Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к области реактивных двигательных установок космических и низкоорбитальных летательных аппаратов с низкой энерговооруженностью.

Известна электроракетная двигательная установка [1, 2], содержащая следующие элементы: впускное устройство, компрессор и охладитель, дуговой нагреватель, МГД - ускоритель, топливный танк и трубопроводы, источник энергии, корпус-радиатор.

Наиболее близким к заявляемому устройству является прямоточная электрореактивная двигательная установка [3], включающая в себя: корпус, диффузор, расположенный в передней части корпуса, камеру нагрева с высокочастотными электродами и сопло, соединенное каналом с камерой нагрева, причем она снабжен высокочастотной обмоткой, которая подключена к высокочастотному генератору и расположена вокруг указанной камеры нагрева, а также анодом, катодом и катушкой в виде соленоида, предназначенной для создания в указанном канале асимметричного магнитного поля для дополнительного ускорения выходящего из сопла воздуха.

Недостатком указанного устройства является низкий КПД двигательной установки и высокие энергозатраты на ионизацию, ускорение потока, создание асимметричного магнитного поля. Все указанные факторы при ограниченной мощности ЭРДУ отрицательно сказываются на величине удельного импульса электроракетной двигательной установки и приводят к снижению ее КПД.

Техническим результатом изобретения является повышение КПД и удельного импульса электрореактивной двигательной установки.

Указанная цель достигается тем, что в известной электрореактивной двигательной установке, содержащей

корпус, диффузор, расположенный в передней части корпуса, камеру нагрева с высокочастотными электродами и сопло, соединенное каналом с камерой нагрева, причем она снабжен высокочастотной обмоткой в виде соленоида, которая подключена к высокочастотному генератору и расположена вокруг указанной камеры нагрева, дополнительно

электрореактивная двигательная установка снабжена высоковольтным высокочастотным источником тока, на входе в тепловой камере после диффузора дополнительно расположены коаксиально электроды, выполненные в виде полых цилиндров, и соединены каждый с одним из электрических выводов высоковольтного высокочастотного источника тока, при этом устройство впрыска горючего выполнено в виде двух частей, первая из которых расположена непосредственно за коаксиальными цилиндрическими электродами, а вторая часть устройства впрыска распределена вдоль оставшейся области тепловой камеры по оси потока, при этом соленоид располагается снаружи тепловой камеры над ее областью, в которой расположена вторая часть устройства впрыска, при этом корпус и тепловая камера выполнены из диэлектрика, например оксида алюминия.

На фиг. 1 изображена схема электрореактивной двигательной установки.

Диэлектрический корпус 1 имеет диффузор - воздухозаборник 2, за которым в корпусе располагаются коаксиальные электроды 3, 4. За ними по оси двигателя располагается устройство впрыска горючего 5, 6. Далее по оси двигателя располагается диэлектрическая тепловая камера 7 имеющая переменное сечение ускорительного канала для разгона потока. Поверх корпуса в этой области тепловой камеры расположена соленоидальная обмотка 8, соединенная выводами с источником высокочастотного поля 9. Устройство впрыска горючего 5, 6 посредством трубопроводов 10 соединено с баком горючего 11. Коаксиальные электроды 4, 3 соединены с выводами высоковольтного высокочастотного источника 12.

Устройство работает следующим образом.

С целью снижения энергозатрат на ускорение потока сначала с помощью высоковольтного высокочастотного источника 12 и коаксиальных электродов 3, 4 происходит пробой и ионизация воздушного потока, поступающего в электрореактивный двигатель через диффузор 2. Так как на высотах 180-210 км равновесная (больцмановская) температура составляет 1300-1500 К, ионизация идет через возбужденное состояние с меньшими энергозатратами. Затем в ионизованный поток воздуха (окислителя) посредством первой части устройства впрыска 5 вводится горючее (водород, спирт, керосин, углеводороды, например, метан), которое сжигается в потоке окислителя с выделением энергии, вследствие чего температура продуктов сгорания увеличивается. Смесь продуктов сгорания поступает далее в тепловую камеру 7, где дополнительно разогревается от высокочастотного электромагнитного поля, формируемого катушкой 8, при этом в этой же области тепловой камеры располагается вторая часть устройства впрыска 6, через которое подается дополнительно горючее. Вследствие дополнительного разогрева потока рабочего тела в указанных камерах на участке теплоподвода происходит разгон потока до скорости звука, если канал цилиндрический, и до любой скорости, если канал переменного профиля (теория тепловых камер представлена в [4]). Если сделать канал тепловой камеры постоянного сечения или расширяющимся (например, по параболическому закону или логарифмическому), можно ускорять поток и без классического сопла Лаваля. Усиление эффекта ускорения потока также может быть получено при одновременном подводе тепла и топлива в тепловой камере вдоль ее оси по потоку (распределенная подача топлива и подвод тепла).

Оценивая процесс дополнительного разогрева потока в канале камеры, можно определить величины:

- Q - количество тепла, подведенное к потоку;

- W- скорость потока рабочего тела;

- p - давление потока по каналу;

- ν - удельный объем камеры;

- T - температура потока рабочего тела;

- - удельное сечение камеры, где F - сечение камеры, G - расход рабочего тела.

Воспользуемся для оценок в приближении равновесного потока соотношениями равновесной термодинамики и газодинамики. Поведение потока рабочего тела в тепловой камере описывается следующими уравнениями:

состояния pν=RT

где R - газовая постоянная (на 1 кг рабочего тела);

постоянства расхода

где γ - плотность потока рабочего тела;

изменения импульса

где g - ускорение свободного падения;

где k - показатель адиабаты (величина Q берется на 1 кг массы рабочего тела).

Перепишем систему уравнений в безразмерном виде для удобства расчета. Положим значения параметров потока в начале участка дополнительного подвода тепла следующими:

- W₁ - скорость потока рабочего тела;

- p₁ - давление потока на входе в тепловой канал;

- ν₁ - удельный объем камеры;

- T₁ - температура потока рабочего тела;

- - удельное сечение камеры.

Тогда:

- безразмерная величина текущего сечения теплового канала,

- безразмерное давление по длине теплового канала,

- безразмерная температура по длине теплового канала,

- безразмерная скорость по длине теплового канала,

- безразмерный объем по длине теплового канала.

Величину безразмерного тепла, подводимого по длине, можно определить аналогично данным:

В результате система уравнений преобразуется к виду:

- уравнение состояния,

- уравнение расхода в тепловом канале,

- уравнение изменения импульса,

- уравнение баланса энергии.

- число Маха, a - скорость звука в данном сечении канала.

Если проинтегрировать последнее уравнение энергии, то получим выражение:

- температура торможения потока рабочего тела в начале участка дополнительного теплоподвода.

Связь между энергоподводом и скоростью потока в тепловой камере:

Температура торможения потока в начале участка теплоподвода определяется из соотношения:

Кинетическая энергия потока и внутренняя позволят получить значение температуры торможения потока T_тормож.

Скорость истечения из ЭРД определяется аналогично ЖРД с тепловой камерой как (формула приведена в системе СИ):

где μ_рт - молярная масса рабочего тела, π - степень расширения сопла, R_унив - универсальная газовая постоянная.

Используя связь количества энергии и времени пребывания потока в тепловом канале, в предположении, что доля энергии α от подведенного тепла Q_подв идет на создание дополнительной кинетической и внутренней энергии потока, то, можно положить:

где τ - время пребывания потока в тепловой камере. В результате получим выражение для скорости истечения:

где αN_эл=N_{разряда} - электрическая мощность, поглощенная разрядом в ЭРД.

Если принять численные значения μ_рт=28, N_{разряда}=300 Вт, степень расширения канала тепловой камеры - π=5 (диаметр увеличивается в 2,23 раза), k=1,2, G=10^-6 кг/с, то при T_{тормож.}=4600 К получим величину скорости истечения - W_ист=8530 м/с. То есть, дополнительный подвод тепла разгоняет поток до 8,5 км/с.

Литература

1. Propellant Harvesting of Atmospheric Resources in Orbit / С. Jones, S. Kelley, D. Masse, A. Shah, C. Spells-Winski // NATIONAL INSTITUTE OF AEROSPACE GEORGIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY.- 15 P.

2. Nishiyama, K., / Air Breathing Ion Engine Concept," 54th International Astronautical Congress, Sept.-Oct. 2003, IAC-03-S4-02.

3. Кириллов Л.И., Патент РФ №2122651, «ПРЯМОТОЧНЫЙ ВОЗДУШНО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ», от 27.05.2006, БИ: 15/2006.

4. Квасников А.В. Теория жидкостных ракетных двигателей. - Л.: Судпромгиз.- 1959.- 542 с.