Ионный ракетный двигатель
IONIC ROCKET ENGINE

Изобретение относится к области электростатических ракетных двигателей.
Известны электростатические двигатели, в которых ионизация рабочего тела производится на пористых контактных ионных источниках (ионизаторах), где атомы щелочных металлов, соприкасаясь с нагретой поверхностью ионизатора, отдают ему электроны и в виде положительных ионов отрываются от поверхности ионизатора (О.Н. Фаворский, В.В. Фишгойт, Е.И. Литовский. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок: Учеб. пособие для втузов. 2-е издание, перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1978. Стр. 141, и 122 рис. 3.23).
Недостатком таких устройств являются большие затраты энергии на нагрев ионного источника и испарение рабочего тела (вещества).
Известен ионный двигатель, состоящий из ионизатора с каналом подачи рабочего тела, ускоряющего электрода и нейтрализатора, причем между ускоряющим электродом и нейтрализатором может быть установлен замедляющий электрод, а на выходе из ионизатора - фокусирующий электрод. Электроны от ионизатора по системе проводов поступают к нейтрализатору (О.Н. Фаворский, В.В. Фишгойт, Е.И. Литовский. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок: Учеб. пособие для втузов. 2-е издание, перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1978. Стр. 141, и 122 рис. 3.23).
Известная конструкция имеет развитую поверхность ионизатора и значительную массу, причем рассчитана в основном на работу с расплавленными рабочими телами (щелочными металлами).
Задачей изобретения является повышение КПД двигателя, уменьшение габаритов и массы.
Задача решается в ионном двигателе, который состоит из ионизатора с каналом подачи рабочего тела, ускоряющего электрода и нейтрализатора, подключенных к источнику высокого напряжения, путем выполнения ионизатора в виде пучка углеродных волокон, закрепленного одной стороной в выходной части канала подачи рабочего тела.
Пучок углеродных волокон предпочтительно выполняется из волокон толщиной менее 1 мкм.
Нейтрализатор может быть также выполнен из пучков углеродных волокон.
Изменением глубины заделки углеродных волокон в выходную часть канала рабочего тела и степенью их обжатия можно настраивать расход рабочего тела.
Использование известного явления стекания заряда с острия электрода, подключенного к источнику высокого напряжения, позволит существенно повысить эффективность работы двигателя за счет того, что в этом случае процесс ионизации и ускорения ионов не требует нагрева рабочего тела и создаваемое электрическое поле имеет преимущественное направление, совпадающее с направлением острия (Л.И. Прокопович. Механический импульс при коронном разряде в азоте и кислороде. Журнал технической физики. Издание Академии наук СССР. Том 46, выпуск 4, апрель 1976, стр. 848).
На приведенной фигуре показана схема предлагаемого ионного электроракетного двигателя.
Двигатель имеет канал подачи рабочего тела 1, выход из которого выполнен в виде обоймы, в которой обжат пучок 2 углеродных волокон толщиной, предпочтительно, менее 1 мкм, являющийся ионизатором. В направлении движения заряженных атомов и молекул рабочего тела установлен ускоряющий электрод 3, следом за ним - замедляющий электрод 4, за которым установлен нейтрализатор 5, выполненный в виде пучка (нескольких пучков) углеродных волокон.
Двигатель работает следующим образом. Рабочее тело подается через канал 1 и поры между углеродными волокнами пучка 2. При этом на пучок 2 подается высокий положительный потенциал, на ускоряющий 3, замедляющий 4 и нейтрализующий 5 электроды подается отрицательный потенциал. На остриях пучка рабочее тело ионизируется и в виде положительно заряженных ионов ускоряется в поле ускоряющего электрода 3. Необходимая скорость ионов обеспечивается потенциалом замедляющего электрода 4. Компенсация заряда струи рабочего тела осуществляется электронами, стекающими с кончиков волокон пучка компенсирующего электрода.
Следует отметить, что окружающие кончики волокна атомы (молекулы) рабочего тела поляризуются, притягиваются к острию, на котором оставляют электрон в проводнике и в виде ионов отлетают от острия в направлении наибольшего градиента напряженности электрического поля, который ориентирован по направлению острия, при этом процесс ионизации происходит при нормальной температуре. При подаче отрицательного потенциала на острие - с него слетают электроны.
Точная настройка расхода рабочего тела может проводиться тонкой регулировкой давления его подачи, и, дополнительно, подбором длины обоймы с пучком углеволокна и степенью ее обжатия.