Прямоточный воздушно-электрический реактивный двигатель. Реактивный двигатель электрический
Импульсный электрический реактивный двигатель
Изобретение относится к электрореактивным двигателям, использующим электронно-детонационный тип разряда. Двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком между ними, заполненным жидким рабочим телом в виде пленки. Электроды анод и катод выполнены из магнитомягкого материала, а источник магнитного поля электрически изолирован от электродов магнитопроводами типа феррит. Изобретение позволяет повысить удельные характеристики и кпд двигателя. 1 ил.
Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия, использующих преимущественно способ создания реактивной тяги с помощью электронной детонации (патент РФ №2129594, з. №96117878 от 12.09.1996 г. МПК F03H 1/00).
Известен импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле тефлон (аналог фторопласта) (патент РФ №2146776, з. №98109266 от 14.05.1998 г., МПК F03H 1/00) с преобладающим электронно-детонационным типом разряда (Ю.Н. Вершинин «Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков», Уральское отделение РАН, Екатеринбург, 2000 г.). В этих условиях реализуется выход преимущественно ионного компонента в продуктах истечения при перекрытии разрядом разрядного промежутка и ее последующей нейтрализации на завершающей дуговой фазе разряда. Такой ЭРД, названный по типу основного разряда как электронно-детонационный ракетный двигатель (ЭДРД), позволяет получать на рабочем теле тефлон более высокие удельные параметры. Однако в таком ЭРД при наработке ресурса зафиксированы неустойчивости разрядных процессов по поверхности рабочего тела в виде дрейфующих плазменных жгутов. Указанное явление ведет к интенсивному местному уносу рабочего тела из данных зон, что приводит к снижению ресурсных характеристик ЭРД ввиду неравномерности выработки рабочего тела в разрядном промежутке и низкого уровня стабильности выходных характеристик. Кроме того, в силу конструктивной специфики систем хранения и подачи для твердофазного рабочего тела, сформованного преимущественно в виде шашек цилиндрического типа, запасы его на борту ограничены габаритными возможностями электрической реактивной двигательной установки, и ресурс таких двигателей по суммарному импульсу тяги оказывается недостаточным для многих полетных задач.
Известен импульсный плазменный электрический реактивный двигатель (патент РФ №2319039, з. №2005102848 от 04.02.2005 г., МПК F03H 1/00) линейного типа, состоящий из анода и катода с разрядным промежутком в виде рабочей поверхности из диэлектрика, покрытого пленкой жидкого или гелеобразного рабочего тела. При этом в зоне между анодом и катодом с возможностью возвратно-поступательного движения помещен подвижный источник подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела, содержащий пористо-капиллярный эластичный фитиль, начальный участок которого контактирует с жидким рабочим телом, находящимся в топливном баке.
Учитывая космические условия эксплуатации, в качестве рабочего тела применяют жидко фазный диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров, например вакуумное масло или синтетические жидкости, а рабочую поверхность разрядного промежутка выполняют из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например керамики или капролона.
Такой двигатель имеет более высокие характеристики по ресурсу включений и удобству эксплуатации, чем аналог (патент РФ №2146776, з. №98109266 от 14.05.1998 г, МПК F03H 1/00) однако основные удельные характеристики близки друг к другу.
Задачей предлагаемого изобретения является создание электронно-детонационного двигателя линейного типа с повышенными удельными характеристиками и кпд.
Задача решается в электрическом реактивном двигателе линейного типа, состоящем из анода и катода, подключенных к генератору высоковольтных импульсов, с разрядным промежутком между ними, заполненным жидким рабочим телом в виде пленки, путем выполнения анода и катода в виде магнитопроводов, подключенных к источнику магнитного поля с ориентацией магнитных силовых линий вдоль разрядного промежутка, причем источник магнитного поля электрически разобщен с электродами анод и катод путем выполнения магнитопроводов из материала с высоким электрическим сопротивлением, например из феррита.
В этой конструкции исключается электрическое шунтирование разрядного промежутка анод-катод что, в свою очередь, позволяет максимально удобно организовать магнитные силовые линии вдоль разрядного промежутка.
Наличие магнитных силовых линий вдоль разрядного промежутка импульсного ЭРД на основе электронно-детонационного типа разряда организует движение электронов рабочего тела не по прямым траекториям (по кратчайшему пути), а по винтовым траекториям (А.И. Морозов «Введение в плазмодинамику» Физматлит, Москва, 2006 год), что ведет к дополнительному увеличению актов ионизации атомов рабочего тела. Как следствие, это приведет к увеличению тяги и кпд импульсного ЭРД.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом. На приведенной фигуре показана конструктивная схема предлагаемого ЭРД. Основным его элементом является разрядный промежуток 1, содержащий систему из двух встречно-расположенных электродов, 2 - анод и 3 - катод, выполненных из магнитомягкого материала. Поступление рабочего тела в межэлектродный промежуток происходит методом его смачивания через пористо-капиллярный эластичный фитиль (смачиватель) 4, установленный, например, на подвижной каретке 5. Периодическое перемещение каретки 5 вдоль разрядного промежутка 1 осуществляется с помощью электропривода 6. Магнитное поле создаваемое постоянным магнитом или электромагнитом 7, через ферритовые магнитопроводы 8 поступает к электродам 2 и 3, выполненным из магнитомягкого материала, замыкаясь через разрядный промежуток 1 системой магнитных силовых линий.
ЭРД такого типа работает следующим образом. Перед началом импульсной работы ЭРД, система управления подает электрическую команду длительностью несколько секунд на электропривод 6 смачивателя 4 для нанесения жидкофазной пленки на рабочую поверхность 1 в межэлектродной зоне 2 (анод) - 3 (катод). Система подачи жидкого рабочего тела от бака к смачивателю условно не показана, так как является составной частью электрической реактивной двигательной установки. В случае использования в качестве источника магнитного поля 7 электромагнита, на его обмотку подается электрический потенциал постоянного тока или импульсного, синхронизированного с подачей высоковольтных импульсов на электроды 2 и 3 (анод, катод) ЭРД.
При подаче высоковольтных импульсов напряжения на электроды 2 и 3, по поверхности жидкой пленки распространяется разряд, генерирующий ионную (электронно-детонационный тип разряда), а затем плазменную (дуговую) составляющие разряда, создающие реактивный импульс тяги. При этом электроны, перемещаясь вдоль силовых магнитных линий разрядного промежутка по винтовой траектории, резко интенсифицируют процесс соударения с нейтральными атомами жидкого рабочего тела каждой из вышеупомянутых стадий разряда, что ведет к увеличению ионного компонента продуктов истечения, а это, в свою очередь, приводит к увеличению кпд и тяги двигателя, т.к. существенно возрастает процент высокоскоростных ионов по отношению к общей массе ионного и плазменного компонентов.
Импульсный электрический реактивный двигатель линейного типа, состоящий из анода и катода, подключенных к генератору высоковольтных импульсов, с разрядным промежутком между ними, заполненным жидким рабочим телом в виде пленки, отличающийся тем, что анод и катод являются магнитопроводами, подключенными к источнику магнитного поля с ориентацией магнитных силовых линий вдоль разрядного промежутка, причем источник магнитного поля электрически разобщен с электродами анод и катод путем выполнения магнитопроводов из материала с высоким электрическим сопротивлением, например из феррита.
www.findpatent.ru
Электрический реактивный двигатель (ЭРД) | Vunderkind.Info
В прошлой публикации – об урановых снарядах — мы вели речь о способности к ударному взрыву многих металлов.
Продолжая начатый разговор, мы узнаем, что такое электрический реактивный двигатель, каковы принципы его работы и сфера применения, и даже получим ответ на вопрос, возможен ли полет на Марс в ближайшее время…
Для начала вернемся к ударным взрывам металлов. Важнейшим условием этого физического процесса является скорость металла.
Если для урана критическая скорость 1 500 м/с, для железа она превышает 4 000 м/с.
Поэтому от некоторых метеоритов, падающих на землю с такой или даже большей скоростью, не остается и следа. Они превращаются в тончайшую пыль…
На такую особенность обратил внимание еще в 1929 году знаменитый создатель наших ракетных двигателей и ракет Валентин Петрович Глушко.
Фото 1. Академик Валентин Петрович Глушко
Он написал статью под весьма интригующим заголовком «Металл как взрывчатое вещество».
В первых же ее строках автор сказал, что речь пойдет не об использовании металла в качестве взрывчатки, а о том, что при пропускании достаточно сильного импульса электрического тока через металлическую проволоку может произойти взрыв.
Температура при этом повышается до 300 000 градусов. Энергия такого взрыва превышает во много раз энергию взрыва самого мощного взрывчатого вещества, взятого в количестве, равном массе проволоки.
При этом сама энергия превышает энергию вызвавшего его импульса тока.
Электрический реактивный двигатель
Энергия такого взрыва была использована В.П. Глушко в миниатюрном электрическом реактивном двигателе (ЭРД), разработанным в начале 1930-х годов.
Двигатель легко умещался на ладони.
В него поступала металлическая проволока и подавались электрические импульсы, превращающие ее в пар.
Фото 2. Электрический реактивный двигатель (ЭРД), созданный В.П. Глушко в 1929-1933 гг.
Этот пар выходил через специальное сопло со скоростью в несколько десятков тысяч метров в секунду.
Для космонавтики это значит очень многое.
Чтобы достичь второй космической скорости (11 км/с), вес топлива, баков и корпуса ракеты на керосине и жидком кислороде должен составлять более 99 % ее стартового веса.
Таким образом, на долю полезного груза приходится лишь сотая часть.
Это связано с недостаточно большой скоростью истечения продуктов сгорания, около 3 400 м/с.
Если же взять ЭРД со скоростью истечения 25 — 30 км/с, то вес полезной нагрузки может увеличиться в 20 раз!
ЭРД: полет на Марс возможен!
Для полета на Марс требуется скорость 30 км/с. И здесь без ЭРД не обойтись.
Тогда вопрос: почему же мы сегодня не гуляем по Марсу, коль необходимый для этого двигатель существовал еще в 1932 году? Причин много. Вот хотя бы некоторые.
ЭРД способен работать только в пустоте космического пространства.
В обычной лаборатории вытекающая из него струя испарившегося металла смешивалась с воздухом и теряла скорость. Так, что даже тягу двигателя нельзя было достоверно измерить.
Лет через 20 подобные двигатели стали испытывать в специальных, очень дорогих вакуумных камерах.
Фото 3. Использования ЭРД делает возможным полет на Марс
Оказалось, что тяга подобных двигателей очень мала. Ее недостаточно даже для отрыва (только лишь двигателя!) от земли.
Тогда зачем же они нужны?
Они нужны для «неторопливого», длительного разгона в невесомости.
Смотрите. Если на тело массой 1 кг длительно действует сила 0,01 н (1 г), то через 28 часов оно приобретет скорость артиллерийского снаряда — 1 км/с, через 32 дня — 8 км/с (это первая космическая скорость), через 4 месяца — 30 км/с (третья космическая скорость), позволяющую лететь на Марс или вообще покинуть Солнечную систему.
Чтобы за 4 месяца набрать скорость 30 км/с, двигатель должен потреблять мощность… 300 Вт.
Не так много, в 3 раза меньше мощности утюга! Но у утюга есть розетка, а где взять розетку в космосе?
В качестве источника энергии для ракеты, оснащенной ЭРД, В.П. Глушко предложил использовать фотоэлементы.
Ракета, оснащенная такими двигателями, самостоятельно выйти в космос не может. Для старта должен применяться другой двигатель.
Но после выхода в космическое пространство «солнечная» ракета, оснащенная ЭРД, могла бы за несколько суток набрать такую скорость, которая недоступна для ракет любых других типов.
Подобная схема полета на Марс ныне рассматривается в российском проекте высадки космонавтов на Красную планету.
vunderkind.info
Прямоточный воздушно-электрический реактивный двигатель
Двигатель содержит корпус, диффузор, расположенный в передней части корпуса, камеру нагрева с высокочастотными электродами и сопло, соединенное каналом с камерой нагрева. Он снабжен высокочастотной обмоткой, которая подключена к высокочастотному генератору и расположена вокруг указанной камеры нагрева, а также анодом, катодом и катушкой в виде соленоида, предназначенной для создания в указанном канале асимметричного магнитного поля для дополнительного ускорения выходящего из сопла воздуха. Изобретение направлено на расширение арсенала технических средств для создания тяги. 1 ил.
Изобретение относится к использованию плазмы для получения реактивной тяги.
Прототипом является прямоточный электрический воздушно-реактивных двигатель (ПВЭРД), содержащий размещенные в корпусе диффузор, камеру нагрева воздуха с высокочастотными электродами и сопло (патент США N 3032978, НКИ 60-202, 1962). Предложенный двигатель отличается тем, что высокочастотные электроды расположены в передней части и соединены через камеру нагрева, окруженной высокочастотной обмоткой с центральным каналом торцового двигателя Холла, содержащего катод и анод, окруженные соленоидной катушкой и заканчивается соплом. На чертеже изображен продольный разрез ПВЭРД. Двигатель содержит корпус 1, диффузор 2, который повышает статическое давление воздуха при его торможении, высокочастотные электроды 3 и 6, которые нагревают воздух в камере нагрева 5. Высокочастотная обмотка 4 вокруг камеры нагрева 5 предназначена для нагрева высокочастотным магнитным полем протекающего воздуха, при этом создается резонанс на высокой частоте, что позволяет нагревать до более высокой температуры. Высокочастотный электрод 6, кольцевидный анод 10 создают в центральном канале 9 асимметричное магнитное поле. Высокотемпературный воздух ускоряется под действием силы Ампера. Сопло 11 создает тяговую силу. Высокочастотный генератор 12 работает на частоте 3
104 м/с.Формула изобретения
Прямоточный воздушно-электрический реактивный двигатель, содержащий корпус, диффузор, расположенный в передней части корпуса, камеру нагрева с высокочастотными электродами и сопло, соединенное каналом с камерой нагрева, отличающийся тем, что он снабжен высокочастотной обмоткой, которая подключена к высокочастотному генератору и расположена вокруг указанной камеры нагрева, а также анодом, катодом и катушкой в виде соленоида, предназначенной для создания в указанном канале асимметричного магнитного поля для дополнительного ускорения выходящего из сопла воздуха.РИСУНКИ
Рисунок 1Похожие патенты:
Изобретение относится к области плазменных двигателей, предназначенных для установки на космических летательных аппаратах, в частности к плазменным двигателям с замкнутой траекторией дрейфа электронов, называемых также стационарными плазменными двигателями
Изобретение относится к авиационной технике и может использоваться для создания летательных аппаратов
Изобретение относится к авиационной технике и может использоваться для летательных аппаратов
Изобретение относится к электрореактивным двигателям, а более конкретно, к импульсным электрореактивным двигателям
Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано в электрических ракетных двигателях, в частности плазменных ускорителях с замкнутым дрейфом электронов, предназначенных для работы в космических условиях, и может найти применение в электронике для ионной очистки, получения покрытий различного функционального назначения в вакуумной металлургии для совершенствования поверхностных характеристик металлов и сплавов
Изобретение относится к космической технике, а именно к электрореактивным двигательным установкам, в состав которых входят стационарные плазменные двигатели и двигатели с анодным слоем
Изобретение относится к ионно-оптическим ускорителям ионов и может быть использовано в ионных двигателях
Изобретение относится к ракетной и ядерной технике, предназначено для освоения космического пространства и может быть использовано для получения электрической и тепловой энергии на космическом корабле
Изобретение относится к плазменной технике, а более конкретно, касается конструирования ускорителей плазмы с замкнутым дрейфом электронов (УЗДЭ) и может быть использовано при разработке электроракетных двигателей, а также технологических ускорителей, применяемых в процессах вакуумно-плазменной технологии
Изобретение относится к прямоточному воздушно-реактивному двигателю для летательного аппарата со сверхзвуковой и/или гиперзвуковой скоростью полета, специально предназначенного для функционирования в достаточно широком диапазоне скоростей
Изобретение относится к прямоточному воздушно-реактивному двигателю для летательного аппарата со сверхзвуковой и/или гиперзвуковой скоростью полета, специально предназначенному для функционирования в достаточно широком диапазоне скоростей
Изобретение относится к прямоточным воздушно-реактивным двигателям и представляет собой способ разгона сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (СПВРД), предназначенного преимущественно для воздушно-космических самолетов (ВКС), т.е
Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям, и может быть использовано в качестве теплогенератора
Изобретение относится к авиационной технике, в частности к реактивным двигателям
Изобретение относится к использованию плазмы для получения реактивной тяги
www.findpatent.ru
Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель
Изобретение относится к электрореактивным двигателям, использующим электронно-детонационный тип разряда. Двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком, между которыми расположена подвижная поверхность с направленным и управляемым перемещением, контактирующая с источником жидкого или гелеобразного рабочего тела. Подвижная поверхность может быть выполнена в виде криволинейной поверхности, например цилиндра, или плоскости, например диска, с приводом, обеспечивающим скорость вращения, пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов. При этом разрядный промежуток представляет собой образующую криволинейной поверхности или зону на плоскости между анодом и катодом. Изобретение позволяет создать импульсный плазменный двигатель, обладающий самозалечиванием дефектов на поверхности рабочего тела в зоне разрядного промежутка и самовосстановлением работоспособности в условиях появления различных неблагоприятных факторов в процессе импульсных разрядов. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия.
Известны импульсные плазменные двигатели на газообразном рабочем теле (РТ), например ксеноне, аргоне, водороде, и импульсные двигатели эрозионного типа с твердофазным рабочим телом типа тефлон, расположенным внутри разрядного промежутка [1], [2], [3]. Основным недостатком первого типа двигателей является сложность синхронизации (согласования) во времени подачи строго дозируемой порции газообразного рабочего тела в зону разрядного промежутка с временными характеристиками подачи импульсных напряжений на электроды разрядного промежутка и, как следствие, низкий коэффициент использования рабочего тела. Во втором случае - эрозионный тип, удельные параметры имеют низкие значения, максимальный кпд не превышает 15%, из-за доминирующего газодинамического механизма ускорения плазмы.
Более совершенным типом двигателя данного класса является импульсный плазменный реактивный двигатель [4] торцевого типа на твердом рабочем теле - тефлоне, как эталонном рабочем теле. В этом двигателе с преобладающим электронно-детонационным типом разряда [5] (взрывная инжекция электронов с поверхности рабочего тела в сторону анодного электрода, вызванная высоким положительным потенциалом на анодном электроде по отношению к катодному электроду, находящемуся под нулевым потенциалом и наносекундным диапазоном длительности разрядного импульса) реализуется выход ионной компоненты в режиме перекрытия разрядом разрядного промежутка и его последующей нейтрализации на завершающей дуговой фазе разряда. Такой ЭРД, названный по типу реализуемого в нем разряда как ЭДРД - электронно-детонационный ракетный двигатель, позволяет получать на рабочем теле - тефлоне более высокие удельные параметры за счет значительного уменьшения дуговой фазы разряда. Однако в нем при наработке ресурса возникают неустойчивости процесса генерации плазмы в виде плазменных жгутов (пинчей) с образованием на поверхности рабочего тела каналов с повышенной проводимостью, и, как следствие, к интенсивному местному уносу рабочего тела с данной зоны, что ведет к снижению ресурсных характеристик ввиду неравномерности выработки рабочего тела в разрядном промежутке и низкого уровня стабильности выходных характеристик.
Задачей, решаемой с помощью предлагаемого изобретения, является создание импульсного плазменного ЭРД с ресурсом >109 включений и частотой импульсов 1...1000 Герц, в котором должны быть реализованы принципы самозалечивания дефектов на поверхности рабочего тела в зоне разрядного промежутка и самовосстановления работоспособности в условиях появления различных неблагоприятных факторов в процессе импульсных разрядов.
Задача решается путем изменения конструкции известного ЭДРД. В известном импульсном плазменном реактивном двигателе торцевого типа, состоящем из анода и катода с разрядным промежутком и рабочего тела, заключенного между ними, предлагается в зоне между анодом и катодом расположить подвижную криволинейную поверхность или плоскость с направленным и управляемым перемещением с обеспечением ее контакта перед разрядным промежутком с источником жидкого или гелеобразного рабочего тела.
Для упрощения управления процессом подвижная криволинейная поверхность может быть выполнена цилиндрической или сферической формы, а в случае с подвижной плоскостью - в виде диска или ленты с приводом, обеспечивающим скорость перемещения (вращения), пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов, при этом разрядный промежуток будет представлять собой образующую цилиндрической поверхности или зону на плоскости между анодом и катодом.
Источником жидкого рабочего тела может являться пористо-капиллярный эластичный фитиль, сообщенный с системой хранения рабочего тела.
В качестве рабочего тела можно применять жидкий диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров [6], например синтетическую жидкость, вакуумное масло и другие, для повышения эффективности работы и снижения утечек рабочего тела в условиях глубокого вакуума космического пространства. При этом подвижная поверхность выполняется из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например капролона, керамики и т.д.
Указанная совокупность признаков и физических эффектов позволяет получить в предлагаемом импульсном ЭРД высокий ресурс и стабильный уровень характеристик, упрощает систему подачи РТ, что ведет к упрощению электрической реактивной двигательной установки в целом.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом. На фиг.1 показана конструктивная схема двигателя с цилиндрической подвижной поверхностью. На фиг.2 показана конструктивная схема двигателя с плоской подвижной поверхностью в виде диска. Основным его элементом является барабан 1 цилиндрической формы, изготовленный из диэлектрика, например капролона, материал которого обладает эффектом смачивания в зоне его контакта с рабочим телом, например вакуумным маслом, поступающим из бака хранения рабочего тела 2. Разрядный промежуток для генерации плазмы организуется на цилиндрической образующей барабана между обострителями 3 двух противоположно установленных электродов. Один из электродов находится под положительным потенциалом - анод 4, а второй под нулевым потенциалом - катод 5. Для вращения барабана используется электропривод 6, например двигатель шагового типа, скорость которого зависит от частоты разрядных импульсов, подаваемых на электроды 4 и 5. Внешняя поверхность цилиндра имеет контакт с жидкой рабочей средой посредством касания пористо-капиллярной структуры эластичного фитиля 7 внешней стенки цилиндра. Аналогичное устройство может быть выполнено на базе любых криволинейных поверхностей, например сфера, конус и т. д. в зависимости от конкретного функционального назначения.
На фиг.2 приведено исполнение устройства, где подвижная поверхность выполнена в виде плоского диска 8, изготовленного из диэлектрического материала, например капролона, обладающего эффектом смачивания в зоне его контакта с рабочим телом, например вакуумным маслом, поступающим из бака хранения рабочего тела 2. Диск вращается вокруг собственной оси при помощи электродвигателя 6, например шагового типа, скорость которого зависит от частоты подачи разрядных импульсов. Особенностью данного типа ЭРД является то, что разрядный промежуток для генерации плазмы организуется на поверхности диска между обострителями 3 двух противоположно установленных электродов. При этом один из электродов, находящийся под положительным потенциалом - анод 4, может быть расположен как на оси диска (фиг.2), так и на периферии диска, а второй, находящийся под нулевым потенциалом - катод 5, представляющий из себя либо одиночный обостритель, либо сумму обострителей, расположен на периферии диска по окружности (фиг.2). Рабочая поверхность диска имеет контакт с жидкой рабочей средой посредством касания пористо-капиллярной структуры эластичного фитиля 7.
ЭРД такого типа работает следующим образом. Цилиндрический барабан 1 приводится во вращение перед началом подачи высоковольтных разрядных импульсов на электроды 4 и 5 с упреждением в несколько секунд. За этот период в зону разрядного промежутка, за счет смачивания на поверхность барабана поступает рабочее тело в виде тонкой пленки. При подаче разрядных импульсов на электроды 4 и 5, между обострителями электродов 3 по поверхности жидкой пленки возникает разряд, генерирующий ионную, а затем плазменную составляющие разряда и создающий реактивный импульс тяги. При этом пропорционально темпу частоты разрядов ЭРД путем изменения скорости вращения барабана 1 в зону разрядного промежутка через фитиль 7 на внешнюю поверхность вращающегося барабана 1 все время поступает новая порция рабочего тела.
Проверка износа материала барабана 1 путем контроля показателей шероховатости его цилиндрической поверхности после многочасовых испытаний с частотой до 100 Гц не выявила изменений. В таком исполнении разрядный промежуток и система подачи в него рабочего тела органично взаимосвязаны и взаимозависимы. Вся система имеет низкий уровень нагрева конструктивных элементов. Появление в дуговой фазе разряда неустойчивостей процесса генерации плазмы в виде плазменных жгутов (пинчей) вследствие местных нарушений поверхности рабочего тела не приводит к дефектам, так как в разрядный промежуток, в темпе разрядных импульсов происходит подача свежих (новых) порций рабочего тела с толщиной пленки, определяемой явлением смачивания поверхности барабана рабочим телом. Реализация такой схемы двигателя предполагает удобную схему подвода рабочего тела к поверхности барабана от баков хранения рабочего тела через пористо-капиллярную структуру эластичного фитиля 7.
Кроме того, ЭРД с подвижной цилиндрической поверхностью, позволяет с помощью одного двигателя, имеющего четыре разрядных промежутка, управлять по двум каналам, например крена и тангажа, рыскания и тангажа, рыскания и крена, в зависимости от места расположения ЭРД на поверхности летательного аппарата.
По принципу работы ЭРД с диском (фиг.2) работает так же, как ЭРД с барабаном (фиг.1). При этом в схеме с диском можно реализовать торцевой тип разряда [4] за счет применения цилиндрического катода с большим числом обострителей, расположенного на периферии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975 г. Стр.198...223.
2. Фаворский О.Н., Фишгойт В.В., Янтовский Е.И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М.: Машиностроение, Высшая школа, 1978 г, стр.170...173.
3. Космические двигатели - состояние и перспективы. Под редакцией Л.Кейвни (перевод с английского под ред. А.С.Коротеева). М.:, 1988 г. Стр.186...193.
4. Патент на изобретение №2146776 от 14 мая 1998 г. Импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле.
5. Ю.Н.Вершинин Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков. Екатеринбург. УрО РАН. 2000 г.
6. Синтетические жидкости для электрических аппаратов. М.И.Шахнович. М., Энергия. 1972 г.
1. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель, состоящий из анода и катода с разрядным промежутком и рабочего тела, заключенного между ними, отличающийся тем, что в зоне между анодом и катодом расположена подвижная поверхность с направленным и управляемым перемещением, контактирующая с источником жидкого или гелеобразного рабочего тела.
2. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что подвижная поверхность выполнена в виде криволинейной поверхности, например цилиндра с приводом, обеспечивающим скорость перемещения, пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов, а разрядный промежуток представляет собой образующую криволинейной поверхности.
3. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что подвижная поверхность выполнена в виде плоскости, например диска с приводом, обеспечивающим скорость перемещения, пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов.
4. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что источником жидкофазного рабочего тела является пористо-капиллярный эластичный фитиль, сообщенный с системой хранения рабочего тела.
5. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочим телом является жидкофазный диэлектрик, например вакуумное масло, а подвижная поверхность выполнена из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например капролона.
www.findpatent.ru
Электрический реактивный полевой двигатель
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в космонавтике для создания реактивной тяги. Технический результат состоит в создании реактивной тяги путем преобразования электрической энергии источника питания в распределенное импульсное электромагнитное поле, взаимодействующее с электромагнитными полями токов в проводниках двигателя. Устройство содержит большое число гальванически не связанных проводников малой длины, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Система генерации включает источник лазерных электромагнитных импульсов и систему оптической разводки импульсов, обеспечивающую поступление лазерных импульсов электромагнитной энергии на соседние проводники с временем задержки, позволяющим току в одном проводнике взаимодействовать с электромагнитным полем другого проводника. 2 ил.
Электрический реактивный полевой двигатель (ЭРПД) относится к области космонавтики и предназначен для создания реактивной тяги. Устройство может использоваться в двигательных установках космических аппаратов (искусственных спутников Земли, автоматических межпланетных станций и др.) Предлагаемый электрический реактивный полевой двигатель является разновидностью электрических реактивных двигателей. Главное его отличие заключается в использовании в качестве рабочего тела электромагнитного поля, создаваемого самим двигателем.
В качестве аналога следует рассматривать двигатель электромагнитного типа с активной преградой [1]. Автор предлагал использовать в качестве движителя проводники большой длины либо плазменные шнуры.
Недостатком данного устройства является то, что подведение энергии от источника к проводникам электромагнитного движителя является проблемой в связи с большими значениями величин силы тока и частоты импульсов.
Задачей изобретения является разработка устройства для создания реактивной тяги путем преобразования электрической энергии источников питания в распределенное импульсное электромагнитное поле, взаимодействующее с электромагнитными полями токов в проводниках двигателя.
Требуемый технический результат достигается тем, что в конструкцию двигателя введена система генерации пульсирующего электромагнитного поля, включающая источник лазерных импульсов и систему оптической разводки импульсов, а электромагнитный движитель формируется из большого числа гальванически не связанных проводников малой длины, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга.
Сущность изобретения поясняется фиг.1. Электрический реактивный полевой двигатель, содержащий электромагнитный движитель (3) и систему генерации электромагнитного поля. Электромагнитный движитель представляет собой набор большого количества проводников малой длины (4) на небольшом расстоянии друг от друга. Малая длина проводников позволяет пренебречь эффектами, вызываемыми индукцией и самоиндукцией. Система генерации включает источник лазерных импульсов (1) и систему оптической разводки импульсов (2). Источник лазерных импульсов может включать как импульсный лазер с определенными параметрами, так и непрерывный лазер с оптическим затвором и системой управления.
Устройство работает следующим образом: два соседних проводника А и В из состава электромагнитного движителя, расстояние между которыми равно R (фиг.2), до поступления лазерных импульсов обесточены и сила их электродинамического взаимодействия равна нулю. Лазерные импульсы определенной мощности и скважности поступают от источника (1) по системе оптической разводки (2) к проводникам электромагнитного движителя (3) не одновременно и выбивают из их торцов электроны, т.к. энергия импульса превышает работу выхода для материала проводника (фиг.1). В проводниках возникают разности потенциалов, вызывающие импульсы тока малой длительности.
При протекании через проводник А импульса тока I определенной длительности (τ - 2R/C) возникнет электромагнитное поле с магнитной индукцией В2, которое "подойдет" к проводнику В через время 0,5 τ. В этот момент в проводнике В инициируется ток той же длительности подошедшим по системе оптической разводки лазерным импульсом. Взаимодействуя с полем В2, он вызовет появление силы Ампера FA, приложенной к проводнику В, который получит импульс силы соответствующего направления. Первый проводник (А) не будет находиться под воздействием силы Ампера, так как к моменту прихода поля проводника В в область проводника А последний будет уже обесточен. Для повышения КПД процесса можно в этот момент индуцировать импульс в проводнике А, но противоположного направления. Тяга, создаваемая двигателем в этом случае, удвоится.
Система оптической разводки обеспечивает время задержки «отдельного» лазерного импульса от момента излучения до момента прихода к соответствующему проводнику и представляет собой оптические проводники требуемой длины (толщины) и (или) с необходимым коэффициентом преломления. Скорость «бегущей волны» лазерных, индуцирующих поле импульсов может быть больше скорости света, что позволяет «развязать» электромагнитное поле и ток в проводнике.
В данном устройстве за счет оригинальной системы генерации распределенного электромагнитного поля появляется возможность использовать его в качестве рабочего тела для создания реактивной тяги.
Источники информации
1. Д.Мотовилов, "ТМ" №3, 1982 г., стр.54.
Электрический реактивный двигатель, содержащий проводники и систему генерации электромагнитного поля, отличающийся тем, что он содержит N гальванически не связанных проводников малой длины, расположенных на заданном расстоянии друг от друга, а система генерации электромагнитного поля содержит источник лазерных импульсов электромагнитной энергии и систему их оптической разводки, обеспечивающую поступление лазерных импульсов электромагнитной энергии на соседние проводники с временем задержки, позволяющим току в одном проводнике взаимодействовать с электромагнитным полем вокруг другого проводника.
www.findpatent.ru
Электрический ракетный двигатель Википедия
| пригоден для полетов к внешним планетам Солнечной системы[1] |
Электри́ческий раке́тный дви́гатель (ЭРД) — ракетный двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц[2]. Также встречаются названия, включающие слова реактивный и движитель.
Комплекс, состоящий из набора ЭРД, системы хранения и подачи рабочего тела (СХиП), системы автоматического управления (САУ), системы электропитания (СЭП), называется электроракетной двигательной установкой (ЭРДУ).
Введение[ | код]
Идея использовать для ускорения электрическую энергию в реактивных двигателях возникла практически в начале развития ракетной техники. Известно, что такую идею высказывал К. Э. Циолковский. В 1916—1917 годах Р. Годдард провёл первые эксперименты, а в 30-х годах XX столетия в СССР под руководством В. П. Глушко был создан один из первых действующих ЭРД.
С самого начала предполагалось, что разнесение источника энергии и ускоряемого вещества позволит обеспечить высокую скорость истечения рабочего тела (РТ), а также и меньшую массу космического аппарата (КА) за счёт снижения массы хранимого рабочего тела. Действительно, в сравнении с другими ракетными двигателями ЭРД позволяют значительно увеличить срок активного существования (САС) КА, существенно при этом снизив массу двигательной установки (ДУ), что, соответственно, позволяет увеличить полезную нагрузку, либо улучшить массо-габаритные характеристики самого КА.
Расчёты показывают, что использование ЭРД позволит сократить длительность полёта к дальним планетам (в некоторых случаях даже сделать такие полёты возможными) или, при той же длительности полёта, увеличить полезную нагрузку.
Начиная с середины 1960-х годов в СССР и в США начались натурные испытания ЭРД, а в начале 1970-х ЭРД стали использоваться как штатные ДУ.
В настоящее время ЭРД широко используются как в ДУ спутников Земли, так и в ДУ межпланетных КА.
Классификация ЭРД[ | код]
Классификация ЭРД не устоялась, однако в русскоязычной литературе обычно принято классифицировать ЭРД по преобладающему механизму ускорения частиц. Различают следующие типы двигателей:
ru-wiki.ru
Электрические ракетные ионные двигатели
Курсовая работа
По теме:
" Электрические ракетные ионные двигатели "
Общая теория электрических ракетных двигателей (ЭРД)
Общие принципы ЭРД
Основоположник космонавтики К.Э. Циолковский впервые в 1911 г. высказал мысль, что с помощью электричества можно придавать громадную скорость частицам, выбрасываемым из реактивного прибора. Позже класс двигателей, основанных на этом принципе, стали называть электрическими ракетными двигателями [10]. Однако до сих пор не существует общепринятого и вполне однозначного определения ЭРД.
В Физическом энциклопедическом словаре ЭРД – это ракетный двигатель, в котором рабочим телом служит ионизированный газ (плазма), ускоряемый преимущественно электромагнитными полями; в энциклопедии «Космонавтика» – это двигатель, в котором в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия, вырабатываемая бортовой энергоустановкой космического аппарата, в Политехническом словаре приводится третий вариант определения ЭРД: это реактивный двигатель, в котором рабочее тело разгоняется до высоких скоростей с использованием электрической энергии.
Наиболее логично электрическими ракетными двигателями называть двигатели, в которых для разгона рабочего тела используется электрическая энергия, причем источник энергии может находиться как на борту космического аппарата (КА), так и вне его. В последнем случае энергия либо непосредственно подводится к ускоряющей системе от внешнего источника, либо передается на КА с помощью сфокусированного пучка электромагнитного излучения.
Такого взгляда на ЭРД придерживались и пионеры космонавтики – Ю.В. Кондратюк, Г. Оберт, Ф.А. Цандер, В.П. Глушко. В работе Ю.В. Кондратюка1 рассматривался КА, на который падает сконцентрированный луч света, и электрический реактивный двигатель, основанный на электростатическом ускорении крупных заряженных частиц, например, графитового порошка. В той же работе указаны конкретные способы повышения эффективности электродинамического ускорителя массы (ЭДУМ) в применении плазменного контакта и разгона в вакууме. В 1929 г. Г. Оберт2 описал ионный двигатель. В 1929–1931 гг. впервые был создан и испытан в лаборатории импульсный электротермический ЭРД, автором которого является основоположник ракетного двигателестроения В.П. Глушко. Им же был предложен и сам термин «электрический ракетный двигатель».
Однако дальнейшего развития в тот период работы по ЭРД не получили из-за отсутствия легких и эффективных источников энергии. Эти работы были возобновлены в СССР и за рубежом после запуска в нашей стране в 1957 г. первого искусственного спутника Земли и первого полета в космос в 1961 г. человека – гражданина СССР Ю.А. Гагарина. В эти годы по инициативе С.П. Королева и И.В. Курчатова была принята, комплексная программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по ЭРД разных типов. Одновременно были развернуты работы по созданию эффективных источников энергии для КА (солнечные батареи, химические аккумуляторы, топливные элементы, ядерные реакторы, радиоизотопные источники). Основное направление исследований, сформулированных в этой программе, состояло в разработке научных основ и создании высокоэффективных образцов ЭРД, предназначенных для решения задач промышленного освоения околоземного космического пространства и обеспечения научных исследований Солнечной системы.
Наиболее важное значение для формирования современной теории ЭРД имели следующие научно-технические идеи.
Принцип электродинамического ускорения, предложенный в 1957 г. Л.А. Арцимовичем и его сотрудниками [2], был положен в основу ускорителей разных классов – импульсных ЭРД на газообразном и твердом рабочем веществе, стационарных сильноточных ЭРД.
Принцип бездиссипативного ускорения ионов в замагниченной плазме самосогласованным электрическим полем. Этот механизм реализуется в плазменных двигателях с азимутальным дрейфом электронов, в торцевых холловских двигателях, в определенной степени в импульсных двигателях с электромагнитным разгоном плазмы. В наиболее последовательной форме этот метод ускорения реализован в двигателе с анодным слоем (ДАС) – оптимальном варианте двигателей с азимутальным дрейфом электронов. В первоначальной форме идея ДАС была сформулирована А.В. Жариновым в конце 50-х годов; позже на основе этой идеи, дополненной рядом изобретений, были разработаны высокоэффективные двух- и одноступенчатые двигатели с азимутальным дрейфом.
В США Г. Кауфман предложил принцип плазменно-ионного двигателя (ПИД), в котором ионы также разгоняются продольным электрическим полем, однако в отличие от ДАС они предварительно вытягиваются из плазменного разряда с электронами, осциллирующими в продольном магнитном поле. Плазменно-ионный двигатель обладает высоким КПД и ресурсом, но проигрывает ДАС в универсальности и диапазоне регулирования рабочих характеристик.
В связи с проводившимися в последние годы проектными исследованиями космических солнечных электростанций возродился интерес к схемам ЭРД с подводом энергии от внешнего источника. Развивая идеи К.Э. Циолковского и Ю.В. Кондратюка, Г.И. Бабат1 в 1943 г. предложил использовать энергию, передаваемую на летательный аппарат в виде хорошо сфокусированного пучка СВЧ-излучения с земли или космического аппарата. В 1971 г. А. Кантровиц для тех же целей рассматривал лазерное излучение.
В 1975 г. Дж О'Нейл предложил использовать электродинамический ускоритель массы (ЭДУМ) для транспортировки в космос с поверхности Луны материалов, предназначенных для строительства космических солнечных электростанций. Очевидно, эти проекты ориентированы на решение задач отдаленной перспективы, строительства орбитальных объектов околоземной энергопроизводственной инфраструктуры.
Особенности двигательных установок с малой тягой
Разделение в ЭРД источника энергии и рабочего вещества позволяет преодолеть ограничение, присущее химическим двигателям, – относительно невысокую скорость истечения. Но, с другой стороны, если используется бортовой источник энергии, неизбежно возникает другое ограничение – сравнительно малая тяга. Поэтому, если не рассматривать пока особых случаев, например, световых двигателей, ЭРД следует отнести к классу двигателей малой тяги, которые способны обеспечить лишь небольшое ускорение, а потому пригодны дан выполнения различных транспортных операций непосредственно в космическом пространстве. ЭРД, как правило, – это космические ракетные двигатели малой тяги.
Если, например, двигатель развивает тягу 10 Н,; масса КА 10 т, то создаваемое им ускорение составит 10» 3 м/с2 , т.е. примерно 10» 4g 0 ( go – ускорение свободного падения на поверхности Земли). Разумеется, такой двигатель не пригоден для выведения космических аппаратов с Земли на орбиты искусственных спутников.
Эта ситуация может измениться, когда будут соз1аны эффективные лазерные двигатели или электродинамические ускорители массы, отличительная особенность которых состоит в том, что источник энергии не обязательно находится на борту КА. В этом случае должно говорить об ЭРД, который обеспечивает высокую скорость истечения и большое ускорение одновременно.
Чтобы выявить другие специфические особенности ЭРД как космических двигателей, рассмотрим задачу перехода между двумя околоземными круговыми орбитами. Обратимся к уравнению Циолковского
(1.1) где и' и v– приращение скорости КА и скорость истечения рабочего вещества соответственно; Мо – начальная масса КА; Мк = Мо – mt – масса К А на конечной орбите. Здесь t – время перехода между орбитами; т – расход массы рабочего вещества. Из (1.1) приращение скорости
(1.2) Изменение кинетической энергии КА при полете происходит со скоростью
После подстановки значения w в последнее выражение из формулы 1.2
Получаем
(1.3) 
(1.5) Траектория перехода между двумя круговыми орбитами имеет вид разворачивающейся спирали. При полете в гравитационном поле Земли вследствие работы двигательной установки происходит превращение тяги ЭРД постоянно совпадает по направлению со скоростью КА; сила тяготения при этом всегда перпендикулярна вектору скорости.
Потенциальная энергия КА при его движении по круговой траектории в центральном поле Земли равна
где М и М з – масса КА и Земли соответственно; у – гравитационная постоянная.
Обозначая радиус начальной круговой орбиты через Ro , а конечной – через R , потенциальную энергию К А при переходе между этими орбитами определяем по формуле
(1.6) Когда двигатель малой тяги работает непрерывно, происходит постоянное превращение кинетической энергии в потенциальную. Приравнивая на этом основании выражения (1.5) и (1.6), находим
(1.7) а время перелета
(1.8) На рис. 1.1 для сравнения показаны соответствующие зависимости для двух типов двигательных установок – с большой и малой тягой соответственно, В случае малой тяги величина Мк /М0 оказывается в несколько раз больше, время перелета при этом, однако, значительно увеличивается. Это отличает ЭРД от других типов ракетных двигателей.
mirznanii.com
