Повышение энергетической эффективности электрического ракетного двигателя

¡Проектирование, производство и испытания двигателей летательных, аппаратов

тока и напряжения, например, при зарядке аккумуляторов электрической системы. Генератор содержит аксиально-конические каналы, являющиеся заряжающими электродами суперконденсаторов, в качестве электролита в которых используется модифицированный электролит, работающий при температуре до 250 оС. Электроды конденсаторов покрыты специальным токопроводящим покрытием, обеспечивающим быструю зарядку (до 5 В) и разрядку конденсаторов. При соединении конденсаторов последовательно можно получить напряжение 27 В, 110 В и т. д. для электроснабжения систем КЛА. Электроды и работа генератора электрического тока являются неполярными, поэтому рабочие секции его могут быть использованы для преобразования энергии как положительно заряженных, так и отрицательно заряженных частиц в электростатическое электричество. Процесс регулируется знаком и величиной потенциала на входном поляризующе-ускоряющем кольцевом электроде диффузоров, соединенного с заряжающими электродами.

Библиографические ссылки

1. Принципы построения электроэнергетических и электродинамических технологий космических аппаратов : монография / И. В. Трифанов, Б. Н. Казьмин, Д. Р. Рыжов, И. И. Хоменко ; под общ. ред. И. В. Три-фанова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. С. 8-38.

2. Пат. 2597205 Российская Федерация, H01J 25/68 (2006.01). Генератор электрического тока на потоке плазмы / Трифанов И. В., Казьмин Б. Н., Трифанов В. И., Оборина Л. И. № 2015112048/07 ; заявл. 21.04.2015 , опубл. 10.09.2016, Бюл. № 25.

3. Пат. 2472964 Российская Федерация, МПК F03H 1/00(2006.01). Плазменно-реактивный электродинамический двигатель / Трифанов И. В., Казьмин Б. Н., Оборина Л. И., Сутягин А. В. № 2011133157/06 ; заявл. 05.08.2011 , опубл. 20.01.2013, Бюл. № 2. 4 с.

References

1. Trifanov I. V., Kaz'min B. N., Ryzhov D. R., Khomenko I. I. Printsipy postroeniya elektroenergeticheskikh i elektrodinamicheskikh tekhnologiy kosmicheskikh apparatov [Principles of electric and electro-spacecraft technologies]. Krasnoyarsk, 2015. 182 p.

2. Trifanov I. V., Kaz'min B. N., Trifanov V. I., Oborina L. I. Generator elektricheskogo toka na potoke plazmy [The generator of electric current in the plasma flow] Patent RF no 2597205, 2016.

3. Trifanov I. V., Kaz'min B. N., Oborina L. I., Sutyagin A. V. Plazmenno-reaktivnyi elektrodinamicheskii dvigatel' [Plasma-reactive electrodynamic engine]. Patent RF no 2472964, 2013.

© Трифанов В. И., Рыжов Д. Р., Казьмин Б. Н., Трифанов И. В., 2016

УДК 621.01

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

И. В. Трифанов, Д. Р. Рыжов, Б. Н. Казьмин, В. И. Трифанов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: sibgau-uks@mail.ru

Рассмотрен способ повышения энергетической эффективности электрического ракетного двигателя.

Ключевые слова: электрический ракетный двигатель, электроны, энергетическая эффективность, заряженные частицы.

ENERGY EFFICIENCY OF ELECTRIC PROPULSION

I. V. Trifanov, D. R. Ryzhov, B. N. Kaz'min, V. I. Trifanov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Ave., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: sibgau-uks@mail.ru

The method of improving the energy efficiency of electric propulsion is studied.

Keywords: electric propulsion, electrons, energy efficiency, charged particles.

Электрические ракетные двигатели имеют предел энергетических возможностей из-за недостатка электроэнергии, что не позволяет создавать высокую тягу. Процесс ЭРД энергетически очень затратный, однако

удельный импульс он имеет высокий из-за большой скорости истечения продуктов сгорания до 200 км/с [1]. В связи с этим при создании и эксплуатации ЭРД возникает проблема большого количества электро-

<Тешетневс^ие чтения. 2016

энергии. Известно, что чем выше удельный импульс, тем меньше требуется вещества и больше энергии для создания единицы тяги. Поскольку мощность источника энергии ограничена, предложен способ создания электрореактивной тяги, который может быть применен в электрореактивных двигателях и источниках энергии для аэрокосмических транспортных средств [2] и аппаратов. Способ заключается в формировании потока продуктов сгорания топлива, движущегося с заданной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости потока продуктов сгорания. При этом на газовый поток продуктов сгорания воздействуют резонансным СВЧ-излучением, создавая плазменное ядро. В поле индуктора магнитного поля под действием силы Лоренца в плазменном ядре происходит разделение потока продуктов сгорания на электроны и катионы, движущиеся в противоположных направлениях. Под действием электрического поля ускорителя в канале образуется пучок катионов, движущийся со скоростью Vк, ускоряясь электрическим полем ускорителя, установленного в зоне критического сечения сопла, до высоких скоростей. В результате может происходить преобразование исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела с высокой скоростью, до 300 км/с на срезе сопла.

Под действием электрического поля аксиального анода, ускоряющего электроны, проходящие через мембрану, которая пропускает через себя электроны и не пропускает анионы, катионы и нейтральные частицы продуктов сгорания, рассеивающие электроны образуют пучок. Пучок электронов концентрируется и усиливается в концентраторе-усилителе и направляется на преобразование в электрическую мощность. Преобразование энергии пучков электронов в электрическую мощность может осуществляться по двух-полупериодной схеме [3], путем преобразования конвекционного тока, токов смещения и тока проводимости в электромагнитный процесс, а также в генераторе электрического тока [4] на потоке плазмы, в электростатическое электричество, за счет электростатического торможения, которое затем может быть преобразовано, например, в постоянный электрический ток.

Выделение пучка электронов практически не уменьшает кинетическую энергию продуктов сгорания топлива, однако электрическая мощность пучка электронов тк/те раз больше, чем у пучка катионов (где тк, те - масса катионов и электронов соответственно).

В связи с этим превращение энергии пучка электронов в электрическую мощность может существенно повысить энергетическую эффективность электрического ракетного двигателя [1]. Полученную электроэнергию можно использовать для создания дополнительной электрореактивной тяги или транспортировать в бортовую систему электропитания для элек-

троснабжения других систем ЛА. Катионы за срезом сопла электрического ракетного двигателя также можно преобразовать в электростатическое электричество с последующей нейтрализацией заряженных частиц при помощи генератора электрического тока на потоке плазмы [4], установленного у среза сопла. Это позволит улучшить электроразрядную обстановку вокруг ЛА, устранить вредное влияние заряженных частиц продуктов сгорания топлива на работу ЛА и повысить энергетическую эффективность ЭРД.

Библиографические ссылки

1. Принципы построения электроэнергетических и электродинамических технологий космических аппаратов: монография / И. В. Трифанов, Б. Н. Казьмин, Д. Р. Рыжов, И. И. Хоменко ; под общ. ред. И. В. Три-фанова / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. 182 с.

2. Пат. 2567896 Российская Федерация, МПК F03H 1/00. Способ создания электрореактивной тяги / Казьмин Б. Н., Трифанов И. В., Оборина Л. И., Рыжов Д. Р., Дубова Е. Д. № 2013125958/06 ; заявл.

05.06.2013 , опубл. 10.11.2015, Бюл. №31. 5 с.

3. Пат. 2578207 Российская Федерация, МПК H02N 3/00 (20006.01). Способ получения электроэнергии / Казьмин Б. Н., Колмыков В. А., Трифанов И. В., Рыжов Д. Р., Оборина Л. И. №2014109507/07 ; заявл.

12.03.2014 , опубл. 27.03.2016, Бюл. № 9. 6 с.

4. Пат. 2597205 Российская Федерация, H01J 25/68 (2006.01). Генератор электрического тока на потоке плазмы / Трифанов И. В., Казьмин Б. Н., Трифанов В. И., Оборина Л. И. №2015112048/07 ; заявл. 21.04.2015 , опубл. 10.09.2016, Бюл. № 25.

References

1. Trifanov I. V., Kaz'min B. N., Ryzhov D. R., Khomenko I. I. Printsipy postroeniya elektroenergeticheskikh i elektrodinamicheskikh tekhnologiy kosmicheskikh apparatov [Principles of electric and electro-spacecraft technologies]. Krasnoyarsk, 2015. 182 p.

2. Kaz'min B. N., Trifanov I. V., Oborina L. I., Ryzhov D. R., Dubova E. D. Sposob sozdaniya elektroreaktivnoy tyagi [The process of creating electro jet thrust]. Patent RF, no 2567896, 2015.

3. Kaz'min B. N., Kolmykov V. A., Trifanov I. V., Ryzhov D. R., Oborina L. I. Sposob polucheniya elektroenergii [The method of producing electricity]. Patent RF, no 2578207, 2016.

4. Trifanov I. V., Kaz'min B. N., Trifanov V. I., Oborina L.I. Generator elektricheskogo toka na potoke plazmy [The generator of electric current in the plasma flow] Patent RF no 2597205, 2016.

© Трифанов И. В., Рыжов Д. Р., Казьмин Б. Н., Трифанов В. И., 2016