Линейный электрический импульсный двигатель. Электрический импульсный двигатель


 

Линейный электрический импульсный двигатель. У линейного электрического импульсного двигателя, содержащего бегун (1) и статор (2) с обмоткой возбуждения (3) и якорной обмоткой (4), статор (2) и бегун (1) выполнены цилиндрическими, бегун (1) и обмотки (3) и (4) расположены внутри статора (2), а якорная обмотка (4) размещена в пазах зубцовой зоны.

Область техники, к которой относится полезная модель.

Полезная модель относится к разделу электричества, а именно, к электрическим машинам возвратно-поступательного движения и может быть использована при создании электроприводов.

Уровень техники.

Наиболее близким к полезной модели по технической сущности является линейный электрический импульсный двигатель, содержащий бегун и статор с обмоткой возбуждения и якорной обмоткой, (см. патент RU 2038680, опубликованный 27.06.95).

В известном двигателе магнитопровод не является броневым, что приводит к рассеянию и выпучиванию магнитного потока, вследствие чего снижается функциональная эффективность двигателя. Якорная обмотка состоит из прямоугольных витков, лобовые части, которых не взаимодействуют с рабочим магнитным потоком, что приводит к ограничению тягового усилия и к неэффективному использованию обмотки. При этом для прямоугольника отношение периметра к площади не является минимальным, что приводит к перерасходу обмоточного провода. Составные части двигателя выполнены не в виде тел вращения и технология их изготовления связана с повышенными материалоемкостью, трудоемкостью и энергоемкостью, что приводит к удорожанию двигателя. По этой же причине обеспечение равномерности рабочего воздушного зазора является сложным и трудоемким.

Раскрытие полезной модели.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении функциональной эффективности двигателя и снижении затрат на его изготовление.

Технический результат заключается в локализации магнитного поля внутри броневой магнитной системы, обеспечении равномерного вдоль витка взаимодействия всех участков якорной обмотки с рабочим магнитным потоком, повышении тягового усилия, уменьшении длины провода якорной обмотки, снижении материалоемкости двигателя, трудоемкости и энергоемкости изготовления его частей, обеспечении равномерности рабочего воздушного зазора, уменьшении магнитного сопротивления.

Технический результат обеспечивается следующей совокупностью признаков: линейный электрический импульсный двигатель, содержащий бегун и статор с обмоткой возбуждения и якорной обмоткой, отличающийся тем, что статор и бегун выполнены цилиндрическими, бегун и обмотки расположены внутри статора, а якорная обмотка размещена в пазах зубцовой зоны.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, и технический результат взаимосвязаны следующим образом.

Локализация магнитного поля внутри броневой магнитной системы, обеспечение равномерного вдоль витка взаимодействия всех участков якорной обмотки с рабочим магнитным потоком, повышение тягового усилия, уменьшение длины провода якорной обмотки, снижение материалоемкости двигателя, трудоемкости и энергоемкости изготовления его частей, обеспечение равномерности рабочего воздушного зазора, уменьшение магнитного сопротивления приводят к повышению функциональной эффективности двигателя и снижению затрат на его изготовление

Краткое описание чертежей.

На чертеже изображен линейный электрический импульсный двигатель.

Осуществление полезной модели.

Полезная модель может быть осуществлена следующим образом.

У линейного электрического импульсного двигателя, содержащего бегун и статор с обмоткой возбуждения и якорной обмоткой, статор и бегун выполнены цилиндрическими, бегун и обмотки расположены внутри статора, а якорная обмотка размещена в пазах зубцовой зоны (см. чертеж).

Таким образом, назначение полезной модели - применение ее в качестве линейного электрического импульсного двигателя - реализуется.

Сведения, подтверждающие возможность получения при осуществлении полезной модели технического результата (причинно-следственная связь существенных признаков с указанным техническим результатом), состоят в следующем.

Выполнение статора цилиндрическим полым и размещение бегуна и обмоток внутри статора, размещение якорной обмотки в пазах зубцовой зоны приводит к локализации магнитного поля внутри броневой магнитной системы, обеспечению равномерного вдоль витка взаимодействия всех участков якорной обмотки с рабочим магнитным потоком, повышению тягового усилия, уменьшению длины провода якорной обмотки, снижению материалоемкости двигателя, трудоемкости и энергоемкости изготовления его частей, обеспечению равномерности рабочего воздушного зазора, уменьшению магнитного сопротивления.При этом снижение материалоемкости, трудоемкости и энергоемкости обусловлено тем, что для изготовления стержней прямоугольного сечения, в отличие от тел вращения подобрать заготовку с небольшими припусками практически невозможно, поэтому для изготовления первых приходится срезать больше металла. Кроме того, тела вращения могут быть обработаны при одной установке на станке, а для прямоугольного требуется как минимум четыре установки (по числу граней).

Следовательно, совокупность существенных признаков достаточна для достижения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.

Описание конструкции устройства:

У линейного электрического импульсного двигателя, содержащего бегун 1 и статор 2 с обмоткой возбуждения 3 и якорной обмоткой 4, статор 2 выполнен цилиндрическим полым, а бегун 1 и обмотки 3 и 4 расположены внутри статора 2. Якорная обмотка 4 размещена в пазах зубцовой зоны. Зубцы выполнены съемными в виде шайб. Обмотка возбуждения 3 и якорная обмотка 4 намотаны на немагнитную бобину. Бегун 1 находится внутри бобины. На торцах бегуна 1 установлены направляющие штоки, входящие во втулки стопов. Первый стоп со стороны якорной обмотки 4 установлен на нижнем торце статора 2. Первый стоп и входящий в его втулку шток бегуна 1 выполнены из немагнитного материала. Второй стоп со стороны обмотки возбуждения 3 удален от верхнего торца статора 2. При этом расстояние от второго стопа до конца обмотки возбуждения 3 или начала якорной обмотки 4 не превышает длину бегуна 1. Второй стоп крепится к статору 2 посредством стакана. На стопах установлены эластичные накладки. Двигатель оснащен переключателем направления тока якорной обмотки 4 или обмотки возбуждения 3.

Двигатель работает следующим образом.

Обмотка возбуждения 3 создает магнитный поток, который локализуется в статоре 2, бегуне 1 и зубцовой зоне. Магнитный поток в рабочем воздушном зазоре взаимодействует с током якорной обмотки 4, в результате чего в соответствии с законом Ампера возникает тяговое усилие. При изменении направления тока якорной обмотки 4 или обмотки возбуждения 3 направление тягового усилия меняется на противоположное.

Таким образом, у предлагаемого линейного электрического импульсного двигателя, в отличие от прототипа, повышена функциональная эффективность и снижены затраты на его изготовление.

Эффективность предлагаемого линейного электрического импульсного двигателя обусловливается его улучшенной конструкцией.

Линейный электрический импульсный двигатель, содержащий бегун и статор с обмоткой возбуждения и якорной обмоткой, отличающийся тем, что статор и бегун выполнены цилиндрическими, бегун и обмотки расположены внутри статора, а якорная обмотка размещена в пазах зубцовой зоны.

poleznayamodel.ru

ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия, использующих преимущественно способ создания реактивной тяги с помощью электронной детонации (патент РФ №2129594, з. №96117878 от 12.09.1996 г. МПК F03H 1/00).

Известен импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле тефлон (аналог фторопласта) (патент РФ №2146776, з. №98109266 от 14.05.1998 г., МПК F03H 1/00) с преобладающим электронно-детонационным типом разряда (Ю.Н. Вершинин «Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков», Уральское отделение РАН, Екатеринбург, 2000 г.). В этих условиях реализуется выход преимущественно ионного компонента в продуктах истечения при перекрытии разрядом разрядного промежутка и ее последующей нейтрализации на завершающей дуговой фазе разряда. Такой ЭРД, названный по типу основного разряда как электронно-детонационный ракетный двигатель (ЭДРД), позволяет получать на рабочем теле тефлон более высокие удельные параметры. Однако в таком ЭРД при наработке ресурса зафиксированы неустойчивости разрядных процессов по поверхности рабочего тела в виде дрейфующих плазменных жгутов. Указанное явление ведет к интенсивному местному уносу рабочего тела из данных зон, что приводит к снижению ресурсных характеристик ЭРД ввиду неравномерности выработки рабочего тела в разрядном промежутке и низкого уровня стабильности выходных характеристик. Кроме того, в силу конструктивной специфики систем хранения и подачи для твердофазного рабочего тела, сформованного преимущественно в виде шашек цилиндрического типа, запасы его на борту ограничены габаритными возможностями электрической реактивной двигательной установки, и ресурс таких двигателей по суммарному импульсу тяги оказывается недостаточным для многих полетных задач.

Известен импульсный плазменный электрический реактивный двигатель (патент РФ №2319039, з. №2005102848 от 04.02.2005 г., МПК F03H 1/00) линейного типа, состоящий из анода и катода с разрядным промежутком в виде рабочей поверхности из диэлектрика, покрытого пленкой жидкого или гелеобразного рабочего тела. При этом в зоне между анодом и катодом с возможностью возвратно-поступательного движения помещен подвижный источник подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела, содержащий пористо-капиллярный эластичный фитиль, начальный участок которого контактирует с жидким рабочим телом, находящимся в топливном баке.

Учитывая космические условия эксплуатации, в качестве рабочего тела применяют жидко фазный диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров, например вакуумное масло или синтетические жидкости, а рабочую поверхность разрядного промежутка выполняют из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например керамики или капролона.

Такой двигатель имеет более высокие характеристики по ресурсу включений и удобству эксплуатации, чем аналог (патент РФ №2146776, з. №98109266 от 14.05.1998 г, МПК F03H 1/00) однако основные удельные характеристики близки друг к другу.

Задачей предлагаемого изобретения является создание электронно-детонационного двигателя линейного типа с повышенными удельными характеристиками и кпд.

Задача решается в электрическом реактивном двигателе линейного типа, состоящем из анода и катода, подключенных к генератору высоковольтных импульсов, с разрядным промежутком между ними, заполненным жидким рабочим телом в виде пленки, путем выполнения анода и катода в виде магнитопроводов, подключенных к источнику магнитного поля с ориентацией магнитных силовых линий вдоль разрядного промежутка, причем источник магнитного поля электрически разобщен с электродами анод и катод путем выполнения магнитопроводов из материала с высоким электрическим сопротивлением, например из феррита.

В этой конструкции исключается электрическое шунтирование разрядного промежутка анод-катод что, в свою очередь, позволяет максимально удобно организовать магнитные силовые линии вдоль разрядного промежутка.

Наличие магнитных силовых линий вдоль разрядного промежутка импульсного ЭРД на основе электронно-детонационного типа разряда организует движение электронов рабочего тела не по прямым траекториям (по кратчайшему пути), а по винтовым траекториям (А.И. Морозов «Введение в плазмодинамику» Физматлит, Москва, 2006 год), что ведет к дополнительному увеличению актов ионизации атомов рабочего тела. Как следствие, это приведет к увеличению тяги и кпд импульсного ЭРД.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом. На приведенной фигуре показана конструктивная схема предлагаемого ЭРД. Основным его элементом является разрядный промежуток 1, содержащий систему из двух встречно-расположенных электродов, 2 - анод и 3 - катод, выполненных из магнитомягкого материала. Поступление рабочего тела в межэлектродный промежуток происходит методом его смачивания через пористо-капиллярный эластичный фитиль (смачиватель) 4, установленный, например, на подвижной каретке 5. Периодическое перемещение каретки 5 вдоль разрядного промежутка 1 осуществляется с помощью электропривода 6. Магнитное поле создаваемое постоянным магнитом или электромагнитом 7, через ферритовые магнитопроводы 8 поступает к электродам 2 и 3, выполненным из магнитомягкого материала, замыкаясь через разрядный промежуток 1 системой магнитных силовых линий.

ЭРД такого типа работает следующим образом. Перед началом импульсной работы ЭРД, система управления подает электрическую команду длительностью несколько секунд на электропривод 6 смачивателя 4 для нанесения жидкофазной пленки на рабочую поверхность 1 в межэлектродной зоне 2 (анод) - 3 (катод). Система подачи жидкого рабочего тела от бака к смачивателю условно не показана, так как является составной частью электрической реактивной двигательной установки. В случае использования в качестве источника магнитного поля 7 электромагнита, на его обмотку подается электрический потенциал постоянного тока или импульсного, синхронизированного с подачей высоковольтных импульсов на электроды 2 и 3 (анод, катод) ЭРД.

При подаче высоковольтных импульсов напряжения на электроды 2 и 3, по поверхности жидкой пленки распространяется разряд, генерирующий ионную (электронно-детонационный тип разряда), а затем плазменную (дуговую) составляющие разряда, создающие реактивный импульс тяги. При этом электроны, перемещаясь вдоль силовых магнитных линий разрядного промежутка по винтовой траектории, резко интенсифицируют процесс соударения с нейтральными атомами жидкого рабочего тела каждой из вышеупомянутых стадий разряда, что ведет к увеличению ионного компонента продуктов истечения, а это, в свою очередь, приводит к увеличению кпд и тяги двигателя, т.к. существенно возрастает процент высокоскоростных ионов по отношению к общей массе ионного и плазменного компонентов.

Импульсный электрический реактивный двигатель линейного типа, состоящий из анода и катода, подключенных к генератору высоковольтных импульсов, с разрядным промежутком между ними, заполненным жидким рабочим телом в виде пленки, отличающийся тем, что анод и катод являются магнитопроводами, подключенными к источнику магнитного поля с ориентацией магнитных силовых линий вдоль разрядного промежутка, причем источник магнитного поля электрически разобщен с электродами анод и катод путем выполнения магнитопроводов из материала с высоким электрическим сопротивлением, например из феррита.

edrid.ru

Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель

Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия.

Известны импульсные плазменные двигатели на газообразном рабочем теле (РТ), например ксеноне, аргоне, водороде, и импульсные двигатели эрозионного типа с твердофазным рабочим телом типа тефлон, расположенным внутри разрядного промежутка [1], [2], [3]. Основным недостатком первого типа двигателей является сложность синхронизации (согласования) во времени подачи строго дозируемой порции газообразного рабочего тела в зону разрядного промежутка с временными характеристиками подачи импульсных напряжений на электроды разрядного промежутка и, как следствие, низкий коэффициент использования рабочего тела. Во втором случае - эрозионный тип, удельные параметры имеют низкие значения, максимальный кпд не превышает 15%, из-за доминирующего газодинамического механизма ускорения плазмы.

Более совершенным типом двигателя данного класса является импульсный плазменный реактивный двигатель [4] торцевого типа на твердом рабочем теле - тефлоне, как эталонном рабочем теле. В этом двигателе с преобладающим электронно-детонационным типом разряда [5] (взрывная инжекция электронов с поверхности рабочего тела в сторону анодного электрода, вызванная высоким положительным потенциалом на анодном электроде по отношению к катодному электроду, находящемуся под нулевым потенциалом и наносекундным диапазоном длительности разрядного импульса) реализуется выход ионной компоненты в режиме перекрытия разрядом разрядного промежутка и его последующей нейтрализации на завершающей дуговой фазе разряда. Такой ЭРД, названный по типу реализуемого в нем разряда как ЭДРД - электронно-детонационный ракетный двигатель, позволяет получать на рабочем теле - тефлоне более высокие удельные параметры за счет значительного уменьшения дуговой фазы разряда. Однако в нем при наработке ресурса возникают неустойчивости процесса генерации плазмы в виде плазменных жгутов (пинчей) с образованием на поверхности рабочего тела каналов с повышенной проводимостью, и, как следствие, к интенсивному местному уносу рабочего тела с данной зоны, что ведет к снижению ресурсных характеристик ввиду неравномерности выработки рабочего тела в разрядном промежутке и низкого уровня стабильности выходных характеристик.

Задачей, решаемой с помощью предлагаемого изобретения, является создание импульсного плазменного ЭРД с ресурсом >109 включений и частотой импульсов 1...1000 Герц, в котором должны быть реализованы принципы самозалечивания дефектов на поверхности рабочего тела в зоне разрядного промежутка и самовосстановления работоспособности в условиях появления различных неблагоприятных факторов в процессе импульсных разрядов.

Задача решается путем изменения конструкции известного ЭДРД. В известном импульсном плазменном реактивном двигателе торцевого типа, состоящем из анода и катода с разрядным промежутком и рабочего тела, заключенного между ними, предлагается в зоне между анодом и катодом расположить подвижную криволинейную поверхность или плоскость с направленным и управляемым перемещением с обеспечением ее контакта перед разрядным промежутком с источником жидкого или гелеобразного рабочего тела.

Для упрощения управления процессом подвижная криволинейная поверхность может быть выполнена цилиндрической или сферической формы, а в случае с подвижной плоскостью - в виде диска или ленты с приводом, обеспечивающим скорость перемещения (вращения), пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов, при этом разрядный промежуток будет представлять собой образующую цилиндрической поверхности или зону на плоскости между анодом и катодом.

Источником жидкого рабочего тела может являться пористо-капиллярный эластичный фитиль, сообщенный с системой хранения рабочего тела.

В качестве рабочего тела можно применять жидкий диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров [6], например синтетическую жидкость, вакуумное масло и другие, для повышения эффективности работы и снижения утечек рабочего тела в условиях глубокого вакуума космического пространства. При этом подвижная поверхность выполняется из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например капролона, керамики и т.д.

Указанная совокупность признаков и физических эффектов позволяет получить в предлагаемом импульсном ЭРД высокий ресурс и стабильный уровень характеристик, упрощает систему подачи РТ, что ведет к упрощению электрической реактивной двигательной установки в целом.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом. На фиг.1 показана конструктивная схема двигателя с цилиндрической подвижной поверхностью. На фиг.2 показана конструктивная схема двигателя с плоской подвижной поверхностью в виде диска. Основным его элементом является барабан 1 цилиндрической формы, изготовленный из диэлектрика, например капролона, материал которого обладает эффектом смачивания в зоне его контакта с рабочим телом, например вакуумным маслом, поступающим из бака хранения рабочего тела 2. Разрядный промежуток для генерации плазмы организуется на цилиндрической образующей барабана между обострителями 3 двух противоположно установленных электродов. Один из электродов находится под положительным потенциалом - анод 4, а второй под нулевым потенциалом - катод 5. Для вращения барабана используется электропривод 6, например двигатель шагового типа, скорость которого зависит от частоты разрядных импульсов, подаваемых на электроды 4 и 5. Внешняя поверхность цилиндра имеет контакт с жидкой рабочей средой посредством касания пористо-капиллярной структуры эластичного фитиля 7 внешней стенки цилиндра. Аналогичное устройство может быть выполнено на базе любых криволинейных поверхностей, например сфера, конус и т. д. в зависимости от конкретного функционального назначения.

На фиг.2 приведено исполнение устройства, где подвижная поверхность выполнена в виде плоского диска 8, изготовленного из диэлектрического материала, например капролона, обладающего эффектом смачивания в зоне его контакта с рабочим телом, например вакуумным маслом, поступающим из бака хранения рабочего тела 2. Диск вращается вокруг собственной оси при помощи электродвигателя 6, например шагового типа, скорость которого зависит от частоты подачи разрядных импульсов. Особенностью данного типа ЭРД является то, что разрядный промежуток для генерации плазмы организуется на поверхности диска между обострителями 3 двух противоположно установленных электродов. При этом один из электродов, находящийся под положительным потенциалом - анод 4, может быть расположен как на оси диска (фиг.2), так и на периферии диска, а второй, находящийся под нулевым потенциалом - катод 5, представляющий из себя либо одиночный обостритель, либо сумму обострителей, расположен на периферии диска по окружности (фиг.2). Рабочая поверхность диска имеет контакт с жидкой рабочей средой посредством касания пористо-капиллярной структуры эластичного фитиля 7.

ЭРД такого типа работает следующим образом. Цилиндрический барабан 1 приводится во вращение перед началом подачи высоковольтных разрядных импульсов на электроды 4 и 5 с упреждением в несколько секунд. За этот период в зону разрядного промежутка, за счет смачивания на поверхность барабана поступает рабочее тело в виде тонкой пленки. При подаче разрядных импульсов на электроды 4 и 5, между обострителями электродов 3 по поверхности жидкой пленки возникает разряд, генерирующий ионную, а затем плазменную составляющие разряда и создающий реактивный импульс тяги. При этом пропорционально темпу частоты разрядов ЭРД путем изменения скорости вращения барабана 1 в зону разрядного промежутка через фитиль 7 на внешнюю поверхность вращающегося барабана 1 все время поступает новая порция рабочего тела.

Проверка износа материала барабана 1 путем контроля показателей шероховатости его цилиндрической поверхности после многочасовых испытаний с частотой до 100 Гц не выявила изменений. В таком исполнении разрядный промежуток и система подачи в него рабочего тела органично взаимосвязаны и взаимозависимы. Вся система имеет низкий уровень нагрева конструктивных элементов. Появление в дуговой фазе разряда неустойчивостей процесса генерации плазмы в виде плазменных жгутов (пинчей) вследствие местных нарушений поверхности рабочего тела не приводит к дефектам, так как в разрядный промежуток, в темпе разрядных импульсов происходит подача свежих (новых) порций рабочего тела с толщиной пленки, определяемой явлением смачивания поверхности барабана рабочим телом. Реализация такой схемы двигателя предполагает удобную схему подвода рабочего тела к поверхности барабана от баков хранения рабочего тела через пористо-капиллярную структуру эластичного фитиля 7.

Кроме того, ЭРД с подвижной цилиндрической поверхностью, позволяет с помощью одного двигателя, имеющего четыре разрядных промежутка, управлять по двум каналам, например крена и тангажа, рыскания и тангажа, рыскания и крена, в зависимости от места расположения ЭРД на поверхности летательного аппарата.

По принципу работы ЭРД с диском (фиг.2) работает так же, как ЭРД с барабаном (фиг.1). При этом в схеме с диском можно реализовать торцевой тип разряда [4] за счет применения цилиндрического катода с большим числом обострителей, расположенного на периферии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975 г. Стр.198...223.

2. Фаворский О.Н., Фишгойт В.В., Янтовский Е.И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М.: Машиностроение, Высшая школа, 1978 г, стр.170...173.

3. Космические двигатели - состояние и перспективы. Под редакцией Л.Кейвни (перевод с английского под ред. А.С.Коротеева). М.:, 1988 г. Стр.186...193.

4. Патент на изобретение №2146776 от 14 мая 1998 г. Импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле.

5. Ю.Н.Вершинин Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков. Екатеринбург. УрО РАН. 2000 г.

6. Синтетические жидкости для электрических аппаратов. М.И.Шахнович. М., Энергия. 1972 г.

bankpatentov.ru

импульсный плазменный электрический реактивный двигатель - патент РФ 2266428

Изобретение относится к электрореактивным двигателям, использующим электронно-детонационный тип разряда. Двигатель состоит из анода и катода с разрядным промежутком, между которыми расположена подвижная поверхность с направленным и управляемым перемещением, контактирующая с источником жидкого или гелеобразного рабочего тела. Подвижная поверхность может быть выполнена в виде криволинейной поверхности, например цилиндра, или плоскости, например диска, с приводом, обеспечивающим скорость вращения, пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов. При этом разрядный промежуток представляет собой образующую криволинейной поверхности или зону на плоскости между анодом и катодом. Изобретение позволяет создать импульсный плазменный двигатель, обладающий самозалечиванием дефектов на поверхности рабочего тела в зоне разрядного промежутка и самовосстановлением работоспособности в условиях появления различных неблагоприятных факторов в процессе импульсных разрядов. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2266428

Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия.

Известны импульсные плазменные двигатели на газообразном рабочем теле (РТ), например ксеноне, аргоне, водороде, и импульсные двигатели эрозионного типа с твердофазным рабочим телом типа тефлон, расположенным внутри разрядного промежутка [1], [2], [3]. Основным недостатком первого типа двигателей является сложность синхронизации (согласования) во времени подачи строго дозируемой порции газообразного рабочего тела в зону разрядного промежутка с временными характеристиками подачи импульсных напряжений на электроды разрядного промежутка и, как следствие, низкий коэффициент использования рабочего тела. Во втором случае - эрозионный тип, удельные параметры имеют низкие значения, максимальный кпд не превышает 15%, из-за доминирующего газодинамического механизма ускорения плазмы.

Более совершенным типом двигателя данного класса является импульсный плазменный реактивный двигатель [4] торцевого типа на твердом рабочем теле - тефлоне, как эталонном рабочем теле. В этом двигателе с преобладающим электронно-детонационным типом разряда [5] (взрывная инжекция электронов с поверхности рабочего тела в сторону анодного электрода, вызванная высоким положительным потенциалом на анодном электроде по отношению к катодному электроду, находящемуся под нулевым потенциалом и наносекундным диапазоном длительности разрядного импульса) реализуется выход ионной компоненты в режиме перекрытия разрядом разрядного промежутка и его последующей нейтрализации на завершающей дуговой фазе разряда. Такой ЭРД, названный по типу реализуемого в нем разряда как ЭДРД - электронно-детонационный ракетный двигатель, позволяет получать на рабочем теле - тефлоне более высокие удельные параметры за счет значительного уменьшения дуговой фазы разряда. Однако в нем при наработке ресурса возникают неустойчивости процесса генерации плазмы в виде плазменных жгутов (пинчей) с образованием на поверхности рабочего тела каналов с повышенной проводимостью, и, как следствие, к интенсивному местному уносу рабочего тела с данной зоны, что ведет к снижению ресурсных характеристик ввиду неравномерности выработки рабочего тела в разрядном промежутке и низкого уровня стабильности выходных характеристик.

Задачей, решаемой с помощью предлагаемого изобретения, является создание импульсного плазменного ЭРД с ресурсом >109 включений и частотой импульсов 1...1000 Герц, в котором должны быть реализованы принципы самозалечивания дефектов на поверхности рабочего тела в зоне разрядного промежутка и самовосстановления работоспособности в условиях появления различных неблагоприятных факторов в процессе импульсных разрядов.

Задача решается путем изменения конструкции известного ЭДРД. В известном импульсном плазменном реактивном двигателе торцевого типа, состоящем из анода и катода с разрядным промежутком и рабочего тела, заключенного между ними, предлагается в зоне между анодом и катодом расположить подвижную криволинейную поверхность или плоскость с направленным и управляемым перемещением с обеспечением ее контакта перед разрядным промежутком с источником жидкого или гелеобразного рабочего тела.

Для упрощения управления процессом подвижная криволинейная поверхность может быть выполнена цилиндрической или сферической формы, а в случае с подвижной плоскостью - в виде диска или ленты с приводом, обеспечивающим скорость перемещения (вращения), пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов, при этом разрядный промежуток будет представлять собой образующую цилиндрической поверхности или зону на плоскости между анодом и катодом.

Источником жидкого рабочего тела может являться пористо-капиллярный эластичный фитиль, сообщенный с системой хранения рабочего тела.

В качестве рабочего тела можно применять жидкий диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров [6], например синтетическую жидкость, вакуумное масло и другие, для повышения эффективности работы и снижения утечек рабочего тела в условиях глубокого вакуума космического пространства. При этом подвижная поверхность выполняется из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например капролона, керамики и т.д.

Указанная совокупность признаков и физических эффектов позволяет получить в предлагаемом импульсном ЭРД высокий ресурс и стабильный уровень характеристик, упрощает систему подачи РТ, что ведет к упрощению электрической реактивной двигательной установки в целом.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом. На фиг.1 показана конструктивная схема двигателя с цилиндрической подвижной поверхностью. На фиг.2 показана конструктивная схема двигателя с плоской подвижной поверхностью в виде диска. Основным его элементом является барабан 1 цилиндрической формы, изготовленный из диэлектрика, например капролона, материал которого обладает эффектом смачивания в зоне его контакта с рабочим телом, например вакуумным маслом, поступающим из бака хранения рабочего тела 2. Разрядный промежуток для генерации плазмы организуется на цилиндрической образующей барабана между обострителями 3 двух противоположно установленных электродов. Один из электродов находится под положительным потенциалом - анод 4, а второй под нулевым потенциалом - катод 5. Для вращения барабана используется электропривод 6, например двигатель шагового типа, скорость которого зависит от частоты разрядных импульсов, подаваемых на электроды 4 и 5. Внешняя поверхность цилиндра имеет контакт с жидкой рабочей средой посредством касания пористо-капиллярной структуры эластичного фитиля 7 внешней стенки цилиндра. Аналогичное устройство может быть выполнено на базе любых криволинейных поверхностей, например сфера, конус и т. д. в зависимости от конкретного функционального назначения.

На фиг.2 приведено исполнение устройства, где подвижная поверхность выполнена в виде плоского диска 8, изготовленного из диэлектрического материала, например капролона, обладающего эффектом смачивания в зоне его контакта с рабочим телом, например вакуумным маслом, поступающим из бака хранения рабочего тела 2. Диск вращается вокруг собственной оси при помощи электродвигателя 6, например шагового типа, скорость которого зависит от частоты подачи разрядных импульсов. Особенностью данного типа ЭРД является то, что разрядный промежуток для генерации плазмы организуется на поверхности диска между обострителями 3 двух противоположно установленных электродов. При этом один из электродов, находящийся под положительным потенциалом - анод 4, может быть расположен как на оси диска (фиг.2), так и на периферии диска, а второй, находящийся под нулевым потенциалом - катод 5, представляющий из себя либо одиночный обостритель, либо сумму обострителей, расположен на периферии диска по окружности (фиг.2). Рабочая поверхность диска имеет контакт с жидкой рабочей средой посредством касания пористо-капиллярной структуры эластичного фитиля 7.

ЭРД такого типа работает следующим образом. Цилиндрический барабан 1 приводится во вращение перед началом подачи высоковольтных разрядных импульсов на электроды 4 и 5 с упреждением в несколько секунд. За этот период в зону разрядного промежутка, за счет смачивания на поверхность барабана поступает рабочее тело в виде тонкой пленки. При подаче разрядных импульсов на электроды 4 и 5, между обострителями электродов 3 по поверхности жидкой пленки возникает разряд, генерирующий ионную, а затем плазменную составляющие разряда и создающий реактивный импульс тяги. При этом пропорционально темпу частоты разрядов ЭРД путем изменения скорости вращения барабана 1 в зону разрядного промежутка через фитиль 7 на внешнюю поверхность вращающегося барабана 1 все время поступает новая порция рабочего тела.

Проверка износа материала барабана 1 путем контроля показателей шероховатости его цилиндрической поверхности после многочасовых испытаний с частотой до 100 Гц не выявила изменений. В таком исполнении разрядный промежуток и система подачи в него рабочего тела органично взаимосвязаны и взаимозависимы. Вся система имеет низкий уровень нагрева конструктивных элементов. Появление в дуговой фазе разряда неустойчивостей процесса генерации плазмы в виде плазменных жгутов (пинчей) вследствие местных нарушений поверхности рабочего тела не приводит к дефектам, так как в разрядный промежуток, в темпе разрядных импульсов происходит подача свежих (новых) порций рабочего тела с толщиной пленки, определяемой явлением смачивания поверхности барабана рабочим телом. Реализация такой схемы двигателя предполагает удобную схему подвода рабочего тела к поверхности барабана от баков хранения рабочего тела через пористо-капиллярную структуру эластичного фитиля 7.

Кроме того, ЭРД с подвижной цилиндрической поверхностью, позволяет с помощью одного двигателя, имеющего четыре разрядных промежутка, управлять по двум каналам, например крена и тангажа, рыскания и тангажа, рыскания и крена, в зависимости от места расположения ЭРД на поверхности летательного аппарата.

По принципу работы ЭРД с диском (фиг.2) работает так же, как ЭРД с барабаном (фиг.1). При этом в схеме с диском можно реализовать торцевой тип разряда [4] за счет применения цилиндрического катода с большим числом обострителей, расположенного на периферии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гришин С.Д., Лесков Л.В., Козлов Н.П. Электрические ракетные двигатели. М.: Машиностроение, 1975 г. Стр.198...223.

2. Фаворский О.Н., Фишгойт В.В., Янтовский Е.И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М.: Машиностроение, Высшая школа, 1978 г, стр.170...173.

3. Космические двигатели - состояние и перспективы. Под редакцией Л.Кейвни (перевод с английского под ред. А.С.Коротеева). М.:, 1988 г. Стр.186...193.

4. Патент на изобретение №2146776 от 14 мая 1998 г. Импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле.

5. Ю.Н.Вершинин Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков. Екатеринбург. УрО РАН. 2000 г.

6. Синтетические жидкости для электрических аппаратов. М.И.Шахнович. М., Энергия. 1972 г.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель, состоящий из анода и катода с разрядным промежутком и рабочего тела, заключенного между ними, отличающийся тем, что в зоне между анодом и катодом расположена подвижная поверхность с направленным и управляемым перемещением, контактирующая с источником жидкого или гелеобразного рабочего тела.

2. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что подвижная поверхность выполнена в виде криволинейной поверхности, например цилиндра с приводом, обеспечивающим скорость перемещения, пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов, а разрядный промежуток представляет собой образующую криволинейной поверхности.

3. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что подвижная поверхность выполнена в виде плоскости, например диска с приводом, обеспечивающим скорость перемещения, пропорциональную частоте подачи разрядных импульсов.

4. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что источником жидкофазного рабочего тела является пористо-капиллярный эластичный фитиль, сообщенный с системой хранения рабочего тела.

5. Импульсный плазменный электрический реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочим телом является жидкофазный диэлектрик, например вакуумное масло, а подвижная поверхность выполнена из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например капролона.

www.freepatent.ru

Импульсный электрический реактивный двигатель | Банк патентов

Изобретение относится к области электрических реактивных двигателей (ЭРД) импульсного действия, использующих преимущественно способ создания реактивной тяги с помощью электронной детонации (патент РФ № 2129594, з. № 96117878 от 12.09.1996 г. МПК F03H 1/00).

Известен импульсный плазменный реактивный двигатель торцевого типа на твердом рабочем теле тефлон (аналог фторопласта) (патент РФ № 2146776, з. № 98109266 от 14.05.1998 г., МПК F03H 1/00) с преобладающим электронно-детонационным типом разряда (Ю.Н. Вершинин «Электронно-тепловые и детонационные процессы при электрическом пробое твердых диэлектриков», Уральское отделение РАН, Екатеринбург, 2000 г.). В этих условиях реализуется выход преимущественно ионного компонента в продуктах истечения при перекрытии разрядом разрядного промежутка и ее последующей нейтрализации на завершающей дуговой фазе разряда. Такой ЭРД, названный по типу основного разряда как электронно-детонационный ракетный двигатель (ЭДРД), позволяет получать на рабочем теле тефлон более высокие удельные параметры. Однако в таком ЭРД при наработке ресурса зафиксированы неустойчивости разрядных процессов по поверхности рабочего тела в виде дрейфующих плазменных жгутов. Указанное явление ведет к интенсивному местному уносу рабочего тела из данных зон, что приводит к снижению ресурсных характеристик ЭРД ввиду неравномерности выработки рабочего тела в разрядном промежутке и низкого уровня стабильности выходных характеристик. Кроме того, в силу конструктивной специфики систем хранения и подачи для твердофазного рабочего тела, сформованного преимущественно в виде шашек цилиндрического типа, запасы его на борту ограничены габаритными возможностями электрической реактивной двигательной установки, и ресурс таких двигателей по суммарному импульсу тяги оказывается недостаточным для многих полетных задач.

Известен импульсный плазменный электрический реактивный двигатель (патент РФ № 2319039, з. № 2005102848 от 04.02.2005 г., МПК F03H 1/00) линейного типа, состоящий из анода и катода с разрядным промежутком в виде рабочей поверхности из диэлектрика, покрытого пленкой жидкого или гелеобразного рабочего тела. При этом в зоне между анодом и катодом с возможностью возвратно-поступательного движения помещен подвижный источник подачи жидкого или гелеобразного рабочего тела, содержащий пористо-капиллярный эластичный фитиль, начальный участок которого контактирует с жидким рабочим телом, находящимся в топливном баке.

Учитывая космические условия эксплуатации, в качестве рабочего тела применяют жидко фазный диэлектрик с низким значением давления насыщенных паров, например вакуумное масло или синтетические жидкости, а рабочую поверхность разрядного промежутка выполняют из смачиваемого рабочим телом диэлектрического материала, например керамики или капролона.

Такой двигатель имеет более высокие характеристики по ресурсу включений и удобству эксплуатации, чем аналог (патент РФ № 2146776, з. № 98109266 от 14.05.1998 г, МПК F03H 1/00) однако основные удельные характеристики близки друг к другу.

Задачей предлагаемого изобретения является создание электронно-детонационного двигателя линейного типа с повышенными удельными характеристиками и кпд.

Задача решается в электрическом реактивном двигателе линейного типа, состоящем из анода и катода, подключенных к генератору высоковольтных импульсов, с разрядным промежутком между ними, заполненным жидким рабочим телом в виде пленки, путем выполнения анода и катода в виде магнитопроводов, подключенных к источнику магнитного поля с ориентацией магнитных силовых линий вдоль разрядного промежутка, причем источник магнитного поля электрически разобщен с электродами анод и катод путем выполнения магнитопроводов из материала с высоким электрическим сопротивлением, например из феррита.

В этой конструкции исключается электрическое шунтирование разрядного промежутка анод-катод что, в свою очередь, позволяет максимально удобно организовать магнитные силовые линии вдоль разрядного промежутка.

Наличие магнитных силовых линий вдоль разрядного промежутка импульсного ЭРД на основе электронно-детонационного типа разряда организует движение электронов рабочего тела не по прямым траекториям (по кратчайшему пути), а по винтовым траекториям (А.И. Морозов «Введение в плазмодинамику» Физматлит, Москва, 2006 год), что ведет к дополнительному увеличению актов ионизации атомов рабочего тела. Как следствие, это приведет к увеличению тяги и кпд импульсного ЭРД.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом. На приведенной фигуре показана конструктивная схема предлагаемого ЭРД. Основным его элементом является разрядный промежуток 1, содержащий систему из двух встречно-расположенных электродов, 2 - анод и 3 - катод, выполненных из магнитомягкого материала. Поступление рабочего тела в межэлектродный промежуток происходит методом его смачивания через пористо-капиллярный эластичный фитиль (смачиватель) 4, установленный, например, на подвижной каретке 5. Периодическое перемещение каретки 5 вдоль разрядного промежутка 1 осуществляется с помощью электропривода 6. Магнитное поле создаваемое постоянным магнитом или электромагнитом 7, через ферритовые магнитопроводы 8 поступает к электродам 2 и 3, выполненным из магнитомягкого материала, замыкаясь через разрядный промежуток 1 системой магнитных силовых линий.

ЭРД такого типа работает следующим образом. Перед началом импульсной работы ЭРД, система управления подает электрическую команду длительностью несколько секунд на электропривод 6 смачивателя 4 для нанесения жидкофазной пленки на рабочую поверхность 1 в межэлектродной зоне 2 (анод) - 3 (катод). Система подачи жидкого рабочего тела от бака к смачивателю условно не показана, так как является составной частью электрической реактивной двигательной установки. В случае использования в качестве источника магнитного поля 7 электромагнита, на его обмотку подается электрический потенциал постоянного тока или импульсного, синхронизированного с подачей высоковольтных импульсов на электроды 2 и 3 (анод, катод) ЭРД.

При подаче высоковольтных импульсов напряжения на электроды 2 и 3, по поверхности жидкой пленки распространяется разряд, генерирующий ионную (электронно-детонационный тип разряда), а затем плазменную (дуговую) составляющие разряда, создающие реактивный импульс тяги. При этом электроны, перемещаясь вдоль силовых магнитных линий разрядного промежутка по винтовой траектории, резко интенсифицируют процесс соударения с нейтральными атомами жидкого рабочего тела каждой из вышеупомянутых стадий разряда, что ведет к увеличению ионного компонента продуктов истечения, а это, в свою очередь, приводит к увеличению кпд и тяги двигателя, т.к. существенно возрастает процент высокоскоростных ионов по отношению к общей массе ионного и плазменного компонентов.

bankpatentov.ru