CC BY
96
УДК 621.3 (075.3)
Вестник СибГАУ Том 17, № 3. С. 729-737
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
И. В. Трифанов, Б. Н. Казьмин, Л. И. Оборина, В. И. Трифанов, М. В. Савельева
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
В настоящее время является актуальным создание многофункциональных электрических ракетных двигателей (ЭРД), работающих на нескольких режимах, обеспечивающих требуемую удельную тягу, удельный импульс и энергетическую эффективность. Обеспечить указанные параметры можно при работе в импульсно-детонационном, импульсно-пульсирующем или в электрореактивном режиме. Важным при таком подходе является электроэнергетический процесс. Снижение затрат электроэнергии на ионизацию электрическим разрядом продуктов сгорания топлива, образование и ускорение плазмы на различных режимах ЭРД требует разработки новых эффективных технических решений. Одним из таких решений является повышение энергоэффективности в известном способе создания электрореактивной тяги, заключающемся в формировании потока продуктов сгорания углеводородного, химического или ядерного топлива, движущегося с заданной скоростью в магнитном поле, вектор индукции которого ортогонален вектору скорости продуктов сгорания, путем разделения потока продуктов сгорания на пучки катионов и пучок электронов. Энергию пучка электронов преобразовывают в дополнительную электрическую мощность, направляемую на ускорение, изменение скорости пучка катионов, который создает реактивную силу, пропорциональную кинетической энергии ускоренного пучка. Воздействуя на пучок катионов импульсным электромагнитным полем с требуемой рабочей частотой, можно создавать периодически импульсные детонационные волны и работу ЭРД в импульсно-детонационном или импульсно-пульсирующем режимах. Пучки катионов за срезом сопла можно нейтрализовать путем рекуперации их энергии в электростатическое электричество и электрическую мощность. Предложенный способ и модель могут повысить КПД системы электропитания, экономят топливо и другие расходные материалы, увеличивают коэффициент полезной нагрузки, радиус действия и срок жизни летательного аппарата.
Ключевые слова: электрореактивная тяга, электроэнергия, магнитное поле, пучки катионов и электронов, рекуперация энергии, усилитель-концентратор пучка электронов, резонансное СВЧ-поле, импульсный детонационный ракетный двигатель, импульсно-пульсирующий детонационный ракетный двигатель.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 3, P. 729-737
IMPROVING THE EFFICIENCY OF MULTIFUNCTIONAL ELECTRIC ROCKET ENGINES
I. V. Trifanov, B. N. Kaz'min, L. I. Oborina, V. I. Trifanov, M. V. Savel'eva
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
Nowadays the creation of multifunctional electric rocket engines, working on several modes, providing the required specific thrust, specific impulse and energy efficiency is of immediate interest. These parameters can be ensured at work in pulse-detonation, pulsed or pulsed and the electric mode. The process of power generation is important with this approach. Reducing electricity costs on the ionization electric discharge of the combustion products, the formation and acceleration of plasma on different modes electric propulsion requires the development of new and effective technical solutions. One solution is to increase energy efficiency in the known method of creation and the electric traction, is to form a stream of combustion of hydrocarbon, chemical, or nuclear fuel, moving at a given speed in a magnetic field induction vector which is orthogonal to the vector products of combustion rate by dividing the flow of combustion products cations beams and electron beam. The energy of the electron beam is converted into an additional electrical power is directed to the acceleration, the speed of change of the cations of the beam, which creates a reaction force proportional to the kinetic energy of the accelerated beam. Acting on the cation beam pulsed electromagnetic field with
the desired operating frequency, you can create a periodic pulse detonation waves and the work of ERE in the pulsedetonation or pulse-pulsed modes. Bunches of cations of the nozzle exit can be neutralized by recovering their energy in an electrostatic electricity and electric power. The proposed method and model of the power supply system may improve efficiency, fuel economy and other consumables increases the ratio of payload range and the life of the aircraft.
Keywords: the electric traction, energy, magnetic field, the electron beams and cations, energy recovery, power hub of the electron beam, resonant microwave field pulse detonation rocket engine, the pulse-pulse detonation rocket engine.
Введение. В настоящее время для совершенствования электрических ракетных двигателей (ЭРД) и жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) для космических транспортных средств необходима разработка новых подходов и принципов построения. Надежды на качественный скачок в развитии космического двигателестроения связывают с разработкой и внедрением принципиально новых типов ЖРД, работающих на импульсно-детонационном горении [1]. В таких импульсно-детонационных ракетных двигателях (ИДРД) топливные компоненты будут периодически подаваться в камеру сгорания и химически реагировать в периодически инициируемых детонационных волнах [2]. Под действием сильного ударного сжатия химическая реакция в детонационной волне протекает в режиме самовоспламенения при высоких избыточных давлениях и температурах. Для эффективного преобразования химической энергии топлива в работу расширения в таких двигателях не требуется поддерживать очень высокое давление в камере сгорания и использовать высоконапорные турбонасосные агрегаты [3].
В литературе имеются публикации по экспериментальным исследованиям рабочего процесса в ИДРД, предназначенных для использования в качестве основных силовых установок космических аппаратов [1]. Другим привлекательным приложением для ИДРД является микро-ИДРД для коррекции положения и орбитальных перемещений ИСЗ. Ожидается, что благодаря высокой термодинамической эффективности цикла детонационного горения [2] и высокой повторяемости детонационных импульсов такие микро-ИДРД превзойдут существующие аналоги на только по конструктивным (технологичность изготовления, простота конструкции и др.) и функциональным (надежность, циклическая стабильность и др.) характеристикам, но и по удельным тяговым характеристикам (удельный импульс, удельная масса и др.) [3]. Облик микро-ИДРД до сих пор еще окончательно не определен. В настоящее время для коррекции положения и орбитального перемещения КА используются электрореактивные двигатели, обладающие следующими достоинствами:
- высокий удельный импульс, благодаря высокой скорости истечения рабочего тела, достигающего 10300 км/с, по сравнению с химическими ракетными двигателями (5 км/с) [4];
- меньший запас рабочего вещества (ЗРВ) и запас топлива по сравнению с химическим ракетным двигателем (РД), необходимый для нормальной работы в течение длительного времени эксплуатации КА;
- возможность многократного включения и выключения на всю программу работы от нескольких часов до нескольких сотен часов при управлении КА и перемещении в пространстве космического летательного аппарата (КЛА).
К недостаткам ЭРД относятся:
- низкая тяга (не более 100-200 Н), что существенно ниже, чем у химических РД;
- большой расход электроэнергии (10-100 кВт на 1 Н тяги);
- из-за малой плотности тяги ЭРД космический летательный аппарат (КЛА) имеет малое ускорение;
- влияние заряженных частиц на выходе за срезом сопла на работу КА, что требует компенсации их заряда.
В связи с отмеченными особенностями работы ЭРД, они применяются в основном для ориентации, коррекции орбит КЛА и других операций, не требующих больших затрат электроэнергии.
Однако электростатические, плазменные, созданные на эффекте Холла и другие ЭРД рассматриваются как перспективные в качестве основных двигателей КЛА. Из-за малой отбрасываемой массы рабочего тела с большой скоростью время непрерывной работы таких ЭРД будет измеряться месяцами и годами. Их использование вместо существующих химических РД позволит увеличить массу полезного груза КЛА, если будут разработаны новые способы повышения плотности тяги при создании эффективных моделей получения электрореактивной тяги, а также методы решения энергетических проблем ЭРД [5; 6].
Теоретическая часть. Задачей исследовательских работ в области создания электрореактивных ракетных двигателей является разработка новых принципов построения многофункциональных ЭРД, способных работать на нескольких режимах, например, в электрореактивном, импульсно-пульсирующем и импульсно-детонационном, для решения различных задач с обеспечением требуемой удельной тяги и удельного импульса с использованием не только химической энергии топлива, но и электрической энергии пучков электронов и катионов, получаемых при разделении продуктов сгорания топлива в поперечном магнитном поле [7], что может повысить энергетическую эффективность и универсальность ЭРД [8], а также увеличить коэффициент полезной нагрузки, радиус действия и срок жизни КЛА.
РДУ аэрокосмических транспортных средств используют реактивную тягу Ft = -mv газового потока продуктов сгорания, получаемого за счет энергии сжигаемого углеводородного, химического или ядерного топлива [4-6]. При этом значительная часть
электрической энергии, сосредоточенной в электрических зарядах электронов и положительно заряженных ионов продуктов сгорания, выбрасывается газовым потоком.
Известно соотношение электрического заряда и массы электронов, одновалентных анионов и катионов [11; 12]:
( е „ е \
— = 9,6-107;— = 1,78-10п;
— = 9,6 • 107 па = 9,6 • 107 пк
та тк
Кл/кг, (1)
где е = +1,6 • 10 Кл - заряд электрона и протона соответственно; те =+9,1 •Ю-31 кг и тр =+1,67-10"27 кг =
е у
= 1 а. е. м. (атомная единица массы) - масса электрона и протона соответственно; та,тк, па,пк - массы и массовое число аниона и катиона соответственно,
па.е.м. = п •1,67
кг.
силой Лоренца, Дж;
2^
заряженной частицы, кг; V, - скорость движения частицы в газовом потоке, м/с; т^ - масса частицы в газовом потоке, кг; А, - энергия ионизации частицы в газовом потоке, Дж.
Учитывая, что энергия ионизации для образования двухвалентного иона более чем в два раза превышает энергию ионизации одновалентного иона, поэтому газовый поток в основном состоит из одновалентных ионов:
Чг = +е .
Требуемую скорость движения частицы в газовом потоке для ионизации определяют из выражения
V > (А / т, )1/2. (4)
Скорость газового потока, состоящего из смеси частиц, задают по наибольшей скорости входящей в смесь частицы.
Формула необходимой индукции магнитного поля для разделения газового потока имеет вид
В > vimi / егг или > (Атг )1/2 / егг.
Поэтому от электронов и ионов может быть получено значительно больше электрической энергии, чем их кинетическая энергия в газовом потоке, создающем реактивную тягу.
Чтобы получить электрическую энергию из газового потока, представляющую собой нейтральную низкотемпературную плазму 2000-3000 К при давлении 20-105 Па [9; 10], необходимо ионизировать и разделить его на потоки заряженной плазмы - пучок ионов и пучок электронов. Для этого используем силу Лоренца, направляющую противоположно заряженные части в противоположные стороны Ел. Силу электрического поля Ее применяем для управления пучком заряженной плазмы и ускорения пучков [11; 12]:
Ел = [V • В] и Е— = ЧгЕ , (2)
где дг - электрический заряд иона, с учетом знака заряда; Vг - вектор скорости движения иона ионизируемой заряженной частицы, м/с; В - вектор индукции магнитного поля, взаимодействующего с движущейся заряженной или ионизированной частицей, Тл; Е - вектор напряженности электрического поля, В/м.
Ионизация и разделение низкотемпературной, слабо ионизированной нейтральной плазмы [9] газового потока продуктов сгорания с помощью силы Лоренца может осуществляться только тогда, когда энергия, создаваемая силой Лоренца за счет кинетической энергии частицы в газовом потоке, превысит энергию ионизации этой частицы, и тогда ионизированная частица будет двигаться в направлении вектора силы Лоренца. Исходя из этих условий, составляем уравнение процесса ионизации, разделения газового потока и движения продуктов сгорания, используя
[13-15]: 2
WJ¡ = Чг [V • В] г = тг • V2 > А, (3)
где Ел • г = - энергия, создаваемая центробежной
(5)
Она должна быть установлена по наибольшему произведению энергии ионизации и массы иона в смеси газового потока. Частота ротации в пучке, полученном разделением газового потока, рассчитывается по выражению
£ = В • е /2птг = Дп /2%г1т112 .
. 1/2
(6)
На образующиеся пучки электронов и катионов продуктов сгорания воздействует электрическое поле силой Ее, которая помогает силе Ел отделять пучки электронов от катионов, увеличивая скорость заряженных частиц, повышая энергию пучков, и направляет пучки по вектору силы электрического поля Ее. Движение заряженной частицы в потенциальном электрическом поле описывается уравнением [9; 12]
еПе = туге / 2,
(7)
где ие - напряжение (разность потенциалов) между электродами, образующими электрическое поле, В. Устанавливают необходимое напряжение, которое управляет пучком, и увеличивают на требуемое значение vie скорость движения заряженных частиц в пучке:
иЕ = mгV1y /2е ,
^ = (2еПЕ /тг)1/2.
= гг - радиус траектории
(8) (9)
Вылетающий из сопла ускоренный пучок положительно заряженных ионов продуктов сгорания со скоростью vky = V у создает реактивную тягу - импульс
силы:
Е = ткЫ,Уку , (10)
где ткЫк - масса катионов в пучке, создающих реактивную тягу, кг; Ык - количество ионов, вылетающих из сопла за секунду.
Электроны, ускоренные напряжением иЕ, полу-
1/2
движения заряженной частицы, м; £ - частота ротации чают ск°р°сть Vky в ( / те) раз большУю, чем
V
ионы. Сила тока 1у и электрическая мощность в электрической цепи £эц, создаваемая движущимися ускоренными электрическими зарядами по прямолинейной траектории, вычисляется по выражениям
тока электронного пучка в
1/2
1гу = ^ог^гп^ \
£эц = ВДэц = !г2р О^Х
(11) (12)
где Бпп = - площадь поперечного сечения пуч-
ка; гог - радиус заряженной частицы в ускоренном пучке; - количество заряженных частиц в поперечном сечении пучка.
Напряжение, создаваемое ускоренным пучком в электрической цепи, преобразующей конвекционный ток заряженного пучка в электрическую мощность, можно описать уравнением Пуассона (divgradUi =рг (ю, х, у, z)) :
1 г V
игэц = — Грг^— =
4пе
= Р^пАцРэц (ОюУЮр' • ехр(-г / Б)
г гу эцг эц
(13)
раз, а электриче-
(т \
ская мощность в
раз больше, чем ионов, при-
где пог = гг и рг = е • пог - концентрация частиц, размер заряженной частицы и плотность электрического заряда в пучке, Кл / м3; Оэц - геометрический параметр (длина, размеры, форма) электрической цепи, м; юз = 2к/р - циклическая частота; 2р (юО)эц =
= (Ря + ](Рь - Рс ))1с / £ц = К + ] (югЬ - 1/ ЮЬС) - сопротивление на юр электрической цепи, Ом;
Рь =юг ^^п / 4 - удельное сопротивление
индуктивной части электрической цепи, Ом-м; Рс = 1/ югес - удельное сопротивление емкостной части электрической цепи, Ом-м; I и £ - длина и площадь электрической цепи; дмп - магнитная проницаемость магнитопровода, Гн/м; - число витков индуктивной обмотки; £мп - площадь поперечного сечения магнитопровода, м2; /мп - длина магнитопровода, м; ес - диэлектрическая проницаемость диэлектрика в конденсаторе, Ф/м; Рэц (юЬЬ) - удельное
сопротивление электрической цепи в резонансном режиме ХЬ = ХС, Ом-м; 2р (юО)эц = К + у(юРЬ -1 / юРС) -
сопротивление электрической цепи при рабочей частоте, Ом; Б я 5(Т / п)12 - радиус Дебая, учитывающий экранирование заряженных частиц в пучке нейтральными атомами рабочей среды [11]; Т - температура среды, К.
Теоретические основы электронной энергетики, преобразующей энергию электронных пучков в электроэнергию, рассмотрены в [13], возможные технические решения такого преобразования представлены в [16].
Масса электронов и их кинетическая энергия в 104-105 раз меньше, чем ионов, указанных в выражениях (1), (3), но частота ротации электронов, сила
веденных в формулах (7), (9), (11), (12). Поэтому электроны выводятся из потока, создающего реактивную тягу, при этом тяга снижается менее чем на 0,1 %, а энергия электронного пучка превращается в электрическую мощность, за счет которой ускоряют пучок ионов (9), существенно увеличивая реактивную тягу (10).
Реализует предлагаемый способ получения из продуктов сгорания топлива электроэнергии и создает электрореактивную тягу устройство, функциональная схема которого представлена на рисунке [7].
Устройство содержит систему сжигания соответствующего топлива 1, агрегат формирования потоков продуктов сгорания 2, канал продуктов сгорания 3, индуктор магнитного поля 4, канал ионов продуктов сжигания 5, электрический ускоритель положительно заряженных ионов 6, магнитное сопло 7, мембрану электронов 8, которая пропускает электроны и не пропускает ионы и молекулы продуктов сгорания, аксиальный анод 9, канал пучка электронов 10, электростатический преобразователь энергии пучка электронов в электрическую мощность 11, бортовую систему электропитания 12, блок электростатических ловушек 13, накопитель-преобразователь электроэнергии 14, положительно заряженные ионы 15, выход нейтральных частиц из электростатических ловушек-рекуператоров энергии 16, плазменное ядро 17, блок аккумуляторов 18.
Работает данное устройство по предлагаемому способу [7] следующим образом. Из бортовой системы электропитания 12 подают напряжение холостого хода в индуктор 4, электрический ускоритель 6, аксиальный анод 9 и преобразователь 11. Топливо (углеводородное, химическое или ядерное) сжигают в системе 1 с образованием огненного ядра, при применении лазера Nal-Yag, работающего в импульсном режиме. При помощи агрегата 2 формируют поток продуктов сгорания с температурой 2000-3000 К при давлении порядка 2-106 Па, который движется в канале 3 со скоростью vnc порядка 20 км/с и входит в магнитное поле индуктора 4, вектор магнитной индукции В которого ортогонален вектору скорости vnc. Кроме того, на газовый поток продуктов сгорания воздействуют резонансным СВЧ-излучением (показанным на рисунке в виде спиральных траекторий) частотой 34-37 ГГц, за счет которого образуется плазменное ядро 17, в котором происходит высокочастотная ионизация продуктов сгорания топлива. На основе плазменно-электронных энергетических технологий [8] разработаны способ генерации СВЧ-квантов с применением электронных пучков [17] и генератор СВЧ-квантов [18], которые могут быть использованы для создания резонансного СВЧ-излучения, работающего в миллиметровом диапазоне волн. В поле индуктора 4 под действием силы Лоренца (= (уг • В), где
дI - заряд электрона или катиона с учетом его знака) происходит разделение потока продуктов сгорания на электроны и катионы, движущиеся в противоположных направлениях. Под действием электрического поля ускорителя 6 в канале 5 образуется пучок катионов, движущихся со скоростью ук, ускоряясь электрическим полем ускорителя 6 до скорости уку- Под действием электрического поля аксиального анода 9, ускоряющего электроны, проходящие через мембрану 8, которая пропускает через себя электроны и не пропускает через себя анионы, катионы и нейтральные частицы продуктов сгорания, рассеивающие электроны, образуется пучок электронов, движущихся в канале 10 со скоростью уеу [8; 19]. Масса катионов шк в 104-105 раз больше массы электронов ше, поэтому кинетическая энергия катионов больше кинетической энергии электронов. Радиус траектории движения катионов гк ~ 102 м больше радиуса траектории движения электронов ге ~ 10-2 м, что позволяет им свободно переходить с одной силовой линии магнитного
поля на другую. Частота ротации электронов /е ~ 105 Гц
/ \ шк
больше частоты ротации катионов в — раз, что
дает возможность воздействовать на них резонансным
СВЧ-полем. Вектор скорости уеу в
( V72 1 шкА
раз больше,
чем вектор скорости уку, что делает электроны более подвижными, чем катионы, и, соответственно, электрическая мощность ускоренного пучка электронов
Л, У
или в
шк
ш„
раз больше, чем электрическая
мощность ускоренного пучка катионов, согласно расчетам [13]. Выделение пучка электронов практически не уменьшает кинетическую энергию потока продуктов сгорания, но электрическая мощность пучка элек-
тронов в
ше
раз больше, чем у пучка катионов,
поэтому энергию электронного пучка превращают в электрическую мощность в преобразователе 11 путем двухполупериодного преобразования конвекционного тока и энергии электронного пучка в электрическую мощность, которое осуществляется следующим образом [16].
в
Функциональная схема устройства, реализующего создание электрореактивной тяги
Под действием положительной полуволны напряжения рабочей частоты бортовой системы электропитания 12 в преобразователе 11 конвекционный ток электронного пучка 10 переходит в ток проводимости, создавая соответствующую мощность, равную произведению силы тока на рабочее напряжение, которую используют для создания дополнительной электрореактивной тяги и трансформируют в бортовую систему [20] электропитания 12 для электроснабжения других систем летательного аппарата. При смене полярности полуволны напряжения преобразование конвекционного тока электронного пучка 10 происходит в другом плече симметричного трансформатора преобразователя 11 [8].
За счет полученной дополнительной электрической мощности ускоряют пучок катионов путем подачи необходимого напряжения с преобразователя 11 на электрический ускоритель 6 и аксиальный анод 9. Получив ускорение, катионы входят магнитное сопло 7, поверхность которого защищена продольным магнитным полем, вылетая из сопел, создают реактивную тягу, пропорциональную средней скорости ускоренного пучка катионов, рекомбинируемых в нейтральные частицы в электростатических ловушках-рекуператорах энергии катионов 13. Энергия пучков катионов 15, преобразованная в электростатическое электричество в электростатических ловушках-рекуператорах энергии путем электростатического торможения, подается в накопитель-преобразователь электроэнергии и используется в электроэнергетических процессах ЭРД.
Изменением напряжения преобразователя 11 регулируют скорость катионов vkу, электрически управляя электрореактивной тягой. Не использованную на электрореактивную тягу электрическую мощность, получаемую из электронного пучка, трансформируют в бортовую систему электропитания 12 для электроснабжения других систем космического аппарата [7].
В совокупности рекуперация энергии электронных и положительно заряженных ионных пучков может повысить электрическую мощность ЭРД [21; 22].
Для создания электростатических ловушек рекуперации энергии квазиуниполярных пучков электронов и ионов с высокой энергоемкостью был предложен генератор, сочетающий в себе электростатическое заряжающее устройство с электродами из углеродного материала, интегрированными с ионистор-ными конденсаторами, позволяющими преобразовывать энергию заряженных частиц и накапливать электростатический заряд с получением напряжения на электродах до 5 В и требуемой емкостью [23; 24], а также разработана модель преобразования энергии плазмы в электроэнергию [24].
Накопление заряда электростатической энергии за счет рекуперации энергии квазиуниполярного пучка
U 2
описывается выражением Q = C (Дж), где U -
напряжение на электродах ионисторного конденсатора, В; С - емкость, Ф. Емкость определяется количе-
ством заряженной энергии и определяется по формуле С = I ■ ии, где I - ток заряда; t - время заряда [25].
При взаимодействии положительно заряженного иона с электродами-коллекторами электростатической ловушки 13 его энергия должна быть в 2 раза больше энергии выхода электрона из вещества (например, из наномодифицированного углеродного материала, покрытого графеновой пленкой, из которого изготовлены электроды-коллекторы электростатической ловушки); е и > где Wo - работа выхода; и{ - потенциал ионизации [26].
Оценим энергетическую эффективность на конкретном примере. Допустим, сжигается 1-10-6 моля условного углеводородного топлива за секунду (это составляет 0,166-10-3 кг за 1 ч). На сжигание затрачивается три моля кислорода, в результате получают пять молей (3-1024 частиц) продуктов сгорания, из них два моля углекислого газа и три моля водяного пара. Поток продуктов сгорания за счет тепловой энергии удается разогнать до скорости 20 км/с, создавая реактивную тягу, примерно равную 29 кН-с. Этой скорости (выражение (4)) вполне достаточно для ионизации углекислого газа (8 км/с) и водяного пара (12 км/с).
Индукция (см. формулу (5)) магнитного поля, разделяющего газовый поток на пучки электронов и ионов, устанавливается исходя из фактической скорости потока и желательной траектории движения пучков заряженных частиц, в особенности это важно для траектории электронов, чтобы войти в свой канал [8].
Задаем ге = 10-2 м, требуемая индукция (см. формулу (5)) составляет 5,6-10-6 Тл. Напряженность Н и плотность энергии магнитного поля индуктора WВН составляет 4,45 А/м и 2,5-10-5 Дж/м3 в соответствии с выражением (14):
Н =
В
и Wвн =
В
^ге
= В ■ Н
(14)
где цгп - магнитная проницаемость газового потока, ~4л40-7 Гн/м.
При 100-процентной ионизации продуктов сгорания сила тока создается пучком электронов 1еП (составляет 1,5-105 А) и пучком ионов 1КП (составляет ~1,9 А). Ускоряющее напряжение, необходимое для увеличения скорости пучка катионов на 100 км/с, иЕУ составляет ~2,3 кВ. Затраты электрической мощности на ускорение пучка катионов 8КУ = 1КиЕУ на 100 км/с составляет ~1,45-103 В-А = 1,45 кВ-А.
Электрическая мощность, создаваемая электронным пучком Бе = 1вив и преобразуемая в электроэнергию под напряжением иЕ = иЕУ = 2,3 кВ (см. формулу (12)), составляет ~3,5-108 В-А. Общая скорость вылетающего из сопла пучка катионов равна 120 км/с. Они создают импульс силы реактивной тяги порядка 174 Н-с. Остальную электрическую мощность (- 8КУ), равную 108 В-А, но не используемую
на ускорение пучка ионов, передают в бортовую систему электропитания 12 для использования в других системах транспортного средства. Предлагаемый способ создания электрореактивной тяги повышает энергетическую эффективность КЛА [7].
Таким образом, при работе ЭРД в электрореактивном режиме возможно повышение удельной тяги и энергообеспечения с сохранением высокого удельного импульса. При недостаточном энергообеспечении ЭРД для создания тяги необходимо использовать дополнительно импульсно-детонационный режим.
Для работы в импульсно-детонационном режиме (с частотой до 200 Гц) и импульсно-пульсирующем режиме (с частотой более 200 Гц) на ускоритель 6 положительно заряженных ионов или катионов подается напряжение и = 2-5 кВ со знаком (-) или со знаком (+) с требуемой частотой. При подаче напряжения со знаком (-) происходит ускорение потока положительно заряженной плазмы, истекающей через магнитное сопло 7 со скоростью до 100-300 км/с, за счет энергии детонационной волны и ускоряющего электрического поля. При подаче напряжения со знаком (+) на ускоритель 6 (см. рисунок) на огненное ядро в камере сгорания 1 оказывается воздействие ионизированно-термических волн, направленных со стороны плазменного ядра 17. Такое взаимодействие продуктов неполного сгорания топлива и ионизированных положительно-термических волн может приводить к детонации и микровзрыву в агрегате формирования потока продуктов сгорания топлива 2 и созданию устойчивого детонационного режима горения в канале 3 [1]. В канале продуктов сгорания 3 могут происходить взрывчатые превращения при высокой энергетической напряженности с плотностью энерговыделения 10-103 МДж/м3, со скоростью образования ударных волн 103-104 м/с [2], что обусловлено быстрым выделением энергии в ограниченном объеме, связанным с внезапным изменением состояния продуктов сгорания топлива, а также активацией их встречным потоком ионизированных частиц. Создание пульсирующего ускоряющего продольного электрического поля с определенной частотой со стороны ускорителя 6 позволяет работать ЭРД в импульсно-циклическом или в импульсно-пульсирующем режиме, при этом импульсная работа лазера, используемого для поджига топлива в камере 1 , должна быть согласована с импульсно-детонационным процессом работы ракетного двигателя. При сжатии силовых линий поперечного магнитного поля, создаваемого индуктором 4, энергия будет увеличиваться, и скорость движения электронов через электронную мембрану будет возрастать под действием ускоряющего электрического поля анода 9, что будет способствовать увеличению преобразования энергии электронов в электрический ток.
При импульсном или импульсно-пульсирующем детонационном горении КПД двигателя может увеличиваться до 60-80 %, а тяга в 1,5-2 раза [1] за счет воздействия на продукты сгорания топлива энергии детонационной волны и ускоряющего напряжения на поток катионов.
Заключение. Предложенные способ создания электрореактивной тяги [7] и функциональная схема ЭРД могут позволить реализовать многофункциональный электрический ракетный двигатель, работающий в электрореактивном, импульсно-детонационном и импульсно-пульсирующем режимах с использованием электромагнитной плазмодетонационной энергетической системы (ЭПЭС), генерирующей импульсное электромагнитное поле с рабочей частотой
/ =1, где t - длительность импульса. Создание многофункционального ЭРД будет способствовать решению различных задач при эксплуатации КЛА, например, с применением одного ракетного двигателя и разных компонентов топлива, отвечающих требованиям функционирования ЭПЭС. Для этого требуется проведение НИР с целью научного обоснования построения индивидуальных компонентов ЭПЭС и систем многофункционального ЭРД, обладающего высокой энергетической эффективностью за счет преобразования энергии заряженных частиц - электронов, катионов и положительно заряженных ионов, получаемых из продуктов сгорания топлива, в электрическую мощность, а также за счет управления процессами при помощи электромагнитных и электрических полей.
Для подтверждения теоретических разработок необходимо провести экспериментальные исследования работы усилителей-концентраторов электронов с электронными мембранами, а также преобразователей и рекуператоров энергии заряженных частиц, и в целом работы ЭРД в электрореактивном и им-пульсно-детонационном режимах.
Библиографические ссылки
1. Фролов С. М. Импульсные детонационные двигатели. М. : Торус пресс, 2006. 592 с.
2. Зельдович Я. Б. Журнал технической физики. 1940. Т. 10, вып. 17. С. 1453.
3. Фролов С. М., Аксенов В. С., Иванов В. С. Экспериментальная демонстрация рабочего процесса в импульсно-детонационном жидкостном ракетном двигателе // Химическая физика. 2011. Т. 30, № 8. С. 58-61.
4. Гришин С. Д., Лесков Л. В., Козлов Н. П. Электрические ракетные двигатели. М. : Энергия, 1975. 272 с.
5. Штулингер Э. Ионные двигатели для космических полетов : пер. с англ. М. : Мир, 1966. 341 с.
6. Агеев В. П., Островский В. Г. Магнитоплазмо-динамический двигатель большой мощности непрерывного действия на литии // Известия Рос. акад. наук. 2007. № 3. С. 82-95.
7. Пат. 2567896 Российская Федерация, МПК Б 03 Н 1/00. Способ создания электрореактивной тяги / Казьмин Б. Н., Трифанов И. В., Оборина Л. И., Рыжов Д. Р., Дубова Е. Д. № 2013125958/06 ; заявл. 05.06.2013 ; опубл. 10.11.2015, Бюл. № 31.
8. Принципы построения электроэнергетических и электродинамических технологий космических
аппаратов : монография / И. В. Трифанов [и др.] ; под общ. ред. И. В. Трифанова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. 182 с.
9. Фортов В. Е. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. М. : Наука, 2000. С. 316-320.
10. Морозов А. И. Введение в плазмодинамику. М. : Физматлит, 2005. 116 с.
11. Большой энциклопедический словарь. Физика / гл. ред. А. М. Прохоров. М. : Рос. энцикл., 1998. 994 с.
12. Сена Л. А. Единицы физических величин и их размерности. М. : Наука, 1977. 336 с.
13. Яворский Б. М., Детлаф А. А., Милковская Л. Б. Курс физики. В 2 т. Т. 2. Электричество и магнетизм. М. : Высш. шк., 1964. 439 с.
14. Фаворский О. Н., Фишгойт В, В., Янтовский Е. И. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М. : МЭИ, 1970. 384 с.
15. Гольдфайн И. А. Векторный анализ и теория поля. М. : Физматлит, 1962. 376 с.
16. Экспериментальная проверка перехода энергии взаимодействия потока электронной плазмы в электромагнитный процесс для создания электроэнергетической технологии / Б. Н. Казьмин [и др.] // Альтернативная энергетика и экология. 2012. № 11. С. 87-91.
17. Пат. 2551371 Российская Федерация, МПК H 03 B 7/10. Способ генерации СВЧ-квантов / Казьмин Б. Н., Трифанов И. В., Рыжов Д. Р., Оборина Л. И., Хоменко И. И. № 2013148990/07 ; заявл. 01.11.2013 ; опубл. 20.05.2015, Бюл. № 14.
18. Пат. 2541162 Российская Федерация, МПК H
03 B 7/10, H 01 S 3/04. Генератор СВЧ-квантов на основе электронных пучков / Казьмин Б. Н., Трифа-нов И. В., Рыжов Д. Р., Колмыков В. А., Логинов Ю. Ю. № 2013152572/08 ; заявл. 26.11.2013 ; опубл. 20.02.2015, Бюл. № 4.
19. Заявка 2015146935 от 30.10.2015. Усилитель-концентратор пучков электронов с электронной мембраной / Трифанов И. В., Казьмин Б. Н., Оборина Л. И., Трифанов В. И., Рыжов Д. Р.
20. Пат. 2578207 Российская Федерация, МПК H02N 3/00 (2006.01). Способ получения электроэнергии / Казьмин Б. Н., Трифанов И. В., Оборина Л. И., Колмыков В. А., Рыжов Д. Р. № 2014109507/07 ; заявл. 12.03.2014 ; опубл. 27.03.2016, Бюл. № 4.
21. Димитров С. К., Обухов В. А. Системы торможения и рекуперации энергии плазменных потоков (ионные инжекторы и плазменные ускорители) / под. ред. А. И. Морозова и Н. Н. Семашко. М. : Энерго-атомиздат, 1989. С. 193-219.
22. Пат. 2117398 Российская Федерация, МПК Н
04 В1 3/00. Способ передачи энергии в вакууме / Али-каев В. В., Егоров А. Н., Семашко Н. Н., Латышев Л. А. № 97103964/09 ; заявл. 13.03.1997 ; опубл. 10.08.1998.
23. Рекуперация энергии квазиуниполярных пучков электронов и ионов в электроэнергию ЭРД / И. В. Трифанов [и др.] // Решетневские чтения : материалы XIX Междунар. науч. конф. / СибГАУ. Красноярск. 2015.
24. Ryzhov D. R., Kazmin B. N., Trifanov I. V. The model of plasma-electronic technology of producing
electricity from electron beams // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2015.
25. Пат. 2597205 Российская Федерация, МПК H01J 25-68 (2006.01). Генератор электрического тока на потоке плазмы / Трифанов И. В., Казьмин Б. Н., Оборина Л. И., Трифанов В. И. № 2015115048/07 ; заявл. 21.04.2015 ; опубл. 10.09.2016, Бюл. № 25.
26. Аксенов А. И., Носков Д. А. Процессы лазерной и электронно-ионной технологии : учеб. пособие / Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. Томск, 2007. 110 с.
References
1. Frolov S. M. Impul'snye detonatsionnye dvigateli [Pulse detonation engine]. Moscow, Torus press, 2006, 592 p.
2. Zel'dovich Ya. B. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki [Technical Physics], 1940, Vol. 10, 1453 p.
3. Frolov S. M., Aksenov V. S., Ivanov V. S. [Experimental demonstration of the working process in a pulse-detonation of liquid rocket engines]. Khimicheskaya fizika. 2011, Vol. 30, No 8, P. 58-61 (In Russ.).
4. Grishin S. D., Leskov L. V., Kozlov N. P. Elektricheskie raketnye dvigateli [Electric rocket engines]. Moscow, Energiya Publ., 1975, 272 p.
5. Shtulinger E. Ionnye dvigateli dlya kosmicheskikh poletov [The ion engines for space flights]. Moscow, World Publ., 1966, 341 p.
6. Ageev V. P., Ostrovskiy V. G. [High power magnetic and plasmic motor of continuous action on lithium]. Proceedings of the Russian Academy of Sciences, 2007, Vol. 3, P. 82-95 (In Russ.).
7. Kaz'min B. N., Trifanov I. V., Oborina L. I., Ryzhov D. R., Dubova E. D. Sposob sozdaniya elektroreaktivnoy tyagi [The process of creating electro jet thrust]. Patent RF, no 2567896, 2015.
8. Trifanov I. V., Kaz'min B. N., Ryzhov D. R., Khomenko I. I. Printsipy postroeniya elektroenerge-ticheskikh i elektrodinamicheskikh tekhnologiy kosmicheskikh apparatov [Principles of electric and electro-spacecraft technologies]. Krasnoyarsk, 2015, 182 p.
9. Fortov V. E. Entsiklopediya nizkotemperaturnoy plazmy [Encyclopedia of Low-Temperature Plasma]. Moscow, Nauka Publ., 2000, P. 316-320.
10. Morozov A. I. Vvedenie v plazmodinamiku [Introduction to plasma dynamics]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2005, 116 p.
11. Prokhorov A. M. Bol'shoy entsiklopedicheskiy slovar' [Great Encyclopedic Dictionary]. Moscow, Ross. Entsikl Publ., 1998, 994 p.
12. Sena L. A. Edinitsy fizicheskikh velichin i ikh razmernosti [Units of physical quantities and their dimensions]. Moscow, Nauka Publ., 1977, 336 p.
13. Yavorskiy B. M., Detlaf A. A., Milkovskaya L. B. Kurs fiziki: Vol. 2. Elektrichestvo i magnetism [Course of Physics: Electricity and Magnetism]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1964, 439 p.
14. Favorskiy O. N., Fishgoyt V, V., Yantovskiy E. I. Osnovy teorii kosmicheskikh elektroreaktivnykh dvigatel '-nykh ustanovok [Fundamentals of the theory of electro-space propulsion systems]. Moscow, MEI Publ., 1970, 384 p.
15. Gol'dfayn I. A. Vektornyy analiz i teoriya polya [Vector analysis and field theory]. Moscow, Fizmatlit Publ, 1962, 376 p.
16. Kaz'min B. N., Trifanov I. V., Koval'chuk V. B. [Experimental verification of the transition energy of the electron plasma flow interaction in the electromagnetic process for the creation of electrical power technology]. Al'ternativnaya energetika i ekologiya. 2012, No 11. P. 87-91.
17. Kaz'min B. N., Trifanov I. V., Ryzhov D. R., Oborina L. I., Khomenko I. I. Sposob generatsii SVCh-kvantov [A method of generating microwave rays]. Patent RF, No 2551371, 2015.
18. Kaz'min B. N., Trifanov I. V., Ryzhov D. R., Kolmykov V. A., Loginov Yu. Yu. Generator SVCh-kvantov na osnove elektronnykh puchkov [Generator microwave photons on the basis of electron beams]. Patent RF, No 2541162, 2015.
19. Trifanov I. V., Kaz'min B. N., Oborina L. I., Trifanov V. I., Ryzhov D. R. Usilitel'-kontsentrator puchkov elektronov s elektronnoy membranoy [Power Hub electron beams with membrane]. The patent application, No 2015146935, 2015.
20. Kaz'min B. N., Trifanov I. V., Oborina L. I., Kolmykov V. A., Ryzhov D. R. Sposob polucheniya elek-troenergii [A method for producing electricity]. Patent RF, No. 2578207, 2016.
21. Dimitrov S. K., Obukhov V. A. Sistemy tormozheniya i rekuperatsii energii plazmennykh potokov (Ionnye inzhektory i plazmennye uskoriteli) [Braking systems and recovery of plasma flows of energy (Ionic injectors and plasma accelerators)]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989, P. 193-219.
22. Alikaev V. V., Egorov A. N., Semashko N. N., Latyshev L. A. Sposob peredachi energii v vakuume [Power transmission method in vacuum]. Patent RF, No 97103964/09, 1998.
23. Trifanov I. V., Ryzhov D. R., Kaz'min B. N., Oborina L. I. [Energy recovery kvaziunipolyarnyh beams of electrons and ions in the ERE energy]. Materialy XIX Mezhdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Proc. of XIX Intern. Scientific. Conf "Reshetnev readings"]. Krasnoyarsk, 2015, P. 98-99. (In Russ.).
24. Ryzhov D. R., Kaz'min B. N., Trifanov I. V. The model of plasma-electronic technology of producing electricity from electron beams. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2015.
25. Trifanov I. V., Kaz'min B. N., Oborina L. I., Tri-fanov V. I. Generator elektricheskogo toka na potoke plazmy [A power generator to the plasma flow]. Patent RF, No. 2597205, 2016.
26. Aksenov A. I., Noskov D. A. Protsessy lazernoy i elektronno-ionnoy tekhnologii [The processes of laser and electron-ion technology]. Tomskiy gosudarstvennyy universitet sistem upravleniya i radioelektroniki Publ., 2007, 110 p.
© Трифанов И. В., Казьмин Б. Н., Оборина Л. И., Трифанов В. И., Савельева М. В., 2016
