Мембранный ионно-плазменный ракетный двигатель космического аппарата
Патент № 2709231, патентообладатель СПбПУ Петра Великого,
авторы Макаров* Сергей Борисович и Цыбин Олег Юрьевич
        Изобретение относится к ионно-плазменному, или ионному электро-ракетному двигателю, используемому для управляемого ускорения летательных аппаратов в космическом вакууме, в том числе орбитальных спутников. В отличие от известных ионно-плазменных электро-ракетных двигателей, устройство содержит газопроницаемую микропористую мембрану, сквозь которую проходит поток нейтральных частиц рабочего тела.
        Новизна предлагаемого решения основана на использовании мембранных технологий, которые ранее не использовались для получения реактивного импульса космического аппарата. В предлагаемом изобретении достигается суммарный положительный эффект в увеличении ресурса, повышении надёжности, стабильности и эффективности тяговых характеристик, эффективности использования рабочего вещества и собственно двигателя.
        Отличительная сущность изобретения в том, что для формирования потока рабочего тела (РТ) используется установленная в канале транспортировки РТ на участке от накопителя до области образования плазмы перегородка, выполненная в виде газопроницаемой микропористой мембраны (ЭГММ), сквозь которую в реакторную камеру направляется парогазовый поток РТ, падающий на входную поверхность, обращённую к накопителю.
        Это позволяет производить контролируемый распределённый поток рабочего газа, выходящий из микропор мембраны на её выходную поверхность, обращённую в реакторную камеру, и создавать на развитой выходной поверхности распределённую поверхностную заряженную (не нейтральную) плазму.
        Благодаря применению ЭГММ достигается компромисс увеличения плазменной поверхности при сохранении типичного сечения парциального потока. Эффект применения микропористой металлической мембраны:
        – широкий выбор РТ (воздух, аргон, элегаз, спирты, высокомолекулярные газ/пар и другие газы, растворы и твёрдые тела);
        – снижение массы, габаритов, объёма аппаратуры;
        – снижение расхода топлива и энергопотребления, энергетической цены ионов и тяги.
        – увеличение специфического импульса до 7000 с  и более при снижении массы  до 50 грамм – 10 кг и габаритов до 1 см – 1м.
        – прогноз снижения стоимости изготовления и эксплуатации в 2-5 и более раз.
        За счёт микроскопического размера поры проходящая через неё каждая нейтральная частица взаимодействует со стенками мембраны с вероятностью, близкой к единице. Наибольшее достижимое количество парциальных потоков на поверхности площадью 10 – 10 см2 достигается N = 104 – 106, что значительно выше, чем в прототипе, и что не получается в иных известных конструкциях.
        При таком высоком значении N плотность тока в парциальном потоке снижается, становятся возможны ионизация электрическим полем, усиленным на микронеоднородностях ЭГММ, в том числе диссоциативная, и ускорение образованных ионов непосредственно от поверхности. Как вариант, устройство содержит генератор электромагнитной волны, воздействующей на мембрану. В ЭРД/ИД встроен генератор с излучателем высокочастотной (1 – 10 МГц и выше, в том числе в ультрафиолетовом диапазоне длин волн) электромагнитной волны (ЭМВ), при этом ЭМВ может воздействовать целенаправленно на ЭГММ, рабочее тело и на рабочие процессы в реакторной камере.
        В ЭРД/ИД ЭГММ позволяет пропускать требуемую часть парогазового потока, равномерно распределять эту часть потока по развитой выходной поверхности, отражать заданную его часть обратно в накопитель, то есть производить многоструйную поверхностную заряженную плазму, распределённую вблизи поверхности мембраны, обращённой в область ускорения ионов. Применение ЭГММ позволяет существенно улучшить характеристики ЭРД/ИД, и, в частности, обеспечивает:
    – снижение негативных эффектов объёмного заряда;
    – увеличение площади поперечного сечения ионного факела без потери плотности тока;
    – повышение вероятности ионизации каждой частицы и зарядового коэффициента потока;
    – повышенную интенсивность и разнообразие процессов фазового преобразования РТ, снижение энергозатрат на ионизацию;
    – пониженную рекомбинацию на стенках ионизационной камеры;
    – исключает или снижает ионное распыление конструкции;
    – использование на борту в качестве запасённого твёрдого рабочего тела не применявшихся в аналогах газов, растворов, паров и других веществ в различных структурных формах.
        ЭГММ позволяет регулировать расход рабочего тела в широком диапазоне значений (не менее трёх порядков). При максимальной скорости частиц в факеле V=105 м/с сила тяги изменяется в широких пределах: от 10-3 до 1,0 Н. Коэффициент полезного использования массы в мембранном двигателе может достигать около 0.8–0.9, для срока службы 104 часов при минимальной тяге потребуется бортовой запас рабочего тела приблизительно 40 Кг.
* Макаров Сергей Борисович – акад. АТТ, член Коллегии Двенадцати
В оглавление