RU2735043C1 - Plasma-ion rocket engine - Google Patents

Abstract

FIELD: engine building.

SUBSTANCE: plasma-ion rocket engine comprises a main annular channel for ionization and acceleration, which is formed by walls of insulating material and which is open at its downstream end, at least one hollow cathode located on the outer side of the main annular channel, is close to its downstream part. Circular anode is located concentrically with the main annular channel and at the distance from the open downstream end. Pipe and distributing branched pipeline for supply of ionized gas into annular anode, as well as magnetic system for creation of magnetic field in main annular channel. Magnetic system comprises radial first external pole piece, conical second outer pole tip, radial first internal pole piece, conical second internal pole piece, multiple external magnetic cores surrounded by external coils, for connection between first and second external pole tips, axial magnetic core surrounded by first inner coil and connected to first internal pole piece, and a second inner coil located downstream of the outer coils. Engine is equipped with corona electrode installed along axis with built-in laser spark plug having cooling system with propellant.

EFFECT: described is a plasma-ion rocket engine.

5 cl, 14 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к плазменно-ионному ракетному двигателю с замкнутым дрейфом электронов, адаптированному к высоким тепловым нагрузкам. Ракетный двигатель содержит главный кольцевой канал для ионизации и ускорения, образованный деталями, изготовленными из изоляционного материала, который открыт на своем нижнем по течению конце, по меньшей мере, один полый катод, расположенный на внешней стороне главного кольцевого канала вплотную к его нижней по течению части, кольцевой анод, размещенный концентрично с главным кольцевым каналом на расстоянии от открытого нижнего по течению конца, трубу и распределительный разветвленный трубопровод для подачи в кольцевой анод ионизируемого газа, а также магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале.The present invention relates to a closed electron drift plasma ion rocket engine adapted to high thermal loads. The rocket engine contains a main annular channel for ionization and acceleration, formed by parts made of insulating material, which is open at its downstream end, at least one hollow cathode located on the outside of the main annular channel close to its downstream part , an annular anode located concentrically with the main annular channel at a distance from the open downstream end, a pipe and a branched distribution pipeline for supplying the ionizable gas to the annular anode, and a magnetic system for creating a magnetic field in the main annular channel.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИPRIOR ART

Плазменные ракетные двигатели с замкнутым дрейфом электронов, имеющие структуру, же известны (см. например из документа ЕР-А-0541309).Plasma rocket motors with closed electron drift having a structure are known (see, for example, from EP-A-0541309).

Ракетный двигатель такого типа содержит катод, газораспределительный разветвленный трубопровод, который образует анод, кольцевой ускорительный канал (разрядную камеру), ограничиваемый внутренними и внешними стенками, и магнитную систему, содержащую внешний полюс, внутренний полюс центрального сердечника, магнитный кожух, внутреннюю катушку и внешнюю катушку.A rocket engine of this type contains a cathode, a gas distribution manifold that forms an anode, an annular accelerating channel (discharge chamber) bounded by inner and outer walls, and a magnetic system containing an outer pole, an inner pole of a central core, a magnetic casing, an inner coil and an outer coil. ...

Кольцевой ускорительный канал расположен между внутренним магнитным экраном и внешним магнитным экраном, позволяя увеличивать градиент радиального магнитного поля в канале. Канал соединен с внешним полюсным наконечником посредством цилиндрической металлической детали.An annular accelerating channel is located between the inner magnetic shield and the outer magnetic shield, allowing an increase in the radial magnetic field gradient in the channel. The channel is connected to the outer pole piece by means of a cylindrical metal piece.

С точки зрения теплотехники канал окружен не только магнитными экранами и, но также и тепловыми экранами, противостоящими излучению, направленному к оси и к центральной катушке, а также наружу. Единственная эффективная возможность охлаждения путем излучения тепла имеется на нижнем по течению конце канала, который открыт в пространство. В результате температура канала выше, чем она могла быть, если бы канал мог излучать через свою внешнюю боковую грань.From the point of view of heating technology, the channel is surrounded not only by magnetic shields and, but also by heat shields, opposing radiation directed towards the axis and towards the central coil, as well as outward. The only effective cooling option by radiating heat is at the downstream end of the duct, which is open into space. As a result, the channel temperature is higher than it could be if the channel could radiate through its outer side face.

Известен плазменный ракетный двигатель по патенту WO 94/02738, который раскрывает плазменный ракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, в котором ускорительный канал соединяется в верхней по течению части с буферной или тормозной камерой, которая изображает вертикальную проекцию в осевом полуразрезе такой конструкции.Known plasma rocket engine according to patent WO 94/02738, which discloses a plasma rocket engine with closed electron drift, in which the accelerating channel is connected in the upstream part with a buffer or brake chamber, which depicts a vertical projection in an axial half-section of such a design.

Плазменный ракетный двигатель содержит кольцевой главный канал для ионизации и ускорения, образуемый деталями из изоляционного материала, и открытый на своем нижнем по течению конце, по меньшей мере, один полый катод и кольцевой анод, размещенный концентрично с главным каналом. Средство подачи ионизируемого газа открывается в верхней по течению части анода через кольцевой распределительный разветвленный трубопровод. Средства предназначены для создания магнитного поля в главном канале, чтобы в главном канале создавать магнитное поле, которое является по существу радиальным и имеет градиент с максимальной индукцией на нижнем по течению конце канала. Средства создания магнитного поля содержат внешнюю катушку, окруженную магнитной защитой, внешний и внутренний полюсные наконечники, первый осевой сердечник, второй осевой сердечник, окруженный магнитной защитой и магнитным ярмом.Plasma rocket engine contains an annular main channel for ionization and acceleration, formed by parts of insulating material, and open at its downstream end, at least one hollow cathode and an annular anode arranged concentrically with the main channel. The means for supplying ionizable gas opens in the upstream part of the anode through an annular distribution manifold. The means are designed to create a magnetic field in the main channel so as to create a magnetic field in the main channel that is substantially radial and has a gradient with maximum induction at the downstream end of the channel. The means for generating a magnetic field comprise an outer coil surrounded by a magnetic shield, an outer and inner pole pieces, a first axial core, a second axial core surrounded by a magnetic shield and a magnetic yoke.

Тормозная камера может свободно излучать тепло в пространство и таким образом способствовать охлаждению канала. Однако тороидальная внешняя катушка противодействует охлаждению канала в части, несущей наибольшую тепловую нагрузку. Кроме того, первая внутренняя катушка должна обеспечить очень большое число ампер-витков в доступном объеме, определяемом магнитным экраном, связанным со второй осевой катушкой. Это приводит к разогреву до очень высокой температуры.The brake chamber can freely radiate heat into the space and thus contribute to the cooling of the channel. However, the toroidal outer coil counteracts the cooling of the duct in the part that carries the greatest thermal load. In addition, the first inner coil must provide a very large number of ampere-turns in the available volume determined by the magnetic shield associated with the second axial coil. This leads to heating to a very high temperature.

Известен плазменный ракетный двигатель по патенту РФ на изобретение №2219371, МПК F03H 1/00, опубл. 20.12.2003 г., прототип.Known plasma rocket engine for RF patent for invention No. 2219371, IPC F03H 1/00, publ. 20.12.2003, prototype.

Этот плазменный ракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов адаптирован к высоким тепловым нагрузкам и содержащего главный кольцевой канал для ионизации и ускорения, который образован элементами, изготовленными из изоляционного материала, и который открыт на своем нижнем по течению конце, по меньшей мере один полый катод, расположенный на внешней стороне главного кольцевого канала вплотную к его нижней по течению части, кольцевой анод, концентрический с главным кольцевым каналом и расположенный на расстоянии от открытого нижнего по течению конца, трубу и распределительный разветвленный трубопровод для подачи в кольцевой анод ионизируемого газа, а также магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале, в котором согласно изобретению магнитная система содержит:This closed-electron drift plasma rocket engine is adapted to high thermal loads and contains a main annular channel for ionization and acceleration, which is formed by elements made of insulating material and which is open at its downstream end, at least one hollow cathode located on the outer side of the main annular channel close to its downstream part, an annular anode concentric with the main annular channel and located at a distance from the open downstream end, a pipe and a branched distribution pipeline for supplying the annular anode of ionizable gas, as well as a magnetic system to create a magnetic field in the main annular channel, in which, according to the invention, the magnetic system comprises:

по существу радиальный первый внешний полюсный наконечник,a substantially radial first outer pole piece,

конический второй внешний полюсный наконечник,conical second outer pole piece,

по существу радиальный первый внутренний полюсный наконечник,a substantially radial first inner pole piece,

конический второй внутренний полюсный наконечник,tapered second inner pole piece,

множество внешних магнитных сердечников, окруженных внешними катушками, для соединения между собой первого и второго внешних полюсных наконечников,a plurality of external magnetic cores surrounded by external coils for interconnecting the first and second external pole pieces,

осевой магнитный сердечник, окруженный первой внутренней катушкой и соединенный с первым внутренним полюсным наконечником,an axial magnetic core surrounded by a first inner coil and connected to a first inner pole piece,

вторую внутреннюю катушку, помещенную ниже по течению относительно внешних катушек.a second inner coil placed downstream of the outer coils.

Недостатки этого двигателя низкая температура коронирующих электродов неприспособленность для многократного запуска, неуправляемость вектором тяги и перегрев плиты основания в работе.The disadvantages of this engine are low temperature of the corona electrodes, unsuitable for repeated start-up, uncontrollable thrust vector and overheating of the base plate in operation.

Задачи создания изобретения повышение температуры коронирующих электродов при запуске и охлаждение плиты основания при работе.The objectives of the invention are to increase the temperature of the corona electrodes during start-up and to cool the base plate during operation.

Решение указанных задач достигнуто в плазменно-ионном ракетном двигателе, содержащем главный кольцевой канал для ионизации и ускорения, который образован стенками из изоляционного материала и который открыт на своем нижнем по течению конце, по меньшей мере, один полый катод, расположенный на внешней стороне главного кольцевого канала, вплотную к его нижней по течению части; кольцевой анод, расположенный концентрично с главным кольцевым каналом и на расстоянии от открытого нижнего по течению конца, трубу, и распределительный разветвленный трубопровод для подачи ионизируемого газа в кольцевой анод, а также магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале, при этом магнитная система содержит по существу радиальный первый внешний полюсный наконечник, конический второй внешний полюсной наконечник, радиальный первый внутренний полюсный наконечник, конический второй внутренний полюсной наконечник, множество внешних магнитных сердечников, окруженных внешними катушками, для соединения между собой первого и второго внешних полюсных наконечников, осевой магнитный сердечник, окруженный первой внутренней катушкой и присоединенный к первому внутреннему полюсному наконечнику, и вторую внутреннюю катушку, помещенную ниже по течению относительно внешних катушек, тем, что он содержит установленный вдоль оси коронирующий электрод с встроенной лазерной свечой зажигания, имеющие систему охлаждение пропеллентом.The solution of these problems is achieved in a plasma-ion rocket engine containing a main annular channel for ionization and acceleration, which is formed by walls of insulating material and which is open at its downstream end, at least one hollow cathode located on the outer side of the main annular the channel, close to its downstream part; an annular anode located concentrically with the main annular channel and at a distance from the open downstream end, a pipe, and a distribution manifold for supplying ionizable gas to the annular anode, as well as a magnetic system for creating a magnetic field in the main annular channel, while the magnetic system comprises a substantially radial first outer pole piece, a tapered second outer pole piece, a radial first inner pole piece, a tapered second inner pole piece, a plurality of outer magnetic cores surrounded by outer coils for interconnecting the first and second outer pole pieces, an axial magnetic core surrounded by a first inner coil and connected to a first inner pole piece, and a second inner coil placed downstream of the outer coils in that it contains an axially mounted corona electrode with an integrated laser th spark plug having a propellant cooling system.

Плазменно-ионный ракетный двигатель может содержать блок управления, блок питания и блок накачки и контроллер управления соединенный с блоком управления.Plasma ion rocket engine may contain a control unit, a power unit and a pumping unit, and a control controller connected to the control unit.

Плазменно-ионный ракетный двигатель может содержит ионно-динамический зонд в виде закрепленных на шарнирах, телескопических штырей, приводов со штоками, соединенных с каждым штырем.Plasma-ion rocket engine may contain an ion-dynamic probe in the form of hinged, telescopic pins, actuators with rods connected to each pin.

Плазменно-ионный ракетный двигатель может содержит радиальные электромагниты, соединенные через регуляторы тока с блоком питания.A plasma-ion rocket engine may contain radial electromagnets connected through current regulators to a power supply.

Плазменно-ионный ракетный двигатель может содержать датчик давления пропеллента, датчик расхода пропеллента, датчик температуры пропеллента, датчик тока разряда, и датчик тока в радиальных электромагнитах.The plasma ion rocket engine may include a propellant pressure sensor, a propellant flow sensor, a propellant temperature sensor, a discharge current sensor, and a radial electromagnet current sensor.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на чертежах фиг. 1…14, на которых:In the following, the invention is illustrated by the description of specific variants of its embodiment with reference to the drawings of Figs. 1 ... 14, on which:

фиг. 1 изображает вид осевого сечения первого конкретного варианта воплощения плазменно-ионного ракетного двигателя с замкнутым дрейфом электронов согласно изобретению;fig. 1 is an axial sectional view of a first specific embodiment of a closed electron drift plasma ion rocket engine according to the invention;

фиг. 2 изображает частично обрезанный общий вид плазменно-ионного ракетного двигателя согласно изобретению;fig. 2 is a partially cropped perspective view of a plasma ion rocket engine according to the invention;

фиг. 3 изображает общий вид центральной части плазменно-ионного ракетного двигателя изобретения с встроенными тепловыми трубами согласно изобретению;fig. 3 is a perspective view of a central portion of a plasma ion rocket engine of the invention with integrated heat pipes according to the invention;

фиг. 4 изображает общий вид и осевое сечение анода для размещения в плазменно-ионном ракетном двигателе согласно изобретению;fig. 4 is a perspective view and an axial section of an anode for placement in a plasma ion rocket engine according to the invention;

фиг. 5 изображает фрагментарный общий вид и вид осевого полусечения другого анода упрощенной структуры, подходящего для размещения в плазменно-ионном ракетном двигателе, согласно изобретению;fig. 5 is a fragmentary general and axial semi-sectional view of another anode of a simplified structure suitable for placement in a plasma ion rocket engine according to the invention;

фиг. 6 изображает вертикальную проекцию полусечения кольцевой опоры канала для конкретного варианта воплощения плазменно-ионного ракетного двигателя согласно изобретению;fig. 6 is an elevational view of a half-section of an annular channel support for a particular embodiment of a plasma ion rocket engine according to the invention;

на фиг. 7 приведен коронирующий электрод с кольцевым постоянным магнитом и лазерной свечой зажигания,in fig. 7 shows a ring permanent magnet corona electrode with a laser spark plug,

на фиг. 8 приведен излучающий торец для боковых коронирующих электродов,in fig. 8 shows the emitting end for the side discharge electrodes,

на фиг. 9 приведен вид А на фиг. 8,in fig. 9 shows view A in FIG. eight,

на фиг. 10 приведена схема лазерной свечи зажигания,in fig. 10 is a diagram of a laser spark plug,

на фиг. 11 приведена схема управления двигателем,in fig. 11 shows the motor control circuit,

на фиг. 12 приведен разрез А-А,in fig. 12 shows a section A-A,

на фиг. 13 приведена схема измерения,in fig. 13 shows the measurement scheme,

на фиг.14 показана схема управления вектором тяги.Fig. 14 shows a thrust vector control circuit.

Перечень признаков, используемых в описании:The list of signs used in the description:

главный кольцевой канал 1,main ring channel 1,

стенка 2,wall 2,

изолирующие слои 3,insulating layers 3,

нижний по течению конец 4,downstream end 4,

полый катод 5, кольцевой анод 6,hollow cathode 5, annular anode 6,

отверстия 7,holes 7,

разветвленный трубопровод 8,branched pipeline 8,

труба 9,pipe 9,

первый внешний полюсный наконечник 10,the first outer pole piece 10,

магнитный сердечник 11,magnetic core 11,

осевой магнитный сердечник 12,axial magnetic core 12,

второй внешний полюсный наконечник 13,the second outer pole piece 13,

первый внутренний полюсный наконечник 14,the first inner pole piece 14,

первая внутренняя катушка 15.first inner coil 15.

вторая внешняя катушка 16,second outer coil 16,

вторая внутренняя катушка 17,second inner coil 17,

радиальные ответвления 18,radial branches 18,

второй внутренний полюсный наконечник 19,second inner pole piece 19,

вторая внутренняя магнитная катушка 20,second inner magnetic coil 20,

радиальные ответвления 21,radial branches 21,

основание 22,base 22,

общая опора 23,common support 23,

металлическая опора 24,metal support 24,

провод 25,wire 25,

фланец 26,flange 26,

пазы 27,grooves 27,

торец 28,end 28,

торец 29,butt 29,

электрический провод 30,electric wire 30,

первое кольцо 31,first ring 31,

второе кольцо 32,second ring 32,

первая опора 33,first support 33,

вторая пора 34.second time 34.

первая тепловая труба 35,first heat pipe 35,

вторая тепловая труба 36,second heat pipe 36,

круговые щели 37.circular slots 37.

монолитная деталь 38,monolithic detail 38,

изолятор 39,insulator 39,

электрическое соединение 40,electrical connection 40,

сплошной столб 41,solid pillar 41,

два столба 42,two poles 42,

экран 43,screen 43,

слои материала 44,layers of material 44,

электростатический экран 45,electrostatic shield 45,

внутренняя перегородка 46,inner partition 46,

плоская плита 47,flat plate 47,

кольцевая диафрагма 48,annular diaphragm 48,

хвостовая плита 49,tail plate 49,

коническое сопло 50,conical nozzle 50,

ионно-динамический зонд 51,ion dynamic probe 51,

шарнир 52,hinge 52,

телескопические штыри 53,telescopic pins 53,

привод 54,drive 54,

шток 55,rod 55,

блок управления 56,control unit 56,

блок питания 57,power supply unit 57,

силовые кабели 58,power cables 58,

контроллер управления 59,control controller 59,

линии измерения 60,measuring lines 60,

линия управления 61,control line 61,

разгонный электрод 62,accelerating electrode 62,

контроллер измерения 63,measurement controller 63,

источник высокого напряжения 64,high voltage source 64,

первый провод высокого напряжения 65,first high voltage wire 65,

второй провод высокого напряжения 66,second high voltage wire 66,

заземляющий провод 67,ground wire 67,

заземление 68,grounding 68,

блок накачки 69,pump unit 69,

оптический кабель 70,optical cable 70,

радиальные электромагниты 71,radial electromagnets 71,

регуляторы тока 72,current regulators 72,

насосный агрегат 73,pump unit 73,

привод 74,drive 74,

насос пропеллента 75,propellant pump 75,

входной клапан пропеллента 76,propellant 76 inlet valve,

входная труба пропеллента 77,propellant inlet pipe 77,

трубопровод пропеллента 78,propellant piping 78,

полость пропеллента 79,propellant cavity 79,

коронирующий электрод 80,corona electrode 80,

лазерная свеча зажигания 81,laser spark plug 81,

стакан 82,glass 82,

полость стакана 83,glass cavity 83,

микрочип-лазер 84,microchip laser 84,

металлическая втулка 85,metal sleeve 85,

вакуумная металлическая трубка 86,vacuum metal tube 86,

фокусирующая линза 87,focusing lens 87,

цилиндрический корпус 88,cylindrical body 88,

торец 89,end face 89,

днище 90.bottom 90.

резьбовой участок 91,threaded section 91,

отверстие 92,hole 92,

уплотнение 93,seal 93,

заглушка 94,plug 94,

осевое отверстие 95,axial bore 95,

уплотнение 96,seal 96,

гайка 97,nut 97,

центральное отверстие 98,central hole 98,

уплотнение 99,seal 99,

средство демпфирования 100,damping means 100,

канал пропеллента 101,propellant channel 101,

форсунка пропеллента 102,propellant nozzle 102,

коронирующая поверхность 103,corona surface 103,

компенсационный электрод 104,compensation electrode 104,

отводящий провод 105,outlet wire 105,

датчик давления пропеллента 106,propellant pressure sensor 106,

датчик расхода пропеллента 107,propellant flow sensor 107,

датчик температуры пропеллента 108,propellant temperature sensor 108,

датчик тока разряда 109,discharge current sensor 109,

датчик тока в радиальных электромагнитах 110,current sensor in radial electromagnets 110,

бак с маслом 111,oil tank 111,

гидростанция 112,hydraulic station 112,

трубопровод высокого давления 113,high pressure pipeline 113,

клапан 114,valve 114,

трубопровод сброса масла 115.oil discharge line 115.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА В СТАТИКЕDETAILED DESCRIPTION OF THE DEVICE IN THE STATIC

На фиг. 1 показан плазменно-ионный ракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов.FIG. 1 shows a closed electron drift plasma ion rocket engine.

Плазменно-ионный ракетный двигатель содержит главный кольцевой канал 1 (фиг. 1, 2) для ионизации и ускорения, который ограничен изолирующими стенками 2. Канал 1 открыт на нижнем по течению конце 4 и в осевой плоскости сечения имеет форму усеченного конуса в верхней по течению части и цилиндрическую форму в нижней по течению части.Plasma-ion rocket engine contains the main annular channel 1 (Fig. 1, 2) for ionization and acceleration, which is bounded by insulating walls 2. Channel 1 is open at the downstream end 4 and in the axial plane of the section has the shape of a truncated cone in the upstream parts and cylindrical in the downstream part.

Полый катод 5 расположен вне главного канала 1 и наиболее предпочтительно под углом α к оси ОО ракетного двигателя, где а находится в диапазоне 15-45°.The hollow cathode 5 is located outside the main channel 1 and most preferably at an angle α to the axis OO of the rocket engine, where a is in the range 15-45 °.

В осевой плоскости кольцевой анод 6 имеет коническое сечение в форме усеченного конуса, который раскрывается в направлении вниз по течению.In the axial plane, the annular anode 6 has a conical cross-section in the form of a frusto-cone, which opens in the downstream direction.

Анод 6 может иметь щели, увеличивающие площадь его поверхности, находящуюся в контакте с плазмой. В стенке анода 6 выполнены отверстия 7 для инжекции ионизируемого газа, исходящего из распределительного разветвленного трубопровода 8 ионизируемого газа. В разветвленный трубопровод 8 ионизируемый газ подается по трубе 9.The anode 6 may have slots that increase its surface area in contact with the plasma. In the wall of the anode 6, holes 7 are made for injecting ionizable gas emanating from the distribution branched pipe 8 of ionizable gas. In the branched pipeline 8, the ionizable gas is fed through the pipe 9.

Конкретные примеры выполнения кольцевого анода 6 описаны ниже со ссылкой на фиг. 4 и 5.Specific examples of the annular anode 6 are described below with reference to FIG. 4 and 5.

Разряд между кольцевым анодом 6 и полым катодом 5 управляется посредством распределения магнитного поля, которое определяется магнитной системой.The discharge between the annular anode 6 and the hollow cathode 5 is controlled by the distribution of the magnetic field, which is determined by the magnetic system.

Магнитная система содержит первый внешний полюсный наконечник 10, который по существу является радиальным. Этот первый внешний полюсный наконечник 10 может быть плоским или слегка коническим, задавая угол е₁, находящийся в диапазоне от +15 до -15° к выпускной плоскости S (фиг. 1).The magnetic system comprises a first outer pole piece 10 that is substantially radial. This first outer pole piece 10 can be flat or slightly tapered giving an angle e ₁ ranging from +15 to -15 ° to the outlet plane S (FIG. 1).

Первый внешний полюсный наконечник 10 соединен посредством множества магнитных сердечников 11, окруженных внешними катушками 12, со вторым внешним полюсным наконечником 13 конической формы, которая более ярко выражена, чем слегка коническая форма первого внешнего полюсного наконечника 10. Угол е₂ полураствора конуса второго внешнего полюсного наконечника 13 может находиться в диапазоне от 25 до 60°. Предпочтительно, когда внешний полюсный наконечник 13 раскрывается, совмещаясь с проходами вторых внешних катушек 16 так, чтобы снизить радиальный размер и расстояние между катушками, чтобы улучшить охлаждение посредством излучения от керамики, из которой выполнены стенки 2 канала 1.The first outer pole piece 10 is connected via a plurality of magnetic cores 11 surrounded by outer coils 12 to a second outer pole piece 13 of a tapered shape that is more pronounced than the slightly tapered shape of the first outer pole piece 10. The angle e _{2 of the} cone half of the second outer pole piece 13 can range from 25 ° to 60 °. Preferably, the outer pole piece 13 is opened to align with the passages of the second outer coils 16 so as to reduce the radial dimension and the distance between the coils in order to improve cooling by radiation from the ceramic from which the walls 2 of the channel 1 are made.

По существу радиальный первый внутренний полюсный наконечник 135 может быть плоским или слегка коническим, образуя угол i₁, находящийся в диапазоне от -15 до +15° к выпускной плоскости S (фиг. 1).The substantially radial first inner pole piece 135 may be flat or slightly tapered to form an angle i ₁ ranging from -15 ° to + 15 ° to the outlet plane S (FIG. 1).

Первый внутренний полюсный наконечник 14 продлевается центральным осевым магнитным сердечником 12, окруженным первой внутренней катушкой 15. Осевой магнитный сердечник 138 сам продлевается в верхней по течению части ракетного двигателя посредством множества радиальных ответвлений 18, соединенных со вторым внутренним полюсным наконечником 19, который является верхним по течению и коническим, имея угол полураствора конуса i₂, находящийся в диапазоне от 15 до 45° относительно оси ОО ракетного двигателя. В описываемом варианте воплощения конус второго внутреннего полюсного наконечника 19 обращен острием вниз по течению. Везде в настоящем описании термин "вниз по течению" означает направление к зоне, близкой к выпускной плоскости S и к открытому нижнему по течению концу 4 канала 1, в то время как термин "вверх по течению" означает направление к зоне, отдаленной от выпускной плоскости S, расположенной рядом с закрытой частью кольцевого канала 1, которая оснащена кольцевым анодом 6 и разветвленным трубопроводом 8 ионизируемого газа.The first inner pole piece 14 is extended by a central axial magnetic core 12 surrounded by a first inner coil 15. The axial magnetic core 138 is itself extended upstream of the rocket motor by a plurality of radial arms 18 connected to a second inner pole piece 19 which is upstream and conical, having a cone half opening angle i ₂ , ranging from 15 to 45 ° relative to the rocket motor axis OO. In the described embodiment, the cone of the second inner pole piece 19 is pointed downstream. Throughout the present description, the term "downstream" means the direction towards the area close to the outlet plane S and towards the open downstream end 4 of the duct 1, while the term “upstream” means the direction towards the area distant from the outlet plane S located next to the closed part of the annular channel 1, which is equipped with an annular anode 6 and a branched line 8 of the ionizable gas.

Вторая внутренняя магнитная катушка 17 помещена снаружи верхней по течению части второго внутреннего полюсного наконечника 19. Магнитное поле второй внутренней катушки 20 канализируется радиальными ответвлениями 21, помещенными в соответствии с радиальными ответвлениями 18, а также вторым внешним полюсным наконечником 13 и вторым внутренним полюсным наконечником 19. Между радиальными ответвлениями 18 и радиальными ответвлениями 21 оставлен маленький зазор, например приблизительно 1-4 мм, чтобы дополнить действие второй внутренней катушки 132.The second inner magnetic coil 17 is located outside the upstream part of the second inner pole piece 19. The magnetic field of the second inner pole piece 20 is channeled by radial arms 21 positioned in correspondence with radial arms 18, as well as the second outer pole piece 13 and the second inner pole piece 19. A small gap is left between the radial arms 18 and the radial arms 21, for example about 1-4 mm, to complement the action of the second inner coil 132.

Осевой магнитный сердечник 12 соединен с внешними магнитными сердечниками 11 посредством множества магнитных ответвлений 136, расположенных в соответствии с радиальными ответвлениями 352. Число радиальных магнитных ответвлений 18 и число радиальных ответвлений 21 равно числу внешних катушек 16, помещенных на внешних магнитных сердечниках 11.The axial magnetic core 12 is connected to the outer magnetic cores 11 through a plurality of magnetic arms 136 located in correspondence with the radial arms 352. The number of radial magnetic arms 18 and the number of radial arms 21 is equal to the number of outer coils 16 placed on the outer magnetic cores 11.

Согласно изобретению катушки 15, 16 и 17 охлаждаются непосредственно теплопередачей через основание 22 из теплопроводного материала, причем упомянутое основание 22 также служит в качестве механической опоры для ракетного двигателя. Основание 22 предпочтительно снабжено на боковых гранях эмиссионным покрытием для улучшения излучения тепловых потерь в пространство.According to the invention, the coils 15, 16 and 17 are cooled directly by heat transfer through a base 22 of thermally conductive material, said base 22 also serving as a mechanical support for the rocket motor. The base 22 is preferably provided on the lateral edges with an emission coating to improve the radiation of heat losses into space.

Основание 22 может быть изготовлено из легкого сплава и анодировано на боковой грани, чтобы увеличить эмиссионную способность.Base 22 can be made of light alloy and anodized on the side to increase emissivity.

Основание 22 может также быть изготовлено из композиционного материала на основе углерода, покрытого на нижней по течению грани осажденным покрытием из металла, например меди, чтобы максимизировать эмиссионную способность боковых граней и минимизировать поглощательную способность нижней по течению грани, подверженной излучению от керамики канала.The base 22 may also be made of a carbon-based composite material coated on the downstream face with a deposited coating of a metal, such as copper, to maximize the emissivity of the side faces and minimize the absorbance of the downstream face exposed to radiation from the channel ceramic.

Наличие массивного основания 22, которое действует и как опора конструкции, и как средство для охлаждения катушек 15…17 посредством теплопередачи, позволяет в максимально возможной степени соразмерно облегчить магнитную систему.The presence of a massive base 22, which acts both as a structural support and as a means for cooling the coils 15 ... 17 by means of heat transfer, allows the magnetic system to be lightened as commensurately as possible.

На фиг. 1 и 2 показано, что магнитная система имеет четыре вторых внешних катушек 16. Однако можно было бы обеспечить число вторых внешних катушек 16, отличное от четырех.FIG. 1 and 2 show that the magnetic system has four second outer coils 16. However, a number of second outer coils 16 other than four could be provided.

Вторые внешние катушки 16 и связанные с ними внешние магнитные сердечники 11 служат для того, чтобы создавать магнитное поле, которое канализируется частично нижним по течению и верхним по течению внешними полюсными наконечниками 10 и 13. Остальная часть магнитного поля забирается ответвлениями 1, сгруппированными вокруг осевого магнитного сердечника 12, который сам обеспечивается нижним по течению первым внутренним полюсным наконечником 14, первой осевой первой внутренней катушкой 15, верхним по течению коническим вторым полюсным наконечником 19 и второй внутренней магнитной катушкой 17.The second outer coils 16 and their associated outer magnetic cores 11 serve to create a magnetic field that is channeled in part by the downstream and upstream outer pole pieces 10 and 13. The remainder of the magnetic field is taken up by branches 1 grouped around an axial magnetic a core 12, which is itself provided with a downstream first inner pole piece 14, a first axial first inner coil 15, an upstream tapered second pole piece 19, and a second inner magnetic coil 17.

Магнитный поток, который дает катушка 17, канализируется полюсным наконечником 19, сердечником 12, радиальными ответвлениями 21 и вторым внешним полюсным наконечником 13 таким образом, что вторая внутренняя катушка 17 не нуждается в специальном магнитном экранировании.The magnetic flux provided by the coil 17 is channeled by the pole piece 19, the core 12, the radial arms 21 and the second outer pole piece 13 so that the second inner coil 17 does not need special magnetic shielding.

В настоящем изобретении стенки 2 (фиг. 1, 2, 6) из керамического материала, определяющие границы главного кольцевого канала 1, прикреплены к хвостовой части (то есть верхнему по течению концу) ракетного двигателя посредством металлической опоры 24 так, чтобы опора не оказалась препятствием для излучения с нижнего по течению участка стенки 2, которая, таким образом, может свободно излучать тепло в пространство.In the present invention, the walls 2 (Figs. 1, 2, 6) of ceramic material, defining the boundaries of the main annular channel 1, are attached to the tail part (i.e., the upstream end) of the rocket engine by means of a metal support 24 so that the support does not become an obstacle for radiation from the downstream section of the wall 2, which, thus, can freely radiate heat into space.

Известные керамические материалы на основе нитрида бора трудно припаивать к металлам. Эта проблема может быть устранена, если используется механическое закрепление.Known boron nitride ceramics are difficult to solder to metals. This problem can be eliminated if mechanical restraint is used.

Например, можно обеспечить резьбу полукруглого профиля как в стенках 2, изготовленных из керамического материала, так и в металлической опоре 24. Тогда можно вставить провод 25 между стенками 2 и металлической опорой 24 так, чтобы поддерживать их вместе. Такое расположение позволяет монтировать керамические стенки 2 на металлической опоре 24, которая предварительно была установлена на элементах магнитной системы.For example, it is possible to provide semicircular threading both in the walls 2 made of ceramic material and in the metal support 24. It is then possible to insert a wire 25 between the walls 2 and the metal support 24 so as to support them together. This arrangement allows the ceramic walls 2 to be mounted on a metal support 24, which was previously installed on the elements of the magnetic system.

Металлическую опору 24 можно выполнить с помощью фланца 26 и пазов 27, направляющих штыри, позволяющие компенсировать дифференциальное расширение между металлом и керамикой, при этом также обеспечивая гибкое крепление.The metal support 24 can be formed with a flange 26 and grooves 27, guide pins to compensate for differential expansion between the metal and the ceramic, while also providing flexible mounting.

В одном из вариантов также возможно использовать крепление, в котором стенки 2 ввинчиваются в металлическую опору 24 с фиксирующим штырем опоры при переворачивании, то есть при обращении внутрь цилиндрической металлической опоры 24, и имеющую отверстия для прохождения электрического провода 28 для подачи напряжения смещения анода, и трубы 126, предназначенной для подачи ионизируемого газа в разветвленный трубопровод 8.In one embodiment, it is also possible to use a fastener in which the walls 2 are screwed into the metal support 24 with a fixing pin of the support when inverted, that is, when facing inside the cylindrical metal support 24, and having holes for the passage of the electric wire 28 for supplying the bias voltage of the anode, and pipe 126, designed to supply ionizable gas to the branched pipeline 8.

Следует отметить, что для плазменных ракетных двигателей, диаметр которых не слишком большой, изготовление верхнего по течению внутреннего полюсного наконечника 19 в виде конуса, острие которого направлено вниз по течению, позволяет увеличить площадь контакта между катушкой 15, имеющей трапециевидное сечение, и основанием 22 (фиг. 1), при этом сохраняя большой объем для нижней по течению внутренней катушки 15 без необходимости воздействовать на положение торцов 28 и 29 соответственно полюсных наконечников 19 и 14, которые определяют то, как распределяется магнитное поле.It should be noted that for plasma rocket engines, the diameter of which is not too large, the manufacture of the upstream inner pole piece 19 in the form of a cone, the tip of which is directed downstream, makes it possible to increase the contact area between the coil 15, having a trapezoidal cross section, and the base 22 ( Fig. 1), while maintaining a large volume for the downstream inner coil 15 without having to influence the position of the ends 28 and 29, respectively, of the pole pieces 19 and 14, which determine how the magnetic field is distributed.

Использование вторых внешних катушек 16 (количество которых может быть от трех до восьми), посаженных на магнитные сердечники 11, расположенные между внешними полюсными наконечниками 10 и 13, позволяет выделяться большой части излучения, исходящего из внешней стенки главного кольцевого канала 1. Коническая форма второго внешнего полюсного наконечника 13 позволяет увеличить объем, доступный для внешних катушек 16, и увеличить телесный угол, в пределах которого происходит излучение. Конический внешний полюсный наконечник 13 также предпочтительно обеспечивается отверстиями для увеличения видимого участка керамических стенок 2, чтобы получить магнитную систему, которая является очень компактной и с большим открытым пространством, таким образом, позволяя излучению осуществляться со всех боковых граней главного кольцевого канала 1.The use of the second outer coils 16 (the number of which can be from three to eight), fitted on magnetic cores 11 located between the outer pole pieces 10 and 13, allows the emission of a large part of the radiation emanating from the outer wall of the main annular channel 1. The conical shape of the second outer The pole piece 13 makes it possible to increase the volume available for the outer coils 16 and to increase the solid angle within which the radiation occurs. The tapered outer pole piece 13 is also preferably provided with openings to increase the visible portion of the ceramic walls 2 in order to obtain a magnetic system that is very compact and with a large open space, thus allowing radiation to be emitted from all lateral faces of the main annular channel 1.

Основание 22 играет существенную роль в охлаждении благодаря теплопроводности общей опоры 23, катушек 15 и полюсного наконечника 19, который предпочтительно обеспечивается пазами (фиг. 2).The base 22 plays an essential role in cooling due to the thermal conductivity of the common support 23, the coils 15 and the pole piece 19, which is preferably provided with slots (FIG. 2).

Однако охлаждение катушки 15, которая несет наибольшую тепловую нагрузку, может быть улучшено, используя одну или более тепловых труб. Так, на фиг. 8 показана тепловая труба 35 или 36, установленная в выемке 38 осевого магнитного сердечника 12, но не входящая в контакт с ним. Тепловая труба 35 может быть приварена или припаяна к внутренней поверхности внутренней общей опоры 23 первой внутренней катушки 15, так чтобы опора общая опора 23 была изометрической.However, the cooling of the coil 15, which carries the greatest heat load, can be improved by using one or more heat pipes. Thus, in FIG. 8 shows a heat pipe 35 or 36 mounted in a recess 38 of an axial magnetic core 12, but not in contact with it. The heat pipe 35 may be welded or brazed to the inner surface of the inner common support 23 of the first inner coil 15 so that the common support 23 is isometric.

На фиг. 3 показана первая внутренняя катушка 15, охлаждаемая множеством тепловых труб 35, 36, присоединенных к верхнему по течению участку опоры для катушки 15 и проходящих через отверстия, выполненные в верхнем по течению внутреннем полюсном наконечнике 19.FIG. 3 shows a first inner coil 15 cooled by a plurality of heat pipes 35, 36 connected to the upstream portion of the coil support 15 and passing through holes in the upstream inner pole piece 19.

Слои материала с очень хорошими изолирующими характеристиками, образующие экран 37, помещенный выше по течению относительно кольцевого канала 1, и слои материала 44 с очень хорошими изолирующими характеристиками, образующие экран, которые вставлены между каналом 1 и первой внутренней катушкой 15, показаны также на фиг. 1, 2. Таким образом, экраны 37 и 38 из материала с очень хорошими изолирующими характеристиками устраняют главную часть потока, излучаемого главным кольцевым каналом 1 по направлению к внутренним катушкам 15, 17 и к основанию 22. Напротив, стенки 2, определяющие границы главного кольцевого канала 1, могут свободно излучать тепло в пространство через телесный угол между полюсными наконечниками 10 и 13.Layers of very good insulating material forming a screen 37 placed upstream of the annular channel 1 and layers of very good insulating material 44 forming the screen which are inserted between the channel 1 and the first inner coil 15 are also shown in FIG. 1, 2. Thus, screens 37 and 38 made of material with very good insulating characteristics eliminate the main part of the flux emitted by the main annular channel 1 towards the inner coils 15, 17 and towards the base 22. On the contrary, the walls 2 defining the boundaries of the main annular channel 1, can freely radiate heat into space through the solid angle between the pole pieces 10 and 13.

Выше по течению от кольцевого анода 6 расположен электростатический экран 39, чтобы гарантировать выполнение закона Пашена (изоляция вакуумом), способствуя также поддерживанию слоев 37 из материала с очень хорошими изолирующими характеристиками. Кроме того, на внешнюю грань внешней металлической опоры 33 может быть нанесено эмиссионное покрытие для улучшения охлаждения керамики первого и второго колец 3.An electrostatic shield 39 is located upstream of the annular anode 6 to ensure that Paschen's law (vacuum insulation) is fulfilled while also helping to maintain the layers 37 of a material with very good insulating properties. In addition, an emissive coating can be applied to the outer face of the outer metal support 33 to improve cooling of the ceramic of the first and second rings 3.

Предпочтительно, чтобы внешние катушки 16, а также первая и вторая внутренние катушки 15 и 17 были изготовлены из экранированного провода с изоляцией из неорганического материала. Провода различных витков катушек 15…17 прикрепляются твердым металлическим припоем, имеющим высокую удельную теплопроводность.It is preferred that the outer coils 16 as well as the first and second inner coils 15 and 17 are made of inorganic-insulated shielded wire. Wires of various turns of coils 15 ... 17 are attached with hard metal solder having a high specific thermal conductivity.

Вторые внешние катушки 16, а также первая и вторая внутренние катушки 15 и 17 последовательно соединены между собой и электрически подсоединены к полому катоду 5 и к отрицательному полюсу источника электроэнергии для разряда между анодом и катодом.The second outer coils 16, as well as the first and second inner coils 15 and 17, are connected in series with each other and electrically connected to the hollow cathode 5 and to the negative pole of the power source for discharge between the anode and the cathode.

В варианте воплощения изобретения, как показано на фиг. 1, более компактное расположение получается путем использования главного кольцевого канала 1, который в осевой плоскости имеет сечение в форме усеченного конуса в верхней по течению части и цилиндрической формы в нижней по течению части. При таких обстоятельствах кольцевой анод 6 имеет в осевой плоскости сужающееся сечение в форме усеченного конуса.In an embodiment of the invention, as shown in FIG. 1, a more compact arrangement is obtained by using a main annular channel 1, which in the axial plane has a truncated conical section in the upstream part and cylindrical in the downstream part. Under such circumstances, the annular anode 6 has a tapering cross-section in the axial plane in the form of a frusto-cone.

Было замечено, что эффект тормозной камеры может быть получен в главном кольцевом канале 1 посредством локального увеличения плотности газа, то есть путем уменьшения сечения потока газа в направлении вверх по течению вместо его увеличения.It has been observed that the brake chamber effect can be obtained in the main annular channel 1 by locally increasing the gas density, that is, by decreasing the gas flow cross section in the upstream direction instead of increasing it.

На фиг. 4 показан один из возможных вариантов воплощения кольцевого анода 6. Ряд круговых щелей 37, сформированных в монолитной детали 38 кольцевого анода 6, позволяет обеспечить защиту против загрязнения. Ионизируемый газ вводится по жесткой трубе 9 в разветвленный трубопровод 8, которая связана с круговыми щелями 38 через инжекционные отверстия 7. Изолятор 39 вставлен между трубой 9 и кольцевым анодом 6, который подсоединен посредством электрического соединения 40 к положительному полюсу источника электроэнергии для разряда между анодом и катодом.FIG. 4 shows one possible embodiment of the annular anode 6. A series of annular slots 37 formed in the monolithic piece 38 of the annular anode 6 provide protection against contamination. The gas to be ionized is introduced through a rigid pipe 9 into a branched pipe 8, which is connected to the circular slots 38 through the injection holes 7. An insulator 39 is inserted between the pipe 9 and the annular anode 6, which is connected by means of an electrical connection 40 to the positive pole of the power source for the discharge between the anode and cathode.

Этот вариант также подходит для решения проблемы дифференциального расширения между кольцевым анодом 6 и стенками 2, которые изготавливаются из керамического материала и которые определяют границы главного топливного канала 1.This variant is also suitable for solving the problem of differential expansion between the annular anode 6 and the walls 2, which are made of ceramic material and which define the boundaries of the main fuel channel 1.

Для массивного анода, установленного на трех круглых столбах, можно найти приемлемый компромисс между высокой собственной частотой вибрации, такой, которая получается с короткими столбами, и допустимыми термомеханическими напряжениями, которые требуют, чтобы столбы были длинными.For a massive anode mounted on three round pillars, an acceptable compromise can be found between the high natural vibration frequency, such as is obtained with short pillars, and the allowable thermomechanical stresses, which require the pillars to be long.

Одно из возможных решений показано на фиг. 4. Кольцевой анод 6 поддерживается и сплошным столбом 41 с круглым сечением, и двумя столбами 42, которые были утончены, чтобы образовать гибкие пластины в форме лопастей, таким образом, достигая компромисса, который является удовлетворительным с точки зрения дифференциального теплового расширения.One possible solution is shown in FIG. 4. The annular anode 6 is supported by both a solid circular pillar 41 and two pillars 42 that have been thinned to form flexible blade-shaped plates, thus achieving a compromise that is satisfactory in terms of differential thermal expansion.

На фиг. 5 показан другой возможный вариант воплощения кольцевого анода 6, помещенного в той части главного кольцевого канала 1, которая в разрезе имеет форму усеченного конуса и предназначена для ускорения плазмы. В этом случае кольцевой анод 6 имеет разветвленный трубопровод 8, оснащенный внутренними перегородками 46 и включающий нижнюю по течению плоскую плиту 47, объединяемую со стенками главного кольцевого канала 1, чтобы образовать две кольцевые диафрагмы 48. Хвостовая плита 49 насаживается на стенки 2 главного топливного канала 1, чтобы ограничить утечку газа в верхнем по течению направлении. Цилиндрические стенки с отверстиями 7 позволяют вводить ионизируемый газ в главный кольцевой канал 1.FIG. 5 shows another possible embodiment of the annular anode 6, placed in that part of the main annular channel 1, which in section has the shape of a truncated cone and is intended for plasma acceleration. In this case, the annular anode 6 has a branched conduit 8 equipped with internal baffles 46 and including a downstream flat plate 47, combined with the walls of the main annular channel 1 to form two annular diaphragms 48. The tail plate 49 is pushed onto the walls 2 of the main fuel channel 1 to limit gas leakage in the upstream direction. Cylindrical walls with holes 7 allow the introduction of ionizable gas into the main annular channel 1.

Двигатель содержит коническое сопло 50 (сужающееся или расширяющееся), на выходном торце которого закреплен ионно-динамический зонд 51. Ионно-динамический зонд 51 закреплен на шарнирах 52 и представляет собой телескопические штыри 53, к каждому из которых присоединен привод 54 со штоком 55. Ионно-динамический зонд 51 предназначен для управления вектором тяги двигателя.The engine contains a conical nozzle 50 (converging or expanding), at the output end of which an ion-dynamic probe 51 is fixed. The ion-dynamic probe 51 is fixed on hinges 52 and is a telescopic pins 53, to each of which a drive 54 with a rod 55 is connected. -dynamic probe 51 is designed to control the thrust vector of the engine.

Кроме того, двигатель (фиг. 11) содержит блок управления 56 и блок питания 57, соединенные силовыми кабелями 58, а также контроллер управления 59, соединенный с исполнительным механизмом 60, линия управления 61. На входе в коническое сопло 50 установлен разгонный электрод 62.In addition, the engine (Fig. 11) contains a control unit 56 and a power unit 57, connected by power cables 58, as well as a control controller 59 connected to the actuator 60, a control line 61. An accelerating electrode 62 is installed at the entrance to the conical nozzle 50.

Двигатель содержит контроллер измерения 63, источник высокого напряжения 64, первый провод высокого напряжения 65. второй провод высокого напряжения 66, заземляющий провод 67, заземление 68 и блок накачки 69, соединенный оптическим кабелем 70 с лазерной свечой зажигания 81.The engine contains a measurement controller 63, a high voltage source 64, a first high voltage wire 65. a second high voltage wire 66, a ground wire 67, a ground 68 and a pump unit 69 connected by an optical cable 70 to a laser spark plug 81.

Для более качественного управления вектором тяги двигателя перпендикулярно оси ОО двигателя установлены радиальные электромагниты 71, с которыми соединены регуляторы тока 72.For better control of the thrust vector of the engine, radial electromagnets 71 are installed perpendicular to the axis OO of the engine, to which current regulators 72 are connected.

Двигатель содержит насосный агрегат 73 с приводом 74 и насосом пропеллента 75, входной клапан пропеллента 76 и входную трубу пропеллента 77.The engine contains a pumping unit 73 with a drive 74 and a propellant pump 75, a propellant inlet valve 76 and a propellant inlet pipe 77.

Двигатель (фиг. 13) оборудован следующими датчиками;The engine (Fig. 13) is equipped with the following sensors;

датчик давления пропеллена 106, датчик расхода пропеллена 107, датчик температуры пропеллена 108, датчик тока разряда 109 и датчик тока в радиальных электромагнитах 110.a propellant pressure sensor 106, a propellant flow sensor 107, a propellant temperature sensor 108, a discharge current sensor 109 and a current sensor in radial electromagnets 110.

Система управления вектором тяга (фиг. 14) кроме радиальных электромагнитов 71 содержит бак с маслом 111, соединенный с гидростанцией 112 трубопроводом высокого давления 113, клапан 114, трубопровод сброса 115.The thrust vector control system (Fig. 14), in addition to radial electromagnets 71, contains a tank with oil 111, connected to the hydraulic station 112 by a high-pressure pipeline 113, a valve 114, a discharge pipeline 115.

РАБОТА ДВИГАТЕЛЯENGINE OPERATION

При запуске двигателя (фиг. 12…14) подают питание на блок управления 56, контроллер управления 59 и контроллер измерения 63.When the engine is started (Fig. 12 ... 14), power is supplied to the control unit 56, the control controller 59 and the measurement controller 63.

По команде с блока управления 56 и контроллера управления 59 включают привод 74 насосного агрегата 73.On a command from the control unit 56 and the control controller 59, the drive 74 of the pump unit 73 is turned on.

Насосный агрегат 73 (фиг. 11) приводит в действие насос пропеллента 75, который начинают подачу пропеллента в полость пропеллента 79. Включают блок накачки 69 и подают лазерный луч по оптическому кабелю 70 в лазерную свечу зажигания 81 и далее через фокусирующую линзу 80 (фиг. 2) во внутреннюю полость конического сопла 50 (фиг. 1).The pumping unit 73 (Fig. 11) drives the propellant pump 75, which starts the supply of the propellant into the cavity of the propellant 79. The pump unit 69 is turned on and the laser beam is fed through the optical cable 70 into the laser spark plug 81 and then through the focusing lens 80 (Fig. 2) into the inner cavity of the conical nozzle 50 (Fig. 1).

Одновременно подают высокое напряжение на коронирующий электрод 80, между коронирующим электродами 18 и вторым проводом высокого напряжения 66 возникают коронные разряды и происходит ионизация продуктов в коническом сопле 50 и превращение ее в плазму и образование ионов под воздействием магнитного поля создаваемого при помощи катушек 16 и 17 (фиг. 1).At the same time, a high voltage is applied to the corona electrode 80, corona discharges occur between the corona electrodes 18 and the second high voltage wire 66, and the products are ionized in the conical nozzle 50 and converted into plasma and ions are formed under the influence of the magnetic field created by the coils 16 and 17 ( Fig. 1).

Плазма выбрасывается из конического сопла 50.Plasma is ejected from a conical nozzle 50.

При этом энтальпия ионно-радиационной ионизированной плазмы возрастает. Источником электронов в вышеприведенных реакциях является коронный пульсирующий разряд в высокотемпературной ионизированной плазме. Горячая ионно-радиационная плазма из конического сопла 50 выходит в ионно-динамический зонд 51, где разгоняется и при необходимости (для управления вектором тяги) отклоняется.In this case, the enthalpy of the ion-radiation ionized plasma increases. The source of electrons in the above reactions is a pulsating corona discharge in a high-temperature ionized plasma. Hot ion-radiation plasma from the conical nozzle 50 enters the ion-dynamic probe 51, where it is accelerated and, if necessary (to control the thrust vector), is deflected.

Для управления вектором тяги ионного двигателя он содержит ионно-динамический зонд 51, который имеет телескопические стержни 53, которые могут поворачиваться вокруг шарниров 52 для управления вектором тяги. Управление летательным аппаратом осуществляется одновременно рассогласованием токов в радиальных электромагнитов 71 и поворотом телескопических стрежней 53 ионно-динамического зонда 51. С выдвинутого ионно-динамического зонда 51 стекают электрические заряды, создавая реактивную силу и вращающий момент, обеспечивающий поворот летательного средства. При работе ионно-динамического зонда 51 истекающие положительные ионы создают добавочную реактивную силу.To control the thrust vector of the ion thruster, it contains an ion dynamic probe 51, which has telescopic rods 53 that can be rotated around pivots 52 to control the thrust vector. The aircraft is controlled simultaneously by mismatching the currents in the radial electromagnets 71 and by turning the telescopic rods 53 of the ion-dynamic probe 51. Electric charges drain from the extended ion-dynamic probe 51, creating a reactive force and a torque that ensures the rotation of the aircraft. During the operation of the ion dynamic probe 51, the outflowing positive ions create an additional reactive force.

Отрицательные заряды с компенсационного электрода 104 по отводящему проводу 105 передаются в блок питания 57 для его зарядки.Negative charges from the compensation electrode 104 are transmitted through the outlet wire 105 to the power supply 57 for charging it.

Тяга, создаваемая ионно-динамическим зондом 51 двигателя, работающим в режиме ионного двигателя невелика, но она может действовать длительное время (несколько дней или месяцев) при небольшом расходе инертного газа - пропеллента. В связи с тем, что скорость истечения ионов и плазмы в десятки и сотни раз превышает скорость истечения продуктов сгорания (которая не превышает М=4,5), то происходит постоянное увеличение скорости полета летательного аппарата в течение длительного времени до очень больших скоростей.The thrust generated by the ion dynamic probe 51 of the engine operating in the ion engine mode is small, but it can operate for a long time (several days or months) with a small consumption of an inert gas - propellant. Due to the fact that the rate of outflow of ions and plasma is tens and hundreds of times higher than the rate of outflow of combustion products (which does not exceed M = 4.5), there is a constant increase in the flight speed of the aircraft for a long time to very high speeds.

Для активации процесса ионизации и образования плазмы с лазерной свечи зажигания 81 периодически подают импульсы лазерного луча на коронирующий электрод 80 для его разогрева и создания объемного коронного разряда.To activate the ionization process and the formation of plasma from the laser spark plug 81 pulses of the laser beam are periodically applied to the corona electrode 80 to heat it up and create a volume corona discharge.

Применение изобретения позволило:Application of the invention allowed:

- создать мощный двигатель многократного запуска с высокой экономичностью, работающий в режиме пзазменно-ионного двигателя,- to create a powerful multi-start engine with high efficiency, operating in the mode of a plasma-ion engine,

- повысить надежность двигателя и его многократное включение за счет применения коронирующего электрода и охлаждаемой лазерной свечи зажигания,- to increase the reliability of the engine and its repeated switching on due to the use of a corona electrode and a cooled laser spark plug,

- улучшить охлаждение двигателя за счет использования для охлаждения пропеллента,- improve engine cooling by using propellant for cooling,

- улучшить управляемость ракет за счет применения управляемых радиальных электромагнитов и установленного на разработанном двигателе ионно-динамического зонда с телескопическими стержнями, установленными на шарнирах и имеющими приводы,- to improve the controllability of missiles through the use of controlled radial electromagnets and an ion-dynamic probe installed on a developed engine with telescopic rods mounted on hinges and having drives,

- обеспечить безопасность полета за счет применения в качестве основного компонента топлива инертного газа - пропеллента.- to ensure flight safety by using an inert gas - propellant - as the main fuel component.

Claims (5)

1. Плазменно-ионный ракетный двигатель, содержащий главный кольцевой канал для ионизации и ускорения, который образован стенками из изоляционного материала и который открыт на своем нижнем по течению конце, по меньшей мере, один полый катод, расположенный на внешней стороне главного кольцевого канала, вплотную к его нижней по течению части; кольцевой анод, расположенный концентрично с главным кольцевым каналом и на расстоянии от открытого нижнего по течению конца, трубу и распределительный разветвленный трубопровод для подачи ионизируемого газа в кольцевой анод, а также магнитную систему для создания магнитного поля в главном кольцевом канале, при этом магнитная система содержит по существу радиальный первый внешний полюсный наконечник, конический второй внешний полюсный наконечник, радиальный первый внутренний полюсный наконечник, конический второй внутренний полюсный наконечник, множество внешних магнитных сердечников, окруженных внешними катушками, для соединения между собой первого и второго внешних полюсных наконечников, осевой магнитный сердечник, окруженный первой внутренней катушкой и присоединенный к первому внутреннему полюсному наконечнику, и вторую внутреннюю катушку, помещенную ниже по течению относительно внешних катушек, отличающийся тем, что он содержит установленный вдоль оси коронирующий электрод с встроенной лазерной свечой зажигания, имеющие систему охлаждение пропеллентом.1. Plasma-ion rocket engine containing a main annular channel for ionization and acceleration, which is formed by walls of insulating material and which is open at its downstream end, at least one hollow cathode located on the outside of the main annular channel, adjacent to its downstream part; an annular anode located concentrically with the main annular channel and at a distance from the open downstream end, a pipe and a branched distribution pipeline for supplying ionizable gas to the annular anode, as well as a magnetic system for creating a magnetic field in the main annular channel, while the magnetic system contains a substantially radial first outer pole piece, a tapered second outer pole piece, a radial first inner pole piece, a tapered second inner pole piece, a plurality of outer magnetic cores surrounded by outer coils for interconnecting the first and second outer pole pieces, an axial magnetic core, surrounded by a first inner coil and connected to a first inner pole piece, and a second inner coil placed downstream of the outer coils, characterized in that it contains an axially mounted corona electrode with a built-in laser spark plug with propellant cooling system. 2. Плазменно-ионный ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит блок управления, блок питания и блок накачки и контроллер управления, соединенный с блоком управления.2. Plasma-ion rocket engine according to claim 1, characterized in that it comprises a control unit, a power supply unit and a pumping unit, and a control controller connected to the control unit. 3. Плазменно-ионный ракетный двигатель по п. 2, отличающийся тем, что он содержит ионно-динамический зонд в виде закрепленных на шарнирах телескопических штырей, приводов со штоками, соединенных с каждым штырем.3. Plasma-ion rocket engine according to claim 2, characterized in that it contains an ion-dynamic probe in the form of hinged telescopic pins, actuators with rods connected to each pin. 4. Плазменно-ионный ракетный двигатель по п. 2, отличающийся тем, что он содержит радиальные электромагниты, соединенные через регуляторы тока с блоком питания.4. Plasma-ion rocket engine according to claim. 2, characterized in that it contains radial electromagnets connected through current regulators to the power supply. 5. Плазменно-ионный ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит датчик давления пропеллента, датчик расхода пропеллента, датчик температуры пропеллента, датчик тока разряда и датчик тока в радиальных электромагнитах.5. Plasma-ion rocket engine according to claim 1, characterized in that it comprises a propellant pressure sensor, a propellant flow sensor, a propellant temperature sensor, a discharge current sensor and a current sensor in radial electromagnets.

Images