РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ МАЛОЙ ТЯГИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
LOW-THRUST ROCKET ENGINE FOR SPACE VEHICLE

Известный уровень техники и краткое изложение сущности изобретения
2
Настоящее изобретение относится к ракетным двигателям малой тяги. Ракетные двигатели малой тяги используются для обеспечения движения космических летательных аппаратов и имеют типичную скорость истечения реактивной струи от 2 км/с до более чем 50 км/с и плотность тяги менее или около 1 Н/м. В отсутствие какого-либо материала для отталкивания или опоры ракетные двигатели малой тяги работают на принципе выброса части собственной массы космического аппарата. Скорость истечения реактивной струи при этом выбросе массы является основным фактором для оценки кпд ракетного двигателя малой тяги и обычно она должна иметь максимальную величину.
2
Известны различные конструкции ракетных двигателей малой тяги, применяемых в космических летательных аппаратах. В US-A-5 241 244 описан так называемый ионный двигатель малой тяги решетчатого типа. В этом устройстве газообразное топливо сначала ионизируется, и образовавшиеся ионы ускоряются статическим электромагнитным полем, созданным между решетками. Ускоренные ионы нейтрализуются потоком электронов. Для ионизации газообразного топлива в этом документе предложено одновременно использовать кондиционирующее и удерживающее магнитное поле и электромагнитное поле при частоте электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) магнитного поля. Подобный двигатель малой тяги описан также в FR-A-2 799 576, где для ионизации газа используется индукция. Двигатели малой тяги такого типа имеют скорость истечения около 30 км/с и плотность тяги менее 1 Н/м при электрической мощности 2,5 кВт.
Одной из проблем устройств такого типа является необходимость наличия очень высокого напряжения между ускорительными решетками. Другая проблема заключается в эрозии решеток в результате ударов ионов. И, наконец, нейтрализаторы и решетки обычно являются очень чувствительными устройствами.
2
В US-A-5 581 155 описан ракетный двигатель малой тяги, построенный на эффекте Холла. В этом двигателе малой тяги также используется электромагнитное поле для ускорения положительно заряженных частиц. Скорость истечения в двигателе малой тяги такого типа составляет около 15 км/с при плотности тяги менее 5 Н/м для мощности 1,3кВт. Подобно ионному двигателю малой тяги решетчатого типа у него также существует проблема эрозии, а наличие нейтрализатора делает этот двигатель малой тяги потенциально ненадежным.
В US-A-6 205 769 или работе D.J.Sullivan et al., Development of a microwave resonant cavity electrothermal thruster prototype, IEPC 1993, N.36, pp.337-354, обсуждаются электротермические микроволновые двигатели малой тяги. Эти двигатели малой тяги основаны на нагреве газообразного топлива микроволновым полем. Нагретый газ выбрасывается через сопло, создавая тягу. Этот тип двигателя малой тяги имеет скорость истечения около 9-12 км/с и тягу от 200 до 2000 Н.
В работе D.A.Kaufman et al. Plume characteristic of an ECR plasma thruster, IEPC 1993, N.37, pp.355-360; H.Tabara et al., Performance characteristic of a space plasma simulator using an electron cyclotron resonance plasma accelerator and its application to material and plasma interaction research, IEPC 1997 N.163, pp.994-100, обсуждаются плазменные двигатели малой тяги на ЭЦР. В таком двигателе малой тяги плазма создается с помощью электронного циклотронного резонанса в магнитном сопле. Электроны ускоряются в осевом направлении силой магнитного дипольного момента, создавая электрическое поле, которое ускоряет ионы и создает тягу. Иными словами, плазма естественно течет вдоль силовых линий ослабевающего магнитного поля. Этот тип двигателя малой тяги имеет скорость истечения до 35 км/с. В US-В-6 293 090 описан плазменный РЧ двигатель малой тяги; он работает на том же принципе, основное отличие состоит в том, что вместо использования поля ЭЦР плазма создается более нижнегибридной волной.
SP
В US-В-6 334 302 и F.R.Chang-Diaz, Design characteristic of the variable I plasma rocket, IEPC 1991, N.128 описан магнитоплазменный ракетный двигатель с переменным удельным импульсом (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, сокращенно VaSIMR). В этом двигателе малой тяги используется трехступенчатый процесс подачи, разогрева и управляемого истечения плазмы в форме магнитной амбиполярной ловушки. Источником плазмы является геликонный генератор, а нагревателем плазмы служит циклотронный генератор. Сопло представляет собой радиально расходящееся магнитное поле. Так же, как и в ЭЦР или РЧ двигателе малой тяги ионизированные частицы не ускоряются, а движутся вдоль силовых линий ослабевающего магнитного поля. Этот тип двигателя малой тяги имеет скорость истечения порядка 10-300 км/с и тягу 50-1000 Н.
В US-А-4 641 060 и US-А-5 442 185 обсуждаются плазменные ЭЦР генераторы, относящиеся к другой области, которые используются для вакуумной накачки или для имплантации ионов. Еще один пример подобного плазменного генератора описан в US-А-3 160 566.
2
В US-А-3 571 734 описаны способ и устройство для ускорения частиц. Их целью является создание пучка частиц для реакций ядерного синтеза. Газ подают в цилиндрический резонатор, который подвергают воздействию налагающихся аксиальных и радиальных магнитных полей. Для ионизации газа прикладывают электромагнитное поле на частоте ЭЦР. Интенсивность магнитного поля уменьшается вдоль оси резонатора, поэтому ионизированные частицы движутся вдоль этой оси. Этот ускоритель также описан в работе Compte Rendu de l'Academie des Sciences, November 4, 1963, vol.257, p.2804-2807. Целью этих устройств является создание пучка частиц для реакций ядерного синтеза, поэтому скорость истечения составляет около 60 км/с, однако плотность тяги очень низкая, обычно ниже 1,5 Н/м.
В US-А-3 425 902 описано устройство для создания и удержания ионизированных газов. Магнитное поле имеет максимальную величину на обоих концах камеры, в которой ионизируются газы.
В заявке на Европейский патент ЕР-03290712 описан ракетный двигатель малой тяги с использованием тяги, создаваемой пондеромоторной силой. На фиг.1 показан схематический вид поперечного сечения этого известного двигателя малой тяги. Двигатель 1 малой тяги на фиг.1 построен на применении электронного циклотронного резонанса для создания плазмы и пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, для ускорения этой плазмы с целью создания тяги. Пондеромоторная сила - это сила, действующая на плазму в результате градиента плотности высокочастотного электромагнитного поля. Эта сила обсуждается в работе H.Motz and C.J.Watson (1967), Advances in electronics and electron physics 23, pp. 153-302. В отсутствие магнитного поля эту силу можно выразить как
для одной частицы
для плазмы с .
В присутствии неоднородного магнитного поля эту силу можно выразить как
Устройство на фиг.1 содержит трубу 2. Труба имеет продольную ось 4, определяющую ось тяги; действительно тяга, создаваемая двигателем 1 малой тяги, направлена вдоль этой оси, хотя она может иметь направление, описанное ниже со ссылками на фиг.10-13. Внутри трубы образована камера 6, в которой газообразное топливо ионизируется и ускоряется.
2
3
4
В примере на фиг.1 труба имеет цилиндрическую форму. Она выполнена из непроводящего материала для обеспечения образования магнитного и электромагнитного поля внутри камеры; можно использовать обладающие низкой диэлектрической проницаемостью керамические материалы, кварц, стекло или подобные материалы. Труба может быть также выполнена из материала, имеющего высокую степень излучения вторичных электронов, такого как BN, AlO, BC. Это повышает электронную плотность в камере и улучшает ионизацию.
Труба проходит непрерывно вдоль двигателя 1 малой тяги, при этом газ вводится через один конец трубы. Однако можно предусмотреть другие формы этой трубы. Например, поперечное сечение трубы, которое в данном примере является круглым, может иметь другую форму в зависимости от потока плазмы, необходимого на выходе двигателя 1 малой тяги. Также, если нет потребности в том, чтобы труба простиралась непрерывно между инжектором и выходом двигателя 1 малой тяги (в этом случае труба может быть выполнена из металлов или сплавов, таких как сталь, W, Mo, Al, Cu, Th-W или Cu-W, которые могут также быть импрегнированы или покрыты оксидом бария или оксидом магния, или содержать радиоактивный изотоп для усиления ионизации), как будет поясняться ниже, плазма удерживается не трубой, а магнитным и электромагнитным полями, прикладываемыми в двигателе 1 малой тяги. Следовательно, труба может содержать две отдельные секции, при этом камера все равно простирается вдоль двигателя 1 малой тяги между двумя секциями трубы.
2
2
3
2
2
2
4
2
На одном конце трубы предусмотрен инжектор 8. Инжектор подает ионизируемый газ в трубу, как показано на фиг.1 стрелкой 10. Этот газ может содержать инертные газы Хе, Ar, Ne, Kr, He, химические соединения, такие как Н, N, NH, NH, HO или CH, или даже металлы типа Cs, Na, K Li (щелочные металлы) или Hg. Чаще всего используются Хе и Н, которые требуют меньше энергии для ионизации.
max1
max2
min
Двигатель 1 малой тяги дополнительно содержит генератор магнитного поля, который создает магнитное поле в камере 6. В примере на фиг.1 генератор магнитного поля содержит две катушки 12 и 14. Эти катушки создают внутри камеры 6 магнитное поле В, продольная компонента которого представлена на фиг.2. Как показано на фиг.2, продольная компонента магнитного поля имеет два максимума, положение которых соответствует катушкам. Первый максимум B, соответствующий первой катушке 12, находится вблизи инжектора. Он служит только для удержания плазмы и не является необходимым для работы двигателя 1 малой тяги. Однако его преимущество состоит в продольном удержании электронов плазмы, что облегчает ионизацию посредством эффекта магнитный бутылки; кроме того, конец трубы и сопло инжектора защищены от эрозии. Второй максимум B, соответствующий второй катушке 14, позволяет удерживать плазму внутри камеры. Он также отделяет ионизационный объем двигателя 1 малой тяги, расположенный перед этим максимумом, от ускоряющего объема, расположенного за первым максимумом. Величину продольной компоненты магнитного поля на этом максимуме можно адаптировать, как будет обсуждаться ниже. Между этими двумя максимумами или после второго максимума, где вводится газ, магнитное поле имеет более низкую величину. В примере на фиг.1 магнитное поле имеет минимальное значение B по существу в середине камеры.
В ионизационном объеме двигателя 1 малой тяги, расположенном между двумя максимумами магнитного поля в примере на фиг.1, радиальная и орторадиальная компоненты магнитного поля, то есть компоненты магнитного поля в плоскости, перпендикулярной к продольной оси двигателя 1 малой тяги, не имеют значения для работы двигателя 1 малой тяги; предпочтительно, они имеют меньшую интенсивность, чем продольная компонента магнитного поля. Действительно, они могут только снизить кпд двигателя 1 малой тяги в результате введения ненужного движения ионов и электронов внутри камеры в направлении стенок.
max2
В ускоряющем объеме двигателя 1 малой тяги, находящемся справа, то есть после второго максимума B магнитного поля в примере фиг.1, направление магнитного поля по существу задает направление тяги. Следовательно, это магнитное поле предпочтительно должно быть направлено вдоль оси двигателя малой тяги. Радиальная и орторадиальная компоненты магнитного поля предпочтительно должны быть как можно меньше.
,
Таким образом, в ионизационном объеме, так же как и в ускоряющем объеме, магнитное поле по существу параллельно оси двигателя 1 малой тяги. Угол между магнитным полем и осью 4 двигателя 1 малой тяги предпочтительно меньше 45º и более предпочтительно меньше 20º. В примере на фиг.1 и 2 этот угол по существу равен 0º поэтому график на фиг.2 соответствует не только интенсивности магнитного поля, нанесенной на график по оси двигателя 1 малой тяги, но также и осевой компоненте этого магнитного поля.
max1
max2
min
max
min
min
Интенсивность магнитного поля, созданного генератором магнитного поля, то есть значения B, B и B, предпочтительно выбираются следующим образом. Максимальные значения выбираются так, чтобы позволить удерживать электроны плазмы в камере; чем выше значение зеркального отношения B/B, тем лучше электроны удерживаются в камере. Это значение можно выбрать в зависимости от требуемой плотности тяги (массового расхода) и мощности электромагнитного ионизирующего поля (или мощности для данного расхода), чтобы после прохождения второго пика магнитного поля ионизировалось 90% газа или больше. Меньшее значение B зависит от положения катушек. Оно не имеет большого значения, за исключением варианта, показанного на фиг.4 и 5. Часть электронов, которая теряется из магнитной бутылки, в процентах, можно представить следующим образом:
lost
Для заданного массового расхода или заданной тяги меньшее α позволяет уменьшить мощность ионизации при том же расходе и доли ионизации.
Кроме того, магнитное поле предпочтительно выбирается таким образом, чтобы ионы были по большей части нечувствительны к магнитному полю. Иными словами, значение магнитного поля должно быть достаточно низким, чтобы ионы газообразного топлива не отклонялись или по существу не отклонялись магнитным полем. Это условие позволяет ионам газообразного топлива пролетать через трубу по существу по прямой линии и улучшает тягу. Определим ионную циклотронную частоту как
ICR
max
f=q·B/2πM,
ion-collision
ионы считаются ненамагниченными, если ионная циклотронная частота намного меньше, чем частота столкновения ионов f (или параметр Холла для ионов, являющийся их отношением, меньше 1)
ICR
ion-collision,
f=<<f
max
ICR
ion-collision
где q - электрический заряд, М - масса ионов и B - максимальное значение магнитного поля. В этом ограничении f - частота ионного циклотронного резонанса, и она является частотой, с которой ионы вращаются вокруг силовых линий магнитного поля; это ограничение представляет тот факт, что время вращения в камере настолько велико по сравнению с периодом столкновений, что движение ионов фактически не изменяется под действием магнитного поля. Как известно, fопределяется как
ion-collision
TH,
f= N·σ·V
TH
где N - объемная плотность электронов, σ - поперечное сечение столкновений электронов с ионами и V - тепловая скорость электронов. Тепловую скорость можно выразить как
,
е
ion-collision
где k - микроскопическая постоянная Больцмана, Т - температура и m- масса электрона. fпредставляет количество столкновений, претерпеваемых одним ионом в секунду в облаке электронов, имеющем плотность N и температуру Т.
Предпочтительно выбирается максимальное значение магнитного поля, чтобы
ICR
ion-collision
f< f/2
или даже
ICR
ion-collision
f< f/10
Следовательно, период ионного циклотронного резонанса в двигателе 1 малой тяги по меньшей мере в два раза продолжительнее, чем период столкновения ионов в камере или в двигателе 1 малой тяги.
Это все еще возможно при достаточном удержании газа внутри ионизационного объема двигателя 1 малой тяги, как показано в численном примере, приведенном ниже. Тот факт, что ионы по большей части нечувствительны к магнитному полю, прежде всего способствует фокусировке пучка ионов и электронов на выходе двигателя 1 малой тяги, увеличивая тем самым кпд.
Кроме того, ионы при этом не остаются присоединенными к силовым линиям магнитного поля после выхода из двигателя 1 малой тяги, что обеспечивает образование чистой тяги.
max2
E1
res
Двигатель 1 малой тяги дополнительно содержит генератор электромагнитного поля, который создает электромагнитное поле в камере 6. В примере на фиг.1 генератор электромагнитного поля содержит первый эндовибратор 16 и второй эндовибратор 18, расположенные соответственно возле катушек 12 и 14. Первый эндовибратор 16 предназначен для создания колеблющегося электромагнитного поля в резонаторе между двумя максимумами магнитного поля, или, по меньшей мере, на стороне максимума B, содержащего инжектор, то есть выше по течению. Колеблющееся поле является ионизирующим полем с частотой fв микроволновом диапазоне длин волн, то есть между 900 МГц и 80 ГГц. Частота этого электромагнитного поля предпочтительно адаптирована к локальному значению магнитного поля, чтобы важная или существенная часть ионизации была обусловлена электронным циклотронным резонансом. В частности, для данного значения B магнитного поля частота электронного циклотронного резонанса определяется по формуле:
ЕCR
res
f= eB/2πm
E1
где е - электрический заряд, а m - масса электрона. Это значение частоты электромагнитного поля адаптировано к обеспечению максимальной ионизации газообразного топлива электронным циклотронным резонансом. Предпочтительно, чтобы значение частоты электромагнитного поля f было равно частоте ЭЦР, вычисленной для случая, когда приложенное электромагнитное поле максимальное. Конечно, это всего лишь приближение, так как интенсивность магнитного поля изменяется вдоль оси, и электромагнитное поле прикладывается локально и не к одной точке.
Можно также выбрать значение частоты, которое не равно точно этому предпочтительному значению; предпочтительным является диапазон ±10% частоты ЭЦР. Диапазон ±5% дает лучшие результаты. Также предпочтительно, чтобы по меньшей мере 50% газообразного топлива было ионизировано при пересечении ионизационного объема или камеры. Такое количество ионизированного газа возможно только при использовании ЭЦР для ионизации; если изменение частоты электромагнитного поля выходит за пределы диапазона ±10%, то степень ионизации газообразного топлива, по всей вероятности, упадет ниже предпочтительной величины 50%.
111
Направление электрической компоненты электромагнитного поля в ионизационном объеме предпочтительно перпендикулярно направлению магнитного поля; в любом месте угол между локальным магнитным полем и локальной колеблющейся электрической компонентой электромагнитного поля предпочтительно составляет от 60 до 90º, предпочтительно от 75 до 90º. Это нужно для оптимизации ионизации посредством ЭЦР. В примере на фиг.1 электрическая компонента электромагнитного поля орторадиальная или радиальная; она удерживается в плоскости, перпендикулярной продольной оси, и ортогональна прямой линии этой плоскости, проходящей через данную ось; это реализуется простым выбором резонансной моды в эндовибраторе. В примере на фиг.1 электромагнитное поле резонирует в моде TE. Орторадиальное поле также обеспечивает улучшение удержания плазмы в ионизационном объеме и ограничения ее контакта со стенкой камеры. Направление электрической компоненты электромагнитного поля может варьироваться относительно этого предпочтительного орторадиального направления; предпочтительно, чтобы угол между электромагнитным полем и орторадиальным направлением был меньше 45º и более предпочтительно меньше 20º.
В ускоряющем объеме частота электромагнитного поля также предпочтительно выбирается близкой или равной частоте ЭЦР. Это позволит интенсивности пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, быть ускоряющей с обеих сторон максимума электромагнитного поля, как показано во втором уравнении, приведенном выше. И в данном случае частота электромагнитной силы также не должна быть совершенно идентична частоте ЭЦР. Те же самые диапазоны, что и приведенные выше, применимы для частоты и углов между магнитным и электромагнитным полями. При этом следует отметить, что частота электромагнитного поля, используемая для ионизации и ускорения, может быть одинаковой, - это упрощает конструкцию генератора электромагнитного поля, так как можно использовать один и тот же микроволновый генератор для возбуждения обоих резонаторов.
Также предпочтительно, чтобы электрическая компонента электромагнитного поля была чисто радиальной или орторадиальной, для получения максимальной пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями. Кроме того, орторадиальная электрическая компонента электромагнитного поля будет фокусировать плазменный пучок на выходе двигателя 1 малой тяги. Угол между электрической компонентой электромагнитного поля и радиальным или орторадиальным направлением в данном случае также предпочтительно должен быть меньше 45º или, даже лучше, меньше 20º.
max1
max2
sp
На фиг.2 показан график интенсивности магнитного и электромагнитного полей вдоль оси двигателя 1 малой тяги, изображенного на фиг.1; интенсивность магнитного поля и электромагнитного поля нанесены по вертикальной оси. Положение вдоль оси двигателя 1 малой тяги показано на горизонтальной оси. Как обсуждалось выше, интенсивность магнитного поля, которое в основном параллельно оси двигателя 1 малой тяги, имеет два максимума. Интенсивность электрической компоненты электромагнитного поля имеет первый максимум E, расположенный в средней плоскости первого резонатора, и второй максимум E, расположенный в средней плоскости второго резонатора. Значение интенсивности первого максимума выбирается вместе с массовым расходом в ионизационной камере. Значение второго максимума можно адаптировать к I, необходимой на выходе двигателя 1 малой тяги. В примере на фиг.2 частота первого и второго максимумов электромагнитного поля равны; действительно, резонаторы идентичны и возбуждаются одним и тем же микроволновым генератором. В примере на фиг.2 начало координат по оси двигателя 1 малой тяги находится на сопле инжектора.
res
res
Изобретение можно проиллюстрировать следующими примерными величинами. Поток газа 6 мг/с, общая мощность микроволнового излучения приблизительно 1550 Вт, что соответствует около 350 Вт на ионизацию и около 1200 Вт на ускорение для создания тяги около 120 мН. Частота микроволнового излучения около 3 ГГц. Магнитное поле может при этом иметь интенсивность с максимумом около 180 мТл и минимумом около 57 мТл. На фиг.2 также показано значение B магнитного поля на участке, где расположены резонаторы. Как обсуждалось выше, частота электромагнитного поля предпочтительно равна соответствующей частоте ЭЦР eB/2πm.
2
Следующие примерные числовые значения приведены для двигателя 1 малой тяги, обеспечивающего скорость истечения около 20 км/с и плотность тяги выше 100 Н/м. Труба выполнена из BN, имеет внутренний диаметр 40 мм, внешний диаметр 48 мм и длину 260 мм. Инжектор подает Хе со скоростью 130 м/с на входе в трубу и с массовым расходом около 6 мг/с.
max1
В1
max1
1
max2
B2
max2
E2
2
Первый максимум магнитного поля B расположен на расстоянии х=20 мм от сопла инжектора; интенсивность магнитного поля B составляет около 180 мТл. Первый резонатор для электромагнитного поля расположен на расстоянии х=125 мм от сопла инжектора; интенсивность Е магнитного поля составляет около 41000 В/м. Второй максимум магнитного поля B расположен на расстоянии х=170 мм от сопла инжектора; интенсивность этого магнитного поля B составляет около 180 мТл. Второй резонатор для электромагнитного поля расположен на расстоянии х=205 мм от сопла инжектора; интенсивность Е магнитного поля составляет около 77000 В/м.
b2
Ионизируется около 90% газа, поступающего в ускоряющий объем (x > x).
ICR
f=15,9 МГц, так как q=е и М=130 атомных единиц массы. Следовательно, параметр Холла для ионов равен 0,2, так что ионы в большей части не чувствительны к магнитному полю.
2
Эти значения являются примерными. Они демонстрируют, что предложенный двигатель 1 малой тяги позволяет обеспечить одновременно скорость истечения выше 15 км/с и плотность тяги выше 100 Н/м. Что касается процесса, то двигатель 1 малой тяги, изображенный на фиг.1, работает следующим образом. Газ подается в камеру. Затем он подвергается воздействию первого магнитного поля и первого электромагнитного поля и при этом по меньшей мере частично ионизируется. Этот частично ионизированный газ затем проходит за пределы пикового значения магнитного поля. Там он подвергается воздействию второго магнитного поля и второго электромагнитного поля и ускоряется под действием наведенной магнитными полями пондеромоторной силы. Ионизация и ускорение происходят раздельно и последовательно, и управление ими осуществляется независимо.
Таким образом, в описанном двигателе малой тяги ионизация основана на ЭЦР и в примере на фиг.1, описанном выше, также используются катушки для создания необходимого магнитного поля. Даже несмотря на то, что ЭЦР является хорошим методом ионизации газов, может быть трудно инициировать такой разряд. Реализация согласования импедансов также может представлять трудность. Кроме того, использование катушек для создания аксиального магнитного поля требует большого количества энергии. Катушка также создает магнитное поле снаружи двигателя малой тяги, которое может создавать значительные помехи для других устройств или даже вызывать их повреждение. Кроме того, если катушки не выполнены из сверхпроводящих материалов, то они вырабатывают тепло. Поэтому они отрицательно влияют на энергетический кпд двигателя малой тяги и на общую массу системы, так как для них требуется дополнительная система терморегуляции.
Таким образом, существует потребность в ракетном двигателе малой тяги многоцелевого назначения, имеющем высокую скорость истечения. Также существует потребность в двигателе малой тяги, который можно легко изготовить. Более того, существует потребность в более прочном и удобном в эксплуатации ракетном двигателе малой тяги, обладающем меньшей массой, чем известные двигатели. Существует также потребность в надежном ракетном двигателе малой тяги, имеющем меньше проблем, связанных с нагревом. Этим характеризуется устройство, ускоряющее частицы до высокой скорости с помощью ориентированной силы корпуса.
Таким образом, согласно настоящему изобретению предложен вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий
главную камеру, определяющую ось тяги,
инжектор, предназначенный для введения ионизируемого газа в главную камеру,
ионизатор, предназначенный для ионизации введенного газа внутри главной камеры,
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси, и
преграждающее средство, расположенное после инжектора и перед главной камерой, для частичного преграждения главной камеры.
Согласно другому варианту изобретения предложен вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий:
главную камеру, определяющую ось тяги;
инжектор для введения ионизируемого газа в главную камеру;
ионизатор для ионизации введенного газа внутри главной камеры, и
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси,
причем вводимый ионизируемый газ является газом, окружающим двигатель малой тяги.
Этот двигатель малой тяги может также иметь один или более из следующих существенных признаков:
инжектор содержит по меньшей мере камеру сжатия;
инжектор содержит по меньшей мере камеру расширения.
Согласно изобретению также предложен другой вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий:
главную камеру, определяющую ось тяги;
инжектор для введения ионизируемого газа в главную камеру;
ионизатор для ионизации введенного газа внутри главной камеры, и
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси, причем инжектор выполнен с возможностью введения ионизируемого газа на месте нахождения ионизатора.
Этот двигатель малой тяги может также иметь один или более из следующих существенных признаков:
инжектор выполнен с возможностью введения ионизируемого газа в главную камеру по меньшей мере через щель,
инжектор выполнен с возможностью введения ионизируемого газа в главную камеру по меньшей мере через отверстие,
инжектор выполнен с возможностью введения ионизируемого газа в главную камеру по меньшей мере в одном положении вдоль главной камеры.
Согласно изобретению также предложен другой вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий:
главную камеру, определяющую ось тяги,
инжектор для введения ионизируемого газа в главную камеру,
ионизатор для ионизации введенного газа внутри главной камеры, и
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, по меньшей мере после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси,
причем первый генератор магнитного поля не содержит катушки.
Этот двигатель малой тяги может также иметь один или несколько из следующих существенных признаков:
двигатель малой тяги содержит первую магнитную цепь, выполненную из материалов с более высокой магнитной проницаемостью, чем магнитная проницаемость вакуума, и способную создавать магнитное поле по существу параллельно оси главной камеры,
генератор магнитного поля содержит по меньшей мере один магнит,
генератор магнитного поля содержит по меньшей мере один электромагнит,
двигатель малой тяги содержит по меньшей мере второй генератор магнитного поля для создания второго магнитного поля и создания эффекта магнитной бутылки вдоль оси перед ускоряющим полем пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями,
второй генератор магнитного поля содержит по меньшей мере катушку;
второй генератор магнитного поля содержит по меньшей мере магнит по существу с аксиальной поляризацией;
второй генератор магнитного поля содержит по меньшей мере электромагнит по существу с аксиальной поляризацией;
двигатель малой тяги содержит третий генератор магнитного поля для создания третьего магнитного поля, имеющего по меньшей мере третий максимум вдоль оси, причем третий генератор магнитного поля по меньшей мере перекрывает ускоряющее поле пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями;
первый генератор магнитного поля и третий генератор магнитного поля имеют первый общий элемент;
первый общий элемент содержит по меньшей мере магнит;
двигатель малой тяги содержит четвертый генератор магнитного поля для создания четвертого магнитного поля, имеющего по меньшей мере четвертый максимум вдоль оси, причем четвертый генератор магнитного поля расположен после третьего генератора магнитного поля,
четвертый генератор магнитного поля и третий генератор магнитного поля имеют второй общий элемент;
второй общий элемент содержит по меньшей мере магнит;
второй общий элемент содержит по меньшей мере электромагнит.
Согласно изобретению предложен другой вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий
основную камеру, определяющую ось тяги,
инжектор для введения ионизируемого газа в главную камеру,
ионизатор для ионизации введенного газа внутри главной камеры,
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси, и
пятый генератор магнитного поля для изменения направления магнитного поля в ускоряющем поле пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями,
причем пятый генератор магнитного поля содержит по меньшей мере один электромагнит,
пятый генератор магнитного поля содержит по меньшей мере один магнит.
Согласно изобретению также предложен другой вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий
главную камеру, определяющую ось тяги,
инжектор для введения ионизируемого газа в главную камеру,
ионизатор для ионизации введенного газа внутри главной камеры,
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси, и
шестой генератор магнитного поля для удержания ионизированного газа перед ускоряющим полем пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями.
Согласно изобретению также предложен другой вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий
главную камеру, определяющую ось тяги,
инжектор для введения ионизируемого газа в главную камеру,
ионизатор для ионизации введенного газа внутри главной камеры,
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси, и
крепежное средство для крепления по меньшей мере двух элементов двигателя малой тяги.
Этот двигатель малой тяги может также иметь один или более из следующих существенных признаков:
крепежное средство содержит по меньшей мере решетку,
крепежное средство содержит по меньшей мере пластину,
крепежное средство содержит по меньшей мере стержень,
крепежное средство содержит по меньшей мере перемычку вдоль оси.
Согласно изобретению также предложен другой вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий
главную камеру, определяющую ось тяги,
инжектор для введения ионизируемого газа в главную камеру,
ионизатор для ионизации введенного газа внутри главной камеры,
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси, и
по меньшей мере один эндовибратор,
причем генератор электромагнитного поля выполнен с возможностью управления модой резонатора.
Этот двигатель малой тяги может также иметь один или более из следующих существенных признаков:
генератор электромагнитного поля содержит корпус для создания стоячих электромагнитных волн внутри резонатора,
корпус выполнен с возможностью вмещать в себя по меньшей мере часть эндовибратора,
двигатель малой тяги содержит средство из твердого материала внутри резонатора, предназначенное для управления модой эндовибратора.
Согласно изобретению также предложен другой вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий
главную камеру, определяющую ось тяги,
инжектор для введения ионизируемого газа в главную камеру,
ионизатор для ионизации введенного газа внутри главной камеры,
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси,
причем ионизатор содержит по меньшей мере одну металлическую поверхность, работа выхода которой больше, чем первый ионизационный потенциал ракетного топлива.
Согласно изобретению также предложен другой вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий
главную камеру, определяющую ось тяги,
инжектор для введения ионизируемого газа в главную камеру,
ионизатор для ионизации введенного газа внутри главной камеры,
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси,
причем ионизатор содержит по меньшей мере один эмиттер электронов.
Согласно изобретению также предложен другой вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий
главную камеру, определяющую ось тяги,
инжектор для введения ионизируемого газа в главную камеру,
ионизатор для ионизации введенного газа внутри главной камеры,
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси,
причем ионизатор содержит по меньшей мере два электрода, имеющих различные электрические потенциалы, внутри главной камеры.
Этот двигатель малой тяги может также иметь один или более из следующих существенных признаков:
упомянутые по меньшей мере два электрода содержат кольцевой анод и два кольцевых катода, находящихся соответственно до и после кольцевого анода,
двигатель малой тяги содержит седьмой генератор магнитного поля для создания седьмого магнитного поля по меньшей мере между упомянутыми по меньшей мере двумя электродами,
седьмой генератор магнитного поля предназначен для создания магнитной бутылки, содержащей упомянутые по меньшей мере два электрода.
Согласно изобретению также предложен другой вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий
главную камеру, определяющую ось тяги,
ионизатор для подачи ионизированного ракетного топлива внутрь главной камеры,
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси, и
охлаждающее средство для отводы теплоты от по меньшей мере одного элемента двигателя малой тяги.
Согласно изобретению также предложен другой вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий
главную камеру, определяющую ось тяги,
ионизатор для подачи ионизированного ракетного топлива внутрь главной камеры,
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси,
причем ионизатор способен подвергать абляции и ионизировать твердое ракетное топливо.
Этот двигатель малой тяги может также иметь один или более из следующих существенных признаков:
ионизатор содержит по меньшей мере два электрода для передачи импульсов тока вдоль поверхности твердого ракетного топлива,
двигатель малой тяги содержит по меньшей мере один источник излучения, способный фокусироваться на поверхности твердого ракетного топлива,
двигатель малой тяги содержит по меньшей мере источник пучка электронов, способный фокусироваться на поверхности твердого ракетного топлива.
Согласно изобретению также предложен другой вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий
главную камеру, определяющую ось тяги,
инжектор для введения ионизируемого газа в главную камеру,
ионизатор для ионизации введенного газа внутри главной камеры,
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси,
причем ионизатор содержит по меньшей мере один генератор электромагнитного поля для приложения переменного электромагнитного поля внутри главной камеры.
Этот двигатель малой тяги может также иметь один или более из следующих существенных признаков:
упомянутый по меньшей мере один генератор электромагнитного поля содержит емкостно связанные электроды,
по меньшей мере один генератор электромагнитного поля содержит индуктивно связанную катушку,
двигатель малой тяги содержит девятый генератор магнитного поля для создания девятого статического магнитного поля там, где ионизируется введенный газ,
двигатель малой тяги содержит десятый генератор магнитного поля для создания десятого магнитного поля по существу параллельно оси главной камеры, причем упомянутый по меньшей мере один генератор электромагнитного поля содержит по меньшей мере спиральную антенну,
ионизатор содержит по меньшей мере один эмиттер электронов.
Согласно изобретению также предложен другой вариант ракетного двигателя малой тяги, содержащий
главную камеру, определяющую ось тяги,
инжектор для введения ионизируемого газа в главную камеру,
ионизатор для ионизации введенного газа внутри главной камеры,
первый генератор магнитного поля и генератор электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора вдоль направления тяги на упомянутой оси,
причем ионизатор содержит по меньшей мере один источник излучения с длиной волны менее 5 мм и способен фокусировать электромагнитный пучок в фокусном пятне.
Этот двигатель малой тяги может также иметь один или более из следующих существенных признаков:
ионизатор выполнен с возможностью фокусировки в главной камере,
двигатель малой тяги содержит трубу, содержащую, по меньшей мере частично, главную камеру, и ионизатор выполнен с возможностью фокусировки на стенке трубы.
Согласно изобретению также предложена система, содержащая
по меньшей мере один ракетный двигатель малой тяги,
по меньшей мере один микроволновый источник энергии для снабжения энергией по меньшей мере одного ракетного двигателя малой тяги.
Эта система также может иметь один из следующих существенных признаков:
упомянутый по меньшей мере один микроволновый источник энергии выполнен с возможностью его использования для микроволновой коммуникации со спутником,
упомянутый по меньшей мере один микроволновый источник энергии выполнен с возможностью его использования для обмена данными со спутником.
Согласно изобретению также предложена система, содержащая
корпус космического летательного аппарата,
по меньшей мере один ракетный двигатель малой тяги для ориентации и/или разворота корпуса космического летательного аппарата.
Также предложен способ создания тяги, заключающийся в том, что
вводят газ в главную камеру,
частично преграждают камеру,
ионизируют по меньшей мере часть газа,
затем прикладывают к газу первое магнитное поле и электромагнитное поле для ускорения частично ионизированного газа под действием пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями.
Согласно изобретению также предложен способ, заключающийся в том, что
вводят газ, окружающий ракетный двигатель малой тяги, в главную камеру,
ионизируют по меньшей мере часть газа,
затем прикладывают к газу первое магнитное поле и электромагнитное поле для ускорения частично ионизированного газа под действием пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями.
Этот способ может дополнительно иметь один из следующих существенных признаков:
подвергают сжатию газ, окружающий двигатель малой тяги, перед его введением,
подвергают расширению газ, окружающий двигатель малой тяги, перед его введением.
Согласно изобретению также предложен способ, заключающийся в том, что
вводят газ в главную камеру,
ионизируют по меньшей мере часть газа,
затем прикладывают к газу первое магнитное поле и электромагнитное поле для ускорения частично ионизированного газа под действием пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями,
причем первое магнитное поле прикладывают без использования катушки.
Этот способ может дополнительно содержать один из следующих признаков:
после приложения к газу первого магнитного поля и перед приложением к газу ускоряющего электромагнитного поля прикладывают второе магнитное поле для создания эффекта магнитной бутылки перед ускоряющим электромагнитным полем.
Согласно изобретению также предложен способ, заключающийся в том, что
вводят газ в главную камеру,
ионизируют по меньшей мере часть газа,
затем прикладывают к газу первое магнитное поле и электромагнитное поле для ускорения частично ионизированного газа под действием пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями,
прикладывают к газу пятое магнитное поле для изменения направления расположенного перед первым магнитным полем.
Согласно изобретению также предложен способ, заключающийся в том, что
вводят газ в главную камеру,
ионизируют по меньшей мере часть газа,
затем прикладывают к газу первое магнитное поле и электромагнитное поле для ускорения частично ионизированного газа под действием пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями,
затем прикладывают к газу шестое магнитное поле для удержания ионизированного газа перед ускоряющим полем пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями.
Согласно изобретению также предложен способ, заключающийся в том, что
вводят газ в главную камеру,
ионизируют по меньшей мере часть газа,
затем прикладывают к газу первое магнитное поле и электромагнитное поле для ускорения частично ионизированного газа под действием пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями,
причем при ионизации дополнительно прикладывают переменное электромагнитное поле в главной камере.
Согласно изобретению также предложен способ, заключающийся в том, что
вводят газ в главную камеру,
ионизируют по меньшей мере часть газа,
затем прикладывают к газу первое магнитное поле и электромагнитное поле для ускорения частично ионизированного газа под действием пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями,
причем при ионизации прикладывают переменное электромагнитное поле с длиной волны менее 5 мм в главной камере для фокусировки электромагнитного пучка в фокусном пятне.
Согласно изобретению также предложен способ, заключающийся в том, что
вводят газ в главную камеру,
ионизируют по меньшей мере часть газа,
затем прикладывают к газу первое магнитное поле и электромагнитное поле для ускорения частично ионизированного газа под действием пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями,
причем при ионизации дополнительно бомбардируют газ электронами.
Краткое описание чертежей
Далее будет описан неограничивающий пример двигателя малой тяги со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых
фиг.1 изображает схематически вид поперечного сечения известного ракетного двигателя малой тяги;
фиг.2 изображает график интенсивности магнитного и электромагнитного полей вдоль оси двигателя малой тяги, изображенного на фиг.1;
фиг.3-9 изображают схематически виды поперечного сечения двигателя малой тяги согласно различным вариантам изобретения;
фиг.10 изображает график интенсивности магнитного поля вдоль оси двигателя малой тяги, изображенного на фиг.9;
фиг.11 изображает схематически вид поперечного сечения двигателя малой тяги согласно другому варианту изобретения;
фиг.12 изображает график интенсивности магнитного поля вдоль оси двигателя малой тяги, изображенного на фиг.11;
фиг.13 изображает схематически вид поперечного сечения двигателя малой тяги согласно другому варианту изобретения;
фиг.14 изображает график интенсивности магнитного поля вдоль оси двигателя малой тяги, изображенного на фиг.13;
фиг.15 изображает схематически вид поперечного сечения двигателя малой тяги согласно другому варианту изобретения;
фиг.16 изображает график интенсивности магнитного поля вдоль оси двигателя малой тяги, изображенного на фиг.15;
фиг.17-20 изображают схематически виды различных вариантов двигателя малой тяги, которые позволяют изменять направление тяги;
фиг.21 изображает схематически вид другого варианта двигателя малой тяги;
фиг.22 изображает схематически вид поперечного сечения двигателя малой тяги, изображенного на фиг.21;
фиг.23 изображает график интенсивности магнитного и электромагнитного полей двигателя малой тяги по фиг.21;
фиг.24 изображает схематически вид поперечного сечения двигателя малой тяги согласно другому варианту изобретения;
фиг.25 изображает схематически вид двигателя малой тяги согласно другому варианту изобретения;
фиг.26 изображает схематически вид поперечного сечения двигателя малой тяги согласно настоящему изобретению;
фиг.27-39 изображают схематически виды поперечного сечения различных ионизаторов 124 двигателя малой тяги согласно другим вариантам изобретения, и
фиг.40 изображает схематический вид системы согласно другому варианту изобретения.
Подробное описание
Прежде всего, следует отметить, что ракетное топливо, по определению, представляет собой материал, истечение которого создает тягу. Например, ракетное топливо может быть газом. Топливо также может быть твердым.
На фиг.3 схематически показано поперечное сечение ракетного двигателя 1 малой тяги согласно первому варианту изобретения. Двигатель 1 малой тяги на фиг.3 содержит преграждающее средство 50 между инжектором 8 и главной камерой 6 для частичного преграждения главной камеры 6. Иными словами, на фиг.3 показан двигатель 1 малой тяги, имеющий, во-первых, главную камеру 6, определяющую ось 4 тяги, во-вторых, инжектор 8 для введения ионизируемого газа в главную камеру 6, в-третьих, ионизатор 124 для ионизации введенного газа в главной камере 6, в-четвертых, первый генератор 12,14 магнитного поля и генератор 18 электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора 124 вдоль направления тяги на оси 4, и в-пятых, преграждающее средство 50 после инжектора 8 и перед главной камерой 6 для частичного преграждения главной камеры 6. Это вынуждает введенный газ сначала отражаться от преграждающего средства и обходить его со стороны перед движением вдоль главной камеры 6. После отражения газ возвращается к течению дальше по главной камере, потому что давление сверху по потоку выше, чем снизу. Это повышает однородность потока в главной камере 6 и ограничивает градиент плотности нейтральных атомов в главной камере 6, что может быть желательным, если электроны быстрой энергии более или менее однородно распределены внутри ионизационной области. Преграждающие средства 50 выполнены из непроводящих материалов, позволяющих создавать магнитные и электромагнитные поля в главной камере 6; можно использовать керамические материалы, кварц, стекло или подобные материалы с низкой диэлектрической проницаемостью. Благодаря этому магнитные и электромагнитные поля меньше подвержены возмущениям. Форма преграждающего средства 50 адаптирована к потоку плазмы, который требуется на выходе двигателей 1 малой тяги. Поэтому форма адаптирована, например, к форме трубы 2. В примере на фиг.3 преграждающие средства 50 содержат два элемента, частично преграждающих главную камеру. Первое преграждающее средство 50 является диском 51. Второе преграждающее средство выполнено в форме кольцевой диафрагмы 49.
max1
На фиг.4 схематически показано поперечное сечение ракетного двигателя 1 малой тяги согласно другому варианту изобретения. Двигатель 1 малой тяги на фиг.4 содержит успокоительную камеру 48. Иными словами, на фиг.4 показан двигатель 1 малой тяги, имеющий, во-первых, главную камеру 6, определяющую ось 4 тяги; во-вторых, инжектор 8 для введения ионизируемого газа в главную камеру 6; в-третьих, ионизатор 124 для ионизации введенного газа в главной камере 6; в-четвертых, первый генератор 12,14 магнитного поля и генератор 18 электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора 124 вдоль направления тяги на оси 4; и в-пятых, успокоительную камеру 48, расположенную после инжектора 8 и перед главной камерой 6, причем успокоительная камера 48 предназначена для приема ионизируемого газа. Успокоительная камера 48 расположена перед главной камерой 6. Ее преимущество состоит в том, что она защищает сопло инжектора от электронов высокой энергии, которые могут проходить за барьер, созданный первым максимумом В магнитного поля. Такая успокоительная камера 48 повышает однородность потока в главной камере 6 и ограничивает градиент плотности в камере. Успокоительная камера 48 может быть связана с преграждающим средством для улучшения однородности потока в камере и ограничения градиента плотности в камере. Когда успокоительная камера 48 связана с преграждающим средством 50, камера 48 располагается перед преграждающим средством 50.
На фиг.5 схематически показано поперечное сечение ракетного двигателя 1 малой тяги согласно другому варианту изобретения. Двигатель 1 малой тяги на фиг.5 содержит камеру 58 сжатия. Камера 58 сжатия является инжектором 8. Эта камера 58 сжатия предназначена для приведения ракетного топлива к заданному давлению, например, путем изменения температуры. Топливо можно привести к заданному давлению посредством механического уменьшения объема закрытой камеры. Можно также сжимать газ в непрерывном режиме; такая камера 58 сжатия имеет верхнее взаимодействующее средство 59 и нижнее взаимодействующее средство 61; сумма поверхностей верхнего взаимодействующего средства 59 больше, чем сумма поверхностей нижних отверстий. Таким образом, камера 58 сжатия может иметь по существу форму, сходящуюся в направлении потока. В примере на фиг.5 камера сжатия выполнена конической. Это позволяет сжимать газ, окружающий двигатель 1 малой тяги, например атмосферный газ. В случае космического летательного аппарата, который содержит данный двигатель малой тяги, газом, окружающим двигатель малой тяги, является газ снаружи двигателя малой тяги, то есть газ снаружи космического аппарата. Этот газ сжимают, чтобы придать ему заданные давление и плотность перед главной камерой. Эти давление и плотность адаптированы к рабочему режиму двигателя малой тяги, то есть к заданной тяге и удельному импульсу. Поэтому нет необходимости в запасе ракетного топлива. Такую камеру сжатия можно использовать для газа верхней атмосферы в чрезвычайно разреженных условиях или можно даже использовать межпланетную плазму, так называемый солнечный ветер. На более низкой высоте давление атмосферного газа выше, чем требуется для двигателя 1 малой тяги.
На фиг.6 схематически показано поперечное сечение ракетного двигателя 1 малой тяги согласно другому варианту изобретения. Двигатель 1 малой тяги на фиг.6 содержит камеру расширения. Камера 60 расширения является инжектором 8. Эта камера имеет верхнее взаимодействующее средство 59 и нижнее взаимодействующее средство 61; сумма поверхностей нижнего взаимодействующего средства 61 больше, чем сумма поверхностей нижнего взаимодействующего средства 59. Следовательно, эта камера 60 расширения имеет по существу форму, расходящуюся в направлении потока. Это позволяет расширять газ, окружающий двигатель 1 малой тяги, например атмосферный газ, чтобы придать ему заданные давление и плотность перед главной камерой 6. Благодаря этому исключается необходимость в запасе ракетного топлива. Такую камеру расширения можно использовать для атмосферного газа, когда давление и плотность атмосферного газа выше, чем необходимо. Верхнее взаимодействующее средство 59 может быть выполнено в форме отверстий в стенке камеры 60 расширения. Верхнее взаимодействующее средство 59 может регулироваться клапанами.
Иными словами, на фиг.5 и 6 показан двигатель 1 малой тяги, имеющий, во-первых, главную камеру 6, определяющую ось 4 тяги; во-вторых, инжектор 8 для введения ионизируемого газа в главную камеру 6; в-третьих, ионизатор 124 для ионизации введенного газа в главной камере 6; и в-четвертых, первый генератор 12,14 магнитного поля и генератор 18 электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора 124 вдоль направления тяги на оси 4; причем вводимым ионизируемым газом является газ, окружающий двигатель 1 малой тяги. Это исключает или уменьшает необходимость в запасе топлива.
На фиг.7 схематически показано поперечное сечение ракетного двигателя 1 малой тяги согласно другому варианту изобретения. Двигатель 1 малой тяги содержит инжектор 8 для введения ионизируемого газа прямо в ионизационную область главной камеры 6. Иными словами, на фиг.7 показан двигатель 1 малой тяги, имеющий, во-первых, главную камеру 6, определяющую ось 4 тяги; во-вторых, инжектор 8 для введения ионизируемого газа в главную камеру 6; в-третьих, ионизатор 124 для ионизации введенного газа в главной камере 6; и в-четвертых, первый генератор 12,14 магнитного поля и генератор 18 электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора 124 вдоль направления тяги на оси 4; причем инжектор 8 выполнен с возможностью введения ионизируемого газа в том месте, где прикладывается ионизирующее поле в главной камере 6. Таким образом обеспечивается преимущество введения ионизируемого газа там, где снабженные энергией электроны имеют максимальную плотность в главной камере 6. Следовательно, повышается частота ионизирующих столкновений. Такое введение можно реализовать посредством щели 54 в стенке трубы 2 главной камеры 6. Это позволяет повысить однородность вводимого газа, так как поток введенного газа имеет такую же симметрию, как и симметрия щели. Такое введение можно также реализовать посредством по меньшей мере одного отверстия 56 в стенке трубы 2 главной камеры 6. Это также повышает эффективность ионизации, так как давление струи вводимого газа позволяет ей быстрее достичь центральной области с высокой плотностью снабженных энергией электронов внутри главной камеры 6. В примере на фиг.7 газ вводится через щель 54 и отверстие 56 в ионизационной области главной камеры 6. Благодаря повышению плотности нейтральных атомов в том же месте, где имеет место максимальное распределение снабженных энергией электронов, когда они не распределены равномерно внутри ионизационной области, повышается эффективность ионизации. Следовательно, повышается общий энергетический кпд двигателя малой тяги.
На фиг.8 схематически показано поперечное сечение ракетного двигателя 1 малой тяги согласно другому варианту изобретения. Двигатель 1 малой тяги на фиг.8 содержит инжектор 8, выполненный с возможностью введения ионизируемого газа в главную камеру 6 вдоль нее. Это уменьшает влияние введения сверху на однородность по оси. Следовательно, улучшается однородность газа вдоль главной камеры 6. В примере на фиг.8 газ вводится через расположенные на одинаковом расстоянии отверстия в стенке трубы 2.
На фиг.9 схематически показано поперечное сечение ракетного двигателя 1 малой тяги согласно другому варианту изобретения. На фиг.10 показан график интенсивности магнитного поля вдоль оси двигателя 1 малой тяги, изображенного на фиг.9. Двигатель 1 малой тяги на фиг.9 содержит, во-первых, главную камеру 6, определяющую ось 4 тяги. Он также содержит инжектор 8 для введения ионизируемого газа в главную камеру 6. Кроме того, он содержит первый генератор 12 магнитного поля для создания магнитного поля, имеющего по меньшей мере первый максимум вдоль оси 4; это магнитное поле по существу аксиальное и уменьшается вдоль оси 4. Также он содержит ионизатор 124 для создания ионизационной области в главной камере 6 после первого максимума и ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после микроволнового ионизирующего поля. Иными словами, на фиг.9 показан двигатель 1 малой тяги имеющий, во-первых, главную камеру 6, определяющую ось 4 тяги; во-вторых, инжектор 8 для введения ионизируемого газа в главную камеру 6; в-третьих, ионизатор 124 для ионизации введенного газа в главной камере 6; и в-четвертых, первый генератор 12,14 магнитного поля и генератор 18 электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора 124 вдоль направления тяги на оси 4; причем первый генератор 12,14 магнитного поля не содержит катушки. Это позволяет использовать пондеромоторную силу для двигателя 1 малой тяги, используя магнитное поле, которое существенно ослабевает вдоль оси. Для реализации генератора 12 магнитного поля 12 вместо катушек можно использовать магниты и электромагниты, а значит, исключить проблемы, обусловленные массой катушек и выделяющейся теплотой.
В этом варианте двигатели 1 малой тяги могут содержать магнитную цепь 68, выполненную из материалов с более высокой магнитной проницаемостью, чем магнитная проницаемость вакуума. Это позволяет эффективно применять магнитное поле в том месте, где это выгодно. Более того, это препятствует образованию большого краевого магнитного поля снаружи двигателя малой тяги, которое могло бы нанести вред другой подсистеме космического аппарата. Это также позволяет использовать меньшую мощность в электромагните для создания аналогичного магнитного поля в требуемом месте. Магнитная цепь 68 предназначена для создания магнитного поля по существу параллельно оси главной камеры 6. Она способствует созданию и улучшению пондеромоторной силы. Магнитное поле этой схемы 68 расходится вниз. Это позволяет находящейся ниже по течению плазме более легко отрываться от магнитного поля. Следовательно, уменьшается расхождение плазменного пучка и тем самым улучшается тяга. Магнитная цепь может быть прерывистой. Это значит, что магнитная цепь может содержать области или элементы, которые имеют относительную магнитную проницаемость, равную магнитной проницаемости вакуума. Форма магнитной цепи адаптирована к потоку плазмы, требующемуся на выходе двигателей малой тяги. Например, эта форма может быть адаптирована к форме трубы 2. Другое преимущество этой магнитной цепи 68 состоит в элементах, которые можно использовать.
Генератор 12,14 магнитного поля может содержать по меньшей мере один магнит 64. Существенное преимущество магнита 64 перед катушкой или электромагнитом состоит в том, что он не зависит от источника энергии и не нагревается. Генератор 12,14 магнитного поля может также содержать по меньшей мере один электромагнит 64. Существенное преимущество электромагнита 66 перед катушками состоит в том, что он потребляет меньше электрической энергии и меньше нагревается. Электромагнит 66 имеет преимущество перед магнитом 64 в том, что его можно регулировать.
На фиг.11 изображен схематически вид поперечного сечения ракетного двигателя малой тяги согласно другому варианту изобретения. На фиг.12 изображен график интенсивности магнитного поля вдоль оси двигателя малой тяги, показанного по фиг.11. Двигатель малой тяги на фиг.11 содержит по меньшей мере второй магнитный генератор 70 для создания магнитного поля, которое, налагаясь на первое магнитное поле, создает по меньшей мере второй максимум интенсивности магнитного поля вдоль оси 4, причем второй максимум находится после первого максимума и перед ускоряющим полем пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями. Иными словами, на фиг.11 изображен двигатель 1 малой тяги, дополнительно содержащий по меньшей мере второй генератор 70 магнитного поля для создания магнитного поля и создания эффекта магнитной бутылки вдоль оси 4 перед ускоряющим полем пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями. Действительно, такой генератор магнитного поля позволяет создавать эффект магнитной бутылки. При этом второй максимум магнитного поля создается после первого максимума магнитного поля и перед ускоряющим полем пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями. Иными словами, второй генератор 70 магнитного поля создает поле вдоль оси 4, которое имеет такое же направление, как и поле, созданное первым генератором 12,14 магнитного поля. Это позволяет увеличить общую интенсивность магнитного поля по оси 4, после первого максимума магнитного поля и перед ускоряющим полем пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, при добавлении второго генератора 70 магнитного поля на отвесной линии второго максимума магнитного поля. Следовательно, главная камера ограничена не стенкой трубы 2, а силовыми линиями магнитного поля. Это увеличивает общий энергетический кпд двигателя малой тяги за счет ограничения потока электронов и ионов, сталкивающихся с действительной материальной стенкой камеры. Второй генератор 70 магнитного поля можно реализовать с использованием катушки, как в примере на фиг.10; его энергетические потребности будут ниже, чем при использовании конструкции исключительно на катушках.
На фиг.13 изображен схематически вид поперечного сечения ракетного двигателя малой тяги согласно другому варианту изобретения. На фиг.14 показан график интенсивности магнитного поля вдоль оси двигателя малой тяги, показанного на фиг.13. В двигателе малой тяги на фиг.13 первая магнитная цепь 68 замыкается после микроволнового ионизирующего поля в главной камере 6 и перед ускоряющим полем пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями. Этот двигатель также содержит третий генератор 72 магнитного поля для создания магнитного поля, имеющего по меньшей мере третий максимум вдоль оси 4, причем третий 72 генератор магнитного поля расположен после первого генератора 12, 14 магнитного поля и по меньшей мере перекрывает ускоряющее поле пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями. Вдоль оси первое и второе магнитные поля, созданные первым 12,14 и третьим 72 генераторами магнитного поля, могут иметь одинаковую или противоположную полярность. Такая конструкция может быть легче и требовать намного меньше электроэнергии, чем при использовании только одного генератора 12,14 магнитного поля и второго генератора 70 магнитного поля, содержащего катушку. В ней создается бутылочный эффект. Также в ней создается перегиб кривой, то есть область, в которой отсутствует магнитное поле, перед третьим генератором магнитного поля 72. Может быть целесообразным, чтобы когда ось двигателя малой тяги не проходит через созданный перегиб, стенка трубы 2 находилась близко к границам этой области, не содержащей магнитного поля, но не проходила через эту зону. Первый 12,14 и третий 72 генераторы магнитного поля могут иметь первый общий элемент 74. При его наличии можно разместить этот общий элемент 74 на отвесной линии перегиба. Когда ось двигателя малой тяги проходит через перегиб кривой магнитного поля, даже если поток плазмы по существу следует по силовым линиям магнитного поля, плазма отталкивается от области, в которой градиент интенсивности магнитного поля имеет слишком большое значение. Это эффект зеркала. Он обусловлен большим градиентом магнитного поля вблизи общего элемента 74 первого 12,14 и третьего 70 генераторов магнитного поля. Так как плазма отталкивается от стенок трубы, она удерживается вдоль оси, что и требуется. Первый общий элемент 74 может содержать магнит, электромагнит или катушку. Этот вариант обеспечивает такое же преимущество, как и использование магнита, электромагнита, как было описано выше. Он позволяет создать эффект магнитной бутылки вдоль оси 4 двигателя малой тяги перед ускоряющим полем.
На фиг.15 изображен схематически вид поперечного сечения ракетного двигателя малой тяги согласно другому варианту изобретения. На фиг.16 изображен график интенсивности магнитного поля вдоль оси двигателя малой тяги, показанного на фиг.15. Двигатель малой тяги на фиг.15 содержит четвертый генератор 76 магнитного поля для создания магнитного поля, имеющего по меньшей мере третий максимум вдоль оси 4, причем четвертый генератор 76 магнитного поля находится после третьего генератора 72 магнитного поля. Вдоль оси четвертое и третье магнитные поля, созданные четвертым 76 и третьим 72 генераторами магнитного поля, могут иметь противоположные полярности. Когда четвертое и третье магнитные поля, созданные четвертым 76 и третьим 72 генераторами магнитного поля, имеют противоположную полярность, возникает перегиб кривой, при этом ось 4 двигателя 1 малой тяги проходит через этот перегиб. Это позволяет плазме более легко выходить из магнитного поля. Действительно, это соответствует увеличению участка после ускоряющей области, на котором нет магнитного поля. Следовательно, в ускоряющей области возрастает градиент магнитного поля. Благодаря этому можно уменьшить расхождение пучка плазмы. Также имеет место зеркальный эффект между обоими генераторами 72, 76 магнитного поля. В другом варианте четвертый 76 и третий 72 генераторы магнитного поля могут иметь второй общий элемент 78. Этот второй общий элемент 78 может содержать магнит, электромагнит или катушку. Этот вариант обеспечивает такое же преимущество, как и использование магнита, электромагнита или катушки, описанное выше, или же, если четвертым генератором магнитного поля можно каким-либо образом управлять, это обеспечит лучший контроль над ускоряющей областью и выходной областью, что сделает этот двигатель малой тяги более гибким в применении.
На фиг.17-20 представлены схематически виды различных вариантов ракетного двигателя малой тяги, которые позволяют изменять направление тяги. Возможность изменения направления тяги известна как управление вектором тяги. Как обсуждалось выше, пондеромоторная сила направлена вдоль силовых линий магнитного поля. Следовательно, изменение направления и интенсивности силовых линий магнитного поля внутрь и вниз ускоряющей области двигателя малой тяги позволяет изменять направление тяги. На фиг.20 показано поперечное сечение другого варианта двигателя малой тяги. Этот двигатель малой тяги подобен двигателю, показанному на фиг.1. Двигатель малой тяги на фиг.20 содержит пятый генератор 82 магнитного поля для изменения магнитного поля внутри и после ускоряющего поля. Это позволяет изменять направление. Иными словами, на фиг.20 показан двигатель 1 малой тяги, имеющий, во-первых, главную камеру 6, определяющую ось 4 тяги; во-вторых, инжектор 8 для введения ионизируемого газа в главную камеру 6; в-третьих, ионизатор 12 для ионизации введенного газа в главной камере 6; и в-четвертых, первый генератор 12,14 магнитного поля и генератор 18 электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора 124 вдоль направления тяги на оси 4, а также пятый генератор 82 магнитного поля для изменения направления магнитного поля после ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями. В примере на фиг.20 двигатель малой тяги имеет пятый 82 генератор магнитного поля, который содержит в этом примере четыре дополнительных электромагнита 84, 86, 88 и 90 для регулировки направления, расположенной после ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями. Эти электромагниты должны быть смещены относительно оси двигателя малой тяги, чтобы изменить направление магнитного поля после генератора магнитного поля, который находится ниже всех. Кроме того, эти электромагниты могут также располагаться на равном расстоянии от оси 4 главной камеры 6. На фиг.19 изображен вид спереди, показывающий четыре электромагнита 84, 86, 88 и 90 и трубу 2; также показаны различные магнитные поля, которые могут создаваться при подаче энергии на один или несколько этих электромагнитов, показанных стрелками внутри трубы 2. Предпочтительно, электромагниты создают магнитное поле с направлением, противоположным направлению, созданному выше генератором магнитного поля 12 и 14; это дополнительно увеличивает градиент магнитного поля, а следовательно, и тягу. Кроме того, запитка электромагнитов обратимым током позволяет изменять направление тяги в более широком интервале и использовать меньшее количество электромагнитов (2 или 3 вместо 4), но использовать более сложный источник энергии. Можно также использовать просто магниты. Но их нужно перемещать для того, чтобы изменить магнитное поле ниже.
На фиг.17 показан вид спереди, подобный фиг.19, но для двигателя малой тяги, имеющего всего два дополнительных электромагнита 84,88. На фиг.18 показан вид спереди, подобный фиг.19, но для двигателя малой тяги, имеющего три дополнительных электромагнита.
В примерах на фиг.17-20 пятый генератор 82 магнитного поля для регулировки направления расположен как можно ближе ко второй полости, от есть после ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, чтобы воздействовать на магнитное поле в ускоряющем объеме или вблизи него. Целесообразно, чтобы интенсивность магнитного поля в пятом генераторе 82 магнитного поля для регулировки направления выбиралась так, чтобы магнитное поле все же уменьшалось по существу непрерывно после двигателя малой тяги; это позволяет исключить любой зеркальный эффект, который может локально захватывать электроны плазмы. Величина магнитного поля, созданного пятым генератором 82 магнитного поля для регулировки направления, предпочтительно составляет от 5% до 95% главного поля, поэтому он нигде не изменяет направление магнитного поля на обратное в ускоряющем поле пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями.
На фиг.21 показан схематически вид другого варианта ракетного двигателя малой тяги. На фиг.22 изображен схематически вид поперечного сечения двигателя малой тяги по фиг.21. На фиг.23 представлен график интенсивности магнитного и электромагнитного полей двигателя малой тяги, изображенного на фиг.21. На фиг.21 содержится шестой генератор 96 магнитного поля для удержания ионизированного газа в плоскости, перпендикулярной оси 4. Иными словами, на фиг.21 показан двигатель 1 малой тяги, имеющий, во-первых, главную камеру 6, определяющую ось 4 тяги; во-вторых, инжектор 8 для введения ионизируемого газа в главную камеру 6; в-третьих, ионизатор 124 для ионизации введенного газа в главной камере 6; и в-четвертых, первый генератор 12,14 магнитного поля и генератор 18 электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора 124 вдоль направления тяги на оси 4, а также шестой генератор 96 магнитного поля для удержания ионизированного газа перед ускоряющим полем пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями. Шестой генератор 96 магнитного поля расположен после первого генератора 12,14 магнитного поля. Шестой генератор 96 магнитного поля может быть расположен после генератора 12 магнитного поля и/или перед ионизатором 124 и после ионизатора 124 до выпускного отверстия двигателя малой тяги. Предпочтительно, шестой генератор 96 магнитного поля еще более полезен над секцией, содержащей нижнюю сторону ионизатора 124 и верхнюю сторону генератора 18 ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями. При этом заряженные частицы лучше удерживаются перед их ускорением. Поэтому шестой генератор 96 магнитного поля находится, по меньшей мере, внутри средства, создающего бутылочный эффект. Это удержание реализуется созданием перегиба, содержащего ось 4 и ее окрестности. Эти окрестности обрамлены силовыми линиями магнитного поля шестого генератора 96 магнитного поля. Это позволяет создать зеркальный эффект в плоскости, перпендикулярной оси 4 главной камеры 6. Поэтому плазма отталкивается в направлении оси 4. Благодаря этому ограничивается потеря энергии. Это также препятствует нагреву стенки трубы. Кроме того, повышается энергетический кпд двигателя малой тяги, так как плазма имеет более высокую плотность при той же самой энергии ионизации. Это решение можно реализовать, например, используя набор из нескольких пар генераторов 96-106 магнитного поля. Магнитная ось каждого из этих генераторов 96-106 определяется как прямая линия между центрами, центрами тяжести каждого магнитного полюса или концевого поперечного сечением каждого генератора. Магнитные оси могут быть по существу параллельны локальной касательной к стенке трубы 2 и по существу перпендикулярны продольной оси 4 главной камеры 6. В другом варианте магнитные оси перпендикулярны локальной касательной и продольной оси 4 главной камеры 6. Генераторы 96-106 магнитного поля можно расположить так, чтобы каждый полюс генератора 96-106 был обращен к полюсу соседнего генератора 96-106, имеющего такую же полярность. Альтернативно, каждый полюс любого генератора может иметь такую же полярность, как полюс генератора, расположенного симметрично напротив него относительно оси 4 главной камеры 6, например, 96 и 102, или 106 и 100 на фиг.21. Генераторы 96-106 магнитного поля также расположены таким образом, что они включены по меньшей мере в поперечное сечение трубы 2, перпендикулярное оси 4 главной камеры 6. Предпочтительно, чтобы было предусмотрено по меньшей мере четыре генератора магнитного поля. Это исключает любую возможность радиальной утечки плазмы, так как имеет место зеркальный эффект во всех радиальных направлениях. Действительно, при наличии всего двух генераторов магнитного поля имеется одно направление, которое не обрамлено сходящимися силовыми линиями магнитного поля, то есть линиями магнитного поля, которые могли бы предотвратить утечку плазмы в плоскости, перпендикулярной оси 4 главной камеры 6. Этот вариант можно реализовать с использованием магнитов, электромагнитов или катушек.
На фиг.24 изображен схематически вид поперечного сечения ракетного двигателя малой тяги согласно другому варианту изобретения. На фиг.24 имеется крепежное средство 94 для крепления по меньшей мере двух элементов двигателя малой тяги. Иными словами, на фиг.24 показан двигатель 1 малой тяги, содержащий, во-первых, главную камеру 6, определяющую ось 4 тяги; во-вторых, инжектор 8 для введения ионизируемого газа в главную камеру 6; в-третьих, ионизатор 124 для ионизации введенного газа в главной камере 6; и в-четвертых, первый генератор 12,14 магнитного поля и генератор 18 электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора 124 вдоль направления тяги на оси 4, а также крепежное средство 94 для присоединения по меньшей мере двух элементов двигателя 1 малой тяги. Оно позволяет устанавливать расстояния между элементами двигателя малой тяги. Элементы двигателя малой тяги содержат любое устройство, используемое в варианте двигателя. В примере на фиг.24 этими элементами являются инжектор 8, первый генератор 12,14 магнитного поля, труба 2, генератор 18 электромагнитного поля. При этом предотвращается движение данных элементов. Они защищены от повреждений. Также регулируются расстояния. Это решение можно реализовать посредством приклеивания или запрессовки элементов двигателя малой тяги в жидкотекучем материале, то есть частично жидком материале, который может затвердеть до твердого состояния, таком как керамика, стекло или смола. Но этот материал тяжелый, может нагреваться и исключает любое перемещение этих элементов в будущем, например, для осуществления доступа к ним. Предпочтительно, чтобы крепежные средства исключали движение элементов даже при воздействии на них силы более одного гиганьютона. Следует отметить, что они препятствуют движению в случае ускорений, вибраций и скачков интенсивности и продолжительности, подобных тем, которые действуют на любую часть космического аппарата во время вывода на орбиту на борту ракеты. Крепежные средства могут быть выполнены в форме решетки, пластины, стержня или перемычки вдоль оси 4. Выбор из этих различных крепежных средств 94 зависит от компромисса между их массой, твердостью или формой, соответствующей двигателю 1 малой тяги. Крепежные средства могут иметь форму, адаптированную к двигателю малой тяги. В примере на фиг.24 крепежными средствами являются два стержня.
Мода, по определению, представляет собой пространственное распределение интенсивности и фазы поля электромагнитной энергии внутри эндовибратора 112. В ускоряющей области целесообразно выбрать такую моду, чтобы максимум электромагнитной энергии находился в главной камере 6 или даже в трубе 2. Это позволяет увеличить пондеромоторную силу. Однако в эндовибраторе 112 электрическая проницаемость плазмы может трансформировать моды внутри него и/или может вызвать изменение их частоты. Поэтому в другом варианте изобретения двигатель 1 малой тяги содержит, во-первых, главную камеру 6, определяющую ось 4 тяги, во-вторых, инжектор 8 для введения ионизируемого газа в главную камеру 6, в-третьих, ионизатор 124 для ионизации введенного газа в главной камере 6, и в-четвертых, первый генератор 12,14 магнитного поля и генератор 18 электромагнитного поля для создания ускоряющего поля пондеромоторной силы, обусловленной магнитными полями, после ионизатора 124 вдоль направления тяги на оси 4, а также по меньшей мере один эндовибратор 112, причем генератор 18 магнитного поля выполнен с возможностью управления модой эндовибратора 112.
На фиг.25 изображен схематически вид поперечного сечения ракетного двигателя малой тяги согласно другому варианту изобретения. Генератор 18 электромагнитного поля на фиг.25 дополнительно содержит корпус 110 для создания стоячих электромагнитных волн в эндовибраторе 112. Корпус 110 представляет собой систему для подачи в эндовибратор 112 микроволновой энергии через более чем одно соединительное средство и с определенным фазовым соотношением между ними. Этот корпус 110 направляет электромагнитные волны в эндовибратор 112. Следовательно, образование стоячих волн в корпусе 110 передает стоячие электромагнитные волны в эндовибратор 112. При этом стоячие электромагнитные волны позволяют управлять модами эндовибратора 112. Стоячие волны можно выбрать таким образом, чтобы получать максимумы электромагнитной энергии там, где это необходимо, например вдоль оси, где удерживается плазма, или где проходит главная камера 6.
Предпочтительно, чтобы корпус 110 был достаточно большим по меньшей мере в одном измерении для получения стоячих электромагнитных волн. Однако это увеличивает массу двигателя 1 малой тяги. В примере на фиг.24 корпус 110 вмещает в себя эндовибратор 112. Это ограничивает изменение характеристики моды плазмой и/или изменение частоты мод в эндовибраторе 112. Действительно, плазма удерживается только внутри эндовибратора 112 и больше нигде в корпусе. Поэтому плазма не может изменять моды в корпусе снаружи эндовибратора 112 и/или не может вызвать изменение их частоты. И напротив, стоячие волны внутри корпуса, но снаружи эндовибратора препятствуют изменению моды внутри него. Иными словами, так как плазма действует только на часть полной конфигурации стоячей волны, удерживаемой в эндовибраторе, и не действует на часть, находящуюся в остальной части корпуса, общая мода более устойчива. Следовательно, мода изменяется меньше, так как на ее изменение требуется больше энергии. Таким образом, мода фиксируется снаружи эндовибратора. Корпус 110 можно подсоединить к генератору 18 электромагнитного поля с помощью различных соединительных средств, таких как магнитная петля, щелевая связь или электрическая дипольная антенна. Выбор соединительного средства и места соединения диктуется имеющимися модами.
Если при данной моде имеется несколько максимумов электромагнитной энергии или максимум снаружи оси 4 двигателя малой тяги, то форму и местоположение трубы 2 и главной камеры 6 можно адаптировать к радиальному местоположению этих максимумов. Например, трубу можно разделить на несколько вторичных труб. Это позволяет использовать моды с минимумом вдоль оси 4. Следовательно, при этом оптимизируется отношение поверхности истечения к общей поверхности поперечного сечения, необходимой для установки двигателя малой тяги.
На фиг.26 изображен схематически вид поперечного ракетного сечения двигателя малой тяги согласно настоящему изобретению. На фиг.26 имеются средства 122 из твердого материала внутри эндовибратора 112, но снаружи главной камеры 6. Средства 122 из твердого материала предназначены для изменения мод за счет их электрической проницаемости и/или магнитной проницаемости. Поэтому такие средства из твердого материала используются для выбора и регулирования мод. Средства 122 из твердого материала предпочтительно находятся снаружи главной камеры 6, так как если бы они были внутри главной камеры 6, то они бы были подвержены действию интенсивной бомбардировки ионами высокой энергии. Эти средства 122 из твердого материала могут быть подвижными, что позволяет осуществлять динамическую настройку резонатора. При этом улучшается эффективность энергетической связи.
На фиг.27-38 изображены схематически виды поперечного сечения различных ионизаторов 124 ракетного двигателя малой тяги согласно другим вариантам изобретения. На фиг.27-38 показаны инжектор 8 и ионизатор 124. Ионизатор 124 на фиг.27 содержит по меньшей мере одну металлическую поверхность 126, работа выхода которой больше, чем первый ионизационный потенциал ракетного топлива. Такой ионизатор известен как "система контактной ионизации". Он описан в работе "Contact Ionization ION sources for Ion Cyclotron Resonance Separation", Jpn, J.Appl.Phys.33 (1994) 4247-4240, Tatsuya Suzuki, Kazuko Takahashi, Masao Nomura, Yasuhiko Fujii and Makoto Okamoto. Так как эту систему можно использовать в качестве основного поставщика ионов, она подходит для использования в качестве ионизатора 124. Система контактной ионизации содержит металлическую поверхность 126, контактирующую с ионизируемой средой, например газом; она может быть выполнена в форме пористой металлической секции, через которую вводится газ внутрь главной камеры 6. Под работой выхода подразумевается минимальная энергия, необходимая для извлечения электрона из твердого материала, например, посредством фотоэмиссии. Ракетное топливо ионизируется, если его потенциал первой ионизации ниже, чем работа выхода поверхности твердого материала.
На фиг.28 показаны инжектор 8 и ионизатор 124. Ионизатор 124 на фиг.28 содержит по меньшей мере один эмиттер электронов 128. Действительно, ионизация введенного газа может достигаться путем воздействия на введенный газ электронной бомбардировкой или электронным ударом. При столкновении электрона с нейтральным атомом, если кинетическая энергия электрона выше, чем ионизационная энергия атома, нейтральный атом может ионизироваться. Очень простая система ионизации путем бомбардировки электронами может состоять из эмиттера 128 электронов внутри главной камеры 6. Эмиттер электронов может быть электронной пушкой, горячим катодом, холодным катодом, полым катодом, радиоактивным источником или пьезоэлектрическим кристаллом. Обычно ионизация достигается с наибольшей вероятностью, когда средняя кинетическая энергия электронов приблизительно в два-пять раз превышает ионизационную энергию топлива. Это значит, что для повышения эффективности ионизационная система должна включать в себя средство для повышения кинетических энергий свободных электронов до энергии такого диапазона, обычно 50-200 эВ. Такой ионизатор 124, содержащий по меньшей мере один эмиттер электронов 128, описан в работе "The performance and plume characterization of a laboratory gridless ion thruster with closed drift acceleration", AIAA Joint Propulsion Conference, AIAA-2004-3936, 2004 by Paterson Peter Y. and Galimore Alec.D.
На фиг.29 показаны инжектор 8 и ионизатор 124. Ионизатор 124 на фиг.29 содержит по меньшей мере два электрода 130 внутри главной камеры 6, причем электроды 130 имеют различные электрические потенциалы. Это позволяет увеличивать кинетическую энергию электронов путем приложения к ним постоянного электрического поля. Ионизатор 124 может содержать два электрода 130 с различным электрическим потенциалом внутри главной камеры 6, при этом отрицательно заряженный электрод, то есть катод, также действует как поставщик электронов и предпочтительно расположен рядом с местом введения топлива, чтобы снизить вероятность ударения ионов по катоду и эрозии катода. Такой ионизатор 124 содержит по меньшей мере два электрода (130) внутри главной камеры 6, причем электроды (130) имеют различные электрические потенциалы. В другом варианте двигатель 1 малой тяги содержит охлаждающее средство для отвода тепла по меньшей мере с одного элемента двигателя малой тяги. Иными словами, два электрода 130 смогут выдерживать большой ток, в частности более 100 мА. Корме того, остальная часть системы сможет выдерживать термический эффект, связанный с таким большим током, если использовать пассивное или активное охлаждение электродов 130 и/или трубы 2 или любой другой части двигателя 1 малой тяги. Это позволяет достигать более высокой плотности плазмы, чем при более низких разрядах тока. В другом варианте часть тепла, отведенную с какого-то элемента двигателя малой тяги, можно передавать топливу, чтобы либо изменить его состояние, если оно не газообразное, либо увеличить содержание в нем тепловой энергии, то есть его "холодную тягу". Такое охлаждение называется регенеративным охлаждением.
На фиг.30 показаны инжектор 8 и ионизатор 124. Ионизатор 124 на фиг.30 содержит по меньшей мере два электрода 130 внутри главной камеры 6, причем электроды 130 имеют различные электрические потенциалы, и седьмой генератор 132 магнитного поля для создания седьмого магнитного поля по меньшей мере между упомянутыми по меньшей мере двумя электродами 130. Ионизация улучшается за счет приложения седьмого магнитного поля к ионизационной области, потому что седьмое магнитное поле вынуждает электроны вращаться вокруг силовых линий магнитного поля. При этом увеличивается длина их пути между электродами. Следовательно, повышается вероятность их ионизирующих столкновений. Кроме того, можно также использовать первое магнитное поле, созданное первым генератором 12,14 магнитного поля, в качестве седьмого магнитного поля, созданного седьмым генератором 132 магнитного поля.
На фиг.31 показаны инжектор 8 и ионизатор 124. В ионизаторе 124 на фиг.31 по меньшей мере два электрода 130 содержат кольцевой анод 134 и два кольцевых катода 136, 138, расположенных соответственно до и после кольцевого анода 134. Также предусмотрен седьмой генератор 132 магнитного поля для создания седьмого магнитного поля по меньшей мере между электродами 134-138. Этот вариант построен на принципе разряда Пеннинга. В нем электроны осциллируют между двумя электродами. Следовательно, траектории движения электронов через введенный газ будут длиннее. Такой ионизатор 124 описан в работе F.M.Penning, Physica, 4, 71, 1937.
Этот вариант можно скомбинировать с восьмым генератором магнитного поля для создания восьмого магнитного поля и бутылочного эффекта для увеличения интенсивности магнитного поля вокруг катодов по сравнению с интенсивностью магнитного поля вокруг анода. В таком варианте восьмое магнитное поле будет неоднородно вдоль оси 4. Это повышает ионизацию. Кроме того, седьмое магнитное поле, созданное седьмым генератором 132 магнитного поля, можно также использовать как восьмое магнитное поле, созданное восьмым генератором 133 магнитного поля. Такой ионизатор 124 описан в работе F.M.Penning, Physica, 4, 71, 1937.
На фиг.39 показан ионизатор 124. В ионизаторе 124 на фиг.39 предусмотрено по меньшей мере два электрода 130, передающих короткий и интенсивный импульс тока вдоль поверхности твердого ракетного топлива 160, что обеспечивает абляцию и ионизацию небольшого слоя топлива 160 при каждом импульсе. Предпочтительно, электроды 130 остаются в контакте с нижней поверхностью твердого топлива. Этот контакт обеспечивает более эффективную связь, потому что больше энергии используется для испарения и ионизации топлива 160. Например, ионизатор 124 может содержать два рельсовых электрода 129 параллельно оси 4, расположенных вдоль главной камеры 6 и вдоль длины твердого топлива. По мере расхода топлива 160 нижняя поверхность углубляется, то есть движется в направлении верхнего конца двигателя 1 малой тяги. Рельсовые электроды 13 позволяют сохранять контакт между электродами и нижней поверхностью топлива 160. В этом варианте также предпочтительно, чтобы рельсовые электроды были присоединены к генератору на своих нижних концах. Это гарантирует более высокую вероятность разряда на нижней поверхности твердого топлива 160. Действительно, нижняя поверхность твердого топлива 160 обеспечивает проводящий путь с более низкой индуктивностью. В другом возможном варианте могут содержаться электроды 130, осевая длина которых намного меньше, чем длина двигателя малой тяги, и средство для проталкивания твердого топлива 160, чтобы сохранять контакт между нижней поверхностью твердого топлива 160 и электродами 130.
На фиг.32 показаны инжектор 8 и ионизатор 124. Ионизатор 124 на фиг.32 содержит по меньшей мере один генератор 140 электромагнитного поля для создания переменного электромагнитного поля внутри главной камеры 6. Действительно, это позволяет снабжать энергией электроны, будь то свободные электроны, естественно существующие в газе, или электроны, созданные дополнительным эмиттером 128 электронов, путем приложения к ним переменного электрического поля, например, с использованием связующей антенны, то есть электродов 139. Предпочтительно, частота упомянутого по меньшей мере одного генератора 140 электромагнитного поля ниже 2 ГГц. Это позволяет исключить проблемы помех для полезного груза и, особенно, для средств связи на космическом аппарате, содержащем этот двигатель 1 малой тяги.
В примере на фиг.33 по меньшей мере один генератор 140 электромагнитного поля содержит емкостно связанные электроды 142, присоединенные к высокочастотному генератору 140. Емкостно связанные электроды 141 представляют собой пары электродов 141, имеющие различные потенциалы. Эти емкостно связанные электроды 141 подсоединены к высокочастотному источнику энергии. В данном варианте емкостно связанные электроды 141 размещены снаружи трубы 2, удерживающей плазму, так что образующийся емкостной разряд не вызывает эрозии электродов 142 в результате ударов частиц. В примере на фиг.33 предусмотрена настроечная пара 141 кольцевых связующих электродов. В этом емкостном разряде никакая деталь не должна находиться в контакте в плазмой, так как связующие электроды 141 могут быть расположены снаружи трубы 2. Таким образом, уменьшается риск эрозии.
В примере на фиг.34 по меньшей мере один генератор 140 электромагнитного поля содержит индуктивно связанную катушку 144, подсоединенную к высокочастотному генератору 140. Переменное поле прикладывается к ионизационной области с помощью катушки, запитываемой переменным током. Переменный ток создает переменное магнитное поле, которое индуцирует переменное электрическое поле. Подобно емкостному разряду, в этом индуктивном разряде никакая деталь не должна находиться в прямом контакте с плазмой, так как катушка 144 может быть расположена снаружи трубы 2. Таким образом, уменьшен риск эрозии. Кроме очевидной геометрии соленоида можно использовать альтернативную геометрию катушки. Такой ионизатор 124 описан в US-А-4010400, Hollister, "Light generation by an electrodeless Fluorescent lamp" и US-A-5231334, Paranjpe, "Plasma source and method of manufacturing".
Оба этих предыдущих варианта, то есть емкостно связанные электроды 142 и индуктивно связанные электроды 144, можно усовершенствовать, добавив девятое статическое магнитное поле, созданное девятым генератором магнитного поля, предпочтительно когда используется частота генератора 140 высокочастотного электромагнитного поля, близкая к резонансным частотам, характерным для плазмы, таким как ионная или электронная циклотронная частота, частота плазмы, верхние и нижние гибридные частоты, потому что передача энергии становится более эффективной.
На фиг.35 показаны инжектор 8 и ионизатор 124. Ионизатор 124 на фиг.35 содержит по меньшей мере спиральную антенну 146, подсоединенную к высокочастотному генератору 140. На фиг.34 также показан десятый генератор 148 магнитного поля для создания десятого магнитного поля по существу параллельно оси 4 главной камеры 6. Спиральная антенна и частота представляют интерес, так как они позволяют производить плазму высокой плотности. Такой ионизатор 124 описан в работах R.W.Boswell, "Very efficient Plasma Generation by whistler waves near the lower hybrid frequency", Plasma Physics and Controlled Fusion, vol.26, N.10, pp.1147-1162, 1984; R.W.Boswell, "Large Volume high density RF inductively coupled plasma", Appl.Lett., vol.50,p.1130, 1987; US-A-4 810 935, R.W.Boswell, "Method and apparatus for producing large volume magnetoplasmas"; US-A-5 146 137, Gesche et al., "Device for the generation of a plasma". В другом варианте любого из описанных выше высокочастотных ионизаторов, то есть емкостного, индуктивного, резонансного или спирального, можно использовать по меньшей мере один эмиттер электронов 128 внутри главной камеры 6. Преимущество заключается в том, что легче осуществляется инициирование разряда, или/и получается плазма более высокой плотности.
На фиг.36 показаны инжектор 8 и ионизатор 124. Ионизатор 124 на фиг.36 содержит по меньшей мере один источник 150 излучения с длиной волны менее 5 мм, который способен фокусировать пучок на фокусном пятне 152. Во-первых, это позволяет использовать фокусное пятно с диаметром меньше диаметра главной камеры 6. Следовательно, такой диаметр фокуса может быть меньше, чем типичное расстояние между возможными фокусными мишенями. Если же длина волны больше 5 мм, то диаметр главной камеры должен быть больше 5 сантиметров. Это означает, что двигатель 1 малой тяги будет создавать более низкую плотность тяги. Во-вторых, использование длины волны менее 5 мм позволяет достигать давления выше 1 гигапаскаля внутри фокусного пятна даже при источнике излучения мощностью ниже 500 Вт. Такое высокое давление является желательным для получения плотной плазмы. Кроме того, чем меньше мощность источника излучения, тем выше общий кпд двигателя 1 малой тяги. Источник 150 излучения с длиной волны менее 5 мм позволяет создавать достаточно интенсивное поле для ионизации и/или обеспечения электронной эмиссии внутри главной камеры 6 или внутри объема главной камеры 6 (это описано в US-А-3 955 921, Tensmeyer; US-A-4 771 169, Gunderson et al.) или на трубе 2 (это описано в US-А-5 990 599, Jackson et al.). В примере на фиг.36 фокусное пятно 152 находится на поверхности трубы 2. В трубе 2 также предусмотрена прозрачная секция, чтобы волны могли проходить через трубу 2.
В примере на фиг.37 фокусное пятно 152 является фокусным объемом в главной камере 6; источник 160 излучения содержит импульсную лампу 154 и рефлектор 156. В трубе 2 также имеется прозрачная секция 158, чтобы волны могли проходить через трубу 2.
На фиг.37 показан вариант, в котором источник 150 излучения можно использовать для ионизации ракетного топлива путем фокусировки излучения высокой интенсивности на малом фокусном объеме 152 внутри главной камеры 6, чтобы достичь высокого давления, то есть энергии на единицу объема. Можно использовать, например, интенсивную цилиндрическую импульсную лампу, окружающую главную камеру в трубе 2, выполненной из материала, в основном прозрачного к используемым длинам волн (например, кварц для длин волн оптического и УФ-диапазона), подобно тому, как используется для возбуждения лазера. Такой источник излучения можно также снабдить рефлекторами и/или линзами 156 для усиления эффекта фокусировки. Если при выбранной длине волны энергия отдельного фотона равна или больше, чем энергия ионизации (в основном УФ: длина волны меньше 450 нм, значит индивидуальная энергия больше 1 эВ), то либо топливо можно ионизировать посредством фотоионизации, либо, альтернативно, излучение можно также фокусировать на твердой поверхности внутри камеры, чтобы электроны образовывались в результате фотоэлектрического эффекта. В другом возможном варианте таких устройств можно направлять лазерный пучок на специальную поверхность внутри камеры. Это позволяет получать плазму без использования какой-либо материальной детали внутри главной камеры 6. Это также позволяет уменьшить проблемы с адаптацией импеданса или пределом плотности плазмы, характерные для РЧ- и СВЧ-систем, особенно для систем, в которых размер диаметра плазмы намного больше, чем длина волны. Эти проблемы обусловлены глубиной оболочки плазмы, которая вызывает экранирование электромагнитного поля. Кроме того, источник излучения может находиться на расстоянии от двигателя малой тяги и/или даже от космического аппарата.
На фиг.39 показан ионизатор 124. Ионизатор 124 на фиг.39 содержит по меньшей мере один источник 150 излучения с длиной волны менее 5 мм, способный фокусировать пучок на фокальном пятне 152. Ионизатор 124 на фиг.39 дополнительно содержит по меньшей мере твердое ракетное топливо 160, и по меньшей мере один источник излучения 150 на фиг.39 способен фокусироваться на этом твердом ракетном топливе 160. Действительно, если интенсивность излучения достаточно высокая, то можно создать систему, в которой ракетное топливо (такое, как Na, Li) можно хранить в твердом состоянии внутри камеры и одновременно испарять и ионизировать мощным лазерным импульсом, при каждом из которых испаряется и ионизируется его тонкий слой. Такое решение позволяет использовать любое твердое топливо без необходимости в специальной системе испарения и получать чрезвычайно плотный импульс плазмы.
В другом варианте изобретения система содержит по меньшей мере один двигатель малой тяги и по меньшей мере микроволновый источник 114 энергии для снабжения энергией упомянутого по меньшей мере одного ракетного двигателя малой тяги. Это позволяет использовать множество двигателей малой тяги вместе. Каждый из них получает энергию из собственного микроволнового источника 114 энергии или из уникального источника 114 энергии для этого множества двигателей малой тяги, или из комбинированной системы. Такая система может также содержать контроллер. При этом когда микроволновый источник 114 энергии выключен, или поврежден, или не способен подавать в двигатель малой тяги достаточно энергии, контроллер сможет дать команду другому микроволновому источнику 114 энергии подавать энергию в этот двигатель малой тяги.
Микроволновый источник 114 энергии можно создать на основе источника, использующегося для обеспечения микроволновой связи и/или передачи данных спутника. Это позволяет двигателю малой тяги использовать микроволновый источник 114 энергии, который имеется на большинстве спутников. Действительно, спутники имеют такой микроволновый источник 114 энергии для связи с Землей или для выполнения другой миссии.
На фиг.40 изображен схематический вид системы согласно другому варианту изобретения. На фиг.39 изображена система, включающая в себя корпус 120 космического аппарата и по меньшей мере один ракетный двигатель 1 малой тяги для ориентации и разворота корпуса 120 космического аппарата. В этом двигателе малой тяги 1 можно использовать технологию управления вектором тяги. Может быть достаточно трех двигателей малой тяги 1, установленных на трех различных сторонах корпуса 120, чтобы позволить корпусу 120 космического аппарата перемещаться вдоль любого направления, а также разворачиваться относительно любого направления, особенно если в них используется управление вектором тяги. При использовании двух двигателей 1 малой тяги на двух сторонах корпуса 120 двигатель малой тяги может поворачиваться только вдоль двух направлений. Но при этом он может двигаться вдоль трех направлений. При этом не нужно использовать известные двигатели малой тяги, которые прикрепляются механически к стороне корпуса космического аппарата с помощью карданного подвеса.
Варианты воплощения способа вытекают из описанных выше вариантов ракетного двигателя малой тяги и системы. Варианты способа обеспечивают те же самые же преимущества, что и варианты ракетного двигателя малой тяги и системы.
Настоящее изобретение не ограничено примерными вариантами его воплощения, описанными выше. Следует отметить, что можно комбинировать различные решения, обсуждавшиеся выше. Например, можно использовать любое из решений для улучшения введения газа, описанных со ссылками на фиг.3-8, в комбинации с любым из решений для улучшения управления вектором тяги, описанных со ссылками на фиг.17-20. Можно использовать катушки для создания различных полей или решения без катушек подобно тем, которые были описаны со ссылками на фиг.9-16. Можно также объединить различные решения, предложенные для одной и той же цели, например, скомбинировать решения для введения газа по фиг.5,13 и 18. В настоящее время предпочтительными вариантами являются:
комбинация решений, проиллюстрированных на фиг.38, 25 и 21;
комбинация решений, проиллюстрированных на фиг.38, 8 и 15;
комбинация решений, проиллюстрированных на фиг.31, 4 и 19.
Комбинации решений можно также реализовать с использованием ионизатора 124, содержащего по меньшей мере генератор электромагнитного поля для создания микроволнового ионизирующего поля в главной камере 6, которое может находиться перед максимумом вдоль оси 4 магнитного поля, созданного генератором магнитного поля.