Плазменный реактивный двигатель, использующий для создания тяги вытекающую через магнитное сопло плазму, нагретую мощным электромагнитным излучением, и способ создания реактивной тяги
PLASMA JET ENGINE USING PLASMA FLOWING THROUGH A MAGNETIC NOZZLE HEATED BY POWERFUL ELECTROMAGNETIC RADIATION TO CREATE THRUST, AND A METHOD FOR CREATING JET THRUST

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения, а именно к способам создания реактивной тяги на основе безэлектродной плазменной магнитогидродинамики, и может быть использовано для управляемого перемещения аппаратов в космическом вакууме, в том числе орбитальных спутников.
В настоящее время корректировка орбит искусственных спутников Земли в основном обеспечивается за счет плазменных ионных двигателей малой тяги, в которых для создания реактивной силы используются ускоренные ионы. Принцип действия таких двигателей основан на формировании плазмы за счет ионизации рабочего вещества, извлечении из плазмы ионов и формировании реактивной тяги за счет их ускорения электростатическими полями. По способу перевода рабочего тела в ионизованное состояние двигатели разделяют на три группы: на основе разряда постоянного тока, ВЧ разряда и СВЧ разряда, в частности с использованием ионно-циклотронного или электронно-циклотронного резонанса. Для экстракции и ускорения ионов используются различные системы ускоряющих электродов и системы компенсации ионных пучков. Энергия вылетающих ионов 2-1300 эВ (скорость 2-60 км/с), удельный импульс 200-6000 с, тяга 0,01-100 мН. Такие типы двигателей и способы создания тяги описаны в следующих работах [1-11].
Наиболее перспективными с точки зрения увеличения эффективности ускорения и использования рабочего вещества представляются безэлектродные двигатели на основе плазменной магнитогидродинамики, поскольку именно они могут обеспечить наибольшую скорость вытекания рабочего вещества. Двигатель такого рода описан в работах [12, 13]. В них обсуждается возможность использования для создания тяги вытекающей через магнитное сопло неравновесной плазмы, которая формируется в открытой магнитной ловушке за счет электронно-циклотронного нагрева электронов микроволновым излучением. При этом реализуется столкновительный режим нагрева с изотропным распределением электронов по энергии.
Другой, более продвинутой и наиболее яркой разработкой двигателя на основе плазменной магнитогидродинамики представляется самый мощный на сегодняшний день двигатель VASIMR, описанный в [14], см. также [15]. В этом двигателе используется трехступенчатый процесс подачи, разогрева и управляемого истечения плазмы из открытой осесимметричной магнитной ловушки с пробочной конфигурацией магнитного поля. Увеличенная напряженность магнитного поля в одной из крайних пробок обеспечивает преимущественное вытекание плазмы через выходную пробку - магнитное сопло. В магнитном сопле ионы двигаются по раскручивающимся спиралям вдоль расходящихся силовых линий магнитного поля, где их энергия преобразуется в энергию продольного движения, обеспечивая реактивную тягу. Для создания и нагрева плазмы используют мощное электромагнитное излучение ВЧ диапазона. В первой секции магнитной ловушки под действием ВЧ излучения поддерживается геликонный разряд, плазма которого перетекает во вторую секцию, где в условиях ионно-циклотронного резонанса происходит нагрев ионов. Этот тип двигателя имеет скорость истечения плазмы 50-300 км/с (удельный импульс 5000-30000 с) и тягу до 5,4 Н. Именно это устройство и способ создания реактивной тяги в данном двигателе выбраны в качестве прототипа.
Задачей, на решение которой направлены разработанные способ и устройство, является дальнейшее повышение эффективности использования рабочего вещества в реактивных двигателях за счет увеличения скорости его вытекания.
Технический результат в части способа достигается за счет того, что разработанный способ создания реактивной тяги, как и способ-прототип, включает безэлектродное формирование вытекающей через магнитное сопло плазмы, создание и нагрев которой осуществляется электромагнитным излучением. Новым в разработанном способе является то, что используют излучение микроволнового диапазона длин волн в условиях электронно-циклотронного резонанса в бесстолкновительном режиме, при этом энергия излучения передается в поперечную по отношению к магнитному полю энергию электронов, а в выходном магнитном сопле создают такое пространственное распределение магнитного поля, которое обеспечивает адиабатическое расширение потока плазмы, чем создают условия для перехода поперечной энергии электронов в продольную, а эффективное ускорение ионов плазмы происходит за счет амбиполярного поля разделения зарядов.
Технический результат в части устройства в предлагаемом изобретении достигается за счет того, что безэлектродный плазменный реактивный двигатель состоит из магнитной системы, включающей магнитную ловушку и выходное магнитное сопло и обеспечивающей вытекание плазмы преимущественно в одну сторону, системы напуска газа в магнитную ловушку, источника электромагнитного излучения, обеспечивающего эффективную генерацию и нагрев плазмы, системы согласования и ввода электромагнитного излучения в плазму. При этом выходное магнитное сопло обеспечивает адиабатическое расширение потока плазмы и ускорение ионов. Новым в предлагаемом устройстве является то, что в качестве источника электромагнитного излучения используется источник излучения микроволнового диапазона, а в качестве системы его согласования и ввода в плазму используется квазиоптическая электродинамическая система, направляющая излучение в зону, где выполняются условия электронно-циклотронного резонанса и происходит нагрев электронов в бесстолкновительном режиме, реализация которого обеспечивается подбором условий работы системы напуска газа.
В частном случае реализации устройства магнитная ловушка является осесимметричной с пробочной конфигурацией магнитного поля, распределение напряженности которого вдоль оси магнитной ловушки обеспечивает преимущественное вытекание плазмы через выходную пробку, которая вместе с, по крайней мере, одной дополнительной магнитной катушкой формирует выходное магнитное сопло, в котором за счет амбиполярного поля разделения зарядов происходит ускорение ионов.
Во втором частном случае реализация заявленного устройства магнитная ловушка является осесимметричной с пробочной конфигурацией магнитного поля, при этом величина магнитного поля в пробках одинакова, что обеспечивает вытекание плазмы из пробок в противоположные направления симметрично, а каждая пробка вместе со своей соответственно первой и второй дополнительными системами магнитных катушек формирует соответственно выходное магнитное сопло и второе выходное магнитное сопло. Причем обе дополнительные системы магнитных катушек сконструированы таким образом, что обеспечивается поворот потока плазмы на 90 градусов к оси магнитной ловушки, при этом потоки плазмы, выходящие из выходного магнитного сопла и второго выходного магнитного сопла, сонаправлены.
В третьем частном случае реализация устройства магнитная ловушка состоит из магнитной катушки, которая вместе с, по крайней мере, одной дополнительной магнитной катушкой образует выходное магнитное сопло, величина и пространственное распределение магнитного поля в котором подобраны таким образом, что существует зона, где в условиях электронно-циклотронного резонанса в бесстолкновительном режиме происходит эффективное поглощение электронами плазмы энергии микроволнового излучения, причем удержание плазмы обеспечивается амбиполярным полем разделения зарядов.
В четвертом частном случае реализация устройства магнитная ловушка состоит из магнитной катушки, которая вместе с соответственно первой и второй дополнительными системами магнитных катушек формирует соответственно выходное магнитное сопло и второе выходное магнитное сопло, причем обе дополнительные системы магнитных катушек сконструированы таким образом, что обеспечивается поворот потока плазмы на 90 градусов к оси магнитной ловушки, при этом потоки плазмы, вытекающие из выходного магнитного сопла и второго выходного магнитного сопла, сонаправлены. При этом величина и пространственное распределение магнитного поля выходного магнитного сопла и второго выходного магнитного сопла подобраны таким образом, что существуют зоны, где в условиях электронно-циклотронного резонанса в бесстолкновительном режиме происходит эффективное поглощение электронами плазмы энергии микроволнового излучения, причем удержание плазмы обеспечивается амбиполярным полем разделения зарядов в каждом из сопел.
Изобретение поясняется следующими фигурами.
На фиг.1 показана схема безэлектродного плазменного реактивного двигателя по п. 3 формулы.
На фиг.2 показана схема безэлектродного плазменного реактивного двигателя по п. 4 формулы.
На фиг.3 показана схема безэлектродного плазменного реактивного двигателя по п. 5 формулы.
На фиг.4 показана схема безэлектродного плазменного реактивного двигателя по п. 6 формулы.
Основное отличие разработанного изобретения от прототипа связано со способом передачи энергии от источника электромагнитного излучения ионам плазмы. В прототипе нагрев ионов осуществляется ВЧ излучением в условиях ионно-циклотронного резонанса, а в предлагаемом способе используется электромагнитное излучение с более высокой частотой (излучение микроволнового диапазона длин волн), что позволяет нагревать электроны плазмы в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР). Причем в устройстве реализуются условия для бесстолкновительного режима нагрева электронов плазмы, а формирование квазиоптического пучка электромагнитных волн и подача его в магнитную систему осуществляют с помощью квазиоптической электродинамической системы [16]. В этом режиме энергия микроволнового излучения передается в основном в поперечную по отношению к направлению магнитного поля компоненту энергии электронов, а функция распределения электронов по энергиям имеет рад особенностей. В бесстолкновительном режиме ЭЦР нагрева прозрачной плазмы достаточно мощным микроволновым излучением в магнитной ловушке передача энергии электронам в условиях эффективного согласования происходит до тех пор, пока электроны за счет релятивистского увеличения массы не выйдут из ЭЦР резонанса. Таким образом, функция распределения электронов имеет предельную энергию (эта энергия может достигать величины на уровне 500 кэВ), а затем резко спадает [17, 18]. Вылет энергичных электронов из магнитной ловушки в бесстолкновительном режиме осуществляют за счет диффузии электронов в конус потерь при взаимодействии с микроволновым излучением (СВЧ диффузия в конус потерь) [19, 18]. Затем при адиабатическом расширении такой плазмы в сопле со специальным распределением магнитного поля происходит трансформация поперечной энергии электронов в продольную, а за счет поля разделения зарядов происходит ускорение ионов. В стационарном случае при непрерывном режиме нагрева плазмы микроволновым излучением и постоянной скорости напуска газа в магнитную ловушку устанавливается стационарный режим течения, в котором на выходе из сопла реализуется квазинейтральный поток плазмы с одинаковыми скоростями электронов и ионов. При этом между областями нагрева и областью квазинейтрального течения образуется перепад потенциала, обеспечивающий торможение электронов и соответствующее ускорение ионов. В таком режиме величина установившегося потенциала определяется предельной энергией электронов, а в результате вся вложенная в электроны плазмы энергия переходит в кинетическую энергию ионов (при равных скоростях кинетическая энергия электронов пренебрежимо мала), таким образом формируют поток плазмы, в котором ионы имеют энергию на уровне 500 кэВ. Отметим, что в двигателе такого типа с неравновесным бесстолкновительным ЭЦР разрядом в качестве рабочего вещества целесообразно использовать водород, это обеспечивает образование плазмы с высокой, близкой к 100%, степенью ионизации. При этом, естественно, в отличие от случая с тяжелыми газами в такой плазме нет потерь, связанных с возбуждением и высвечиванием электронных степеней свободы атомов и ионов - основного канала потерь энергии в неравновесной плазме.
Разработанный безэлектродный плазменный реактивный двигатель состоит из магнитной системы, включающей магнитную ловушку 1 и выходное магнитное сопло 2, обеспечивающей вытекание потока 3 плазмы 4 преимущественно в одну сторону. Также двигатель включает систему напуска газа 5 в магнитную ловушку 1, источник излучения микроволнового диапазона и квазиоптическую электродинамическую систему 6 согласования и ввода его в плазму 4. Система 6 направляет излучение в зоны 7, где выполняются условия электронно-циклотронного резонанса, и происходит нагрев электронов плазмы 4 в бесстолкновительном режиме, реализация которого обеспечивается подбором условий работы системы напуска газа 5. При этом конструкция выходного магнитного сопла 2 обеспечивает адиабатическое расширение потока 3 плазмы 4 и ускорение ионов.
В первом частном случае реализации заявленного устройства по п. 3 формулы (см. фиг.1) магнитная ловушка 1 является открытой осесимметричной магнитной ловушкой с пробочной конфигурацией магнитного поля 8. В наиболее простом случае магнитная ловушка 1 представляет собой пробкотрон, образованный двумя магнитными катушками 9, 10. Увеличенная напряженность магнитного поля 8 в одной из пробок (первая катушка 9) обеспечивает преимущественное вытекание плазмы 4 через выходную пробку (вторая катушка 10). Вторая магнитная катушка 10 вместе с дополнительной магнитной катушкой 11 формирует выходное магнитное сопло 2, в котором пространственное распределение магнитного поля 8 обеспечивает адиабатическое расширение неравновесной плазмы 4.
Создание и нагрев плазмы 4 в магнитной ловушке 1 осуществляют мощным излучением микроволнового диапазона длин волн. За счет использования квазиоптической электродинамической системы 6 и специальной системы напуска газа 5 обеспечивают бесстолкновительный режим нагрева электронов плазмы 4 в условиях электронно-циклотронного резонанса. При этом поддерживают такой режим нагрева, который позволяет создавать стационарный поток 3 неравновесной плазмы 4 в выходное магнитное сопло 2. Пространственное распределение магнитного поля 8 в выходном магнитном сопле 2 обеспечивает адиабатическое расширение потока 3 плазмы 4, чем создают условия для перехода поперечной энергии электронов в продольную, а эффективное ускорение ионов плазмы 4 происходит за счет амбиполярного поля разделения зарядов.
Во втором частном случае реализации разработанного устройства по п. 4 формулы (см. фиг.2) предлагается организовать вытекание плазмы 4 из магнитной ловушки 1 симметрично в противоположные направления. Для этого реализуется равная напряженность магнитного поля 8 в пробках 12 и 13. Каждая пробка 12 и 13 магнитной ловушки 1 вместе со своей соответственно первой и второй дополнительными системами магнитных катушек 14, 15 формирует соответственно выходное магнитное сопло 2 и второе выходное магнитное сопло 16. Обе дополнительные системы магнитных катушек 14 и 15 сконструированы таким образом, что обеспечивается поворот потока 3 плазмы 4 на 90 градусов к оси магнитной ловушки 1. При этом потоки 3 плазмы 4, выходящие из выходного магнитного сопла 2 и второго выходного магнитного сопла 16, сонаправлены. Организация такого симметричного потока 3 из магнитной ловушки 1 позволяет избежать потерь плазмы 4 (пусть и небольших) по сравнению с использованием магнитной ловушки 1, описанной в первом частном случае реализации устройства, то есть через пробку (первая катушка 9) с увеличенной напряженностью магнитного поля 8.
В третьем частном случае реализации разработанного устройства по п. 5 формулы (см. фиг.3) в качестве магнитной ловушки 1 используется магнитная катушка 17, которая вместе с, по крайней мере, одной дополнительной магнитной катушкой 11 образует выходное магнитное сопло 2. При этом удержание плазмы 4 обеспечивается амбиполярным полем разделения зарядов и неоднородным полем выходного магнитного сопла 2, а величина и пространственное распределение магнитного поля 8 в выходном магнитном сопле 2 подбирается таким образом, чтобы существовала зона 7, где в условиях электронно-циклотронного резонанса при многократном прохождении этой зоны 7 электронами при их осцилляциях в амбиполярной ловушке в бесстолкновительном режиме происходит эффективное поглощение электронами плазмы 4 микроволновой энергии. Причем формируется существенно анизотропная функция распределения электронов по энергии с преобладанием поперечной, по отношению к магнитному полю 8, энергии электронов, которая при адиабатическом расширении плазмы 4 в магнитном сопле 2 переходит в продольную, а ускорение ионов обеспечивается амбиполярным полем разделения зарядов. Отличительной особенностью такой конструкции двигателя является возможность образования и нагрева плазмы 4 непосредственно в магнитодинамическом сопле. При этом эффективность нагрева электронов несколько падает, зато пропадают проблемы с доставкой энергичных бесстолкновительных электронов в конус потерь. Использование такой описанной магнитной системы, в которой продольное удержание плазмы 4 обеспечивается амбиполярным полем, позволяет существенно упростить и удешевить конструкцию.
В четвертом частном случае реализации разработанного устройства по п. 6 формулы (см. фиг.4) магнитная ловушка 1 состоит из магнитной катушки 17, которая вместе с соответственно первой и второй дополнительными системами 14 и 15 магнитных катушек формирует соответственно выходное магнитное сопло 2 и второе выходное магнитное сопло 16. Таким образом, вытекание плазмы 4 из магнитной катушки 17 происходит в противоположные направления, а затем за счет систем 14 и 15 дополнительных магнитных катушек, каждый поток 3 плазмы 4 поворачивается под углом 90 градусов к оси магнитной катушки 17, обеспечивая тем самым направленное в одну сторону адиабатическое расширение плазмы 4 в каждом из выходных магнитных сопел 2 и 16, при котором происходит ускорение ионов. Такая магнитная система позволяет более эффективно использовать рабочее вещество, поскольку позволяет избежать потерь плазмы 4, к тому же упрощается и удешевляется конструкция.
12
-3
Предложенные способ создания реактивной тяги и плазменный реактивный двигатель, в основу работы которого положен этот способ, позволяют при использовании микроволнового излучения с мощностью как в прототипе поддерживать стационарный поток 3 неравновесной водородной плазмы 4 в выходное магнитное сопло 2 апертурой 1 см с поперечной энергией электронов до 500 кэВ и плотностью на уровне 10 см и, соответственно, обеспечить истечение ионов со скоростями порядка 7000 км/с. При тяге в десять раз меньше, чем в прототипе, но остающейся на уровне современных электростатических ионных двигателей (ВНТ-200, SPT-50M и др.), данный двигатель обеспечивает стократно меньший расход рабочего вещества. В качестве источника излучения микроволнового диапазона можно использовать гиротроны с частотой излучения на уровне 50 ГГц с мощностью непрерывной генерации 200 кВт, КПД которых достигает 65%.
9
-3
В качестве еще одного примера реализации разработанных устройства и способа можно предложить двигатель с малой тягой, в котором в качестве источников электромагнитного излучения используются менее мощные (до 10 кВт), но более эффективные (КПД на уровне 90%) генераторы с меньшей частотой излучения (порядка 5 ГГц) - магнетроны. Такие источники позволяют поддерживать стационарный поток 3 неравновесной водородной плазмы 4 в выходное магнитное сопло 2 апертурой 10 см с поперечной энергией электронов на уровне 500 кэВ и плотностью на уровне 10 см и, соответственно, обеспечить истечение ионов со скоростями порядка 7000 км/с. Двигатель такого типа обеспечивает сравнимую с рядом используемых и экспериментальных электростатических ионных двигателей (BIT-3, MiXi, S-iEPS и др.) тягу порядка 1 мН, но обладает по сравнению с ними большей мощностью. За счет этого обеспечивается более высокая скорость истечения ионов (для используемых ионных двигателей типично 20-50 км/с) и, вследствие этого, также до ста раз меньший расход рабочего вещества. Отметим, что в рассматриваемом случае требования к величине напряженности магнитного поля в ловушке существенно облегчаются - для используемой частоты 5 ГГц напряженность магнитного поля, обеспечивающего нагрев электронов в ловушке в условиях электронно-циклотронного резонанса, снижается по сравнению с предыдущим примером с 2 Тл до 0,2 Тл.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют значительно повысить эффективность использования рабочего вещества в реактивных двигателях за счет увеличения скорости его вытекания.
Источники информации:
1. Dillon O'Reilly, Georg Herdrich, Darren F. Kavanagh «Electric Propulsion Methods for Small Satellites: A Review», section 3 - Electrostatic, Aerospace 8, 22, 2021;
2. Goebel D.M., Katz I. «Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters», Wiley, 2008;
3. Гришин С.Д., Лесков Л.В., «Электрические ракетные двигатели космических аппаратов» - М: Машиностроение, 1989;
4. «Электрические ракетные двигатели» под редакцией Ю.А. Рыжова, М.: Мир, 1964;
5. Горшков О.А. «Холловские и ионные плазменные двигатели для космических аппаратов», М - Машиностроение, 2008;
6. Хэмфрис Д. «Ракетные двигатели и управляемые снаряды», 1958;
7. Патент US 5241244 «Cyclotron resonance ion engine», опубл. 31.08.1993 г., МПК F03H 1/00, H01J 27/16, H01J 27/18, Н05Н 001/16;
8. Патент FR 2799576 «Radio frequency thruster motor ion source having discharge chamber tapered towards gas inlet end and acceleration grid covering open end with high frequency coil whole zone surrounding», опубл. 15.10.2004 г., МПК F03H 1/00, H01J 27/16, H01J 33/02, H05H 1/18;
9. Патент US 6293090 «Моге efficient RF plasma electric thruster», опубл. 25.09.2001 г., МПК F03H1/00, H05H1/00;
10. Патент US 3571734 «Method of production, acceleration and interaction of charged-particle beams and device for the execution of said mefhod», опубл. 23.03.1971 г., МПК H05H1/00, H05H1/54, H05H1/16, H05H1/18;
11. I. Levchenko, S. Xu, S. Mazouffre, D. Lev, D. Pedrini, D. Goebel, L. Garrigues, F. Taccogna, K. Bazaka «Perspectives, frontiers, and new horizons for plasma-based space electric propulsion», Phys. Plasmas 27, 020601, 2020; doi: 10.1063/1.5109141;
12. S.N. Bathgate, M.M.M. Bilek, D.R. McKenzie, «Electrodeless plasma thrusters for spacecraft: a review», Plasma Science and Technology 19(8), 083001, 2017;
13. S. Peterschmitt, D. Packan, «Impact of the Microwave Coupling Structure on an Electron-Cyclotron Resonance Thruster», Journal of Propulsion and Power 37(6), 806-815, 2021;
14. Патент US 6334302 «Variable specific impulse magnetoplasma rocket engine», опубл. 01.01.2002 г., МПК F03H1/0093, H05B6/10;
15. Franklin R. Chang-Diaz, «Plasma Propulsion for Interplanetary Flight)), Thin Solid Films, Vol.506-507, 2006;
16. Патент RU 2480858 «Сильноточный источник многозарядных ионов на основе плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда, удерживаемой в открытой магнитной ловушке», опубл. 27.01.2013 г., МПК H01J27/16, Н05Н1/46;
17. S.V. Golubev, I.V. Izotov, D.A. Mansfeld, V.E. Semenov, «Experimental electron energy distribution function investigation at initial stage of electron cyclotron resonance discharge», Rev. Sci. Instrum. 83, 02B504, 2012, doi: 10.1063/1.3673012;
18. I.V. Izotov, A.G. Shalashov, V.A. Skalyga, E.D. Gospodchikov, O. Tarvainen, V.E. Mironov, H. Koivisto, R. Kronholm, V. Toivanen, B. Bhaskar «The role of radio frequency scattering in high-energy electron losses from minimum-B ECR ion source» Plasma Physics and Controlled Fusion Plasma Phys. Control. Fusion, 63, 2021 045007 (13pp), doi.org/10.1088/1361-6587/abddf0;
19. С.В. Голубев, В.Г. Зорин, И.В. Плотников, С.В. Разин, Е.В. Суворов, М.Д. Токман, «ЭЦР-пробой разреженного газа в прямой магнитной ловушке при продольном вводе СВЧ-излучения», Физика плазмы, т.22, №11, с. 1007-1011, 1996.