Импульсный плазменный коаксиальный ракетный двигатель на жидком рабочем теле
PULSED PLASMA COAXIAL ROCKET ENGINE ON A LIQUID WORKING BODY

Заявляемое изобретение относится к области электроракетных двигателей, более конкретно к импульсным плазменным электроракетным двигателям.
Известна схема импульсного плазменного двигателя (ИПД), работающего на жидком рабочем теле (Advanced Plasma (Propulsion) Concepts at IRS, G. Herdrich, U. Bauder, A. Boxberger, R. A. Gabrielli, M. Lau, D. Petkow, M. Pfeiffer, C. Syring, S. Fasoulas, ADVANCES IN APPLIED PLASMA SCIENCE, Vol. 8, 2011, ISAPS'11, Hakone, стр. 2, фиг. 5), в которой имеется бак для хранения жидкого рабочего тела, линия импульсной подачи ЖРТ с отсечным клапаном, элемент подачи ЖРТ в разрядную камеру, представляющий собой фитиль или пористый керамический элемент и саму разрядную камеру с катодом и анодом, соединенными с высоковольтным источником питания и разрядным конденсатором через блок управления.
Кроме того, известен ИПД, работающий на воде с разрядными электродами, где первоначальная ионизация воды с капиллярной поверхности испарителя производится отдельным электродом игнайтером. Образовавшаяся порция ионизированного пара радиально впрыскивается в основную камеру ИПД и инициирует основной дуговой разряд между разрядными электродами. Собственное магнитное поле основного разрядного тока разгоняет образовавшуюся плазму, создавая эффективную реактивную тягу (INVESTIGATION OF THRUST MECHANISMS IN A WATER FED PULSED PLASMA THRUSTER DISSERTATION, Carsten A. Scharlemann The Ohio State University, 2003, стр. 47, 49, фиг. 5.4., 5.5.). Существенным недостатком таких двигателей является то, что в них используется дуговой разряд, где импульсные токи достигают тысячи Ампер, а накопительные электрические конденсаторы составляют существенную массу и объем от всей двигательной установки. Для обеспечения общего теплового режима и допустимых зарядных токов для накопительных конденсаторов частота генерируемых разрядов таких ИПД не превышает единиц Герц.
Предлагаемый импульсный плазменный коаксиальный ракетный двигатель, работающий на жидком рабочем теле, состоит из коаксиальной разрядной камеры с внешним цилиндрическим анодом, головки с центральным катодом, подключенных к источнику импульсного напряжения, системы хранения и подачи жидкого рабочего тела с клапаном и фитилем. Согласно изобретению головка двигателя выполнена в виде профилированного диска из сегнетодиэлектрика в центральном сквозном отверстии которой, со стороны подачи рабочего тела, установлен запорный клапан, а со стороны разрядной камеры, в отверстии большего диметра, расположена испарительная камера, из центра которой выходит стержень центрального катода, являющийся штоком привода клапана, в испарительной камере установлен фитиль из пористой керамики, частично утопленный в центральной цилиндрической обкладке разрядного конденсатора, являющейся внутренним неподвижным катодом. На торцовой части направляющей втулки штока, со стороны разрядной камеры, выполнено седло клапана подачи рабочего тела, а в кольцевой канавке по центру внешней поверхности сегнетодиэлектрической головки выполнена вторая, наружная, обкладка разрядного конденсатора.
Функциональная схема предлагаемого двигателя приведена на рисунке.
Двигатель состоит из сегнетодиэлектрической головки 1, внешнего цилиндрического анода 2, наружной обкладки разрядного конденсатора 3, корпуса двигателя 4. В корпусе размещена катушка электромагнитного привода 5, якорь привода 6, эластичная разделительная мембрана 7. Якорь 6 закреплен на штоке привода клапана 8, являющемся центральным катодом, на котором установлена тарелка газовой заслонки 9. Фитиль 10 установлен во внутреннем катоде (внутренней обкладке разрядного конденсатора) 11. Герметичность клапанной пары обеспечивает запорное кольцо 12, контактирующее в закрытом положении с торцевым участком направляющей шлицевой втулки 13. Запорная пружина 14 обеспечивает необходимое усилие прижатия запорного кольца 12 к седлу на торцевом участке втулки 13. Высоковольтный блок 15 обеспечивает подачу импульсного напряжения на разрядный промежуток между катодом 11 и анодом 2.
Буквами обозначены разрядная камера А, испарительная камера В и расходная камера С.
Для сообщения расходной камеры С с испарительной камерой В предусмотрены отверстия 16 в якоре 6, шлицы 17 во втулке 13 и отверстия 18 в донышке внутреннего катода 11.
В начале запуска на двигатель подается управляющее напряжение включения жидкостного запорного клапана. Электромагнитный привод с катушкой 5 притягивает якорь 6, преодолевая усилие пружины 14 и перемещая шток 8, открывает запорную пару 12, 13 отсечного клапана. Под действием избыточного давления газа через эластичную мембрану 7 жидкость из расходной камеры С поступает через отверстия 16 в якоре 6, шлицы 17 втулки 13, открытую запорную пару клапана и отверстия 18 в донышке внутреннего катода 11 на фитиль 10 и затем в испарительную камеру В. Одновременно с этим тарелка 9 газовой заслонки, на центральном катоде - штоке привода клапана 8, отходит от торцевой поверхности головки 1 и испарительная камера В соединяется с основной разрядной камерой А. После этого по командам управляющих импульсов длительностью от 0,5 до 2 мс в высоковольтном блоке формируются импульсы однополярного напряжения с амплитудой более 10 кВ, которые поступают в разрядную цепь двигателя, параллельно на обкладки разрядного конденсатора 3,11 (через катод 8) и разрядные электроды анод 2 и катод 11, возникающий периодический электрический разряд в испарительной камере, с торца внутреннего катода 11, нагревает и ионизирует пары воды у поверхности фитиля 10, которые выбрасываются из испарительной камеры В через зазор между газовой заслонкой 9 и головкой 1 в основную разрядную камеру А, где под действием основного разряда из паров воды образуется окончательная масса плазмы, а собственное магнитное поле радиальных токов между внешним анодом 2 и центральным катодом 8 вместе с термодинамическими силами ускоряет образовавшуюся плазму в аксиальном направлении, создавая реактивную тягу двигателя.
Основной режим работы на жидком рабочем теле предлагаемого импульсного плазменного двигателя реализуется на частотах разрядов от десятков до сотен Герц, сериями от двадцати и более импульсов.
В предлагаемом импульсном плазменном двигателе при эксплуатации возможна реализация «сухого режима», когда генерирующие тяговый импульс разряды происходят без включения жидкостного клапана. Рабочим телом в этом случае становятся только материалы самой сегнетодиэлектрической головки - титанат бария и металлы разрядных электродов. На таком режиме двигателя будет получена абсолютно высокая готовность в создании тяговых импульсов, однако при этом средняя тяга будет меньше примерно в 10 раз, чем тяга на режиме с жидким рабочим телом.
В высоковольтном блоке в качестве высоковольтного преобразователя и первичного накопителя электрической энергии используются катушки по схеме и с характеристиками близкими к искровым катушкам, применяемым в двигателях внутреннего сгорания.
Возможна реализация данного импульсного плазменного двигателя в широком диапазоне массогабаритных параметров, для микро и нано космических аппаратов различного назначения.
Преимущества по сравнению с существующими аналогами:
- Меньшие массогабаритные параметры двигательной установки за счет отсутствия отдельных накопительных конденсаторов большой емкости.
- Простота схемной и конструкторской реализации, меньшая стоимость изготовления.
- Повышенная надежность и больший ресурс за счет отсутствия высоких тепловых нагрузок от дуговых разрядов, снижение амплитуды разрядных токов с тысяч Ампер до десятков Ампер.
- Простота реализации двухрежимной работы, как на жидком, так и на твердом рабочем теле.