Способ подачи рабочего тела в импульсный плазменный электрический реактивный двигатель и устройство для его осуществления
METHOD OF SUPPLYING WORKING MEDIUM TO PLASMA ELECTRIC JET ENGINE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия, работающих на жидкофазных рабочих телах, и двигательных установок на их основе.
Известны импульсные плазменные реактивные двигатели на газообразном рабочем теле (ГРТ) типа ксенон, аргон, водород, и на твердофазном рабочем теле (ТРТ) эрозийного типа [«Электрические ракетные двигатели», С.Д. Гришин, Л.В. Лесков, Н.П. Козлов, Москва, Машиностроение, 1975 год, стр. 198…233], [«Основы теории космических электрореактивных двигательных установок», О.Н. Фаворский, В.В. Фишгойт, Е.И. Литовский, Москва, Высшая школа, 1978 год, стр. 170…173], [«Космические двигатели - состояние и перспективы», под редакцией Л. Кейвни (пер. с англ. под редакцией А.С. Коротеева), Москва, Мир, 1988 год, стр. 186…193]. Основным недостатком первого типа двигателей и двигательных установок на их основе является сложность синхронизации по времени подачи дозируемой порции ГРТ в зону разрядного промежутка со временем подачи разрядного импульса напряжения. Во втором случае - системы подачи и хранения шашек ТРТ содержат пружинные механизмы, которые обеспечивают подачу шашек ТРТ в разрядную зону по мере их выработки, при этом в процессе выработки шашек усилие подачи падает. Двигательные установки на основе двигателей с ТРТ, как правило, представляют единый блок с жесткими механическими связями, что накладывает серьезные ограничения на габариты шашек и двигательную установку в целом, кроме того, удельные характеристики для двигателей на ТРТ эрозийного типа низкие, вследствие доминирующего газодинамического механизма ускорения плазмы.
Более совершенным типом импульсного электрического двигателя, выбранного в качестве прототипа, является двигатель [«Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель», патент РФ 2266428 С2, Ф.А. Казанкин, Л.А. Потабачный, С.H. Бухвастов, 2002 год.] на жидкофазном рабочем теле (ЖРТ) с электронно-детонационным типом разряда [«Способ получения реактивной тяги», патент РФ №2129594, Ю.Н. Вершинин, Б.А. Некрасов, 1996 год], система подачи ЖРТ из бака хранения организована через эластичный фитиль, контактирующий с подвижной поверхностью, содержащей разрядный промежуток. Разряд в таком двигателе осуществляется по пленке из жидкофазного рабочего тела. В таком двигателе, состоящем из анода, катода и разрядного промежутка между ними, рабочее тело в зону между анодом и катодом подается в виде пленки ЖРТ, наносимой системой подачи в зоне контакта пористо-капиллярного эластичного фитиля с подвижной поверхностью и смачивающей последнюю. Форма подвижной поверхности может быть цилиндрической или дисковой. В качестве ЖРТ применен жидкий диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров, например синтетические жидкости, вакуумное масло и другие. При этом подвижная поверхность выполняется из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например капролона.
Однако и в таком конструктивном решении по результатам испытаний выявлен ряд недостатков, а именно большая площадь смачивания пленкой ЖРТ подвижной поверхности цилиндра или диска, по сравнению с площадью, участвующей в разрядном процессе (на практике это отношение площадей более одного порядка), что ведет к непроизводительным потерям ЖРТ из-за испарения и растекания. Вторым недостатком такой компоновки капиллярно-фитильной системы подачи ЖРТ в разрядный промежуток является трудность настройки канала подачи на организацию пленки ЖРТ оптимальной толщины для различного диапазона частоты (от 1 до 100 Гц) 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.
Предлагаемое решение направлено на устранение вышеперечисленных недостатков и заключается в создании способа и устройства подачи ЖРТ по двухканальному типу «сток-исток» подачи ЖРТ на подвижную поверхность двигателя для образования жидкофазной пленки в зоне, непосредственно прилегающей к разрядному промежутку. В этом случае разрядный промежуток располагают между каналом подачи и каналом отсоса ЖРТ, при этом канал подачи, разрядный промежуток и канал отсоса излишков ЖРТ располагают по направлению вращения (движения) подвижной поверхности двигателя. Подача и отсос рабочего тела производится с помощью микронасосов, настройка производительности которых по каналу отсоса равна или превышает производительность по каналу подачи.
Способ подачи жидкого рабочего тела в импульсный плазменный электрический реактивный двигатель из бака хранения на подвижную поверхность, содержащую разрядный промежуток, заключается в создании пленки ЖРТ путем смачивания данной поверхности в зоне ее контакта с капиллярным фитилем, смоченным рабочим телом. Согласно изобретению рабочее тело подают к фитилю под давлением, а избыток рабочего тела с подвижной поверхности снимают другим фитилем, с последующим отсосом в бак хранения рабочего тела, при этом разрядный промежуток располагают между зоной подачи и отсоса излишков рабочего тела.
Устройство для осуществления способа подачи жидкого рабочего тела из бака хранения в импульсный плазменный электрический реактивный двигатель состоит из бака хранения, трубопровода (канала) подачи рабочего тела к капиллярному фитилю, который контактирует с подвижной поверхностью разрядного промежутка. Предлагается в трубопроводе подачи дополнительно установить микронасос, а после разрядного промежутка по направлению движения подвижной поверхности разместить контактирующий с ней фитиль, сообщенный с трубопроводом отсоса рабочего тела, также снабженного микронасосом, и соединенного с баком хранения рабочего тела.
В предпочтительном варианте устройства подвижная поверхность и насос имеют общий или синхронизированные между собой электроприводы.
Устройство, предназначенное для осуществления способа подачи рабочего тела в импульсный электрический реактивный двигатель представлено на приведенном чертеже.
Основными элементами системы организации пленки ЖРТ 1 на подвижной поверхности 2 барабана в зоне разрядного промежутка «анод (А) - катод (К)» являются канал подачи ЖРТ 3, содержащий в зоне контакта с подвижной поверхностью барабана (цилиндра, выполненного из диэлектрика) 2 эластичный фитиль-смачиватель 4. Канал 5 отсоса ЖРТ, также содержит в зоне контакта с подвижной поверхностью 1 фитиль-смачиватель 4. Подача и отсос ЖРТ по каналам 3 и 5 обеспечивается микронасосом 6, например, перистальтического типа, устанавливаемого между емкостью 7 хранения ЖРТ и фитилями-смачивателями 4. Оптимальным решением такой компоновки является наличие общего электропривода 8 вращения барабана 2 и микронасоса 6.
На чертеже, для удобства визуального понимания нового принципа нанесения пленки ЖРТ, зоны подачи и отсоса ЖРТ разнесены на 180°, в реальном исполнении они разнесены в секторе не более 30°, что резко сокращает непроизводительные потери ЖРТ и ведет к повышению удельных характеристик двигателя.
Работает такая система подачи ЖРТ в составе двигательной установки следующим образом. При подаче напряжения на электропривод вращения 8, связанные механически с ним подвижная поверхность 2 барабана и вал микронасоса 6 приводятся во вращение. При этом ЖРТ по каналу подачи 3 через смачиватель 4 поступает в зону контакта смачивателя 4 с подвижной поверхностью 2 барабана, вследствие чего на подвижной поверхности 2 появляется пленка 1 ЖРТ, которая перемещается в сторону разрядного промежутка, образованного электродами «А-К».
Подача импульсов высокого напряжения на электроды «А-К» вызывает пробой разрядного промежутка по поверхности ЖРТ, что приводит к образованию плазмы, создающей силовой импульс тяги.
Остатки пленки 1 ЖРТ, перемещаясь от разрядного промежутка в сторону смачивателя 4, сообщенного с каналом 5 отсоса ЖРТ, из зоны взаимного контакта смачивателя 4 с подвижной поверхностью 2 барабана, посредством микронасоса 6 перекачиваются в бак 7 хранения ЖРТ.