КОЛЛОИДНЫЙ ЭЛЕКТРОРАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С КОЛЬЦЕВОЙ ЩЕЛЬЮ

Полезная модель относится к области космических электроракетных двигателей с высокой скоростью истечения рабочего тела и может быть применена для решения полетных задач в околоземном космосе.
Наиболее близким к предполагаемой полезной модели является коллоидный электроракетный двигатель с кольцевой щелью, содержащий соосно расположенные вытягивающий, распыливающий и возбуждающий электроды, из которых распыливающий электрод выполнен из двух половин цилиндрической формы, образующих в торцевой части кольцевую щель, соединенную с системой подачи распыляемой жидкости, и подключен к одному полюсу источника тока, а вытягивающий и возбуждающий электроды огибают с некоторым зазором распыливающий электрод и соединены с другим полюсом источника тока. Указанный прототип описан в статье: Wilss A.A. et al. Aparametric study of annular colloid thrusters -Jn: La propulsion electrique dansses applications spatiales tourness d'e tudes. Toulouse, 1972, p.p.115-122. (Аннотация на русском языке имеется в монографии: Штырлин А.Ф. Электростатическое распыление жидкостей - М: МАИ, 2004, стр.118...119)
Недостатком прототипа являются низкие тяговые параметры двигателя.
Целью полезной модели является повышение тяговых параметров двигателя.
Цель полезной модели достигается тем, что коллоидный электроракетный двигатель с кольцевой щелью содержит соосно расположенные вытягивающий, распыливающий и возбуждающий электроды, из которых распыливающий электрод выполнен из двух половин цилиндрической формы, образующих в торцевой части кольцевую щель, соединенную с системой подачи распыляемой жидкости,
и подключен к одному полюсу источника тока, а вытягивающий и возбуждающий электроды огибают с некоторым зазором распиливающий электрод и соединены с другим полюсом источника тока, внутренняя половина распыливающего электрода выполнена в виде барьерного цилиндрического стакана из диэлектрика, внутри которого размещен в рабочей зоне без зазора возбуждающий электрод и подключен к автономному источнику тока.
Кроме того, диэлектрическая проницаемость материала барьерного цилиндрического стакана равна или превышает диэлектрическую проницаемость распыляемой жидкости.
На Фиг.1 изображен коллоидный электроракетный двигатель с кольцевой щелью.
На Фиг.2 показана расчетная зависимость повышения напряженности электрического поля в кольцевом зазоре коллоидного двигателя от диэлектрической проницаемости материала цилиндрического стакана.
1
2
Коллоидный электроракетный двигатель с кольцевой щелью содержит вытягивающий электрод 1, высоковольтный изолятор 2, распыливающий электрод 3, барьерный цилиндрический стакан 4, центрирующий фланец 5, штуцер подвода распыляемой жидкости 6, возбуждающий электрод 7 и два высоковольтных источника с напряжением U и U. Распыливающий электрод 3 имеет острую эмиссионную кромку с радиусом закругления 1...100 мкм и углом конуса 5...15 градусов. Кромка выполнена из нержавеющей стали, платины или другого электропроводящего материала с платиновым покрытием. Радиальный зазор между вытягивающим электродом 1 и эмиссионной кромкой электрода 3 составляет 2...6 мм. Электроды 1,3 и высоковольтный изолятор 2 соосно устанавливают и центруют относительно друг друга. Барьерный цилиндрический стакан 4 изготавливают из полимерных материалов, высоковольтной керамики или
1
2
сегнетоэлектриков с диэлектрической проницаемостью от 2 до 3750 относительных единиц. Кольцевая щель между электродом 3 и барьерным цилиндрическим стаканом 4 для прохода жидкости из штуцера подвода распыляемой жидкости 6 на эмиссионную кромку распыливающего электрода 3 выполняют с радиальным зазором 0,02...0,2 мм или без радиального зазора, но с профильными секторными каналами, равномерно расположенными по окружности их сопряжения. Торцевая часть барьерного цилиндрического стакана 4 смещена вглубь электрода 3 относительно его кромки на Δh=0,5...2 мм. Возбуждающий электрод 7 при помощи центрирующего фланца 5 устанавливают внутри барьерного стакана 4 в рабочей зоне без зазора соосно с ним. Источники высокого напряжения создают разность напряжений ΔU=U-U для интенсификации процесса формирования униполярной электрической эмиссии в кольцевой щели двигателя.
1
2
1
2
ж
Устройство работает следующим образом: при включении источника высокого напряжения U через штуцер 6 подается распыляемая жидкость в кольцевую щель между электродом 3 и барьерным цилиндрическим стаканом 4, попадая на эмиссионную кромку электрода 3 в пленке жидкости формируется униполярный электрический заряд, под действием которого жидкость ускоряется в электрическом поле и создается реактивная тяга. Для форсирования и регулирования процесса образования электрического заряда в жидкости, увеличения скорости истечения рабочего тела и повышения тяги двигателя на возбуждающий электрод 7 подается напряжение U. Под действием разности напряжений U-U в пленке жидкости, протекающей в кольцевой щели создается дополнительное электрическое поле, которое интенсифицирует указанные процессы. Напряженность поля в пленке кольцевой щели толщиной δ определены из расчета электрического поля в зазоре между коаксиальными цилиндрическими электродами, заполненными
о
двухслойным диэлектриком - жидкостью и твердым телом. При малых отношениях межэлектродного радиального зазора δ к среднему радиусу щели, т.е. без учета цилиндричности, расчет выполнен по формуле
,
ж
δ
о
ж
ж
δ
δ
δ
-3
-4
4
4
5
где ε - диэлектрическая проницаемость жидкости, ε - диэлектрическая проницаемость материала барьерного цилиндрического стакана, при следующих параметрах: ΔU=1000 В; δ=3·10 м; δ=10 м; ε=42; ε=2...10. Результаты расчета представлены на Фиг.2, из которых видно, что напряженность поля в пленке жидкости двигателя увеличивается прямо пропорционально диэлектрической проницаемости материала барьерного цилиндрического стакана до ε=100, а затем интенсивность снижается. Согласно этих данных уже в настоящее время при использовании широко известных электроизоляционных диэлектрических материалов с ε до 10 единиц можно увеличить напряженность поля в кольцевой щели с 10 до 10 В/м и интенсифицировать тяговые параметры двигателя в несколько раз, а при разработке специальных диэлектриков еще на один или два порядка.
Устройство может быть также использовано для электростатического напыления на различные материалы тонких покрытий, для научно-исследовательских работ по действию сильных полей на жидкие и газообразные вещества, в работах по нанотехнологии заряженных частиц.