Изобретение относится к плазменной технике и может найти применение в электроракетных двигателях космических двигательных установок. Эрозионный импульсный плазменный двигатель содержит ускорительный канал рельсового типа 1, верхняя и нижняя стенки которого образованы катодом 2 и анодом 3, соединенными через омическую и индуктивную нагрузку с обкладками конденсатора 4, а боковые стенки - шашками из твердого диэлектрика 5, являющегося рабочим веществом, установленным с возможностью перемещения до упора в фиксатор 6, выполненный в данном случае на катоде 2, жестко соединенный с катодом 2 и анодом 3, разделяющий их торцевой керамический изолятор 7 и установленный в катоде 2 игнайтер 8. В торцевом керамическом изоляторе 7 со стороны поверхности, обращенной в ускорительный канал 1, выполнено углубление 10, глубина которого не менее 3 мм, при этом игнайтер 8 размещен в указанном углублении. Изобретение позволяет повысить стабильность тяговых характеристик за счет повышения равномерности испарения рабочего вещества с поверхности шашек. 3 ил.
Изобретение относится к области плазменной техники и может найти применение в электроракетных двигателях космических двигательных установок (КДУ).
Плазменными ускорителями называют системы, в которых с помощью электрических разрядов происходит образование плазмы (ионизированного газа) и ее последующее ускорение под действием газодинамических и электромагнитных сил. Необходимым признаком срабатывания импульсного ускорителя плазмы является пробой межэлектродного промежутка. Импульсные плазменные ускорители (ИПУ) могут применяться как эффективные тяговые исполнительные органы систем управления космических летательных аппаратов в виде импульсных плазменных двигателей (ИПД), а так же в качестве ускорителей низкотемпературной плазмы, инжекторов. Поиск устройств такого рода, показал, что в направлении практической реализации ИПД с большим ресурсом сделано еще недостаточно, в том числе и в области новых технических задач, поставленных в современных условиях эксплуатации космических летательных аппаратов. Известен импульсный плазменный ускоритель, который может быть использован как в качестве эрозионного импульсного плазменного двигателя (ИПД) для решения задач, требующих малых суммарных импульсов тяги, так и в качестве импульсного плазменного инжектора, например, для активных воздействий на ионосферу. (V. Levtov, V.Savitchev "Power Propulsion Sets With Pulsed Plasma Thusters", IEPC-95-119, Moscow, 1995). Ускоритель содержит разрядный канал с коаксиальными электродами и расположенное между ними твердое диэлектрическое рабочее вещество, например, фторопласт. Основным недостатком данного ускорителя является нестабильность характеристик, обусловленная постепенным увеличением объема разрядного канала по мере выработки рабочего вещества, что приводит к уменьшению единичного импульса тяги. Известен импульсный плазменный двигатель (инжектор) (СССР, а. с. N 1101164, МКИ5 H 05 H 1/54), содержащий разрядный канал, систему инициирования разряда, электроды, многоканальные инжекторы, профилированные электроды. Рабочим телом, используемым в данном двигателе, является газ. Известен эрозионный импульсный плазменный двигатель с плоскими электродами и твердым диэлектрическим рабочим веществом (фторопласт), подаваемым в разрядный канал с торца до упора в фиксатор, расположенный на одном из электродов. (R. Vondra, K.Thomassen "Performance Impovements in Solid Fuel Microthrusters", AIAA Paper N 72-210, 1972. Недостатками данного ИПД являются малый единичный импульс тяги, вырабатываемый за один разряд накопителя, и неравномерность выработки шашки рабочего вещества (фторопласта) при большом ресурсе работы (более 105 срабатываний) двигателя. Наиболее близким техническим решением является известный импульсный плазменный двигатель, содержащий ускорительный канал рельсового типа, верхняя и нижняя стенки которого образованы анодом и катодом, соединенными с обкладками конденсатора, а боковые стенки - твердым рабочим веществом (фторопластом) в виде шашек, установленных с возможностью перемещения до упора, выполненного в катоде, жестко соединенный с катодом и анодом разделяющий их торцевой керамический изолятор и установленный в катоде игнайтер (V.Vondra, K.YThomassen "Performance Imrovements in Solid Fuel Microthrusters" AIAA Paper N 72-210, 1972). В известном ИПД, также как и в предлагаемом техническом решении, осуществляется боковая подача рабочего тела в разрядный канал. При этом в известном ИПД после >104 разрядов конденсаторной батареи на значительной части поверхностей шашек рабочего вещества появляется пленка, состоящая из продуктов распада фторопласта (углерода). Теплота испарения углерода существенно выше, чем фторопласта, что приводит к уменьшению площади поверхности, с которой происходит испарение рабочего вещества, снижению его расхода, падению тяги двигателя, что может сделать невозможным выполнение в полном объеме поставленной задачи по управлению положением космического аппарата на орбите. Более того, появление существенной неравномерности выработки шашек рабочего вещества, являющейся следствием осаждения продуктов распада, может сделать невозможным дальнейшую их подачу в разрядный канал и повлечет за собой выход из строя двигателя. При разработке импульсного плазменного двигателя системы управления положением спутника Земли необходимо решить ряд задач, связанных с обеспечением заданных характеристик ИПД, прежде всего его ресурса. К таким задачам относятся: - обеспечение равномерной и контролируемой эрозии "шашек" плазмообразующего вещества; - обеспечение стабильности характеристик ИПД в течение времени активного существования спутника; - обеспечение равномерной подачи "шашек" в разрядный канал. Задача настоящего изобретения заключается в создании эрозионного импульсного плазменного двигателя, в котором обеспечивается стабилизация тяговых характеристик ИПД путем повышения равномерности во времени испарения рабочего вещества с поверхностей шашек за счет полного устранения осаждения продуктов распада рабочего вещества. Поставленная задача решается тем, что в эрозионном импульсном плазменном двигателе, содержащем ускорительный канал рельсового типа, верхняя и нижняя стенки которого образованы катодом и анодом, а боковые стенки - шашками из твердого диэлектрика, установленными с возможностью перемещения до упора в фиксатор, выполненный на одном из электродов, жестко соединенный с катодом и анодом, разделяющий их торцевой керамический изолятор и установленный в одном из электродов игнайтер, в торцевом керамическом изоляторе со стороны поверхности, обращенной в ускорительный канал, выполнено углубление, глубина которого не менее 3 мм, при этом игнайтер размещен в указанном углублении. Серьезной проблемой эрозионных ИПД, оказывающей существенное влияние на эффективность и работоспособность двигателя, является необходимость согласования во времени и пространстве двух процессов: - распределение разрядного тока в рабочем канале; - распределение массы рабочего вещества, его ионизации и ускорения. Чем полнее такое совмещение, тем лучше организован рабочий процесс двигателя, поскольку при этом имеет место эффективное ускорение силой jxB значительной части рабочего вещества. Однако, в реальной конструкции добиться полного совмещения указанных выше процессов невозможно из-за ограничений, накладываемых внешней электрической цепью. Вследствие довольно больших значений индуктивности внешней цепи, лежащих в хорошо спроектированных ИПД в пределах (20-40) нГн, разрядный ток в своем движении по электродам опережает рабочее вещество, что и приводит к появлению выше описанных явлений. Выполнение углубления в торцевом керамическом изоляторе со стороны рабочей поверхности, обращенной в ускорительный канал, и размещение игнайтера в углублении позволяют обеспечить формирование устойчивого плазменного шнура уже на входе в часть канала, образованную испаряемыми стенками, что препятствует осаждению в этой зоне углеродной пленки, возникновению значительной неравномерности выработки рабочих поверхностей шашек и обеспечивает стабильность характеристик ИПД. Минимальная глубинна углубления выбирается из следующих соображений. Известно, что наиболее интенсивный процесс испарения и ионизации диэлектрического рабочего вещества в эрозионном ИПД происходит под действием излучения из так называемой токовой перемычки (область наибольшей концентрации разрядного тока в двигателе). Токовая перемычка перемещается по электродам ИПД с высокой скоростью (порядка
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3www.findpatent.ru
106 м/с) слабо зависящей от параметров электрической цепи. В то же время длительность импульса разрядного тока во многом определяется индуктивностью внешней электрической цепи. При правильно спроектированной электрической цепи эрозионного ИПД, когда соотношение погонной индуктивности разрядного канала L1, и индуктивности L0 внешней цепи L1/L0 > 1, время движения токовой перемычки по электродам и длительность импульса тока оказываются близки друг к другу. В этом случае углубление может иметь минимальную глубину. Экспериментально установлено, что для своевременного (до выхода в рабочую область канала) формирования токовой перемычки (плазменного шнура), углубление в торцевом изоляторе должен быть не менее 3 мм. Выполнение такого углубления позволяет решить поставленную задачу - обеспечить стабильность тяговых характеристик ИПД. Заявителю неизвестны эрозионные импульсные плазменные двигатели с заявленной совокупностью признаков, что подтверждает соответствие изобретения критерию "новизна". Заявленная совокупность существенных признаков не вытекает явным образом из современного уровня техники, и, следовательно, изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". На фиг. 1 показана конструктивная схема импульсного плазменного двигателя эрозионного типа; на фиг. 2 - показан продольный разрез импульсного плазменного двигателя эрозионного типа по линии A-A фиг. 1; на фиг. 3 показан разрез по лини B-B, вид сверху. Эрозионный импульсный плазменный двигатель содержит ускорительный канал 1 рельсового типа, верхняя и нижняя стенки которого образованы катодом 2 и анодом 3, соединенными через омическо-индуктивнную нагрузку с конденсаторной батареей 4 посредством тонких медных шин, разделенных изолятором, а боковые стенки ускорительного канала 1 шашками из твердого диэлектрика 5 установленными с возможностью перемещения в специальных направляющих под действием, например, пружины кручения до упора в фиксатор 6, выполненный в данном случае на катоде 2, путем напайки тонкой металлической пластины симметрично средней линии катода, торцевой керамический изолятор 7, изготавливаемый из материалов с высокой рабочей температурой (например, нитрид бора) разделяющий электроды 2, 3 и жестко с ними соединенный винтами с потайными головками. Поверхности шашек 5, обращенные к торцевому изолятору 7, плотно прилегают к его поверхностям, спрофилированным соответствующим образом. Игнайтер 8, соединенный с блоком инициирования разряда 8 (БИР), установлен в отверстии в катоде 2 и закреплен с помощью специального клея. В торцевом керамическом изоляторе 7, со стороны обращенной в ускорительный канал 1, выполнено углубление 10 глубиной не менее 3 мм. Игнайтер 8 размещен в углублении 10. Эрозионный импульсный плазменный двигатель работает следующим образом. Из блока инициирования разряда 9 подается короткий высоковольтный импульс на электроды игнайтера 8. В результате поверхностного пробоя между электродами игнайтера образуется плазменный сгусток, закорачивающий электроды 2, 3 основного разряда в углублении, где формируется разряд дугового типа, распространяющийся затем в ускорительный канал 1 с аблирующими боковыми стенками. Рабочее вещество, поступающее в разряд с поверхностей шашек 5, переходит в плазменное состояние и ускоряется магнитным и газодинамическим давлением, создавая реактивную тягу. Наличие углубления 10 и расположение в зоне задней поверхности игнайтера 8 обеспечивают формирование устойчивого плазменного шнура в начальной части ускорительного канала с испаряемыми стенками и препятствует осаждению в этой зоне углеродной пленки или значительной неравномерности выработки рабочей поверхности шашек 5. По мере выработки шашек 5 они подаются толкателями до упора в фиксатор 6, выполненный, например, на электроде (катоде) 2. Возможность реализации эрозионного импульсного плазменного двигателя по данному изобретению подтверждена изготовлением лабораторной модели эрозионного ИПД по предлагаемой схеме, экспериментальная отработка которой продемонстрировала полное отсутствие углеродной пленки на рабочих поверхностях шашек. Таким образом, предложенный эрозионный импульсный плазменный двигатель обладает высокой стабильностью тяговых характеристик за счет повышения равномерности испарения рабочего вещества с поверхностей шашек вследствие полного устранения осаждения углерода, являющегося продуктом разложения рабочего вещества, на указанных поверхностях, что повышает надежность работы ИПД. Это обеспечивается выполнением углубления в торцевом керамическом изоляторе со стороны рабочей поверхности, обращенной в ускорительный канал глубиной не менее 3 мм, а также размещением игнайтера в указанном углублении. www.freepatent.ru
Изобретение относится к электрореактивным двигателям. Устройство состоит из центрального электрода - анода, катода и шашки рабочего тела, заключенной между ними. Анод имеет механический контакт с рабочим телом, а катод удален от шашки рабочего тела с образованием вакуумного промежутка. Реактивная тяга получается в результате генерации плазмы путем пробоя и поверхностного перекрытия рабочего тела импульсом электрической энергии высокого напряжения наносекундной длительности 10-9-10-6 со стороны анода. Изобретение позволяет упростить конструкцию и повысить экономичность. 1 ил.
Изобретение относится к области электрореактивных двигателей, конкретно - к импульсным плазменным ЭРД.
Наиболее широкое распространение из известных типов импульсных плазменных ЭРД получили эрозионные ЭРД [1], [2], [3]. Разрядная камера эрозионного ЭРД содержит два электрода - катод и анод, разделенных твердым рабочим телом (РТ) - диэлектриком. В качестве РТ обычно применяются легкоиспаряющиеся фторорганические соединения (фторопласты). Коммутация разряда осуществляется с помощью специального инициирующего устройства - игнайтера, обычно - это свеча поверхностного пробоя. Под воздействием поверхностного разряда микросекундной длительности происходит эрозия диэлектрика, испарившийся материал нагревается в разряде дугового типа и со скоростью 3-5 км/с, соответствующей тепловой скорости ионов, истекает наружу, создавая тягу. Данные импульсные ЭРД имеют низкие значения КПД и удельного импульса, как результат абляционного механизма плазмообразования. Целью предлагаемого изобретения является упрощение и улучшение характеристик торцевого импульсного ЭРД. Данная цель достигается тем, что в известном эрозионном ЭРД, состоящем из катода и анода, разделенных шашкой рабочего тела (диэлектриком), анод, расположенный в центре, имеет непосредственный механический контакт с шашкой РТ, а катод удален от нее с образованием вакуумного промежутка. Предлагаемый двигатель (см. чертеж) состоит из анода 1, катода 2 и шашки РТ 3. Анод имеет постоянный механический контакт с шашкой 3, обеспечиваемый, например, пружиной. Катод 2 удален от кромки шашки на расстояние
с образованием вакуумного промежутка. Такое выполнение двигателя исключает процесс инжекции электронов из "тройных точек" (катод - диэлектрик - вакуум) [5]. При этом величина промежутка определяется из условия завершения разрядных процессов с анода и минимизации влияния на них процессов с катода. Работа предлагаемого ЭРД заключается в следующем. При подаче высоковольтного импульса наносекундной длительности на анод 1, с прианодной зоны РТ 3 начинается взрывная инжекция электронов из РТ на анод [4], при этом фронт интенсивной поверхностной ионизации распространяется к катоду 2 со скоростью 
1000 км/с. После того, как фронт ионизации достигает границы шашки РТ, со стороны катода развиваются процессы предположительно рекомбинационного происхождения, завершающиеся возникновением дуги. Интенсивность дугового процесса и его длительность определяются геометрией разрядного промежутка и параметрами высоковольтного импульса. Как показали экспериментальные исследования данных ЭРД, проводимые в ИЭФ УрО РАН и НИИмаш параметры дугового процесса существенно меньше, чем для схемы ЭРД с взаимным контактом РТ с анодом и катодом. Следовательно, абляционная составляющая процесса мала и, в наиболее чистом и полном виде, реализуется электронно - детонационный процесс и механизм электростатического ускорения [4] . Кроме того, упрощается конструкция по сравнению с [1], так как катод механически не связан с рабочей поверхностью шашки. Причем для разрядного промежутка с удаленным катодом при прочих равных условиях характерно перераспределение составляющих массового расхода РТ и импульса тяги в пользу высокоскоростной плазмы (Vпл > 20 км/с). Таким образом, ЭРД в предлагаемом исполнении позволяет упростить конструкцию, существенно повысить КПД и удельный импульс по сравнению с известными импульсными плазменными ЭРД торцевого исполнения. Литература 1. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975. 198 - 223 с. 2. Фаворский О.Н., Фишгойт В.В., Янтовский Е.И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М.: Машиностроение, Высшая школа, 1978. 170 - 173 с. 3. Космические двигатели - состояние и перспективы. Под ред. Л.Кейвни (перевод с английского под ред. А.С.Коротеева). М.: Мир, 1988. 186 - 204 с. 4. Заявка N 96117878 от 12 сентября 1996 г. Ю.Н.Вершинин, Б.А.Некрасов. Способ получения реактивной тяги. 5. Месяц Г.А. Эктоны. Часть 1. Екатеринбург УИФ "Наука". 1993.Формула изобретения
Импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле, состоящий из анода, катода и шашки рабочего тела, заключенной между ними, отличающийся тем, что анод является центральным электродом и имеет постоянный механический контакт с шашкой рабочего тела, а катод удален от шашки с образованием вакуумного промежутка.РИСУНКИ
Рисунок 1Похожие патенты:
Изобретение относится к авиастроению и касается технологии создания движителей атмосферных летательных аппаратов на основе электрокинетического способа создания подъемной и движущей сил в газовой среде атмосферы
Изобретение относится к плазменной технике и может найти применение в электроракетных двигателях космических двигательных установок
Изобретение относится к плазменной технике и преимущественно предназначено для использования в космической технике
Изобретение относится к области плазменной техники, более конкретно к ускорителям плазмы с замкнутым дрейфом электронов, и может быть использовано при разработке электроракетных двигателей, а также технологических ускорителей, применяемых в процессах вакуумно-плазменной технологии
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для автономного непрерывного снабжения тепловой и механической энергией бытовых, промышленных и транспортных энергопотребителей, а после преобразования тепловой и механической энергии в электрическую для снабжения тех же потребителей электричеством
Изобретение относится к использованию плазмы для получения реактивной тяги
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 области автоматического регулирования и может быть использовано в системах подачи рабочего тела плазменных ускорителей, а более конкретно для регулирования давления подачи РТ стационарных плазменных двигателей (СПД) космических аппаратов; в наземных условиях - для обеспечения работы технологических источников плазмы
Изобретение относится к области космической техники, а именно, к электрореактивным двигательным установкам, и может быть использовано в стационарных плазменных двигателях и двигателях с анодным слоем, а также в области прикладного применения плазменных ускорителей
Изобретение относится к ракетным двигателям космических аппаратов и, более конкретно, к ионным двигателям малой тяги
Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при создании ускорителей плазмы с замкнутым дрейфом электронов, применяемых в космических электрореактивных двигателях, а также для научных исследований и производства при создании вакуумных технологических установок
Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при конструировании электрических ракетных двигателей, в частности плазменных ускорителей с замкнутым дрейфом электронов, предназначенных для работы в космических условиях для выполнения транспортных задач, а также коррекции орбиты и ориентации космических аппаратов, и может найти применение в других областях техники, например в электронике для ионной очистки, фрезеровки, получения покрытий различного функционального назначения, в вакуумной металлургии
Изобретение относится к области создания электрических ракетных двигателей, которые имеют наилучшие характеристики по удельному импульсу (отношению силы тяги к массовому расходу рабочего тела), выражаемой через скорость истечения рабочего тела из сопла
Изобретение относится к электронным плазменным двигателям, которые используются, в частности, для приведения в движение аппаратов в космосе, а также для осуществления промышленных процессов на земле, и более точно - к плазменному двигателю с закрытым дрейфом электронов, которые также называют двигателями с устойчивой плазмой, двигателями Холла или двигателями с анодным слоем
Изобретение относится к электрореактивным двигателям
www.findpatent.ru
Изобретение относится к электрореактивным двигателям импульсного действия на жидких рабочих средах, использующих электронно-детонационный тип разряда. Двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком в виде рабочей поверхности из диэлектрика, контактирующей с источником подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела. Рабочая поверхность выполнена подвижной, в виде двух дисков вращения, а в зоне между анодом, установленным на ведомом диске, и катодом, установленным на ведущем диске, помещены промежуточный электрод и источник подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела. Подвижная рабочая поверхность дисков выполнена в виде желоба (канавки), с углублением которого и контактирует источник подачи рабочего тела, представляющий собой пористо-капиллярный эластичный фитиль. В качестве рабочего тела применяют жидкофазный диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров, например вакуумное масло, а рабочую поверхность выполняют из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например керамики или капролона. Предложенное позволяет исключить периоды вынужденного молчания двигателя и повышение кпд ЭРД за счет оптимизации углов истечения плазмы путем их настройки элементами конструкции ЭРД без классических средств плазмооптики. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия.
Известна схема ЭРД с электронно-детонационным типом разряда (заявка №2005102848 от 04.02.2005, МПК 7 F03H 1/00, опубликована 10.07.2006, бюллетень №19), где проблема повышения кпд за счет снижения угла разлета плазмы решается путем выполнения разрядного промежутка в виде желоба на неподвижной рабочей поверхности. При этом в зоне между анодом и катодом с возможностью возвратно-поступательного движения помещен источник подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела (смачиватель).
Неподвижная рабочая поверхность в плоскости, перпендикулярной линии, соединяющей электроды, выполненная в виде желоба, существенно снижает угол разлета плазмы. Поступление рабочего тела в межэлектродный промежуток желоба происходит методом смачивания желоба через пористо-капиллярный эластичный смачиватель (фитиль), установленный на подвижной каретке. Периодическое перемещение каретки со смачивателем вдоль желоба осуществляется с помощью электропривода. Смачивание желоба пленкой происходит периодически через определенное количество разрядных импульсов (на практике это через сотни, тысячи включений ЭРД) и зависит по времени в основном от вкладываемой в разрядный единичный импульс энергии и кпд преобразования ее в плазму.
По истечении определенного количества разрядных импульсов, соответствующих выработке пленки рабочего тела в углублении желоба, система управления вновь генерирует команду на перемещение смачивателя. Такая цикличность действий продолжается на всем протяжении работы ЭРД. При этом на время смачивания процесс генерации плазмы прекращается путем временного отключения подачи высоковольтных импульсов на электроды ЭРД.
Конструкция разрядного промежутка в виде желоба (канавки), например, параболической формы позволила значительно уменьшить угол разлета продуктов истечения, при этом одновременно снизить и потери рабочего тела из-за эффектов вакуумного испарения за счет резкого уменьшения площади смачиваемой поверхности, не участвующей в разрядном процессе.
Однако эта конструкция выявила ограничения по работоспособности при увеличении частоты включений. Так, при работе в рабочем диапазоне частот от 100 до 1000 Гц с целью повышения импульса тяги за секунду цикличность перемещений каретки со смачивателем должна увеличиться на порядок, чтобы восполнять расход рабочего тела, а это, в свою очередь, значительно увеличивает продолжительность режима вынужденного молчания ЭРД.
Известен импульсный плазменный реактивный двигатель по патенту РФ №2266428 (заявка №2002135702 от 27.10.2002), МПК 7 F03H 1/00 с электронно-детонационным типом разряда на жидком рабочем теле. Данный ЭРД имеет ресурс >109 включений при частоте разрядных импульсов 1…1000 Гц за счет реализации в нем способности к самовосстановлению работоспособности разрядных промежутков на жидком или гелеобразном рабочем теле. При работе этого двигателя организуется разряд на пленке из жидкофазного рабочего тела. В таком ЭРД, состоящем из анода и катода с разрядным промежутком и рабочего тела, заключенного между ними, в зоне между анодом и катодом расположена подвижная смачиваемая жидким или гелеобразным рабочим телом поверхность разрядного промежутка. Подвижная часть поверхности может быть выполнена цилиндрической или дисковой форм с электроприводом, обеспечивающим скорость вращения, пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов, и с разрядным промежутком, выполненным вдоль образующей линии на поверхности вращения. Источником подачи 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, например синтетическую жидкость, вакуумное масло и другие. При этом подвижная поверхность выполняется из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например капролона.
Однако по результатам испытаний этого конструктивного исполнения выявлен ряд недостатков, а именно значительный угол разлета продуктов плазмы в плоскости, перпендикулярной линии, соединяющей электроды, что снижает кпд. Это вызвано в основном тем, что зона разряда, имеющая конечные геометрические размеры, организована на выпуклой части подвижной поверхности по отношению к вектору истечения плазмообразующих продуктов. Второй недостаток связан со значительной смачиваемой площадью незадействованной в разрядном процессе поверхности цилиндра или диска при их вращении, при этом сам разряд сосредоточен на узком линейном межконтактном промежутке. Такой способ организации смачивания ведет к непроизводительным потерям жидкофазного рабочего тела вследствие испарения пленки в условиях глубокого вакуума с поверхности, не участвующей в разряде.
Целью предлагаемого изобретения является исключение периодов вынужденного молчания двигателя и повышение кпд ЭРД за счет оптимизации углов истечения плазмы путем их настройки элементами конструкции ЭРД без классических средств плазмооптики («Введение в плазмодинамику». Морозов А.И., Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2005 г.).
Предлагаемый импульсный плазменный электрический реактивный двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком в виде подвижной рабочей поверхности с направленным и управляемым перемещением, выполненной из диэлектрика, контактирующей с источником подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела. Согласно изобретению разрядный промежуток выполнен в виде кольцевых канавок на подвижных цилиндрических поверхностях минимум двух дисков, расположенных симметрично относительно общей оси устройства.
В предпочтительном варианте источник рабочего тела расположен между дисками и контактирует с поверхностью канавок каждого из них.
В зоне оси симметрии двигателя установлен промежуточный электрод с наводимым при разряде потенциалом, имеющий контакт с каждой канавкой.
Анод и катод могут быть установлены с возможностью перемещения вдоль канавок.
Выполнение желоба на двух и более сопряженных между собой цилиндрических поверхностях дисков (роликов), обеспечивающих возможность установки на них электродов анода и катода в зонах, где касательная к поверхности вращения перпендикулярна вектору истечения плазмообразующих продуктов, дает возможность управления углом истечения струи плазмообразующих продуктов.
Предлагаемая схема ЭРД поясняется чертежом.
Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель с электронно-детонационным типом разряда, работающий на жидком рабочем теле, состоит из электродов: анода 1, катода 2, и разрядного промежутка между ними в форме желоба (кольцевой канавки) 3, например, параболической формы, выполненного на цилиндрических поверхностях минимум двух расположенных симметрично относительно оси устройства дисков 4 и 5. Вращение дисков для смачивания разрядного промежутка осуществляется электроприводом 6, при этом подача рабочего тела в разрядный промежуток осуществляется через смачиватель 7, являющийся источником рабочего тела. Направление вращения дисков выбирается от смачивателя 7 к электродам. Для оптимизации разрядного процесса в зоне сопряжения дисков установлен промежуточный электрод 8 с наводимым в процессе разряда потенциалом. Электрод 8 имеет контакт с поверхностью канавок каждого диска. Разряд инициируется путем подачи на электроды высоковольтного импульса напряжения от генератора 9. С помощью изменения геометрических характеристик желоба (канавки) и промежуточного электрода, расположения электродов, анода 1 и катода 2, на дисках 4 и 5 оптимизируют углы истечения плазмы для достижения максимального кпд.
Следует заметить, что в такой схеме ЭРД имеет место кумулятивный эффект (ЖТФ, том 46, выпуск 8, 1976 г., стр.1617 «О возможности газодинамического ускорения потока в зоне кумуляции плазменных факелов под разными углами»), способствующий дополнительному ускорению продуктов истечения в зоне встречи плазменных факелов с дисков 4 и 5 соответственно.
Работает данный ЭРД следующим образом. При подаче низковольтного напряжения на электропривод 6 ведущий 5 и ведомый 4 диски приходят во вращение, при этом их желоба (канавки) 3, соприкасаясь со смачивателем 7, покрываются пленкой рабочего тела (РТ), в том числе и в зоне разрядного промежутка, образованного электродами 1, 8, 2. После чего через несколько секунд, требуемых для появления пленки в зоне разрядного промежутка, с генератора 9 на электрод 2 (анод) подается высоковольтное напряжение. Подача высоковольтного напряжения на электроде 2 приводит к появлению скользящего разряда в направлении от анода к катоду (электронно-детонационный тип разряда), распространяющегося по поверхности жидкой пленки. Данный разряд генерирует в процессе перекрытия высокоскоростные ионы рабочего тела, образующие первичную реактивную струю истечения. Последующее замыкание разрядом межэлектродного промежутка 1, 8, 2 приводит к появлению дуговой фазы разряда, нейтрализации первичной реактивной струи и истечению вторичной реактивной струи в виде плазмы.
1. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель состоящий из анода, катода и разрядного промежутка между ними, выполненного из диэлектрика и контактирующего с источником подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела, отличающийся тем, что разрядный промежуток выполнен в виде кольцевых канавок на подвижных цилиндрических поверхностях минимум двух дисков, расположенных симметрично относительно общей оси устройства.
2. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что источник рабочего тела расположен между дисками и контактирует с поверхностью канавок каждого из них.
3. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в зоне между дисками по оси симметрии двигателя установлен промежуточный электрод с наводимым при разряде потенциалом, имеющий контакт с каждой канавкой дисков.
4. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1 или 3, отличающийся тем, что анод и катод установлены с возможностью перемещения вдоль канавок.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к электрореактивным двигателям, использующим электронно-детонационный тип разряда. Двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком в виде рабочей поверхности из диэлектрика, контактирующей с источником подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела. Рабочая поверхность выполнена неподвижной, а в зоне между анодом и катодом с возможностью возвратно-поступательного движения помещен подвижный источник подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела. Неподвижная рабочая поверхность может быть выполнена в виде желоба с углублением, с которой контактирует источник подачи рабочего тела, представляющий собой пористо-капиллярный эластичный фитиль. В качестве рабочего тела применяют жидкофазный диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров, например вакуумное масло, а рабочую поверхность выполняют из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например керамики или капролона. Изобретение позволяет значительно уменьшить угол разлета продуктов истечения, в том числе и ионной компоненты. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия.
Известен импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле тефлон (аналог фторопласта 4) [1] с преобладающим электронно-детонационным типом разряда [2] за счет взрывной инжекции электронов с поверхности рабочего тела в сторону анодного электрода. В этих условиях реализуется выход преимущественно ионной компоненты 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 за счет значительного уменьшения дуговой фазы разряда. Однако и в таком ЭРД при наработке ресурса зафиксированы неустойчивости разрядных процессов в виде плазменных жгутов (пинчей) с образованием на поверхности рабочего тела каналов (зон) с повышенной проводимостью. Указанное явление ведет к интенсивному местному уносу рабочего тела с 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 ЭРД и ресурс таких двигателей по суммарному импульсу тяги оказывается недостаточным для многих полетных задач.
Указанные проблемы в значительной степени решены в изобретении по заявке №2002135702/06(037710) [3] в импульсном плазменном ЭРД с электронно-детонационным типом разряда на жидком рабочем теле. Данный ЭДРД имеет ресурс >109 включений при частоте импульсов 1...1000 Герц за счет реализации в нем способности к самовосстановлению работоспособности разрядных промежутков на жидком или гелеобразном рабочем теле. Задача решается путем организации разряда на пленке из жидкофазного рабочего тела. В таком ЭРД, состоящем из анода и катода с разрядным промежутком и рабочего тела, заключенного между ними, в зоне между анодом и катодом расположена подвижная смачиваемая жидким или гелеобразным рабочим телом поверхность разрядного промежутка. Подвижная часть поверхности может быть выполнена цилиндрической формы с электроприводом, обеспечивающим скорость вращения пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов и с разрядным промежутком в виде образующей линии на цилиндрической поверхности. Источником подачи 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 [4], например синтетическую жидкость, вакуумное масло и другие. При этом подвижная поверхность выполняется из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например капролона.
Однако в таком конструктивном решении, по результатам испытаний, выявлен ряд недостатков, а именно значительный угол разлета продуктов плазмы, что снижает кпд. Второй недостаток связан с явлением смачивания от фитиля боковой поверхности всего цилиндра или торцевой поверхности диска при их вращении, при этом сам разряд сосредоточен на узком линейном межконтактном промежутке. Такой способ организации смачивания ведет к непроизводительным потерям жидкофазного рабочего тела вследствие испарения пленки в условиях глубокого вакуума с не участвующей в разряде поверхности диска, цилиндра.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и повышение кпд ЭРД.
Данная цель достигается тем, что в импульсном плазменном электрическом реактивном двигателе, состоящем из анода и катода с разрядным промежутком в виде рабочей поверхности из диэлектрика, контактирующей с источником жидкого или гелеобразного рабочего тела, рабочая поверхность выполнена неподвижной. При этом в зоне между анодом и катодом с возможностью возвратно-поступательного движения помещен подвижный источник подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела.
Неподвижная рабочая поверхность может быть выполнена в виде желоба, с углублением которого контактирует источник подачи рабочего тела.
Источник подачи рабочего тела выполнен в виде пористо-капиллярного эластичного фитиля.
Целесообразно в качестве рабочего тела применять жидкофазный диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров, например вакуумное масло, а рабочую поверхность выполнять из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например керамики или капролона.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом. На приведенном чертеже показана конструктивная схема предлагаемого ЭРД. Основным его элементом является разрядный промежуток, исполненный в виде желоба 1 и содержащий систему из двух встречно-расположенных электродов, 2 - анод и 3 - катод. Поступление рабочего тела в межэлектродный промежуток желоба происходит методом смачивания желоба через пористо-капиллярный эластичный смачиватель (фитиль) 4, установленный на подвижной каретке 5. Периодическое перемещение каретки 5 со смачивателем 4 вдоль желоба 1 осуществляется с помощью электропривода 6. Смачивание желоба пленкой происходит периодически через определенное количество разрядных импульсов (на практике, это через сотни, тысячи включений ЭРД) и зависит по времени в основном от вкладываемой в разрядный единичный импульс энергии и кпд ее преобразования в плазму.
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 (углубление) желоба 1 в межэлектродной зоне 2(анод) - 3(катод). Затем, 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 и создающий реактивный импульс тяги. По истечении определенного количества разрядных импульсов, соответствующих выработке пленки рабочего тела в углублении желоба 4, система управления вновь генерирует команду на перемещения смачивателя 4. При этом процесс генерации разрядных импульсов и периодического смачивания может продолжаться без ограничений. Такая цикличность действий продолжается на всем протяжении работы ЭРД.
Конструкция разрядного промежутка в виде желоба позволила значительно уменьшить угол разлета продуктов истечения, в том числе и ионной компоненты. Кроме того, учитывая, что смачиванию подвергается только поверхность углубления желоба в зоне разряда, потери рабочего тела из-за эффектов вакуумного испарения сведены к минимуму.
Список литературы
1. Патент на изобретение №2146776 от 14.05.1998 г. Импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле.
2. Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков, автор Ю.Н.Вершинин, 2000 г., УрО РАН.
3. Заявка №2002135702(037710) от 27.12.2002 года на изобретение «Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель».
4. Синтетические жидкости для электрических аппаратов. М.И.Шахнович. М., Энергия, 1972 г.
5. Вакуумная техника. Справочник. М., Машиностроение, 1992 г.
1. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель, состоящий из анода и катода с разрядным промежутком в виде рабочей поверхности из диэлектрика, контактирующей с источником подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела, отличающийся тем, что рабочая поверхность выполнена неподвижной, а в зоне между анодом и катодом размещен с возможностью возвратно-поступательного движения подвижный источник подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела.
2. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что неподвижная рабочая поверхность выполнена в виде желоба, с углублением которого контактирует источник подачи рабочего тела.
3. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что источник подачи рабочего тела выполнен в виде пористо-капиллярного эластичного фитиля.
4. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочее тело является жидкофазным диэлектриком с низким значением давления насыщенных паров, например вакуумное масло, а рабочая поверхность выполнена из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например керамики или капролона.
www.findpatent.ru
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.
bankpatentov.ru
Изобретение относится к электрореактивным двигателям, использующим электронно-детонационный тип разряда. Двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком в виде рабочей поверхности из диэлектрика, контактирующей с источником подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела. Рабочая поверхность выполнена неподвижной, а в зоне между анодом и катодом с возможностью возвратно-поступательного движения помещен подвижный источник подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела. Неподвижная рабочая поверхность может быть выполнена в виде желоба с углублением, с которой контактирует источник подачи рабочего тела, представляющий собой пористо-капиллярный эластичный фитиль. В качестве рабочего тела применяют жидкофазный диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров, например вакуумное масло, а рабочую поверхность выполняют из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например керамики или капролона. Изобретение позволяет значительно уменьшить угол разлета продуктов истечения, в том числе и ионной компоненты. 3 з.п. ф-лы, 1 ил. 
Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия.
Известен импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле тефлон (аналог фторопласта 4) [1] с преобладающим электронно-детонационным типом разряда [2] за счет взрывной инжекции электронов с поверхности рабочего тела в сторону анодного электрода. В этих условиях реализуется выход преимущественно ионной компоненты 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 за счет значительного уменьшения дуговой фазы разряда. Однако и в таком ЭРД при наработке ресурса зафиксированы неустойчивости разрядных процессов в виде плазменных жгутов (пинчей) с образованием на поверхности рабочего тела каналов (зон) с повышенной проводимостью. Указанное явление ведет к интенсивному местному уносу рабочего тела с 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 ЭРД и ресурс таких двигателей по суммарному импульсу тяги оказывается недостаточным для многих полетных задач.
Указанные проблемы в значительной степени решены в изобретении по заявке №2002135702/06(037710) [3] в импульсном плазменном ЭРД с электронно-детонационным типом разряда на жидком рабочем теле. Данный ЭДРД имеет ресурс >10 9 включений при частоте импульсов 1...1000 Герц за счет реализации в нем способности к самовосстановлению работоспособности разрядных промежутков на жидком или гелеобразном рабочем теле. Задача решается путем организации разряда на пленке из жидкофазного рабочего тела. В таком ЭРД, состоящем из анода и катода с разрядным промежутком и рабочего тела, заключенного между ними, в зоне между анодом и катодом расположена подвижная смачиваемая жидким или гелеобразным рабочим телом поверхность разрядного промежутка. Подвижная часть поверхности может быть выполнена цилиндрической формы с электроприводом, обеспечивающим скорость вращения пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов и с разрядным промежутком в виде образующей линии на цилиндрической поверхности. Источником подачи 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 [4], например синтетическую жидкость, вакуумное масло и другие. При этом подвижная поверхность выполняется из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например капролона.
Однако в таком конструктивном решении, по результатам испытаний, выявлен ряд недостатков, а именно значительный угол разлета продуктов плазмы, что снижает кпд. Второй недостаток связан с явлением смачивания от фитиля боковой поверхности всего цилиндра или торцевой поверхности диска при их вращении, при этом сам разряд сосредоточен на узком линейном межконтактном промежутке. Такой способ организации смачивания ведет к непроизводительным потерям жидкофазного рабочего тела вследствие испарения пленки в условиях глубокого вакуума с не участвующей в разряде поверхности диска, цилиндра.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и повышение кпд ЭРД.
Данная цель достигается тем, что в импульсном плазменном электрическом реактивном двигателе, состоящем из анода и катода с разрядным промежутком в виде рабочей поверхности из диэлектрика, контактирующей с источником жидкого или гелеобразного рабочего тела, рабочая поверхность выполнена неподвижной. При этом в зоне между анодом и катодом с возможностью возвратно-поступательного движения помещен подвижный источник подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела.
Неподвижная рабочая поверхность может быть выполнена в виде желоба, с углублением которого контактирует источник подачи рабочего тела.
Источник подачи рабочего тела выполнен в виде пористо-капиллярного эластичного фитиля.
Целесообразно в качестве рабочего тела применять жидкофазный диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров, например вакуумное масло, а рабочую поверхность выполнять из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например керамики или капролона.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом. На приведенном чертеже показана конструктивная схема предлагаемого ЭРД. Основным его элементом является разрядный промежуток, исполненный в виде желоба 1 и содержащий систему из двух встречно-расположенных электродов, 2 - анод и 3 - катод. Поступление рабочего тела в межэлектродный промежуток желоба происходит методом смачивания желоба через пористо-капиллярный эластичный смачиватель (фитиль) 4, установленный на подвижной каретке 5. Периодическое перемещение каретки 5 со смачивателем 4 вдоль желоба 1 осуществляется с помощью электропривода 6. Смачивание желоба пленкой происходит периодически через определенное количество разрядных импульсов (на практике, это через сотни, тысячи включений ЭРД) и зависит по времени в основном от вкладываемой в разрядный единичный импульс энергии и кпд ее преобразования в плазму.
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 (углубление) желоба 1 в межэлектродной зоне 2(анод) - 3(катод). Затем, 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 и создающий реактивный импульс тяги. По истечении определенного количества разрядных импульсов, соответствующих выработке пленки рабочего тела в углублении желоба 4, система управления вновь генерирует команду на перемещения смачивателя 4. При этом процесс генерации разрядных импульсов и периодического смачивания может продолжаться без ограничений. Такая цикличность действий продолжается на всем протяжении работы ЭРД.
Конструкция разрядного промежутка в виде желоба позволила значительно уменьшить угол разлета продуктов истечения, в том числе и ионной компоненты. Кроме того, учитывая, что смачиванию подвергается только поверхность углубления желоба в зоне разряда, потери рабочего тела из-за эффектов вакуумного испарения сведены к минимуму.
Список литературы
1. Патент на изобретение №2146776 от 14.05.1998 г. Импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле.
2. Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков, автор Ю.Н.Вершинин, 2000 г., УрО РАН.
3. Заявка №2002135702(037710) от 27.12.2002 года на изобретение «Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель».
4. Синтетические жидкости для электрических аппаратов. М.И.Шахнович. М., Энергия, 1972 г.
5. Вакуумная техника. Справочник. М., Машиностроение, 1992 г.
1. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель, состоящий из анода и катода с разрядным промежутком в виде рабочей поверхности из диэлектрика, контактирующей с источником подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела, отличающийся тем, что рабочая поверхность выполнена неподвижной, а в зоне между анодом и катодом размещен с возможностью возвратно-поступательного движения подвижный источник подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела.
2. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что неподвижная рабочая поверхность выполнена в виде желоба, с углублением которого контактирует источник подачи рабочего тела.
3. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что источник подачи рабочего тела выполнен в виде пористо-капиллярного эластичного фитиля.
4. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочее тело является жидкофазным диэлектриком с низким значением давления насыщенных паров, например вакуумное масло, а рабочая поверхность выполнена из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например керамики или капролона.
www.freepatent.ru
