DE29501616U1

DE29501616U1 - Ion drive for accelerating missiles or vehicles

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Publication number: DE29501616U1
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Priority date: 1995-02-02
Filing date: 1995-02-02
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2005-02-03

Description

Ionenantrieb zum Beschleunigen von Flugkörpern oder FahrzeugenIon propulsion for accelerating missiles or vehicles

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.

Die Erzeugung der Rückstoßkraft zum Antrieb von Flugkörpern oder Fahrzeugen erfolgt üblicherweise durch Umsetzung chemischer Energie über die Wärmeenergie. Dabei ist einmal der Wirkunggrad nicht sehr günstig, zum anderen ist auch die Regelbarkeit besonders bei Festkörper-Raketen äußerst gering. Wünschenswert ist es, die Beschleunigung von Massen über Feldkräfte zu erreichen.The recoil force for propelling missiles or vehicles is usually generated by converting chemical energy into thermal energy. The efficiency is not very good, and the controllability is extremely low, especially with solid-state rockets. It is desirable to achieve the acceleration of masses using field forces.

Im elektrischen Feld wirken Kräfte auf Ladungen. Elektrische Ladungen sind aber nur dann an Masse gebunden, wenn Moleküle ionisiert werden. Darunter versteht man, daß die Moleküle Atome haben, deren positive Ladung im Kern nicht mit der Anzahl der Elektronen der äußeren Schale übereinstimmt, bei denen also in den Elektronenschalen Elektronen fehlen oder zu viel vorhanden sind. Entsprechend liegen positve oder negative Ionen vor. Damit ist also die elektrische Ladung unmittelbar mit Masse verbunden.In an electric field, forces act on charges. However, electric charges are only bound to mass if molecules are ionized. This means that the molecules have atoms whose positive charge in the nucleus does not match the number of electrons in the outer shell, i.e. where electrons are missing or there are too many in the electron shells. Positive or negative ions are present accordingly. The electric charge is therefore directly connected to mass.

In Gasen sind solche Moleküle frei beweglich und unterliegen der Braunschen Molekularbewegung. Man kann somit solche Moleküle im elektrischen Feld beschleunigen.In gases, such molecules are freely mobile and subject to Braun's molecular motion. Such molecules can therefore be accelerated in an electric field.

&diams; ·&diams; ·

Wird auf diese Weise die Masse durch ein elektrisches Feld beschleunigt, so ist der erforderliche Energie-Aufwand, also damit der Verbrauch der begrenzt verfügbaren Primärenergie,If the mass is accelerated in this way by an electric field, the required energy expenditure, and thus the consumption of the limited available primary energy,

geringer als bei Antrieben der üblichen Art. Die beängstigenden Veränderungen der Erdatmosphäre werden reduziert. Die beschränkten Energievorräte werden geschont. In einem elektrischen Feld mit hoher Feldstärke vor einer spitzen Elektrode entsteht bekanntlich "elektrischer Wind". Der Vorgang dabei ist, daß durch Stoßionisation Gasmoleküle ionisiert und in Richtung von der spitzen Elektrode weg in den Raum beschleunigt werden. In dieser Richtung, nämlich in Richtung der Feldstärke, werden die Ladungsträger beschleunigt, die die gleiche Polarität wie die Spitze haben. Ladungsträger mit gegensätzlicher Polarität entladen sich an der Spitze. Die bei der Beschleunigung im elektrischen Feld entstehende "Rückstoßkraft" ist nur klein, nämlich in der Größenordnung von mN {milli Newton). Der Grund dafür ist, daß die Zahl der ionisierten Moleküle im Vergleich zu der gesamten Molekülzahl verschwindend gering ist. Die entstehende "Driftbewegung" an der auch die neutralen Moleküle beteiligt sind, ist gebremst.less than with conventional drives. The frightening changes in the earth's atmosphere are reduced. The limited energy reserves are conserved. In an electric field with a high field strength in front of a pointed electrode, "electric wind" is known to arise. The process is that gas molecules are ionized by impact ionization and accelerated into space in the direction away from the pointed electrode. In this direction, namely in the direction of the field strength, the charge carriers that have the same polarity as the tip are accelerated. Charge carriers with opposite polarity discharge at the tip. The "recoil force" that arises during acceleration in the electric field is only small, namely in the order of mN (milli Newtons). The reason for this is that the number of ionized molecules is negligible compared to the total number of molecules. The resulting "drift movement" in which the neutral molecules are also involved is slowed down.

Die erste Forderung für ein Ionentriebwerk ist es demnach, eine möglichst hohe Ionenkonzentration in dem für die Beschleunigung vorgesehenem Gas zu realisieren.The first requirement for an ion engine is therefore to achieve the highest possible ion concentration in the gas intended for acceleration.

Unter Normalbedingungen, bei üblichen Temperaturen und Luftdruck so wie nicht übermäßig hoher Lage befinden sich ca 1000 Ionen im cm^ unserer Umgebungsluft. Verglichen mit den ca 10-^ Molekülen im cm^ ist dieser Anteil freier Ionen, der ständig rekombiniert und neu gebildet wird, vernachlässigbar klein. Im elektrischen Feld, vor einer spitzen Elektrode werden örtlich höhere Ionenanteile erzeugt. Das geschieht durch Stoßionisation. Die wenigenUnder normal conditions, at normal temperatures and air pressure, and at a not excessively high altitude, there are around 1000 ions in the cm^ of our ambient air. Compared to the approximately 10-^ molecules in the cm^, this proportion of free ions, which is constantly being recombined and newly formed, is negligible. In an electric field, in front of a pointed electrode, higher ion proportions are generated locally. This happens through impact ionization. The few

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vorhandenen Ladungsträger, sowohl Ionen als auch freie Elektronen, werden beschleunigt und nehmen dabei Energie auf. Wenn die aufgenommene Energie größer wird als die Ionisierungsenergie des Atoms mit dem der nächste Zusammenstoß erfolgt/ so kommt es zu einer Ionisation. In einem Feld mit hoher Feldstärke, wie es vor der spitzen Elektrode vorliegt, entstehen so neue Ionen. Im Volumen nach einer solchen Spitze konnten etwa 10^ ionen im cm³ gemessen werden. Bezogen auf die 19 Zehnerpotenzen der gesamten Molekülzahl sind die 3 zusätzlichen Zehnerpotenzen noch sehr gering. Deshalb sind die Kräfte, die durch diese Massenbeschleunigung erzielt werden für praktische Anwendungen nicht interessant. Bei einem Testkörper, der in einer Richtung eine spitze Elektrode hat, so daß hier bei anliegender Spannung gegen den weit entfernten Gegenpol, Entladungen stattfinden, während auf der Gegenseite dieses Testkörpers durch große Krümmumngsradien Entladungen vermieden sind, bleiben die auftretenden Kräfte auf diesen Testkörper die durch den "elektrischen Wind" verursacht werden, immer kleiner als die rechnerischen Zugkräfte auf die Vorderseite, die dadurch entstehen, daß das elektrische Feld vor der Elektrode sich zu verkleinern trachtet. Man kann sich also vorstellen, daß die Feldlinien durch die erzeugten Ladungträger vor der spitzen Elektrode abgeschirmt werden, so daß die Zugkräfte nur auf die freien Ladungsträger wirken, während sie auf der Gegenseite auf der Elektrodenfläche voll wirksam sind. Wenn auch die erzeugten Ladungsträger vor der Spitze keine großen Kräfte verursachen, so kann doch die verusachte Bewegung der Ladungsträger für das Gesamtkonzept genutzt werden.Existing charge carriers, both ions and free electrons, are accelerated and absorb energy in the process. If the absorbed energy is greater than the ionization energy of the atom with which the next collision occurs, ionization occurs. In a field with a high field strength, such as that in front of the pointed electrode, new ions are created. In the volume after such a tip, about 10^ ions per cm ³ could be measured. In relation to the 19 orders of magnitude of the total number of molecules, the 3 additional orders of magnitude are still very small. Therefore, the forces achieved by this mass acceleration are not interesting for practical applications. In a test body that has a pointed electrode in one direction, so that when voltage is applied to the opposite pole, discharges occur, while discharges are avoided on the opposite side of this test body due to large radii of curvature, the forces on this test body caused by the "electric wind" always remain smaller than the calculated tensile forces on the front, which arise because the electric field in front of the electrode tends to decrease. One can therefore imagine that the field lines are shielded by the generated charge carriers in front of the pointed electrode, so that the tensile forces only act on the free charge carriers, while on the opposite side they are fully effective on the electrode surface. Even if the generated charge carriers in front of the tip do not cause large forces, the movement of the charge carriers caused can still be used for the overall concept.

Bei größerer Höhe wirken kosmische und radioaktive Strahlungen und verursachen höhere Ionen-Konzentration.At higher altitudes, cosmic and radioactive radiation occurs and causes higher ion concentrations.

Das ist damit die nächste Möglichkeit, höhere Ionenkonzentration zu erzielen: Man muß die in den großenThis is the next possibility to achieve higher ion concentration: You have to reduce the ions in the large

Höhen vorliegenden Verhältnisse, der energiereichen Strahlung nachbilden. Ein Teil dieser Energie ist elektromagnetische Strahlung, also elektromagnetische Schwingungen mit extrem hoher Frequenz. Der Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Energie der Strahlung ist über das "Planksche Wirkungsquantum" h gegeben: Die Energie ist W= &ngr; h = h*c / &lgr;, dabei ist &ngr; die Frequenz, c die Lichtgeschwindigkeit und &lgr; die Wellenlänge. UV-Licht hat eine Wellenlänge von &lgr; » 10"^ m, eine Frequenz &ngr; « 10l6 Hz und eine Energie von W = 10 eV. Bei Bestrahlung mit UV-Licht erfolgt eine gewisse Ionisation. Der Zusammenhang zwischen der Ionisation und der notwendigen Energie ist ist für die verschiedenen Materialien durch die Ionisationsenergie des betreffenden Elementes gegeben. Es ist also für unterschiedliche Atome mehr oder weniger groß.heights, to simulate the conditions of the high-energy radiation. Part of this energy is electromagnetic radiation, i.e. electromagnetic oscillations with an extremely high frequency. The connection between the frequency and the energy of the radiation is given by the "Planck constant" h: The energy is W= ν h = h*c / λ, where ν is the frequency, c is the speed of light and λ is the wavelength. UV light has a wavelength of λ » 10"^ m, a frequency ν « 10l6 Hz and an energy of W = 10 eV. When irradiated with UV light, a certain amount of ionization occurs. The connection between the ionization and the energy required is given for the various materials by the ionization energy of the relevant element. It is therefore more or less large for different atoms.

Die Ionisationsenergie für Stickstoff N2 beträgt Ui =15,8 eV, für Sauerstoff O2 ist sie Ui = 12,8 eV. Experimentell kann man schon bei Frequenzen im MHz-Bereich Ionisation nachweisen. Beim durchgeführten Versuch stand ein HF-Generator mit 13,5 MHz und ausreichender Leistung zur Verfügung.The ionization energy for nitrogen N2 is Ui = 15.8 eV, for oxygen O2 it is Ui = 12.8 eV. Ionization can be demonstrated experimentally at frequencies in the MHz range. In the experiment carried out, an RF generator with 13.5 MHz and sufficient power was available.

Entsprechend diesen Erkenntnissen ist im unter Schutz zu stellenden Ionentriebwerk vorgesehen, durch ein elektrisches Hochfrequenz-Wechselfeld, durch radioaktive Strahlung mit Hilfe von Isotopen und durch UV-Bestrahlung eine möglichst hohe Ionenkonzentration im Gas zu erzeugen. Ergänzt wird diese Ionisation durch eine spitze Elektrode, die den Hochspannungsteil des elektrischen Feldes für die Beschleunigung bildet.According to these findings, the ion engine to be protected is designed to generate the highest possible ion concentration in the gas using an alternating high-frequency electric field, radioactive radiation using isotopes and UV radiation. This ionization is supplemented by a pointed electrode, which forms the high-voltage part of the electric field for acceleration.

Im Beschleunxgungsfeld ergibt sich auf Grund des Feldlinienverlaufes und durch die abstoßenden Kräfte bei gleichartigen Ladungsträgern eine Divergenz des Strahles der beschleunigten Ionen. Dadurch lagern sich die IonenIn the acceleration field, the beam of accelerated ions diverges due to the field line path and the repulsive forces of similar charge carriers. This causes the ions to settle

zum Teil an den Wänden des Rohres an, in dem die Beschleunigung stattfindet. Als Gegenmaßnahme wird in dem Rohr ein magnetisches Feld erzeugt, dessen Feldlinienrichtung in Achsrichtung des Rohres liegt. Ein solches Magnetfeld läßt sich durch eine Magnetspule herstellen, die um das Rohr herum angeordnet ist. Dieses Magnetfeld ist in dem interessierenden Bereich recht homogen. Die Magnetische Induktion B verursacht mit der Geschwindigkeit der bewegten Ladungsträger &ngr; eine Kraftwirkung auf die Ladungsträger, die senkrecht auf den Vektoren B und &ngr; wirkt: F = e ( &ngr; X B ). Dadurch wird aus der radialen Komponente der Geschwindigkeit &ngr; eine tangentiale Komponente, so daß der Divergenz entgegengewirkt wird. (Aus dem Trichter wird eine Wendeltreppe). Für den Strahl der bewegten Ionen wird dadurch weitgehend die gewünschte Richtung erhalten. Der Effekt wird um so besser, je höher die Geschwindigkeit &ngr; der Ladungsträger ist.partly on the walls of the tube in which the acceleration takes place. As a countermeasure, a magnetic field is generated in the tube, the field line direction of which is in the axial direction of the tube. Such a magnetic field can be created by a magnetic coil arranged around the tube. This magnetic field is quite homogeneous in the area of interest. The magnetic induction B, with the speed of the moving charge carriers v, causes a force to act on the charge carriers, which acts perpendicularly to the vectors B and v: F = e ( v X B ). This turns the radial component of the speed v into a tangential component, so that the divergence is counteracted. (The funnel becomes a spiral staircase). This largely maintains the desired direction for the beam of moving ions. The effect is better the higher the speed v of the charge carriers.

Wenn die Ionen mit der aufgebrachten Geschwindigkeit auf die Gegenelektrode auftreffen, so wird dabei die Masse abgebremst. Das bedeutet, daß die aufgenommene Energie im System erhalten bleibt. Die Forderung, daß die Masse der Ionen mit hoher Geschwindigkeit nach außen abgestoßen wird, ist also nicht erfüllt. Die Gegenelektrode muß in der Lage sein, die Ionen zu neutralisieren. Dabei dürfen die Moleküle in ihrer Bewegung möglichst nicht behindert werden. Diese Forderung wird durch eine offene Flamme erfüllt. Die Leitfähigkeit der Flamme bei hohen Temperaturen ist weitgehend durch freie Elektronen realisiert. Die Gegenelektrode zur Spitze ist also eine offene Flamme. Bis zu einem gewissen Grade kann sie durch ein Gitter stabilisiert werden.When the ions hit the counter electrode at the speed they were intended to, the mass is slowed down. This means that the absorbed energy is retained in the system. The requirement that the mass of the ions be expelled outwards at high speed is therefore not met. The counter electrode must be able to neutralize the ions. The molecules must not be hindered in their movement if possible. This requirement is met by an open flame. The conductivity of the flame at high temperatures is largely achieved by free electrons. The counter electrode to the tip is therefore an open flame. To a certain extent, it can be stabilized by a grid.

Vorteilhaft für den Verlauf des elektrischen Feldes ist es, wenn die Magnetspule auf der Außenseite des Beschleunigungsrohres unterteilt und jede EinzelspuleIt is advantageous for the course of the electric field if the magnetic coil is divided on the outside of the acceleration tube and each individual coil

durch eine potentialfreie Spannungsquelle gespeist wird. Dann läßt sich der Verlauf der elektrischen Feldlinien im Inneren des Rohres durch die Potentiale der Spulen beeinflussen.is fed by a potential-free voltage source. The course of the electric field lines inside the tube can then be influenced by the potentials of the coils.

Es konnte im Experiment gezeigt werden, daß mit den einzelnen beschriebenen Maßnahmen die erzielten Schubkräfte jeweils gesteigert wurden. Die verfügbaren Mittel reichten dagegen nicht, um die Ionisation soweit zu steigern, daß Kräfte in der gewünschten Höhe erzielt wurden.The experiment showed that the individual measures described increased the thrust forces achieved. However, the available means were not sufficient to increase the ionization to the extent that forces of the desired magnitude were achieved.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben. Die einzige Figur zeigt die Vorrichtung im Längsschnitt.The invention is described in detail with reference to the accompanying drawings with reference to a preferred embodiment. The single figure shows the device in longitudinal section.

Detailed description of the experimental setup

Die Hochspannungselektrode 1 ist als Spitze ausgeführt und hat gegenüber der Erde eine Gleichspannung U& im Kilovolt-Bereich. Die Gegenelektrode 2 der Beschleunigungsspannung U& ist als Gitter ausgeführt, das die Flamme 3 stabilisiert und die Ionen möglichst ungehindert aus dem Rohr entläßt und dabei entionisiert.The high-voltage electrode 1 is designed as a point and has a direct voltage U& in the kilovolt range with respect to the earth. The counter electrode 2 of the accelerating voltage U& is designed as a grid, which stabilizes the flame 3 and releases the ions from the tube as unhindered as possible, thereby deionizing them.

Bezugszeichen 3 zeigt den Brenner für die Entionisierungsflamme. Bezugszeichen 4 kennzeichnet einen Kondensator, für eine potentialfreie Hochfrequenz-Spannung. Mit 5 sind Isotope bezeichnet, die mit &agr;, ß und &ggr;-Strahlen Moleküle ionisieren.Reference number 3 shows the burner for the deionization flame. Reference number 4 designates a capacitor for a potential-free high-frequency voltage. 5 designates isotopes that ionize molecules with α, ß and γ rays.

Bezugszeichen 6 kennzeichnet Spulen, die mit ihrem Magnetfeld den Ionenstrahl bündeln. Sie sind potentialfrei gespeist mit der Spannung 1% und können durch den Spannungsteiler 7 den Potentialverlauf imReference number 6 designates coils that focus the ion beam with their magnetic field. They are potential-free fed with a voltage of 1% and can via the voltage divider 7 to adjust the potential profile in the

Inneren des Rohres beeinflussen. Dafür sind die Widerstände R vorgesehen.inside the pipe. The resistors R are intended for this purpose.

Zwischen der Spitze 1 als Hochspannungelektrode und der Gegenelektrode 2 liegt eine hohe Gleichspannung U^. Die Gegenelektrode 2 besteht aus einer offenen Flamme, die durch den Brenner 3 angedeutet wird. Zur Stabilisierung der Flamme wird die Gegenelektrode 2 als Metallgitter ausgeführt. In diesem elektrischen Gleichspannungsfeld werden außer durch die Stoßionisation vor der Spitzenelektrode weitere Maßnahmen vorgesehen, um eine möglichst hohe lonenkonzentration zu erzielen. Dafür dient der Kondensator, der aus der Kugel und dem Zylinder 4 gebildet wird. Dieser Kondensator wird mit einer Wechselspannung möglichst hoher Frequenz beaufschlagt. Weiterhin ist vorgesehen, daß das Volumen der Beschleunigungsstrecke zwischen der Spitze 1 und der Gegenelektrode 2 mit &agr;, ß und &ggr;-Strahlen bestrahlt wird, um eine hohe Ionisation zu erzielen. Das erfolgt mit Isotopen 5. Nicht in der Figur dargestell ist, daß dieser Raum zusätzlich mit UV-Licht bestrahlt wird. Zur Bündelung der beschleunigten Ionen dient ein Magnetfeld. Die Spule für dieses Magnetfeld 7 ist um das Rohr herum angeordnet. Sie ist in Einzelspulen aufgeteilt, die potentialfrei von Spannungsquellen versorgt werden, so daß über die Widerstände R der Potentialverlauf im Rohr beeinflußt werden kann.There is a high direct voltage U^ between the tip 1 as a high voltage electrode and the counter electrode 2. The counter electrode 2 consists of an open flame, which is indicated by the burner 3. To stabilize the flame, the counter electrode 2 is designed as a metal grid. In this electric direct voltage field, in addition to the impact ionization in front of the tip electrode, further measures are provided to achieve the highest possible ion concentration. The capacitor, which is formed from the sphere and the cylinder 4, is used for this purpose. This capacitor is supplied with an alternating voltage of the highest possible frequency. It is also provided that the volume of the acceleration section between the tip 1 and the counter electrode 2 is irradiated with α, ß and γ rays in order to achieve high ionization. This is done with isotopes 5. What is not shown in the figure is that this space is also irradiated with UV light. A magnetic field is used to concentrate the accelerated ions. The coil for this magnetic field 7 is arranged around the tube. It is divided into individual coils, which are supplied potential-free from voltage sources, so that the potential curve in the tube can be influenced via the resistors R.

Claims

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1. Ion engine for accelerating missiles or vehicles with charge carriers which are preferably obtained from the gas molecules of the surrounding atmosphere by ionization and accelerated in an electric field, characterized in that the ionization takes place in a high-frequency field and/or by radioactive radiation from isotopes.

2. Ion thruster according to claim 1, characterized in that the beam of moving charge carriers is held together by a magnetic field generated by a magnetic coil arranged around the acceleration tube.

3. Ion engine according to claim 1 or 2, characterized in that the deionization is carried out at the end of the acceleration tube with an open flame.

4. Ion engine according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the deionization site is stabilized by a metallic grid.

5. Ion engine according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the metallic grid is additionally heated.

6. Ion engine according to one of claims 1 to 5, characterized in that ionization is additionally carried out using UV radiation.