Двигатель малой тяги для космического летательного аппарата

Двигатель малой тяги для космического летательного аппарата

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к двигателям малой тяги, которые используются для перемещения космических летательных аппаратов с типичной скоростью истечения в пределах от 2 км/сек до более 50 км/сек и удельным тяговым усилием около 1 Н/м² или ниже. При отсутствии какого-либо материала, на который двигатель малой тяги мог бы надавить или отклонить, двигатели малой тяги основываются на эжекции (выбросе) части массы космического летательного аппарата. Скорость выброса представляет собой ключевой фактор при оценке эффективности двигателя малой тяги и обычно должна быть максимальной.

Предшествующий уровень техники

Предлагаются различные решения для двигателей малой тяги. В патенте США US 5241244 раскрыт так называемый ионный сеточный двигатель малой тяги. В этом устройстве реактивный (движущий) газ сначала ионизируется, а затем полученные ионы ускоряются под действием статического электромагнитного поля между сетками. Ускоренные ионы нейтрализуются потоком электронов. Для ионизации реактивного (движущего) газа в указанном патенте предлагается одновременно использовать магнитное кондиционирующее и ограничивающее поле и электромагнитное поле на частоте ЭЦР (электронного циклотронного резонанса) магнитного поля. Сходный двигатель малой тяги описан в патенте Франции FR 2799576, где для ионизации газа используется индукция. Этот тип двигателя малой тяги имеет скорость выброса около 30 км/сек и удельное тяговое усилие менее 1 Н/м² для электрической мощности 2,5 кВт.

Одной из проблем устройств этого типа является необходимость очень высокого напряжения между ускоряющими сетками. Другая проблема касается эрозии сеток из-за ударного воздействия ионов. Наконец, нейтрализаторы и сетки, как правило, представляют собой очень чувствительные устройства.

В патенте US 5581155 раскрыт двигатель малой тяги на эффекте Холла, в котором также используется электромагнитное поле для ускорения положительно заряженных частиц. Скорость выброса составляет около 15 км/сек, при этом удельное тяговое усилие меньше 5 Н/м² при мощности 1,3 кВт. Подобно ионному сеточному двигателю малой тяги существует проблема эрозии, а присутствие нейтрализатора приводит к отказам двигателя малой тяги.

В патенте США US 6205769 или в публикации D.J.Sullivan et al. «Development of a microwave resonant cavity electrothermal thruster prototype», IEPC 1993, №36, pp.337-354 раскрыты микроволновые электротермические двигатели малой тяги, которые основаны на нагреве движущегося газа под действием микроволнового поля. Нагретый газ выбрасывается через сопло, создавая тяговое усилие. Этот тип двигателя малой тяги имеет скорость выброса около 9-12 км/сек и тяговое усилие от 200 до 2000 Н.

В публикациях D.A.Kaufman et al. «Plume characteristic of an ECR plasma thruster», IEPC 1993, №37, pp.355-360 и H.Tabara et al. «Performance characteristic of a space plasma simulator using an electron cyclotron resonance plasma accelerator and its application to material and plasma interaction research, BEPC 1997», №163, pp.994-1000 раскрыты плазменные двигатели малой тяги ЭЦР, где плазма создается с использованием электронного циклотронного резонанса в магнитном сопле. Электроны ускоряются аксиально под действием магнитной дипольной силы, создавая электрическое поле, которое ускоряет ионы и формирует тяговое усилие. Другими словами, плазма протекает естественным путем вдоль линий уменьшающегося магнитного поля. Этот тип двигателя малой тяги имеет скорость выброса до 35 км/сек. В патенте США US 6293090 раскрыт РЧ плазменный двигатель малой тяги, который работает в соответствии с тем же принципом, c тем отличием, что плазма создается волной низшей гибридной моды вместо использования поля ЭЦР.

В патентах США US 6334302 и US 4893470 или в публикации Dr.Franklin R. Chang-Diaz «Design characteristic of the variable I_sp plasma rocket», IEPC 1991, №128 описан магнитоплазменный двигатель малой тяги с переменной плотностью импульса (сокращенно VaSBVIR). Этот двигатель малой тяги использует трехстадийный способ инжектирования плазмы, нагрева и контролируемого выброса в конфигурации магнитного тандемного зеркала. Источник плазмы представляет собой геликоновый генератор или магнитоплазмодинамический (MPD) двигатель малой тяги и нагреватель для плазмы представляет собой циклотронный генератор, работающий на частоте ионного циклотронного резонанса. "Гибридная струя", состоящая из сердцевины горячей плазмы, окруженной холодным газом, находится в сопле, которое защищено от горячей плазмы защитным слоем холодного газа. Тепловое расширение в сопле преобразует часть внутренней энергии в направленное тяговое усилие. Как и в двигателе малой тяги ЭЦР или РЧ плазменном двигателе малой тяги, ионизированные частицы не ускоряются, а сначала протекают вдоль линий уменьшающегося магнитного поля, а затем вдоль градиента давления. Этот тип двигателя малой тяги имеет скорость выброса от около 10 до 300 км/сек и тяговое усилие от 50 до 1000 Н.

В другой области в патентах США US 4641060 и US 5442185 раскрыты плазменные генераторы ЭЦР, которые используются для вакуумной откачки или для имплантации ионов. Аналогичный плазменный генератор раскрыт в патенте США US 3160566.

В патенте США US 3571734 раскрыты способ и устройство для ускорения частиц, которые предназначены для создания пучка частиц для реакций ядерного синтеза. Газ инжектируется в цилиндрическую полость резонатора, находящуюся в наложенных друг на друга аксиальном и радиальном магнитных полях. Электромагнитное поле на частоте ЭЦР используется для ионизации газа. Напряженность магнитного поля уменьшается вдоль оси полости, так что ионизованные частицы протекают вдоль этой оси. Это ускоряющее устройство описано также в журнале Compte Rendu de l'Academie des Sciences, November 4, 1963, vol.257, p.2804-2807. Эти устройства предназначены для создания пучка частиц для реакций ядерного синтеза, где скорость выброса равна около 60 км/сек, но удельное тяговое усилие является очень низким, как правило, ниже 1,5 Н/м².

В патенте США US 3425902 раскрыто устройство для создания и удерживания ионизированных газов. Магнитное поле является максимальным на обоих краях камеры, где газы ионизируются.

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является создание двигателя малой тяги, имеющего хорошую скорость выброса, простого в изготовлении, прочного и устойчивого к отказам, которое представляет собой безэлектродное устройство, ускоряющее оба типа частиц до высокой скорости посредством приложения направленной массовой силы.

Поставленная задача решена согласно изобретению путем создания двигателя малой тяги, содержащего

камеру, определяющую ось тягового усилия,

инжектор, предназначенный для инжектирования ионизируемого газа в камеру,

генератор магнитного поля, которое имеет по меньшей мере максимум вдоль оси,

генератор электромагнитного поля, предназначенный для генерирования микроволнового ионизирующего поля в камере (6) по одну сторону от указанного максимума и магнитного пондеромоторного ускоряющего поля по другую сторону от указанного максимума.

Управляющий двигатель характеризуется также тем, что

угол вектора магнитного поля c осью тягового усилия меньше 45°, предпочтительно меньше 20°,

частота электромагнитного поля отличается на 10% от частоты электронного циклотронного резонанса в положении, где генерируется электромагнитное поле,

отношение максимального значения и минимального значения магнитного поля находится в пределах от 1,1 до 20,

угол между электрическим компонентом электромагнитного поля и ортогональю к радиальному направлением меньше 45°, предпочтительно меньше 20°,

локальный угол между электрическим компонентом электромагнитного поля и вектором магнитного поля в двигателе малой тяги находится в пределах от 60 до 90°,

период ионного циклотронного резонанса в двигателе малой тяги по меньшей мере в два раза больше, чем характерное время между столкновениями ионов в управляющем ракетном микродвигателе,

микроволновое ионизирующее поле и магнитное поле предназначены для ионизации, по меньшей мере, 50% газа, инжектируемого в камеру,

генератор магнитного поля содержит по меньшей мере одну катушку, расположенную вдоль оси, по существу в максимуме магнитного поля,

генератор магнитного поля содержит вторую катушку, расположенную между указанной по меньшей мере одной катушкой и инжектором,

генератор магнитного поля предназначен для изменения значения указанного максимума,

генератор магнитного поля предназначен для изменения направления магнитного поля по меньшей мере по одну сторону от максимума,

генератор электромагнитного поля содержит по меньшей мере одну резонансную полость,

генератор электромагнитного поля содержит по меньшей мере одну резонансную полость по одну сторону от максимума,

генератор электромагнитного поля содержит по меньшей мере одну резонансную полость по другую сторону от максимума,

камера сформирована внутри трубы,

труба имеет увеличенное поперечное сечение с края, противоположного инжектору,

двигатель малой тяги содержит пороговую (успокоительную) камеру между инжектором и камерой.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предусмотрен также способ генерирования тягового усилия, заключающийся в том, что

инжектируют газ в камеру,

прикладывают первое магнитное поле и первое электромагнитное поле для ионизации по меньшей мере части газа,

затем прикладывают к газу второе магнитное поле и второе электромагнитное поле для ускорения частично ионизованного газа под действием магнитной пондеромоторной силы.

Способ характеризуется дополнительно одним из следующих признаков:

газ ионизируют посредством электронного циклотронного резонанса и ускоряют посредством магнитной пондеромоторной силы;

формируемые ионы по большей части нечувствительны к первому магнитному полю,

локальный угол между первым электрическим компонентом электромагнитного поля и вектором первого магнитного поля находится в пределах от 60° до 90°,

локальный угол между электрическим компонентом второго электромагнитного поля и вектором второго магнитного поля находится в пределах от 60° до 90°,

ионизируют по меньшей мере 50% газа,

изменяют направление второго магнитного поля.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем настоящее изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схему поперечного сечения двигателя малой тяги, первый вариант осуществления согласно изобретению;

фиг.2 - диаграмму напряженности магнитного и электромагнитного полей вдоль оси двигателя малой тяги согласно изобретению;

фиг.3 - схему поперечного сечения двигателя малой тяги, второй вариант осуществления согласно изобретению;

фиг.4 - схему поперечного сечения двигателя малой тяги, третий вариант осуществления согласно изобретению;

фиг.5 - диаграмму напряженности магнитного поля вдоль оси двигателя малой тяги третьего варианта осуществления согласно изобретению;

фиг.6 - схему поперечного сечения двигателя малой тяги, четвертый вариант осуществления согласно изобретению;

фиг.7 - диаграмму напряженности магнитного поля вдоль оси двигателя малой тяги четвертого варианта осуществления согласно изобретению;

фиг.8 - схему поперечного сечения двигателя малой тяги, пятый вариант осуществления согласно изобретению;

фиг.9 - диаграмму напряженности магнитного поля вдоль оси двигателя малой тяги пятого варианта осуществления согласно изобретению;

фиг.10-13 - схемы различных вариантов осуществления двигателя малой тяги, которые позволяют изменять направление тягового усилия согласно изобретению;

фиг.14 - схему поперечного сечения, показывающую различные возможные изменения в трубе согласно изобретению;

фиг.15 - схему поперечного сечения двигателя малой тяги, шестой вариант выполнения согласно изобретению;

фиг.16 - диаграмму напряженности магнитного и электромагнитного полей вдоль оси двигателя малой тяги шестого варианта выполнения согласно изобретению;

фиг.17 - схему поперечного сечения двигателя малой тяги, седьмой вариант осуществления согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

На фиг.1 представлена схема поперечного сечения двигателя малой тяги в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения. Указанный двигатель малой тяги основан на электронном циклотронном резонансе для получения плазмы и на магнитной пондеромоторной силе для ускорения этой плазмы для формирования тягового усилия. Пондеромоторная сила представляет собой силу, прилагаемую к плазме под действием градиента напряженности высокочастотного электромагнитного поля, и раскрыта в публикации H.Motz and C.J.H.Watson (1967) «Advances in electronics and electron physics» 23, pp.153-302. В отсутствие магнитного поля эта сила может быть выражена как

для одной частицы

для плазмы c

В присутствии неоднородного магнитного поля эта сила может быть выражена как

Устройство содержит трубу 2 (фиг.1). Труба 2 имеет продольную ось 4, которая определяет ось тягового усилия. На самом деле тяговое усилие, формируемое двигателем малой тяги, направлено вдоль этой оси, хотя оно может быть направлено так, как описано ниже, со ссылками на фигуры 10-13. Внутреннее пространство трубы 2 определяет камеру 6, в которой движущийся газ ионизируется и ускоряется.

В описываемом варианте труба 2 представляет собой цилиндрическую трубу. Она изготовлена из непроводящего материала для получения магнитных и электромагнитных полей в камере. Можно также использовать керамику с низкой проницаемостью, кварц, стекло или подобные материалы. Труба может также состоять из материала, имеющего высокий коэффициент эмиссии вторичных электронов, такого как BN, Al₂O₃, B₄C. Это увеличивает плотность электронов в камере и улучшает ионизацию.

Труба 2 проходит непрерывно вдоль двигателя малой тяги, газ инжектируется с одного края трубы. Однако можно предположить различные формы трубы. Например, поперечное сечение трубы, которое в описываемом примере является круговым, может иметь другую форму, в соответствии с потоком плазмы, требующимся на выходе двигателя малой тяги. Пример другого возможного поперечного сечения приводится ниже со ссылкой на фиг.14. Кроме того, не является необходимым, чтобы труба проходила непрерывно между инжектором и выходом двигателя малой тяги. В этом случае труба может изготавливаться из металлов или сплавов, таких как сталь, W, Mo, Al, Cu, Th-W или Cu-W, которые могут импрегнироваться, или покрываться оксидом бария или оксидом магния, или содержать радиоактивный изотоп для усиления ионизации. Как обсуждается ниже, плазма удерживается не трубой, а магнитными и электромагнитными полями, прикладываемыми к двигателю малой тяги. Таким образом, труба может содержать две отдельные секции, в то время как камера будет проходить вдоль двигателя малой тяги, между двумя секциями этой трубы.

На одном из краев трубы расположен инжектор 8, который инжектирует ионизируемый газ в трубу, как показано на фиг.1 стрелкой 10. Газ может включать в себя инертные газы Xe, Ar, Ne, Kr, He, химические соединения, такие как H₂, N₂, NH₃, N₂H₂, H₂O или CH₄, или даже металлы, подобные Cs, Na, K или Li (щелочные металлы) или Hg. Чаще всего используются Xe и H₂, которые требуют меньше энергии для ионизации.

Двигатель малой тяги содержит также генератор магнитного поля для генерирования магнитного поля в камере 6. Генератор магнитного поля содержит две катушки 12 и 14, которые создают в камере 6 магнитное поле B, продольный компонент которого представлен на фиг.2. Продольный компонент магнитного поля имеет два максимума, положение которых соответствует катушкам. Первый максимум B_max1, который соответствует первой катушке 12, расположен вблизи инжектора. Он служит только для удерживания плазмы и не является необходимым для работы двигателя малой тяги. Продольный компонент осуществляет продольное удерживание электронов плазмы, так что ионизация облегчается эффектом магнитной бутылки, кроме того, край трубы и сопло инжектора являются защищенными от эрозии. Второй максимум B_max2, соответствующий второй катушке 14, обеспечивает удерживание плазмы в камере. Он также разделяет объем камеры ионизации двигателя малой тяги: по одну сторону от максимума и по другую сторону от максимума. Величина продольного компонента магнитного поля на этом максимуме может адаптироваться, как указано ниже. Между двумя максимумами или на той стороне от второго максимума, где инжектируется газ, магнитное поле имеет более низкое значение. В примере на фиг.1 магнитное поле имеет минимальное значение B_min по существу в средней части камеры.

В ионизационном объеме двигателя малой тяги между двумя максимумами магнитного поля радиальный компонент магнитного поля и ортогональный к радиальному компонент магнитного поля, то есть компоненты магнитного поля в плоскости, перпендикулярной продольной оси двигателя малой тяги, не являются важными для работы двигателя малой тяги, они, предпочтительно, имеют меньшую напряженность, чем продольный компонент магнитного поля. На самом деле, они могут только уменьшить эффективность двигателя малой тяги, индуцируя ненужное движение вдоль стенок ионов и электронов в камере.

В ускоряющем объеме двигателя малой тяги, то есть по правую сторону от второго максимума B_max2 магнитного поля в примере на фиг.1, направление магнитного поля по существу задает направление тягового усилия. Таким образом, вектор магнитного поля предпочтительно направлен вдоль оси тягового усилия. Радиальные и ортогональные к радиальным компоненты магнитного поля предпочтительно являются настолько малыми, насколько это возможно.

Таким образом, в ионизационном объеме и в ускоряющем объеме вектор магнитного поля предпочтительно по существу параллелен оси двигателя малой тяги. Угол между вектором магнитного поля и осью 4 двигателя малой тяги предпочтительно меньше 45°, более предпочтительно меньше 20°. В примере на фиг.1 и 2 этот угол по существу равен 0°, так что диаграмма (фиг.2) соответствует не только графику напряженности магнитного поля вдоль оси двигателя малой тяги, но также и аксиальному компоненту магнитного поля.

Напряженность магнитного поля, генерируемого генератором магнитного поля, то есть значения B_max1, B_max2 и B_min, предпочтительно выбираются следующим образом. Максимальные значения выбираются, чтобы обеспечить удерживание электронов плазмы в камере, при этом чем выше значение коэффициента отражения B_max/B_min, тем лучше электроны удерживаются в камере. Значение можно выбрать в соответствии с желаемым (скоростью истечения) удельным тяговым усилием и энергией электромагнитного ионизирующего поля (или энергией для данной скорости истечения), так что 90% газа или более ионизируется после прохождения второго пика магнитного поля. Нижнее значение B_min зависит от положения катушек. Оно не имеет большого значения, за исключением варианта, представленного на фиг.4 и 5. Доля потерь электронов из бутылки в процентах может быть выражена как:

или

Для массового потока и для тягового усилия, меньшее значение α_lost позволяет уменьшить ионизирующую мощность для той же скорости истечения и доли ионизации.

В дополнение к этому, магнитное поле предпочтительно выбирается таким образом, что ионы по большей части нечувствительны к магнитному полю. Другими словами, величина магнитного поля является достаточно низкой, так что ионы движущего газ не отклоняются или, по существу, не отклоняются посредством магнитного поля. Это условие позволяет ионам движущего газа пролетать через трубу, по существу, по прямой линии и улучшает тяговое усилие. Если определять циклотронную частоту ионов как

f_ICR=q·B_max/2πM,

ионы определяются как ненамагниченные, если циклотронная частота ионов гораздо меньше, чем частота соударений ионов (или параметр Холла ионов, который представляет собой отношение меньше чем 1)

f_ICR<<f_{ion-collision},

где: q - электрический заряд, M - масса ионов, B_max - максимальная величина магнитного поля. При таком ограничении f_ICR представляет собой частоту циклотронного резонанса ионов, т.е. частоту, с которой ионы вращаются вокруг линий магнитного поля. Ограничение представляет собой тот факт, что время одного вращения в камере является настолько продолжительным по сравнению с периодом времени между соударениями, что движение ионов практически не изменяется под действием магнитного поля. Параметр f_{ion-collision} определяется, как известно, как

f_{ion-collision}=N·σ·V_TH

где: N - объемная плотность электронов, σ - сечение рассеяния электронов на ионах, V_TH - тепловая скорость электронов. Тепловая скорость может быть выражена как

где: k - микроскопическая константа Больцмана, T - температура, m_e - масса электрона. Параметр f_{ion-collision} представляет собой количество соударений, которое испытывает один ион за секунду в облаке электронов, имеющих плотность N и температуру T.

Предпочтительно, максимальная величина магнитного поля должна выбираться таким образом, чтобы

f_ICR<f_{ion-collision}/2

или даже

f_ICR<f_{ion-collision}/10.

Таким образом, период циклотронного резонанса ионов в двигателе малой тяги по меньшей мере в два раза продолжительнее, чем период между соударениями ионов в камере или в двигателе малой тяги.

В то же время по-прежнему возможно иметь достаточное удерживание газа в ионизационном объеме двигателя малой тяги, что подтверждается численным примером, приведенным ниже. Тот факт, что ионы по большей части нечувствительны к магнитному полю, во-первых, помогает фокусировать пучок ионов и электронов на выходе из двигателя малой тяги, увеличивая этим расход. Кроме этого, это позволяет избежать удерживания ионов на линии магнитного поля после того, как они выходят из двигателя малой тяги, это обеспечивает создание тягового усилия в целом.

Двигатель малой тяги содержит также генератор электромагнитного поля, который генерирует электромагнитное поле в камере 6. В примере на фиг.1 генератор электромагнитного поля содержит первую резонансную полость 16 и вторую резонансную полость 18, расположенные соответственно вблизи катушек 12 и 14. Первая полость 16 предназначена для генерирования колебаний электромагнитного поля в полости между двумя максимумами магнитного поля или по меньшей мере по ту сторону от максимума B_max2, где находится инжектор. Осциллирующее поле представляет собой ионизирующее поле c частотой f_EI в микроволновом диапазоне, то есть в пределах от 900 МГц до 80 ГГц. Частота электромагнитного поля предпочтительно адаптирована к локальному значению магнитного поля, так что важная или существенная часть ионизации происходит под действием электронного циклотронного резонанса. В частности, для данной величины B_res магнитного поля частота электронного циклотронного резонанса f_ECR задается формулой:

f_ECR=eB_res/2πm

где: e - электрический заряд, m - масса электрона. Это значение частоты электромагнитного поля предназначено для обеспечения максимальной ионизации движущего газа под действием электронного циклотронного резонанса. Предпочтительно, чтобы значение частоты электромагнитного поля f_EI было равно частоте ЭЦР, вычисленной для положения, где приложенное электромагнитное поле является максимальным. Разумеется, это не что иное, как аппроксимация, поскольку напряженность магнитного поля изменяется вдоль оси и поскольку электромагнитное поле прикладывается локально, а не к одной единственной точке.

Можно также выбрать значение частоты, которое не совпадает точно с этим предпочтительным значение. Предпочтительным является диапазон ±10% по отношению к частоте ЭЦР. Диапазон ±5% дает лучшие результаты. Предпочтительно также, чтобы по меньшей мере 50% движущего газа были ионизированы во время прохождения объема или камеры ионизации. Такое количество ионизированного газа обеспечивается только благодаря использованию ЭЦР для ионизации. Если частота электромагнитного поля выпадает из диапазона ±10%, приведенного выше, вероятным является заметное падение степени ионизации движущего газа ниже предпочтительного значения 50%.

Направление электрического компонента электромагнитного поля в ионизационном объеме предпочтительно перпендикулярно к направлению магнитного поля. В любом положении угол между вектором локального магнитного поля и локальным осциллирующим электрическим компонентом электромагнитного поля находится в пределах от 60° до 90°, предпочтительно от 75 до 90°, что необходимо для оптимизации ионизации посредством ЭЦР. В примере на фиг.1 электрический компонент электромагнитного поля ортогонален к радиальному или радиальным; он находится в плоскости, перпендикулярной продольной оси, и ортогонален к прямой линии в этой плоскости, проходящей через ось, что может быть получено путем выбора резонансной моды в полости резонатора. В примере на фиг.1 электромагнитное поле резонирует в моде TE₁₁₁. Ортогональное к радиальному поле также позволяет улучшить удерживание плазмы в ионизационном объеме и удерживание контакта со стенками камеры. Направление электрического компонента электромагнитного поля может изменяться по отношению к предпочтительному ортогональному к радиальному направлению. Предпочтительно угол между вектором электромагнитного поля и ортогональным к радиальному направлением меньше 45°, более предпочтительно, меньше 20°.

В ускоряющем объеме частота электромагнитного поля также предпочтительно выбирается таким образом, чтобы она была равна частоте ЭЦР или находилась вблизи нее. Это позволяет использовать магнитную пондеромоторную силу в качестве ускоряющей по обе стороны максимума электромагнитного поля, как показано во втором уравнении, приведенном выше. Частота электромагнитной силы не должна быть абсолютно идентичной частоте ЭЦР. Такие же диапазоны, как указаны выше, применимы для частоты и для углов между векторами магнитных и электромагнитных полей. На этой стадии частота электромагнитного поля, используемого для ионизации и ускорения, может быть одинаковой: это упрощает генератор электромагнитного поля, поскольку один и тот же микроволновый генератор может использоваться для возбуждения обеих полостей резонатора.

Предпочтительно, чтобы электрический компонент электромагнитного поля был чисто радиальным или ортогональным к радиальному, чтобы получить максимальную магнитную пондеромоторную силу. В дополнение к этому ортогональный к радиальному электрический компонент электромагнитного поля будет фокусировать пучок плазмы на выходе двигателя малой тяги. Угол между электрическим компонентом электромагнитного поля и радиальным или ортогональным к радиальному направлением предпочтительно меньше 45° или, лучше, меньше 20°.

На фиг.2 представлена диаграмма напряженности магнитного и электромагнитного полей вдоль оси двигателя малой тяги, напряженность магнитного поля и электромагнитного поля представлена по вертикальной оси графика. Положение вдоль оси двигателя малой тяги представлено на горизонтальной оси. Как указано выше, напряженность магнитного поля, которое в основном параллельно оси двигателя малой тяги, имеет два максимума.

Напряженность электрического компонента электромагнитного поле имеет первый максимум E_max1, расположенный в средней плоскости первой полости резонатора, и второй максимум E_max2, расположенный в средней плоскости второй полости резонатора. Величина напряженности первого максимума выбирается вместе со скоростью потока в ионизационной камере. Величина второго максимума может адаптироваться к значению I_sp, требуемому на выходе двигателя малой тяги. На фиг.2 частота первого и второго максимумов электромагнитного поля одинакова. В самом деле, полости резонаторов идентичны и возбуждаются одним и тем же микроволновым генератором. Начало продольной оси двигателя малой тяги находится в сопле инжектора.

Ниже приведен пример, иллюстрирующий настоящее изобретение. Поток газа равен 6 мг/сек, общая микроволновая мощность составляет около 1550 Вт, что соответствует ˜350 Вт для ионизации и ˜1200 Вт для ускорения для тягового усилия ˜120 мН. Микроволновая частота равна около 3 ГГц. Тогда, магнитное поле может иметь напряженность c максимумом около 180 мТ и с минимумом ˜57 мТ. На фиг.2 также показано значение B_res магнитного поля, в положении, где находятся полости резонаторов. Частота электромагнитного поля предпочтительно равна соответствующей частоте ЭЦР eB_res/2πm.

Следующие численные значения иллюстрируют двигатель малой тяги, обеспечивающий скорость выброса более 20 км/сек и удельное тяговое усилие выше 100 Н/м². Труба представляет собой трубу из BN, имеющую внутренний диаметр 40 мм, наружный диаметр 48 мм и длину 260 мм. Инжектор подает Xe со скоростью 130 м/сек на входе в трубу и c массовой скоростью потока ˜6 мг/сек.

Первый максимум магнитного поля B_max1 расположен при X_B1=20 мм от сопла инжектора, напряженность B_max1 магнитного поля равна ˜180 мТ. Первая полость резонатора для электромагнитного поля расположена при X_E1=125 мм от сопла инжектора, напряженность E₁ электрического поля равна ˜41000 В/м. Второй максимум магнитного поля B_max2 расположен при X_B2=170 мм от сопла инжектора, напряженность B_max2 этого магнитного поля равна ˜180 мТ. Вторая полость резонатора для электромагнитного поля расположена при X_E2=205 мм от сопла инжектора, напряженность E₂ электрического поля равна ˜77000 В/м.

Примерно 90% газа, проходящего в ускоряющий объем (X>X_B2), ионизируется.

Параметр f_ICR равен 15,9 МГц, поскольку q=e, и M=130 а.е.м. Таким образом, параметр Холла для иона равен 0,2, так что ионы в основном нечувствительны к магнитному полю.

Представленные значения являются иллюстративными. Они демонстрируют, что двигатель малой тяги согласно изобретению обеспечивает получение одновременно скорости выброса выше 15 км/сек и удельного тягового усилия выше 100 Н/м². Дмигатель малой тяги на фиг.1 работает следующим образом. Газ инжектируют в камеру. Затем он подается в первое магнитное поле и первое электромагнитное поле, где по меньшей мере частично ионизируется. Затем частично ионизированный газ проходит через пиковое значение магнитного поля. Затем он подается во второе магнитное поле и второе электромагнитное поле и ускоряется под действием магнитной пондеромоторной силы. Ионизация и ускорение разделяются и осуществляются последовательно и могут контролироваться независимо.

Двигатель малой тяги согласно изобретению является значительно более эффективным, чем известные устройства. Кроме того, он имеет следующие преимущества.

Во-первых, отсутствуют электроды. Таким образом, все проблемы, создаваемые электродами, эрозия, высокое напряжение, исключаются.

Во-вторых, благодаря магнитной пондеромоторной силе как электроны, так и ионы ускоряются в одном и том же направлении. Нет необходимости в создании нейтрализатора на выходе двигателя малой тяги.

В-третьих, одна и та же частота электромагнитной силы используется для ионизации и ускорения. Это позволяет использовать один и тот же микроволновый генератор для возбуждения генератора электромагнитного поля.

В-четвертых, ионизация и ускорение разделяются, поскольку они осуществляются по разные стороны от пика магнитного поля. Это позволяет, как объясняется ниже, воздействовать по-отдельности на ионизацию и на ускорение, чтобы адаптировать рабочие характеристики двигателя малой тяги в соответствии с потребностями. Это также увеличивает эффективность ионизации и уменьшает мощность, необходимую для ионизации движущего газа.

В-пятых, электроны получают энергию и намагничиваются в ионизационном объеме, но ионы по существу нечувствительны к магнитному полю. Это улучшает эффективность двигателя малой тяги по сравнению с известным двигателем малой тяги VaSIMR или с известными плазменными насосами. Также электроны получают энергию при частоте ЭЦР или вблизи этой частоты, что улучшает эффективность ионизации.

На фиг.3 представлено схематично поперечное сечение двигателя малой тяги во втором варианте осуществления. Отличие от фиг.1 заключается в положении первой полости 16 резонатора, которая расположена вблизи катушки 14 и формирует второй максимум магнитного поля. Полость резонатора расположена вдоль оси с координатой x=X_E3=205 мм. Это положение выбирается таким образом, чтобы величина магнитного поля была равна величине магнитного поля в положении X_E1. Это позволяет использовать одну и ту же полость резонатора без необходимости в адаптировании значения частоты электромагнитного поля. Можно также использовать две полости резонатора с координатами X_E1 и X_E2 для генерирования электромагнитного поля в ионизационном объеме. Это позволит увеличить количество газа, ионизующегося в ионизационном объеме. Расположение полости по правую сторону уменьшает эрозию.

На фиг.4 представлена схема поперечного сечения двигателя малой тяги в третьем варианте осуществления изобретения, а на фиг.5 - диаграмма напряженности магнитного и электромагнитного полей вдоль оси двигателя малой тяги. Двигатель малой тяги, представленный на фиг.4, аналогичен двигателю на фиг.1. Однако первая полость 16 резонатора расположена по существу посередине между катушками 12 и 14. Фиг.5 аналогична фиг.2, но показывает напряженности магнитного поля для двигателя малой тяги на фиг.4, где первая полость резонатора расположена по существу на координате X_E4, которая соответствует минимальному значению B_min магнитного поля. Частота электромагнитного поля выбирается таким образом, чтобы она была равна e·B_min/2πm. Вторая полость резонатора расположена в положении, где магнитное поле имеет такую же величину. Это позволяет использовать один и тот же микроволновый генератор для возбуждения обеих полостей. Преимущество этого варианта осуществления заключается в том, что величина магнитного поля по существу одинакова во всем объеме, где прикладывается поле ЭЦР. Это увеличивает количество ионизованного газа при прочих равных условиях.

На фиг.6 представлена схема поперечного сечения двигателя малой тяги в четвертом варианте осуществления настоящего изобретения, а на фиг.7 - диаграмма напряженности магнитного поля вдоль оси этого двигателя малой тяги. В этом варианте осуществления значения коэффициента отражения магнитного поля могут адаптироваться, чтобы изменять степень ионизации в ионизационном объеме двигателя малой тяги. Увеличение степени ионизации будет давать ионы c более высоким зарядом из-за большего удерживания электронов в ионизационном объеме. Эти ионы будут приобретать более высокую скорость, что позволит увеличить тяговое усилие.

Двигатель малой тяги на фиг.6 аналогичен двигателю на фиг.3. Однако генератор магнитного поля снабжен тремя дополнительными катушками 22, 24 и 26. Первая и третья дополнительные катушки 22 и 26 расположены внутри катушек 12 и 14, в то время как вторая дополнительная катушка 24 расположена по существу вблизи от среднего положения между катушками 12 и 14. Первая и третья дополнительные катушки создают магнитное поле, которое усиливает поле, создаваемое катушками 12 и 14. Это позволяет увеличить напряженность максимумов B_max1 и B_max2 магнитного поля. Вторая дополнительная катушка создает магнитное поле, противоположное магнитному полю, создаваемому катушками 12 и 14. Это уменьшает величину B_min магнитного поля, таким образом, увеличивая коэффициент отраже