DE1278970B

DE1278970B - Electric drive with continuous acceleration of the plasma by Lorentz forces

Info

Publication number: DE1278970B
Application number: DE1967D0052390
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Werne Fischer-Schlemm
Original assignee: VERSUCHSANSTALT fur LUFT und
Current assignee: VERSUCHSANSTALT fur LUFT und
Priority date: 1967-02-25
Filing date: 1967-02-25
Publication date: 1968-09-26

Description

Elektrisches Triebwerk mit kontinuierlicher Beschleunigung des Plasmas durch Lorentzkräfte Die Erfindung betrifft einen Lichtbogen-Rückstoßantrieb mit eigen- und fremdmagnetischer Beschleunigung des Lichtbogenplasmas, bestehend aus einer stabförmigen Kathode, einer diese umgebenden, einseitig offenen Anode, die eine axialsymmetrische Lichtbogenkammer einschließt, in welche das Treibgas axial von der Kathode her einströmt, und aus ein Fremdmagnetfeld erzeugenden Mitteln außerhalb der Lichtbogenkamme « r.Electric engine with continuous acceleration of the plasma by Lorentz forces The invention relates to an arc recoil drive with intrinsic and external magnetic acceleration of the arc plasma, consisting of a rod-shaped cathode, a surrounding, open on one side anode, which includes an axially symmetrical arc chamber in which the propellant gas axially flows from the cathode forth and generating from an external magnetic field means outside the arc comb "r.

Elektrische Triebwerke mit kontinuierlicher Beschleunigung des Plasmas durch eigenmagnetische Lorentzkräfte sind seit 1964 bekannt. Zum Stand der Technik sei hier insbesondere auf den Aufsatz von Th. P eters und K. R ag aller, »Erzeugung hoher Plasmageschwindigkeiten durch Heizung und eigenmagnetische Beschleunigung in Lichtbögen«, DVL-Forschungsbericht DLR FB 64-28 (1964) verwiesen. Auch Triebwerke mit einer zentralen Bohrung durch die Kathode als Zuführung für das Betriebsrnedium sind in dem Bericht von R. A. M o o r e, G. L. Cann, L. R. G all agher, »High specific impulse thermal are« (Jet Thrustor Technology), Air Force Aero Propulsion Laboratory Research and Technology Division Air Force Systems Comtnand, Wright Patterson Air Foree Base, Ohio, Tech. Rpt. AFAPL-TR-65-48, vorgeschlagen worden. - Aus der Zeitschrift »Bull, des schweiz. elektrotechn. Vereins« (Bd. 56, 1965, Nr. 23, S. 1033) ist ein elektrisches Triebwerk mit kontinuierlicher Beschleunigung des Plasmas durch Lorentzkräfte bekannt, bei dem das Plasma zusätzlich zu den durch das Eigenmagnetfeld hervorgerufenen Kräften durch Fremdmagnetfelder beschleunigt wird.Electric thrusters with continuous acceleration of the plasma by self-magnetic Lorentz forces have been known since 1964. Regarding the state of the art, reference is made in particular to the article by Th. P eters and K. R ag aller, "Generation of high plasma velocities through heating and intrinsic magnetic acceleration in arcs", DVL research report DLR FB 64-28 (1964). Also, engines having a central bore through the cathode as a feed for the Betriebsrnedium oore are in the report by R. A. M, G. L. Cann, LR G all Agher, "high specific impulse are thermal" (Jet Thrustor Technology), Air Force Aero Propulsion Laboratory Research and Technology Division Air Force Systems Comtnand, Wright Patterson Air Foree Base, Ohio, Tech. Rpt. AFAPL-TR-65-48. - From the magazine »Bull, des schweiz. electrotechn. Verein ”(vol. 56, 1965, no. 23, p. 1033) an electric drive with continuous acceleration of the plasma by Lorentz forces is known, in which the plasma is accelerated by external magnetic fields in addition to the forces caused by its own magnetic field.

Sämtliche bisher bekanntgewordenen kontinuierlichen Triebwerke dieser Art weisen unter anderem den Nachteil eines vorzeitigen Abbrandes des Kathodenmaterials auf und bleiben deshalb bezüglich ihrer Anwendungsmöglichkeit auf gewisse spezielle Gebiete beschränkt.All previously known continuous engines of these Art have, among other things, the disadvantage of premature burn-up of the cathode material and therefore remain on certain special ones with regard to their possible applications Areas restricted.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine intensive Kühlung der Kathodenspitze zu erzielen, um den Abbrand des Kathodenmaterials zu verringern und gleichzeitig eine stärkere Kontraktion des Kathodenbrennflecks zu erreichen. Letzteres führt bei konstantem Innendurchmesser der Düsenanode zu einem größeren eigenmagnetischen Beschleunigungseffekt.The present invention is based on the object of an intensive To achieve cooling of the cathode tip in order to burn off the cathode material decrease and at the same time a stronger contraction of the cathode spot reach. The latter leads to a constant inside diameter of the nozzle anode greater intrinsic magnetic acceleration effect.

Erfindungsgemäß ist daher der eingangs bezeichnete Lichtbogen-Rückstoßantrieb dadurch gekennzeichnet, daß die in der Lichtbogenkammer endende Kathodenspitze eines hohlen Kathodenstabes Bohrungen aufweist, durch die das Treibgas mit einer radialen Richtungskomponente in die Lichtbogenkammer einströmt, und daß zur Erzeugung eines azimutalgerichteten Fremdmagnetfeldes axialgerichtete, stromdurchflossene elektrische Leiter vorgesehen sind.According to the invention, therefore, the arc-recoil drive referred to at the outset is characterized in that the cathode tip ending in the arc chamber is one hollow cathode rod has holes through which the propellant gas with a radial Directional component flows into the arc chamber, and that to generate a azimuthally directed external magnetic field, axially directed electrical current flowing through it Head are provided.

Die Kathode ist mit drei Bohrungen versehen, die von der Kathodenachse gleichen Abstand haben und zur Zuführung des Betriebsmediums dienen, das von der Kathodenspitze aus frei in Strahlen expandiert. Die Strahlen vereinigen sich einseitig in der Triebwerksachse und werden zusätzlich zu den durch das Eigenmagnetfeld hervorgerufenen Kräften durch Fremdmagaetfelder beschleunigt, die um (vorzugsweise drei) außerhalb der entstehenden Plasmastrahlen liegende axialgerichtete Leiter gebildet werden. Die Kathodenspitze weist drei symmetrisch zur Spitze verteilte öffnungen auf.The cathode is provided with three holes leading from the cathode axis have the same distance and serve to supply the operating medium that is used by the Cathode tip expanded freely in rays. The rays unite on one side in the engine axis and are in addition to those caused by the inherent magnetic field Forces accelerated by Fremdmagaetfelder around (preferably three) outside of the resulting plasma jets lying axially directed conductors are formed. The cathode tip has three openings distributed symmetrically to the tip.

Das Auftreten mehrerer aus den Kathodenbohrungen austretender, frei expandierender Gasstrahlen, die durch die Joulesche Wärme bei der Entladung auf hohe Temperaturen (Plasmatemperatur) erhitzt werden und die sich einerseits in der Triebwerksachse treffen, ermöglicht eine Erhöhung der Lorentzkräfte (i - B) (s. A b b. 3 und 4), die durch das Eigenmagnetfeld hervorgerufen werden, durch zusätzliche äußere Fremdmagnetfelder.The appearance of several freely expanding gas jets emerging from the cathode bores, which are heated to high temperatures (plasma temperature) by the Joule heat during discharge and which meet on the one hand in the engine axis, enables an increase in the Lorentz forces (i - B) (see Fig. A b b. 3 and 4), which are caused by the internal magnetic field, by additional external external magnetic fields.

Die Erfindung soll nun an Hand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Ab b . 1 bis 4 näher erläutert werden.The invention will now be based on an embodiment with the help of Ab b. 1 to 4 are explained in more detail.

A b b. 1 a stellt die wesentlichsten Teile eines elektrischen Triebwerkes dar; A b b. 1 b und 1 c zeigen je einen Schnitt längs der Linien I-1 bzw. H-II in A b b. 1 a. Das Betriebsmedium M wird durch drei Bohrungen B in der Kathode K dem Triebwerk zugeführt. An der Kathodenspitze treten drei Gasstrahlen aus, die frei expandieren und in dem zwischen Kathode und Düsenanode A brennenden Lichtbogen auf Plasmatemperatur aufgeheizt, d. h. ionisiert werden. Die strichpunktierte Linie G symbolisiert die Begrenzung der Entladung. Der eigenmagnetische Beschleunigungseffekt bei einer glockenförmigen Entladung wird -nur durch die um den Lichtbogen entstehenden azirnutalen Magnetfeldkomponenten hervorgerufen (s. A b b. 3 und 4), d. h., eine Verstärkung dieses Effekts kann nur durch Fremdmagnetfelder mit zur Triebwerksachse azimutalen Magnetfeldkomponenten erreicht werden. Die Anwesenheit eines axialgerichteten Leiters innerhalb der heißen Plasmaströmung, der ein solches Feld erzeugen könnte, ist aus kühlungstechnischen Gründen undenkbar. Axialgerichtete Leiter außerhalb der heißen Plasmaströmung ermöglichen lokale azimutale, Feldkomponenten (s. Ab b. 2), die allerdings je nach Ort verschieden gerichtet sind (einmal im Uhrzeigersinn und einmal entgegen dem Uhrzeigersinn). A b b. 1 a represents the most important parts of an electric engine; A b b. 1 b and 1 c each show a section along lines I-1 and H-II in A b b. 1 a. The operating medium M is fed to the engine through three bores B in the cathode K. At the cathode tip, three gas jets emerge which expand freely and are heated to plasma temperature in the arc burning between the cathode and nozzle anode A , i. H. be ionized. The dash-dotted line G symbolizes the limitation of the discharge. The intrinsic magnetic acceleration effect of a bell-shaped discharge is only caused by the azimuthal magnetic field components arising around the arc (see A b b. 3 and 4), i. This means that this effect can only be amplified by external magnetic fields with magnetic field components that are azimuthal to the engine axis. The presence of an axially directed conductor within the hot plasma flow, which could generate such a field, is unthinkable for cooling reasons. Axially directed conductors outside the hot plasma flow enable local azimuthal field components (see from b. 2), which, however , are directed differently depending on the location (one clockwise and one counterclockwise).

Nur azirautale Feldkomponenten, die in« Strömungsrichtung im Gegenuhrzeigersinn gerichtet sind, führen zu einer Verstärkung des Beschleunigungseffekts, während die entgegengesetzte Feldrichtung zu einer Abbremsung des Plasmas führt. Eine Aufteilung der Entladung in drei Lichtbögen, die sich einerseits in der Triebwerksachse vereinigen, ist deshalb sinnvoll, da man durch die Magnetfelder um drei außerhalb des Plasmas liegende axialgerichtete Leiter L diese Einzellichtbögen getrennt beschleunigen kann. Eine zusätzliche Beschleunigung nach dem Zusammenschluß der drei Strahlen zu einem Strahl kreisrunden,Querschnitts durch Hallkräfte, die durch das Magnetfeld einer elektrischen Spule um das Triebwerk verursacht werden, ist durchaus möglich, da letzteres Magnetfeld innerhalb der drei Strahlen nur eine Ladungstrennung und keine Drehung der Strahlen hervorruft.Only azirautal field components which are directed counterclockwise in the direction of flow lead to an intensification of the acceleration effect, while the opposite field direction leads to a deceleration of the plasma. A division of the discharge into three arcs, which unite on the one hand in the engine axis, makes sense because these individual arcs can be accelerated separately by the magnetic fields around three axially directed conductors L located outside the plasma. An additional acceleration after the merging of the three beams into a beam with a circular, cross-section through Hall forces, which are caused by the magnetic field of an electrical coil around the engine, is entirely possible, since the latter magnetic field within the three beams only separates the charges and does not rotate the beams evokes.

Claims

Claims: 1. Arc recoil drive with intrinsic and external magnetic acceleration of the arc plasma, consisting of a rod-shaped cathode, a surrounding anode open on one side, which includes an axially symmetrical arc chamber into which the propellant gas flows axially from the cathode, and from means generating an external magnetic field outside the arc chamber, characterized in that the cathode tip of a hollow cathode rod ending in the arc chamber has bores through which the propellant gas flows into the arc chamber with a radial direction component, and that axially directed, current-carrying electrical conductors are used to generate an azimuthal external magnetic field are provided.

2. Recoil drive according to claim 1, characterized in that the cathode tip has three openings symmetrically distributed to the tip and three conductors are provided. Publications considered: Bull. Des schweiz. electrotechn. Verein, Vol. 56, 1965, No. 23, p. 1025.