ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЖИДКОСТНОЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к космической технике, к классу жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) и предназначено для управления движением космического аппарата (КА) малой тягой.

Из уровня техники известна принципиальная схема термокаталического двигателя (ТКД) малой тяги (В.С. Егорычев, А.В. Сулинов, Жидкостные ракетные двигатели малой тяги и их характеристики, Учебное пособие, Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет» им. акад. С.П. Королева (национальный исследовательский университет), Самара, 2010, стр. 17-19), которая взята за прототип. Жидкое топливо из топливного бака под необходимым давлением подводится по трубопроводу системы хранения и подачи к входному штуцеру электромагнитного топливного клапана. В требуемый момент система управления КА вырабатывает управляющий электрический сигнал на включение ТКД. Этот сигнал подается на электрическую обмотку электромагнитного клапана. Через промежуток времени, равный времени подготовки двигателя, клапан открывается, и топливо через термическое сопротивление, представляющее собой нагревательную трубку малого сечения, начинает поступать в камеру нагревания (разложения). В камере топливо на распылителе распадается на мелкие капли и с помощью распределителя с достаточно равномерной эпюрой расходонапряженности поступает на каталитический пакет, после чего образующееся рабочее тело (РТ) - высокотемпературный газ устремляется к выходу из сопла, создавая тягу КА. Наиболее востребованным топливом для ЖРД малой тяги является гидразин. Катализатор способен разлагать гидразин при комнатной температуре, однако с повышением температуры катализатора динамические параметры ТКД улучшаются. Поэтому каталитический пакет подогревается в период паузы между включениями двигателя электронагревателем. Чтобы катализатор во время паузы сильно не охлаждался, камера двигателя покрыта теплоизоляцией. Катализатор представляет собой пористые зерна, например, окиси алюминия размером 1,0…2,5 мм с сильно развитой поверхностью, покрытые иридием, одним из лучших инициаторов разложения гидразина. Он обладает высокой каталитической способностью и термостойкостью, малым термическим расширением, хорошими теплопроводностью и механическими свойствами.

При поступлении гидразина в каталитический пакет он интенсивно разлагается в соответствии с уравнением реакции:

где х - степень разложения аммиака, определяющая содержание в продуктах разложения N₂ и Н₂. Степень разложения аммиака колеблется в широких пределах. Она в основном определяется способом организации составляющих рабочего процесса разложения гидразина в камере, свойствами и температурой катализатора.

Все однокомпонентные ЖРД малой тяги соответствуют приведенной выше принципиальной схеме. В своем подклассе они все имеют примерно одинаковый удельный импульс тяги: (208-240) с при умеренном нагреве топлива и РТ до 650°С и до 260 с при температуре нагрева 1000°С и более.

Для разрабатываемого электротермического жидкостного реактивного двигателя выявлены основные общие существенные признаки, такие как: электромагнитный топливный клапан; термическое сопротивление; камера нагревания, сопло; теплоизоляция двигателя.

Технической проблемой изобретения является создание однокомпонентного ЖРД малой тяги с повышенным удельным импульсом тяги при сохранении и уменьшении массогабаритных характеристик двигательных установок на КА при неизменной относительно прототипа мощности энергопотребления.

Поставленная проблема решается тем, что:

1. Электротермический жидкостной реактивный двигатель (ЭЖРД), содержащий электромагнитный топливный клапан, термическое сопротивление, камеру нагревания (КН) с катализатором, электронагревателем-газообразователем (ЭГ), сопло и теплоизоляцию, отличается тем, что введены внутри КН: газообразующая топливная магистраль (ГТМ), вокруг которой расположен цилиндрический ЭГ; два дублирующих друг друга впускающих шарнирных клапана, размещенные в начале ГТМ - по входу в КН; камера высокого давления (КВД), свободно соединенная с ГТМ и переходящая в сопло Лаваля; внутри КВД - подобный КВД по форме ЭГ, мощностью, не меньшей мощности цилиндрического ЭГ, преобразующий газообразное топливо в РТ двигателя.

2. Двигатель по п. 1, отличается тем, что рабочее тело образуется в отсутствие катализатора.

Идея предлагаемого технического решения по отношению к прототипу состоит в качественном и безопасном повышении давления в КН при номинальном (как в прототипе) или меньшем секундном расходе РТ.

В КВД РТ-газ приобретает температуру, скажем, порядка 1300 К. В КН ТКД, например, двигателя к50-10.5, давление РТ такое же, как и на входе в двигатель - порядка (1,5-2,0)⋅10⁵ Па, и скорость истечения РТ через сверхзвуковое сопло составляет порядка 2040 м/с. В КН ЭЖРД давление РТ, за счет того, что топливо в КН поступает в жидкостной фазе, активно нагревается в ГТМ ЭГ и его температура поддерживается в КВД, может быть настолько большим, насколько позволяет техника безопасности. Техника безопасности позволяет использовать давление внутри баков хранения топлива и аккумуляторных батарей на борту КА порядка 70⋅10⁵ Па. Конструкции, при одном коэффициенте упругости, при соблюдении подобия и при постоянстве толщины деталей в этом подобии, тем надежнее, чем одна деталь меньше другой. При относительно малых габаритах КВД газ и под более высоким давлением удерживать несложно, если потребуется, не в ущерб поставленной цели минимизации общего габарита ЭЖРД, увеличить прочность стенок емкости с РТ. Из формулы сопла Лаваля следует, что, при прочем равном, при увеличении давления на входе в сопло в n раз скорость истечения из сопла РТ увеличивается в раз. Скорость истечения по отношению к прототипу увеличивается в 5,9 - 6,8 раз. Скорость истечения - это в пустоте практически тоже, что и удельный импульс. Это путь к повышению эффективности термических ракетных микродвигателей. Однако формула сопла Лаваля работает вполне, когда РТ-газ является идеальным. Но РТ при температуре порядка 1300 К, много превышающей критическую температуру любого из газов (тяжелая вода: 719 К), даже если оно слегка ионизировано, всегда идеальный газ. Изобретением выбирается температура газа, превышающая его критическую температуру, что гарантирует достаточно высокое для работы ЭЖРД давление в КВД.

К низкотемпературной плазме также применимо уравнение состояния идеального газа (А.Ю. Чирков, Введение в физику плазмы, М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, стр. 8).

Для создания в КВД промежуточного давления между наличествующим в прототипе (1,5 - 2,0)⋅10⁵ Па и максимальным можно применять менее затратные схемы нагрева топлива.

Технический результат достигается за счет того, что в топливной емкости-трубке, заполненной или нет гранулированным катализатором, и в соединенной с ней сфероидоподобной емкости, переходящей в сверхзвуковое сопло, под действием электронагревателей вокруг топливной трубки и внутри сфероидоподобной емкости топливо стремительно переходит в состояние высокотемпературного газа под большим давлением. Образующееся РТ двигателя активно истекает из сопла. По входу в КН установлены дублирующие друг друга шарнирные клапаны, предохраняющие попадание РТ обратно в подводящую топливную магистраль двигателя, находящиеся в закрытом состоянии до того момента, пока давление внутри емкостей внутри КН не станет ниже рабочего давления топлива перед входом в КН.

Высокое давление дозы РТ при всегда открытом сопле можно получить пятью способами:

- разложением топлива на более простые химические компоненты;

- уменьшением критического сечения сопла;

- размерами ГТМ и КВД, мощностями ЭГ при постоянном секундном расходе топлива;

- пропуском в заклапанное пространство ГТМ на расчетную глубину жидкой фазы топлива;

- комбинацией вышеприведенных способов.

Как известно, отличия реальных газов от идеального при температурах близких к и меньших критическим начинают проявляться на расстояниях r порядка 5⋅10^-7 см и гарантированно проявляются на расстояниях 5⋅10^-8 см (Б.М. Яворский и А.А. Детлаф, Справочник по физике, М.: Изд. «Наука», 1977, стр. 246). На расстояниях r равных 1⋅10^-7 см притяжение еще не настолько значительно, чтобы его не разрушали силы теплового движения атомов и молекул газа. Обратимся к исходным данным.

Приведены реальные исходные данные:

- КА №12;

- прошел контакт отделения (КО) КА на орбите;

- начальная масса РТ-ксенона, М равна 12,63 кг (123,92 кгс);

- объем топливного бака, V равен 62⋅10^-3 м³ (62 л);

- среднесуточная достоверная температура топливного бака, Т равна 279,5 К;

- среднесуточное достоверное давление, Р равно 68,1795⋅10⁵ Па (69,5 кгс/см² или 69,5 ат);

- РТ-ксенон Хе_131,3;

- молярная масса ксенона, μ равна 0,1313 кг/моль;

- универсальная газовая постоянная, R равна 8,31446 Дж/(моль⋅К).

Подставим в уравнение состояния идеального газа:

имеющиеся на момент КО данные - самые достоверные, так как начальная масса известна с максимальной степенью точности. Будем иметь М равное 23,88 кг (m₁), а не 12,63 кг (m₂). Существенное отличие. С учетом погрешностей замеров температуры и давления в топливном баке и их учета при расчетах достоверных значений, следует считать, что отношение m₁/m₂ равно 2. Как видим, газ (Хе) далеко не идеален, в полной мере действуют высокое давление и межатомные силы. Но газ в начале эксплуатации топливного бака представляет собой состав из спаренных атомов - димеров (2Хе), и в условиях предложенных исходных данных он все-таки является идеальным газом. Начав действовать, когда созданы условия, ван-дер-ваальсовые силы обязательно сближают частицы газа до расстояний . На расстоянии межмолекулярные силы притяжения и отталкивания уравновешены, дальнейшее сближение или удаление требует затраты против достигнутого, таким образом, образуются ассоциации (специфицированные группы) частиц, преимущественно пары частиц, поскольку это наиболее вероятный вариант исхода, так как требуется равномерное и равновесное заполнение пространства веществом. Иначе говоря, ассоциации образуются по следующей причине. Ассоциации состоят преимущественно из двух единиц вещества (атомов или молекул), т.к. электромагнитная (ориентационные и индукционные силы) и квантовая (дисперсионная сила, мгновенная составляющая которой сутью своей сводится к первым двум) природы притяжения в создавшихся парах единиц полностью или практически полностью локализованы, поскольку связаны с понятием электрического заряда. Строгая иерархия в зарядовой системе, коим является любое вещество, позволяет реализовывать, на уровне, выше элементарного (заряд), помимо дипольных и химических связей, при определенных уровнях состояния устойчивые квадрупольные связи между атомами или молекулами при радиусе отчуждения между специфицированными группами порядка 10 , либо устойчивый процесс генерации квадрупольных вариационных связей в газах (жидкостях), когда . Остальные зарядовые схемы возможны только в твердых телах. Следовательно, любое вещество при соответствующих условиях (давление, температура, объем) превращается либо в газ, либо в жидкость, в обоих случаях - с ассоциативными, преимущественно двуедиными связями. В этих условиях, к примеру, ксенон остается ксеноном, но в отношении молярной массы происходит удвоение: при той же массе Хе превращается в (2Хе), а, к примеру, водород Н₂ - в (2Н₂). Уменьшение количества молей (М/2μ_Хе=M/μ_2Xe) за счет образования специфицированных групп частиц, при температуре ниже критической, равнозначно конденсации в области влажного насыщенного пара и сжижению газа (идеальная баротропная жидкость). Но конденсация - процесс скорый, если не мгновенный, самоорганизующийся при определенных расстояниях (радиусах отчуждения) между частицами газа. Конденсация (образование ассоциаций) сопровождается, согласно исходному уравнению состояния идеального газа, двукратным увеличением молярного веса, что приводит, согласно закону сохранения количества движения в замкнутой системе, к двукратному уменьшению (средней квадратичной) скорости (с) движения специфицированных групп частиц газа и, согласно основному уравнению кинетической теории газов,

где W_кин - суммарная кинетическая энергия движения специфицированных групп, Дж, - к четырехкратному уменьшению величины (P⋅V). Так получается формула:

Значимого взаимодействия между ассоциированными парами в газе не существует, и потому такой газ следует считать идеальным.

Рассчитаем радиус отчуждения (выбор газа не имеет значения) - расстояние между центрами атомов РТ: 12,63 кг - это (96,191)/2 молей 2Хе_131,3, значит 6,022⋅10²³⋅48,096=28,96⋅10²⁴ ед. в 62⋅10³ см³, по стороне куба в 1 см - 0,78⋅10⁷ ед., радиус отчуждения 1,29⋅10^-7 см. На мгновенных снимках состояния газа вероятнее более плотная упаковка (расстановка) атомов (молекул). Приемлемым приближением следует считать представление, при котором соблюдается стремление к равенству расстояний между единицами в элементе объема и между соответственными единицами соседних объемов пространства с газом. Такой упаковочной единицей можно считать четырехгранную правильную пирамиду с размером граней, равным радиусу отчуждения. Шесть таких пирамид составляют метрический куб. Вне зависимости от варианта упаковки единиц газа концентрация этих единиц одна и та же. Поскольку в обоих случаях упаковки основание куба емкости имеет одинаковую площадь, но плотная упаковка имеет дополнительную плоскость, на которой находятся вершины пирамид, радиус отчуждения увеличивается в . Значит, при плотной расстановке структурных единиц, радиус отчуждения составляет или 16 . Следует отметить, что идеально равномерного распределения частиц в заданном объеме не существует, поскольку нет строгих геометрических схем разрешения такой задачи.

При давлении 25 ат, температуре равной 279,5 К, V равном 62⋅10^-3 м³ будем иметь из уравнения состояния идеального газа, что М равно 10,31 кг. Тогда r равно (газ уже не состоит из димеров (а если и состоит из димеров, то r будет еще больше против приведенного ниже в этом предложении), точки на графиках состояния, содержащие 25 ат, находятся на достаточном удалении от переходной зоны, где газ - пар, и не являются сторонними для соответствующих функций, отображающих идеальное состояние газа) 1,5⋅10^-7 см. Что пока надежно отвечает за идеальное состояние газа.

Итак, данное изобретение увеличивает удельный импульс по отношению к прототипу минимум в 3,5 раза при нагревании топлива без его разложения с получением давления порядка 25 ат и в 6 - 7 раз при создании ЭЖРД с ГТМ и КВД повышенной прочности и надежности. Такое и даже большее увеличение удельного импульса тяги ставит ЭЖРД по эффективности в один ряд с электрореактивными плазменными двигателями.

Однокомпонентное топливо должно быть невзрывоопасным, с приемлемой температурой кипения (t_кип) и способностью к сжижению при умеренном давлении (что важно при его хранении при эксплуатации). Таким топливом, помимо гидразина и перекиси водорода, можно считать (по критерию «t_кип, нормальное давление»), например, аммиак (NH₃, t_кип=-33°С) и двуокись азота (NO₂, t_кип = +21°С). Температура кипения этих жидкостей комфортна, то есть достаточно умеренна.

На фиг. 1 и фиг. 2 приведены типовые схемы разложения гидразина при катализе и при пиролизе соответственно.

Сущность изобретения поясняется фиг. 3, где представлена схема устройства ЭЖРД.

Введены следующие обозначения:

1 - термическое сопротивление и вход в КН, топливо в жидкой фазе;

2 - корпус КН;

3 - панель крепления держателей конструкции КН;

4 - держатели конструкции КН;

5 - теплоизоляция;

6 - сопло;

7 - вектор тяги;

8 - КВД;

9 - ЭГ в КВД;

10 - держатель электронагревателя;

11 - гранулированный катализатор;

12 - ГТМ;

13 - цилиндрический ЭГ;

14 - входной шарнирный клапан;

15 - выходной шарнирный клапан;

16 - трубки теплообменника бортовой системы терморегулирования;

17 - змеевик;

18 - зона приема жидкого топлива в заклапанное пространство;

19 - электромагнитный топливный клапан.

Работа ЭЖРД цикличная и двухтактная. В начале цикла давление на входе в КН больше давления в КВД.

Топливо через электромагнитный топливный клапан 19 в жидкой фазе поступает на вход в КН 2. Вход в КН 2 оборудован термическим сопротивлением 1 - трубкой калибровочного сечения с терморегуляцией, чтобы топливо подавалось всегда одним темпом (с расчетным секундным расходом) и тепловое движение молекул топлива имело в основном организованный (ламинарный) характер. Зная и рассчитывая на строго детерминированный процесс подачи топлива в ЭЖРД, можно уверенно проектировать и в дальнейшем эксплуатировать такой двигатель. Далее топливный поток устремляется в ГТМ 12, открывает входной 14 и выходной 15 механические шарнирные клапаны и поступает в активно прогреваемый ЭГ 13 участок ГТМ, где преобразуется в газ; при попадании в КВД 8 топливо продолжает нагреваться ЭГ 9 в КВД и превращается в РТ-газ под высоким давлением. Нарастание давления в ГТМ 12 и КВД носит стремительный характер. Истекая из сопла 6, РТ создает тягу 7 КА.

Суммарный свободный (только для топлива) объем ГТМ 12 и КВД 8 по отношению к свободному объему КН в прототипе в разы и даже на порядок меньше. Одинаковый с прототипом секундный расход топлива при допущении в ГТМ 12 (то есть внутрь двигателя) компактной дозы топлива в жидкой фазе гарантирует в те же разы повышение рабочего давления РТ.

1-й такт. Клапаны 14, 15 открыты и не препятствуют проникновению топливного потока в нагреваемый ЭГ 13 участок ГТМ 12. Здесь газ вначале, если нагреваемый участок ГТМ заполнен гранулами катализатора 11, разлагается, и продукты разложения - РТ, которые, попадая в КВД как в ресивер - гаситель ударной волны, создают в ГТМ 12 и в КВД 8 высокое давление - от 25 ат за счет:

- экзотермической реакции своего образования;

- мощности электронагревателей-газообразователей 13 и 9 вокруг ГТМ 12 и в КВД 8 соответственно;

- увеличения числа частиц газа, то есть кратного повышения количества самостоятельных молекул (атомов) РТ-газа против топлива.

Если нагреваемый участок ГТМ не заполнен гранулированным катализатором 11, топливо переходит в высокотемпературное РТ тем быстрее, чем больше температурный напор.

Если нагреваемый участок ГТМ заполнен гранулированным катализатором 11, в большинстве вариантов ЭЖРД и топлив потребуется всего лишь температура кипения (разложения) топлива для достижения в КВД необходимого высокого давления.

РТ давит в обе стороны своего магистрального движения и, таким образом, давит на выходной клапан 15.

2-й такт. Выходной клапан 15 закрыт и перекрывает теперь путь высокоэнергичному РТ к термическому сопротивлению 1. Доза РТ истекает из ЭЖРД.

При выравнивании давлений в КН и на входе в КН клапаны 14, 15 вновь готовы пропустить топливо в сторону сопла.

Открытием входного и выходного клапанов 14, 15 и закрытием выходного (возможно, и входного 14) клапана 15 самостоятельно управляют потоки топлива/РТ в процессе работы ЭЖРД. В целях исключения эпизодического попадания пусть даже малого количества газа в область термического сопротивления 1 топливной магистрали, предклапанное пространство топливной магистрали между термическим сопротивлением 1 и клапанами 14, 15 снабжено змеевиком 17 и трубками 16 теплообменника.

Температура РТ всегда меньше температуры, необходимой для возникновения обратимых реакций синтеза/разложения.

В отношении присутствия жидкой фазы топлива в КН.

Согласно классической схеме ЖРД малой тяги в КН жидкая фаза топлива отсутствует: там вначале аэрозоль, затем практически сразу газообразное состояние топлива, следом - РТ. Коэффициент теплопроводности газов в 10 - 100 раз меньше коэффициента теплопроводности жидкостей (М.М. Викторов, Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты, Л.: Изд. «Химия», 1977, стр. 321). Чем больше коэффициент теплопроводности тела, тем хуже его теплозащита, поскольку большее количество теплоты способно пройти через него. При температурном напоре в течение тепловой атаки более 900 градусов и малом сечении ГТМ 12 (внутренний диаметр, с учетом возможности заполнения ГТМ 12 гранулированным катализатором 11, порядка (4-5) мм) порция жидкого топлива по входу в ГТМ 12 через клапаны 14, 15 - газ, продолжающий стремительно нагреваться ЭГ 13, 9 и повышать давление в КВД 8 с входом в сопло. Время преобразования изначально газообразного топлива в РТ нужной кондиции в прототипе будет в 10 - 100 раз больше. Темп нагрева и конечное (максимальное) давление газа за цикл - важные сравнительные характеристики ЭЖРД, относящиеся к эффективности работы и среднему за цикл уровню тяги ЭЖРД. Темп нагрева характеризует характер графика взлета и падения давления РТ за время цикла. Работа ЭЖРД будет наиболее эффективной, когда график изменения давления имеет практически прямоугольный вид, или квазитрапециевидный со стремлением к прямоугольному - тогда циклический и непрерывный режимы работы ЭЖРД практически неотличимы.

Режим нагревания топлива соответствует регулярному (В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сухомел, Теплопередача, изд. 2-е, «Энергия», 1969, стр. 97). Если конечная температура РТ соответствует стационарному режиму (температура РТ с течением времени не меняется), то есть выше рабочей температуры в КВД, то характер изменения давления будет носить квазитрапециевидный характер с практически отвесными боковыми сторонами. Изменения удельного импульса в цикле всегда происходят на уровне, более высоком, чем удельный импульс ТКД-прототипа.

О непрерывном режиме работы. Непрерывный режим подразумевает наличие высокого давления в топливном баке (баках) и отсутствие впускных клапанов 14, 15. В течение эксплуатации КА тяга такого ЭЖРД будет постепенно падать до уровня прототипа. Однако возможность создания и такого ЭЖРД ставится под сомнение ввиду того, что при активном нагревании жидкого топлива (без нагрева не будет РТ с давлением на стенки КВД, способным создать заявленный уровень тяги) топливо-газ будет расширяться в двух направлениях, и по одному из них будет стремиться к термическому сопротивлению 1 и препятствовать нормальному движению топлива по топливной магистрали. Нарушение ламинарности потока топлива приводит к неуправляемому режиму насыщения им КН, что является причиной выхода из строя или даже взрыву ТКД-прототипа.

В данном изобретении приведена идея ЭЖРД с циклическим режимом работы.