Плазменный двигатель и способ генерирования движущей плазменной тяги

Плазменный двигатель и способ генерирования движущей плазменной тяги

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к плазменному двигателю и к способу генерирования движущей тяги при помощи указанного плазменного двигателя.

Как правило, на искусственных спутниках Земли используют ракетные двигатели или ускорители для осуществления коррекции траектории или высоты. Точно так же, космические зонды, предназначенные для исследования солнечной системы, имеют ракетные двигатели, позволяющие им очень точно располагаться вокруг планеты и даже садиться на астероид с целью отбора образцов вещества.

Как правило, эти двигатели, называемые химическими двигателями или двигателями на ракетном топливе, обеспечивают значения тяги не более нескольких Ньютон при использовании жидкого ракетного топлива, такого как гидразин (N₂H₂) или пероксид кислорода (перекись водорода). При разложении этого ракетного топлива химическая энергия превращается в тепловую, а затем при расширении горячих газов в реактивном сопле, в тягу. Основным недостатком этих химических двигателей является то, что они имеют ограниченный удельный импульс, что ракетное топливо, необходимое для их работы, составляет половину общей массы спутника, и что высокий расход ракетного топлива этих двигателей ограничивает срок службы спутника.

Для обеспечения более удаленных и более длительных космических полетов в последние годы были разработаны плазменные двигатели, преимуществом которых по сравнению с химическими двигателями является возможность создания большего удельного импульса, существенное увеличение полезной нагрузки, а также срока службы спутника. Их основными недостатками, как будет указано ниже, являются недостаточная надежность запуска, в частности, при низком давлении газообразного рабочего тела, их ограниченный срок службы из-за ионной бомбардировки некоторых элементов и их необходимость в миниатюризации для их применения, например, на миниатюрных спутниках. Необходимо отметить, что, хотя их энергетический КПД больше, чем у химических двигателей, его следует увеличить еще больше для более удаленных и более длительных полетов.

Плазменные двигатели можно классифицировать по-разному в зависимости от способа возбуждения плазмы или от способа ускорения плазмы в направлении выхода реактивного сопла. Следует отметить, что эти два критерия являются относительно взаимозависимыми и в равной степени важными. Действительно, способ возбуждения обуславливает полноту ионизации газообразного рабочего тела и надежность этого возбуждения, следовательно, надежность двигателя и может обуславливать размер разрядной плазменной камеры, габариты, вес и энергетический КПД двигателя. Что касается способа ускорения плазмы, то он обуславливает тягу, удельный импульс, энергетический КПД и может обуславливать габарит, вес и срок службы двигателя.

Если в качестве критерия классификации рассматривать способ возбуждения плазмы, то первой категорией плазменного двигателя является так называемый «электродуговой» ракетный двигатель, описанный в документе US 5 640 843, в основе которого лежит возбуждение плазмы электрической дугой в реактивной газовой струе. Преимуществом этой категории двигателя при всех прочих равных параметрах является возможность создания большей тяги, чем в других типах плазменных двигателей, однако она имеет следующие основные недостатки: они потребляют много электрического тока; имеют ограниченный срок службы по причине бомбардировки электродов и внутренних стенок разрядной камеры ионами и электронами, которые достигают температур порядка от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч градусов; требуют удаления излишка тепла в космическое пространство, что приводит к снижению энергетического КПД. Кроме того, когда парциальное давление газообразного рабочего тела является низким, возбуждение плазмы является не совсем надежным.

Согласно этому же критерию, второй категорией плазменных двигателей является категория плазменных двигателей, в которых возбуждение плазмы происходит только за счет резонанса электромагнитной (ЭМ) волны, часто микроволны, в разрядной камере, содержащей предназначенное для ионизации газообразное рабочее тело. Основным недостатком двигателей этой категории является относительно низкий энергетический КПД, так как плазмой поглощается лишь часть электромагнитной энергии. Кроме того, ионизация газообразного рабочего тела редко является полной, в частности, при большим значении расхода газообразного рабочего тела, и возбуждение плазмы на является надежным при низком парциальном давлении газообразного рабочего тела.

Согласно этому же критерию, третьей категорией плазменных двигателей являются плазменные двигатели с «циклотронным резонансом» свободных электронов, намагничиваемых плазмой, или ECR ("Electron Cyclotron Resonance" согласно англосаксонскому названию). Поскольку приложение магнитного поля к плазме заставляет ее электроны вращаться в одинаковом заданном направлении и на одинаковой заданной частоте, то теоретически плазму можно в нем возбуждать и затем поддерживать с энергетическим КПД, равным 1, за счет полного поглощения электромагнитной волны, электрическое поле которой вращается с такой же скоростью и в том же направлении, что и эти намагничиваемые электроны. Для практического повышения энергетического КПД длина разрядной камеры должна быть по существу равной целому числу половины длины электромагнитной волны в вакууме, что выдвигает проблему миниатюризации разрядной камеры и, следовательно, двигателя. Действительно, чтобы иметь возможность повысить резонансную частоту электромагнитной волны и одновременно обеспечить условия ECR, необходимо соответственно увеличить напряженность магнитного поля, что сразу приводит к необходимости применения мощных магнитных катушек, однако габарит и вес этих катушек идет в разрез с задачей миниатюризации двигателя. Кроме того, эта проблема миниатюризации усложняется с учетом большого числа источников, которые должны питать разрядную камеру: источник газообразного рабочего тела, источник электромагнитной волны и источник магнитного поля. Такой двигатель описан в патенте ЕР 0 505 327. Источники плазмы ECR применяют также в других технических областях, например, при производстве интегральных схем. В патентной заявке US 2005 0 287 описан источник ионов с резонансом ECR, оснащенный магнитными катушками, для реализации ионных устройств в микроэлектронике. Использование магнитных катушек приводит к увеличению веса и габарита при относительно низком энергетическом КПД по причине потерь, вызываемых эффектом Джоуля, что делает такое решение непригодным для использования в качестве космического ракетного двигателя. Кроме того, ионизация газообразного рабочего тела редко бывает полной, в частности, при большом расходе газообразного рабочего тела, и возбуждение плазмы не является надежным при низком парциальном давлении газообразного рабочего тела. Наконец, эти двигатели часто характеризуются наличием паразитных струй плазмы в направлении входа, что известно под названием эффекта ионного насоса.

Независимо от способа возбуждения плазмы, плазменные двигатели можно также классифицировать по второму критерию, которым является способ ускорения плазмы в реактивном сопле.

Согласно этому второму критерию, первым семейством является семейство так называемых «электростатических» плазменных двигателей, которое характеризуется электростатическим характером силы, ускоряющей плазму в направлении выхода реактивного сопла. В свою очередь, это семейство можно разделить на три категории: двигатели с ускоряющей сеткой, двигатели с эффектом Холла и двигатели с эффектом поля.

Категория двигателей с ускоряющей сеткой характеризуется тем, что ионы, выходящие из разрядной камеры, ускоряются системой электрически поляризованных сеток. Следует отметить, что выбрасываемая плазма не является электрически нейтральной. Двигатели с ускоряющей сеткой имеют следующие недостатки, которые ограничивают их эффективность и срок службы: пучки положительных ионов, проходящих через ускоряющую сетку, вызывают ее эрозию, что ограничивает срок службы этих двигателей; происходит рекомбинация выбрасываемых ионов с выбрасываемыми электронами, что приводит к затеняющим осаждениям вещества на солнечных панелях спутников, на которых они установлены; разрядная камера должна иметь большой объем; энергетический КПД является относительно низким по причине утечек плазмы на уровне стенок разрядной камеры и ускоряющей сетки; и тяга оказывается ограниченной по причине ограничения плотности ионов внутри сеток из-за вторичных электронов. Примеры двигателей с ускоряющей сеткой представлены в патентных заявках JP 01 310 179 и US 2004/161579 В1, в документе US 7 400 096 В1 и в статье MORRISON N.A et al "High rate deposition of ta-C:H using an electron cyclotron wave resonance plasma source", опубликованной в THIN SOLID FILMS, ELSEVIER-SEQUOIA S.A. LAUSANNE, CH., том 337, №1-2, 11 января 1999 года, стр. 71-73, ХР004197099, ISSN: 0040-6090, DOI: 10.1016/S0040-6090 (98) 01187-0 и в статье NISHIYAMA К ET. AL: "Microwave power absorption coefficient of an ECR Xenon ion thruster", SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, том. 202, №22-23, 30 августа 2008 года (2008-08-30), стр. 5262-5265, ХР025875510, ISSN: 0257-8972, DOI: 10.1016/J SURFCOAT.2008.06.069.

Категория двигателей с эффектом Холла характеризуется цилиндрическим анодом и отрицательно заряженной плазмой. Двигатели с эффектом Холла используют дрейф заряженных частиц в перекрещивающихся магнитных и электрических полях. Их недостатками являются, с одной стороны, присутствие постоянного электрического поля, которое требует наличия поляризованных электродов, и, с другой стороны, ограничение плотности плазмы, которое связано с образованием оболочек вокруг этих электродов, которые препятствуют проникновению постоянного электрического поля внутрь плазмы в отличие от сверхвысокочастотного поля, которое легко проникает внутрь ионизированной среды, что заставляет применять сверхвысокочастотные разряды (HF). Такой двигатель описан в документе US 2006/290287.

Категория двигателей с эффектом поля характеризуется ионизацией жидкого металла, его ускорением, затем его электрической нейтрализацией.

Согласно этому второму критерию, вторым семейством является семейство так называемых «электромагнитных» плазменных двигателей. Это семейство можно разделить на шесть категорий: импульсные двигатели, магнитоплазмодинамические двигатели, безэлектродные двигатели, электротермические двигатели, двигатели с двойным слоем геликона и двигатели "mugradB".

Категория импульсных двигателей характеризуется ускорением во время периодических интервалов времени.

Категория магнитоплазмодинамических двигателей характеризуется электродами, которые ионизируют газообразное рабочее тело и создают в нем ток, который, в свою очередь, создает магнитное поле, ускоряющее плазму при помощи силы Лоренца.

Категория безэлектродных двигателей характеризуется отсутствием электрода, что позволяет устранить слабую точку для срока службы плазменных двигателей. В данном случае газообразное рабочее тело ионизируется в первой камере электромагнитной волной, затем перемещается во вторую камеру, где происходит ускорение плазмы неоднородными и колебательными электрическим и магнитным полями, создающими так называемую пондеромоторную силу. Такой двигатель описан в патенте US 7 461 502. Недостатком этой категории двигателей является использование в них магнитных катушек для создания колебательного магнитного поля, так как их размеры, их вес и их относительно большие энергетические потери за счет эффекта Джоуля делают их мало пригодными для использования в космической отрасли.

Категория электротермических двигателей характеризуется нагреванием плазмы до температур порядка миллиона градусов, затем частичным преобразованием этой температуры в осевую скорость. Эти двигатели требуют наличия мощных магнитных катушек для создания сверхинтенсивных магнитных полей, позволяющих удерживать плазму, электроны в которой имеют очень высокие скорости по причине их температуры. Кроме размеров и веса этих катушек, рассеяние в них за счет эффекта Джоуля существенно уменьшает энергетический КПД этих двигателей. Такой двигатель описан в патенте US 6 293 090, в частности, речь идет о радиочастотном (RF) двигателе с низким гибридным резонансом (поглощение энергии за счет связывания волны очень низкой частоты через комбинированное колебание ионов и электронов плазмы) типа VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), где плазма нагревается не за счет резонанса ее электронов, как это обычно происходит в двигателях этой категории, а за счет возбуждения ее ионов мощной электромагнитной волной.

Категория двигателей с двойным слоем геликона характеризуется инжекцией газообразного рабочего тела в трубчатую камеру, вокруг которой намотана антенна, излучающая достаточно мощную электромагнитную волну для ионизации газа, затем в полученной таким образом плазме генерируется геликонная волна, которая еще больше повышает температуру плазмы.

Категория двигателей "mugradB", называемых еще двигателями «с полем пространственного заряда», характеризуется диамагнитной природой силы. В главе 5.1 книги «Физика плазм, курс и применение» Ж.-М. Ракса подробно изложена теория движения электрона под действием высокочастотного электромагнитного поля в статическом или медленно изменяющемся электромагнитном поле. В частности, на стр. 152 указано наличие схождения или расхождения линий наведенного поля и, следовательно, присутствие силы вдоль направления этого поля, которая пропорциональна создаваемому магнитному моменту mu и градиенту этого магнитного поля. Эта сила называется "mugradB" или диамагнитной силой. Действительно, двигатель, являющийся объектом настоящей патентной заявки, основан на вполне «классических» принципах, изложенных в этой главе, поскольку предположения адиабатичности, упомянутые на стр. 153, для инвариантности создаваемого магнитного момента, во многом подтверждаются в рамках изобретения. Однако в этой книге не раскрыто, как можно реализовать плазменный двигатель с поддержанием циклотронной плазмы, размер которого можно было бы уменьшить относительно половины длины электромагнитной волны и надежность запуска которого можно было бы повысить даже в условиях очень низкого парциального давления газообразного рабочего тела. В статье STALLARD В W ET AL: "Whistler-driver, electron-cyclotron-resonance-heated thruster: experimental status", JOURNAL OF PROPULSION AND POWER 1996 JUL-AUG AIAA, том 4, июль 1996 года (1996-07), стр. 814-816, ХР008133752 описан двигатель с диамагнитной силой, в котором плазму возбуждают и поддерживают электронными волнами, генерируемыми электромагнитной волной с частотой, меньшей циклотронной частоты, излучаемой двумя спиралевидно намотанными антеннами, и магнитным полем, генерируемым магнитными катушками, с напряженностью, превышающей напряженность циклотронного резонанса ECR. Газообразное рабочее тело инжектируют в зону, где магнитное поле уменьшилось до значения ниже напряженности циклотронного резонанса ECR. В статье поднимается проблема неполной ионизации газообразного рабочего тела этого двигателя. Для ограничения этой неполноты ионизации разрядную камеру разбивают на сегменты. Несмотря на эту меру и на то, что ионизация становится более полной при уменьшении расхода газа, она остается неполной даже при небольших значениях расхода. В статье не раскрыто также повышение надежности запуска при очень малых значениях расхода газообразного рабочего тела, а также возможность уменьшения размера этого двигателя.

Ни один из известных плазменных двигателей не объединяет в себе одновременно преимущества заявленного двигателя: надежный запуск (систематическое и моментальное зажигание) и полная ионизация при всех рабочих условиях мощности электромагнитной волны и потока газообразного рабочего тела, в частности, при очень малых значениях расхода и парциального давления газообразного рабочего тела; отсутствие паразитной струи плазмы в направлении входа; разрядная камера меньшего размера по отношению к половине длины электромагнитной волны, используемой для поддержания плазмы; возможность работы со значениями напряженности магнитного поля, позволяющими использовать постоянные магниты и избегать размера, веса и потерь за счет эффекта Джоуля магнитных катушек; возможность контролируемого изменения тяги и удельного импульса; возможность достигать энергетического КПД, близкого к 1; ускорение нейтральной плазмы, то есть возможность отказа от применения нейтрализатора; и, следовательно, имеющего срок службы, не ограниченный износом деталей плазмой или осаждением газообразного рабочего тела на солнечных панелях.

Задачей настоящего изобретения является создание двигателя, который может иметь энергетический КПД, близкий к 1, как двигатели с возбуждением ECR, и иметь размер, меньший размера известных двигателей с возбуждением ECR. Как будет показано в описании ниже, авторы изобретения установили, что двигатель объединяет все вышеуказанные преимущества, в частности, благодаря применению нового типа возбуждения плазмы, достигаемого посредством объединения особых геометрических конфигураций линий магнитного поля, нагнетания газообразного рабочего тела и излучения электромагнитной волны.

Принцип изобретения состоит в уменьшении размера плазменного двигателя ECR за счет уменьшения длины его разрядной камеры и за счет инжекции газообразного рабочего тела при помощи антенны, излучающей электромагнитную волну, при этом уменьшения длины разрядной камеры добиваются посредством использования зоны плазмы с электронным резонансом, удерживаемой магнитным полем, такой как резонатор электромагнитной волны, так как коэффициент преломления плазмы с резонансом ECR в 5-10 раз превышает коэффициент преломления разрядной камеры, используемой в известных плазменных двигателях в качестве резонатора электромагнитной волны.

В частности, объектом изобретения является плазменный двигатель, содержащий разрядную камеру, содержащую внутреннюю полость и выходное отверстие; по меньшей мере, одно средство инжекции, содержащее выходной конец, называемый инжекционным соплом, выполненное с возможностью инжекции в разрядную камеру газообразного рабочего тела вдоль заданной оси; генератор магнитного поля, выполненный с возможностью приведения в циклотронное вращение электронов газообразного рабочего тела, присутствующего в разрядной камере; и генератор электромагнитной волны, выполненный с возможностью облучения газообразного рабочего тела, присутствующего в разрядной камере, посредством генерирования, по меньшей мере, одной электромагнитной волны, электрическое поле которой имеет правую круговую поляризацию и частоту, равную частоте f_ECR циклотронного резонанса электронов газообразного рабочего тела, намагничиваемых указанным генератором магнитного поля, при этом, согласно изобретению:

- указанный генератор магнитного поля выполнен с возможностью:

- генерировать магнитное поле, имеющее:

- первый локальный максимум А напряженности, находящийся внутри инжекционного сопла 65 и на выходном конце 165 инжекционного сопла 65, при этом указанный первый максимум напряженности является достаточным для ионизации, посредством циклотронного резонанса под действием указанной электромагнитной волны, газообразного рабочего тела, выходящего из указанного инжекционного сопла;

- линии поля, которые образуют поверхность изополя, называемую поверхностью ECR, с напряженностью равной напряженности, обеспечивающей циклотронный резонанс электронов под действием указанной электромагнитной волны, при этом указанная поверхность ECR находится на расстоянии в пределах от 0,5 мм до 2 мм от указанного локального максимума напряженности магнитного поля и охватывает выходной конец указанного инжекционного сопла, при этом объем, ограничиваемый этой поверхностью ECR, является резонатором электромагнитной волны, что обеспечивает полную ионизацию газообразного рабочего тела, выходящего из указанного сопла;

- второй локальный максимум напряженности магнитного поля внутри инжекционного сопла, отделенный от первого локального максимума локальным минимумом напряженности магнитного поля внутри указанного сопла;

- придавать указанным линиям поля 68 форму реактивного сопла для создания диамагнитной движущей силы, ускоряя в сторону выходного отверстия свободные электроны плазмы, возбуждаемой на уровне инжекционного сопла, при этом не намагниченные положительные ионы следуют за этими электронами по причине амбиполярного электрического поля или поля пространственного заряда, которое появляется почти сразу внутри плазмы и препятствует любому нарушению равновесия между популяциями положительных ионов и электронов, причем это электрическое поле, которое не нарушается никаким прикладываемым электрическим полем, очень эффективно обеспечивает электрическую нейтральность плазмы, выбрасываемой из указанного двигателя;

- указанное средство инжекции:

- выполнено из электропроводящего материала и электрически соединено с генератором электромагнитной волны таким образом, чтобы работать также в качестве электромагнитной антенны, излучающей указанную электромагнитную волну в газообразное рабочее тело на уровне выхода указанного сопла;

- выполнено из магнитного проводящего материала, позволяя получать внутри этого материала второй локальный максимум напряженности магнитного поля;

- содержит на выходном конце указанного сопла канал с внешним диаметром менее нескольких миллиметров, называемый заостренным концом, позволяющий за счет концентрации в нем линий магнитного поля получать при помощи генератора магнитного поля с напряженностью, обеспечиваемой постоянными магнитами первый локальный максимум напряженности магнитного поля и микроразряд с полым катодом в указанном локальном минимуме напряженности магнитного поля, достаточный для ионизации, по меньшей мере, части газообразного рабочего тела, присутствующего в указанном сопле, независимо от его расхода.

Следует отметить, что указанный локальный минимум напряженности магнитного поля работает как ловушка электронов, которая обеспечивает возбуждение плазмы за счет микроразряда с полым катодом даже при очень низком давлении.

Отметим также значение формы линий магнитного поля, которые приводят к расположению поверхности ECR непосредственно на выходе (на расстоянии порядка миллиметра) сопла инжекции газообразного рабочего тела, ионизируемого микроразрядом с полым катодом. Это расположение способствует ионизации нейтрального газа, выходящего из инжекционного сопла, при пересечении поверхности ECR.

Отметим также, что инжекция газообразного рабочего тела и электромагнитной (ЭМ) волны одним и тем же средством позволяет, с одной стороны, получить более компактную разрядную камеру и, с другой стороны, гарантировать облучение электромагнитной волной зоны, в которой плотность газа является максимальной, что позволяет максимизировать интенсивность ионизации нейтрального газа, выходящего из инжекционного сопла, что являлось одной из проблем двигателя "mu.gradB", описанного в статье STALLARD В W ЕТ AL.

Наконец, необходимо отметить, что связь положений антенны излучения электромагнитной волны и поверхности ECR позволяет концентрировать облучение в объеме, ограниченном поверхностью ECR, где электромагнитная волна входит в резонанс, что позволяет максимизировать поглощение электромагнитной энергии плазмой и, следовательно, максимизировать энергетический КПД двигателя.

Согласно частным вариантам осуществления, плазменный двигатель имеет один или несколько следующих отличительных признаков:

- Плазменный двигатель согласно предыдущему варианту осуществления, в котором генератор магнитного поля содержит в качестве источника магнитного поля, по меньшей мере, один постоянный магнит тороидальной формы, расположенный коаксиально с заданной осью и имеющий два полюса, первый магнитный элемент, неподвижно соединенный с одним полюсом магнитного поля, и второй магнитный элемент, неподвижно соединенный с другим полюсом указанного источника 50 магнитного поля, при этом указанные магнитные полюса расположены на первом расстоянии и соответственно на втором расстоянии от заданной оси; при этом второе расстояние является более длинным, чем первое расстояние, при этом первый магнитный полюс и второй магнитный полюс расположены на входе и соответственно на выходе инжекционного сопла, если рассматривать направление потока газообразного рабочего тела, при этом линии поля пересекают инжекционное сопло и образуют угол от 10° до 70° с указанной заданной осью.

- Плазменный двигатель согласно одному из предыдущих вариантов осуществления, в котором определенная вдоль заданной оси длина внутренней полости разрядной камеры в 5-10 раз меньше половины длины указанной электромагнитной волны в вакууме, при этом разрядная камера имеет внутреннее сечение, составляющее от 0.7 квадратных сантиметров до 30 квадратных сантиметров; в котором средство инжекции содержит центральный инжекционный канал с внутренним сечением, составляющим от 0.7 квадратных миллиметром до 3 квадратных миллиметров.

- Плазменный двигатель согласно одному из предыдущих вариантов осуществления, в котором значения напряженности магнитного поля указанных первого локального максимума, локального минимума и второго локального максимума соответственно равны приблизительно 0,18 тесла, 0,01 тесла и 0,05 тесла.

- Плазменный двигатель согласно одному из предыдущих вариантов осуществления, в котором указанная электромагнитная волна может распространяться вдоль оси, параллельной заданной оси, и в котором на уровне заданной оси градиент магнитного поля является параллельным заданной оси; при этом указанный градиент магнитного поля является отрицательным от входа к выходу направления выброса газообразного рабочего тела через указанное реактивное сопло.

- Плазменный двигатель согласно одному из предыдущих вариантов осуществления, содержащий устройство модуляции мощности электромагнитной волны и устройство управления расходом газообразного рабочего тела, при этом указанная мощность электромагнитной волны находится в пределах от 0.5 ватт до 300 ватт и предпочтительно от 0.5 ватт до 30 ватт в первом режиме работы.

- Плазменный двигатель согласно одному из предыдущих вариантов осуществления, содержащий циркулятор, расположенный на выходе указанного генератора электромагнитной волны электропроводящую цилиндрическую муфту, расположенную на выходе выходной плоскости двигателя, диаметр которой по существу равен четверти длины волны электромагнитного излучения и длина которой по существу равна трем четвертям длины волны электромагнитного излучения.

Значение муфты будет пояснено ниже. Поскольку плазменный двигатель "mu.gradB" содержит открытую полость размером намного меньше длины падающей волны, то в фазе запуска двигателя в отсутствие муфты может произойти большая потеря мощности, связанная с дифракцией электромагнитной волны в отверстии и с излучением наружу двигателя.

Кроме того, в отсутствие муфты для резонанса ECR с плазмой внутри двигателя можно использовать лишь часть электромагнитной волны, соответствующую правой круговой поляризации, а остальная часть электромагнитной волны в этом случае возвращается в генератор электромагнитной волны или излучается наружу за счет дифракции в выходном отверстии. Присутствие вышеуказанной муфты позволяет всей мощности электромагнитной волны, поступающей на муфту, отражаться внутрь двигателя, при этом часть, которая возвращается в генератор, может быть снова направлена в полость двигателя при помощи указанного циркулятора, расположенного на выходе указанного генератора электромагнитной волны. Во время своего захождения в полость часть мощности, отраженная циркулятором, в свою очередь, претерпевает правую круговую поляризацию и поглощается ECR-резонансной плазмой, при этом не поглощенная на этом этапе часть электромагнитной волны снова претерпевает такой же цикл циркуляции, пока вся энергия электромагнитной волны не будет поглощена ECR-резонансной плазмой. Сочетание такой муфты с таким циркулятором позволяет достигать энергетического КПД, близкого к единице, во всех рабочих конфигурациях двигателя. Можно отметить, что муфту можно выполнить из мелкой металлической сетки, то есть она является легкой.

- Плазменный двигатель согласно одному из предыдущих вариантов осуществления, содержащий два средства инжекции, коаксиальные с осью, при этом одно из них питает ионизируемым газом поверхность ECR, а другое значительно увеличивает тягу за счет намного большего расхода газа и работы в электродуговом режиме.

Объектом изобретения является также способ генерирования тяги при помощи плазменного двигателя, содержащий следующие этапы:

- инжектируют газообразное рабочее тело вдоль заданной оси в разрядную камеру, содержащую внутреннюю полость и выходное отверстие, при помощи средства инжекции, содержащего выходной конец, называемый инжекционным соплом;

- при помощи генератора магнитного поля генерируют магнитное поле, которое может приводить в циклотронное вращение электроны газообразного рабочего тела, присутствующего в разрядной камере;

- излучают в газообразное рабочее тело, присутствующее в разрядной камере, при помощи генератора электромагнитной волны, по меньшей мере, одну электромагнитную волну, электрическое поле которой имеет правую круговую поляризацию и частоту, равную частоте f_ECR циклотронного резонанса электронов газообразного рабочего тела, намагничиваемых указанным генератором магнитного поля;

- возбуждают плазму посредством ионизации газообразного рабочего тела;

- плазму поддерживают за счет циклотронного резонанса электронов;

при этом, согласно изобретению:

- возбуждение плазмы осуществляют за счет микроразряда с полым катодом, благодаря средству инжекции, которое выполнено из магнитного материала и содержит на выходном конце своего сопла канал с наружным диаметром, меньшим нескольких миллиметров, называемый заостренным концом, позволяющий, за счет концентрации в нем линий магнитного поля, получать при помощи генератора магнитного поля с напряженностью, достигаемой при помощи постоянных магнитов, с одной стороны, первый локальный максимум напряженности магнитного поля внутри и на выходном конце указанного сопла, достаточный для ионизации электронов газообразного рабочего тела, выходящего из указанного сопла, за счет циклотронного резонанса электронов под действием электромагнитной волны, и, с другой стороны, микроразряд с полым катодом между указанным первым локальным максимумом и вторым локальным максимумом внутри средства инжекции и в непосредственной близости от выхода его сопла, достаточный для ионизации, по меньшей мере, части газообразного рабочего тела, присутствующего в указанном сопле, независимо от его расхода;

- инжекцию газообразного рабочего тела и излучение электромагнитной волны осуществляют при помощи одного и того же средства и, следовательно, в одном и том же месте разрядной камеры, при этом указанное средство инжекции выполнено из электропроводящего материала и электрически соединено с генератором электромагнитной волны для излучения волны в газообразное рабочее тело на уровне выхода указанного сопла таким образом, чтобы максимизировать интенсивность ионизации выходящего из него газообразного рабочего тела;

- указанное генерирование магнитного поля осуществляют таким образом, что:

- с одной стороны, магнитное поле имеет:

- первый локальный максимум напряженности на выходном конце и внутри инжекционного сопла 65, достаточный для ионизации, посредством циклотронного резонанса под действием указанной электромагнитной волны, электронов газообразного рабочего тела, выходящего из указанного инжекционного сопла;

- линии поля, которые определяют поверхность изополя, называемую поверхностью ECR, с напряженностью, равной напряженности, обеспечивающей циклотронный резонанс электронов под действием указанной электромагнитной волны, при этом указанная поверхность ECR находится очень близко от указанного первого локального максимума напряженности магнитного поля и охватывает выходной конец указанного инжекционного сопла таким образом, чтобы максимизировать интенсивность ионизации газообразного рабочего тела, выходящего из указанного сопла;

- второй локальный максимум напряженности магнитного поля внутри инжекционного сопла, отделенный от первого локального максимума локальным минимумом напряженности магнитного поля внутри указанного сопла;

- с другой стороны, магнитное поле ускоряет за счет диамагнитной силы вдоль магнитного реактивного сопла в сторону выходного отверстия свободные электроны плазмы, возбуждаемой на уровне инжекционного сопла, при этом не намагниченные положительные ионы следуют за этими электронами по причине амбиполярного электрического поля или поля пространственного заряда, которое появляется сразу внутри плазмы и препятствует любому нарушению равновесия между популяциями положительных ионов и электронов, причем это электрическое поле, которое не нарушается никаким прикладываемым электрическим полем, очень эффективно обеспечивает электрическую нейтральность плазмы, выбрасываемой из указанного двигателя;

- поддержание плазмы за счет циклотронного резонанса электронов осуществляют при помощи резонанса электромагнитной волны в объеме, ограниченном поверхностью ECR, таким образом, чтобы использовать очень высокий показатель преломления в этом объеме для уменьшения длины разрядной камеры и, следовательно, плазменного двигателя.

Отметим, что возбуждение плазмы происходит не за счет циклотронного резонанса ECR, как в случае известных двигателей с диамагнитной силой, а за счет микроразряда с полым катодом. После возбуждения плазмы и ее расположения в так называемом объеме возбуждения на выходе инжекционного сопла эта плазма вступает в резонанс ECR через электромагнитную волну, что повышает в 5-10 раз ее показатель преломления и делает возможным использование этого объема в качестве резонатора электромагнитной волны и позволяет увеличить энергетический КПД. Этот показатель преломления среды резонанса электромагнитной волны, более высокий, чем в известных решениях, позволяет, с одной стороны, уменьшить длину разрядной камеры, так как возбуждение плазмы и ее поддержание не требуют, чтобы длина разрядной камеры была равна целому числу половины длины электромагнитной волны в вакууме, и, с другой стороны, использовать магнитное поле более низкой напряженности, достигаемой при помощи простого постоянного магнита, так как можно использовать более низкую частоту электромагнитной волны.

Возбуждение плазмы микроразрядом с полым катодом обеспечивает систематическое и почти моментальное возбуждение при любых рабочих условиях, в частности, расхода газа и мощности электромагнитной волны, и, следовательно, позволяет значительно повысить надежность двигателя. Таким образом, двигатель в соответствии с изобретением принадлежит к новой категории плазменных двигателей.

Предпочтительно способ согласно предыдущему варианту осуществления, в котором плазменный двигатель дополнительно содержит устройство модуляции электромагнитной волны, устройство управления расходом газа и периферический инжекционный канал, выполненный с возможностью инжекции газообразного рабочего тела в разрядную камеру, содержит следующие этапы:

- производят инжекцию газообразного рабочего тела в разрядную камеру через периферический инжекционный канал;

- регулируют расход газообразного рабочего тела, инжектируемого в разрядную камеры через периферический инжекционный канал;

- осуществляют модуляцию электромагнитной волны.

Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показан плазменный двигатель в соответствии с изобретением, вид в осевом разрезе;

на фиг. 2 показана часть двигателя, изобра