является то, что увеличение импульса тяги требует больших затрат энергии для разгона космической станции до больших скоростей. Это требует увеличения площади солнечных батарей, что трудно достичь в космических условиях.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является плазменный двигатель на наночастицах металлов или металлоидов, который содержит последовательно расположенные камеру сгорания, один вход в которую служит для ввода твердых наночастиц металла или металлоида в качестве топлива, а другой - для ввода окислителя топлива в виде водяного пара или кислорода, при смешении которых в камере возникает горение, хемоионизационные реакции окисления, дающие тепловой эффект, высокие температуры и образование нагретой плазмы, содержащей жидкие оксиды металлов или металлоидов, устройство охлаждения плазмы до температуры ниже температуры плавления полученных оксидов и образования в нагретой плазме твердых пылевых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов, электростатическое или электромагнитное разгонное устройство, которое разгоняет электростатическим или электромагнитным полем истекающую из устройства охлаждения нагретую плазму и создает высокоскоростной поток нагретой пылевой плазмы с высокоскростными отрицательно заряженными оксидами металлов или металлоидов, которые, истекая в окружающую среду, создают реактивную тягу двигателя. Металл может быть применен любым из ряда алюминий, бериллий, цирконий, железо, титан, металлоид - из ряда бор, кремний [3].
Изобретение обеспечивает увеличение удельного импульса тяги двигателя за счет дополнительного включения тепловой энергии хемоионизационных реакций и массы более тяжелых отрицательно заряженных оксидов металлов или металлоидов пылевидной плазмы.
Известный двигатель, как, впрочем, и все известные плазменные двигатели, чрезвычайно сложен. Другим недостатком подобных двигателей является то, что расходуемые в полете рабочие материалы (ксенон, аргон, аммиак, фторопласт, а также различные оксиды металлов или металлоидов и т.д.), не могут восполняться в космическом пространстве, потому что их там просто нет. К тому же данные материалы являются дефицитными и дорогостоящими, а объемы их производства в мире являются ничтожными. Так, например, годовой объем производства более приемлемого рабочего материала - ксенона, составляет менее 10 тон в год, и это во всем мире.
Техническим результатом от использования заявленного технического решения является упрощение конструкции известного двигателя, а также обеспечение длительного полета космических аппаратов в космическом пространстве, за счет использования в качестве рабочего материала двигателя тела космического происхождения, например, твердые грунты, взятые с поверхности космических тел.
Технический результат достигается тем, что в известном электростатическом плазменном двигателе космического аппарата на заряженных частицах для работы в космическом пространстве, содержащем корпус, расположенную в корпусе камеру испарения с рабочим телом, используемым в качестве топлива, импульсный лазер, служащий для разложения рабочего тела и формирования твердых нано- и микрочастиц, зарядную камеру и примыкающее к ней с торца разгонное устройство, в котором размещается система электродов, в которой первый по потоку электрод имеет отрицательный потенциал, а последующий по потоку электрод имеет положительный потенциал, при этом электроды размещены друг от друга на расстоянии, исключающем электрический пробой между ними и подключены к внешнему высоковольтному источнику тока, для создания разности электрических потенциалов между электродами, обеспечивающими необходимую скорость и направление истечения потока заряженных нано- и микрочастиц в окружающую среду, и создающих тем самым реактивную тягу двигателя, согласно изобретению в качестве рабочего тела используются малоразмерные каменистые грунты-базальты, взятые с поверхности космических тел, зарядная камера выполнена в виде полости, размещенной между внутренней стенкой корпуса двигателя и внешней стенкой камеры испарения, а внутри зарядной камеры размещены электрические нагреватели, обеспечивающие тепловую эмиссию электронов для зарядки твердых нано- и микрочастиц, при этом камера испарения содержит в верхней части выпускные отверстия, снабженные снаружи металлическим сетчатым фильтром, для перетока образовавшего газа и нано- и микрочастиц в полость зарядной камеры, а внутри камеры испарения под выпускными отверстиями, изнутри, размещена поперечная решетка, удерживающая рабочее тело в зоне воздействия лазера.
Технический результат достигается и тем, что корпус двигателя и корпус камеры испарения выполнены цилиндрической формы, при этом последний размещен коаксиально в полости корпуса двигателя.
Технический результат достигается также и тем, что разгонное устройство выполнено в виде усеченного конуса, прикрепленного большим своим основанием к выходу зарядной камеры, а электроды устройства при этом выполнены, преимущественно, решетчатого типа.
Технический результат достигается и тем, что электрические нагреватели, обеспечивающие тепловую эмиссию электронов для зарядки твердых пылевых нано- и микрочастиц, размещены в зарядной камере вертикально, и прикреплены изнутри к корпусу двигателя на равном удалении друг от друга по всему его внутреннему контуру.
Технический результат достигается и тем, что металлический сетчатый фильтр, перекрывающий выпускные отверстия камеры испарения, выполнен ленточного типа, который охватывает выпускные отверстия камеры испарения по всему его внешнему контуру, при этом максимальные размеры фильтрующих ячеек составляет, преимущественно, 5-10 мкм.
Технический результат достигается и тем, что корпус двигателя, корпус камеры испарения, а также электроды разгонного устройства выполнены из прочного титанового сплава.
Технический результат достигается также и тем, что внутренняя поверхность корпуса двигателя снабжена отражающими поверхностями, изготовленными из полированной высокопрочной стали.
Технический результат достигается и тем, что разгонное устройство выполнено работающим как в непрерывном режиме, так и в режиме кратковременных импульсов, длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд.
На рисунке показана принципиальная схема двигателя на заряженных частицах для работы в космическом пространстве.
Двигатель содержит корпус 1, расположенную в корпусе 1 камеру испарения 2 с рабочим телом 3, импульсный лазер 4 для получения нано- и микрочастиц из рабочего тела под воздействием высоких температур, зарядную камеру 5 и примыкающему к нему с торца разгонное устройство 6, где размещена система электродов 7 и 8, в котором первый по потоку электрод 7, имеющий отрицательный потенциал, размещен на входе разгонного устройства, а последующий по потоку электрод 8, имеющий положительный потенциал, размещен на его выходе. Электроды 7 и 8 подключены к внешнему высоковольтному источнику тока (на рисунке источник не показан) и размещены друг от друга на расстоянии, исключающем электрический пробой между ними. В верхней части корпуса 1 двигателя размещено загрузочное устройство 9 для подачи рабочего тела в камеру испарения 2. В качестве рабочего тела используются малоразмерные грунты-базальты, взятые с поверхности космических тел, например, астероидов.
Зарядная камера 5 выполнена в виде полости, образованной между внутренней стенкой корпуса двигателя 1 и внешней стенкой камеры испарения 2. Стенки камеры испарения снабжены выпускными отверстиями 10 для перетока образовавшего газа и пылевых нано- и микрочастиц в полость зарядной камеры 5.
Внутри зарядной камеры 5 размещены электрические нагреватели 11, обеспечивающие тепловую эмиссию электронов для зарядки нано- и микрочастиц. Внутри камеры испарения 2 размещено устройство решетчатого типа 12, удерживающее частицы рабочего тела на уровне ниже выпускных отверстий 10. Камера испарения 2 содержит снаружи в верхней части металлический сетчатый фильтр 13, который охватывает выпускные отверстия камеры испарения 10 по всему его внешнему контуру, при этом максимальные размеры фильтрующих ячеек составляет, преимущественно, 5-10 мкм.
Для обеспечения компактности двигателя, а также повышения надежности и безопасности ее работы, корпус двигателя 1 и корпус камеры испарения 2 выполнены цилиндрической формы, при этом последний размещен в полости корпуса двигателя 1 коаксиально.
Для повышения эффективности работы двигателя, разгонное устройство 6 выполнено в виде усеченного конуса, прикрепленного большим своим основанием к выходу зарядной камеры, а электроды 7 и 8 разгонного устройства 6 при этом выполнены, преимущественно, решетчатого типа.
Для обеспечения полной зарядки нано- и микрочастиц в зарядной камере 5, электрические нагреватели 11, обеспечивающие тепловую эмиссию электронов для зарядки микрочастиц, размещены в зарядной камере 5 вертикально, и прикреплены изнутри к корпусу двигателя 1 на равном удалении друг от друга по всему его внутреннему контуру.
Для повышения надежности работы двигателя, камера испарения содержит расположенную под выпускными отверстиями поперечную решетчатую перегородку, удерживающую рабочее тело в зоне воздействия высоких температур, при этом корпус двигателя, корпус камеры испарения, а также электроды разгонного устройства выполнены из прочного титанового сплава.
Для повышения КПД двигателя внутренняя поверхность корпуса двигателя снабжена отражающими поверхностями (на рисунке не показаны), изготовленными из полированной высокопрочной стали.
Для обеспечения работы двигателя на разных режимах, разгонное устройство выполнено работающим в непрерывном режиме, и режиме кратковременных импульсов, длительностью от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд.
Двигатель работает следующим образом.
Предварительно, рабочее тело, в качестве которого используются малоразмерные грунты-базальты, с размерами частиц 10-30 мм, из грузового отсека космического аппарата (на рисунке не показан) загружается в камеру испарения 2 двигателя, где подвергается воздействию высоких температур от импульсного лазера 4. При этом, под воздействием высоких температур (миллионы и выше градусов), происходит образование плазмы в поверхностном слое частиц рабочего тела. В результате происходит интенсивное испарение (сублимация) вещества рабочего тела и формирование в камере испарения нано- и микрочастиц, а также выделение связанных с веществом газов, количество которых, в составе рабочего тела может достигать в ряде случаев 20% [4]. Под давлением газов, образовавшихся в камере испарения 2, нано- и микрочастицы через отверстия в решетки 12, отверстия 10 камеры испарения, а также фильтр 13 поступают в зарядную камеру 5, где происходит их зарядка тепловыми электронами, истекающими из электрических нагревателей 11. Данный процесс происходит в результате многократного взаимодействия нано- и микрочастиц с облаком тепловых электронов, эмиссия которых происходит с поверхности электрических нагревателей 11. Данный процесс происходит до полного насыщения нано- и микрочастиц отрицательными зарядами. Этому процессу способствуют также ионы газов (кислорода, водорода и т.д.), являющиеся переносчиками зарядов от нагревателей к микрочастицам. При работе двигателя в непрерывном режиме отрицательно заряженные частицы из зарядной камеры 5, преодолев на выходе «запирающее усилие» электрического поля электрода 7, поступают в разгонное устройство 6, где разгоняются до высоких скоростей и выбрасываются в окружающую среду, создавая тем самым реактивную тягу двигателя. При работе двигателя в режиме кратковременных импульсов, длящихся от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд, запирающее усилие, создаваемое электродом 7, циклически меняется. При этом заряженные частицы, находящиеся в зарядной камере под избыточным давлением, выбрасываются в полость разгонного устройства, где под воздействием электростатического поля разгоняются до высоких скоростей и выбрасываются в открытое пространство, создавая тем самым необходимую тягу двигателя. Двигатель в этом случае работает в пульсирующем режиме. В процессе работы двигателя температура стенок корпуса 1 и камеры испарения 2 должна несколько превышать температуру возгонки рабочего материала, составляющего в данном случае для базальта ~1280°С. В этом случае нано- и микрочастицы не будут оседать (конденсироваться) на их поверхностях.
Использование в качестве рабочего тела малоразмерных каменистых грунтов-базальтов, взятых с поверхности космических тел, например, астероидов, решает задачу обеспечения длительных полетов космических аппаратов в космическом пространстве.
Базальты - самые распространенные магматические породы на поверхности Земли и на других планетах Солнечной системы. [4]. Температура плавления базальта составляет примерно 1280°С. [5], что делает процесс ее возгонки в условиях космического вакуума реализуемым и энергетически малозатратным.
Современный уровень развития космической техники позволяет успешно решать проблему забора грунтов с поверхности космических тел. Данная проблема была уже решена 50 лет назад, во время миссии «Аполлон-17», которая продлилась 12 дней. Астронавтам тогда удалось получить рекордное количество лунного грунта (базальта) для исследования их состава на Земле, а 20 октября 2020 года Зонд OSIRIS-Rex взял пробы пород с поверхности астероида Бену. На сегодняшний день на Землю уже доставлены образцы грунта и с астероида Итокава [5].
Предлагаемый двигатель отличается от прототипа простотой конструкции, и обеспечивает длительный полет космических аппаратов в космическом пространстве, за счет использования в качестве рабочего тела двигателя каменистые грунты-базальты, взятые с поверхности космических тел.
Результаты работы могут быть использованы при создании новых типов электроракетных двигателей для разгона и коррекции траектории космических аппаратов, в которых в качестве рабочего топлива используются нетрадиционные и восполняемые в космическом пространстве материалы.
Источники информации
1. Эдгар Чуэйри. Новый рассвет электрических ракет. - Журнал «В мире науки», №5, 2009, стр. 34-42.
2. Патент РФ №2358153. МПК F03H 1/00. Опубл.: 10.06.2009. Бюл. №16
3. Патент РФ №2534762. Опубл.: 10.12.2014. Бюл. №34.
4. Петрографический кодекс России. - СПб.: ВСЕГЕИ, 2008. - С. 115. - 200 с. - ISBN 978-5-93761-106-2.
5. Источник: http://www.mpoltd.ru/futerovka/307-futerovka-kamnelitaya-…