ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ РАЗГОНОМ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ
LIQUID ROCKET ENGINE WITH ADDITIONAL ELECTROMAGNETIC ACCELERATION OF COMBUSTION PRODUCTS

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано в качестве маршевого или управляющего ракетных двигателей космических аппаратов и средств доставки, в том числе в качестве ракетных двигателей многократного включения.
Известен плазменно-реактивный двигатель, содержащий соосно соединенные вихревую камеру воспламенения и сжигания топлива, магнитный ускоритель плазмы и газодинамическое сопло (Патент RU 2 099 572 С1, 20.12.1997 г.). Двигатель позволяет повысить величину удельного импульса тяги за счет принудительной ионизации продуктов сгорания коронирующими электродами и последующего магнитного ускорения плазмы. Однако вихревой характер истечения рабочего тела приводит к повышенным потерям на трение и на азимутальное и радиальное рассеяние скорости на выходе из сопла. Кроме того, работа двигателя в космическом пространстве (пустоте) невозможна.
Известен жидкостный ракетный двигатель с дополнительным электромагнитным разгоном рабочего тела, содержащий камеру двигателя, состоящую из кольцевой камеры сгорания, смесительной головки и тарельчатого сопла (Патент RU 2 303 156 С1, 20.07.2007 г.). Внутренняя часть тарельчатого сопла и выходной участок его внешней части выполнены из токопроводящего материала, соединены с камерой двигателя через проставки из диэлектрического материала и связаны через тоководы с разноименными полюсами источника электрической энергии. Дополнительный разгон рабочего тела в рассматриваемом двигателе осуществляется за счет действия электромагнитных сил на ионизированные продукты сгорания. Недостатком является то, что электрический ток в продуктах сгорания протекает преимущественно в осевом направлении, а осевая составляющая тока не вносит вклад в создание тяги. Кроме того, электродуговой разряд приводит к местному перегреву и эрозии элементов конструкции.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является жидкостный ракетный двигатель Л-Т компании «Rocketdyne», содержащий кольцевую камеру сгорания, смесительную головку и штыревое сопло (Афанасьев Р.В., Кравченко А.В. Клиновоздушные ракетные двигатели - перспективная технология для одноступенчатой системы выведения груза на орбиту // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2020. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/klinovozdushnye-raketnye-dvigateli-perspektivnaya-tehnologiya-dlya-odnostupenchatoy-sistemy-vyvedeniya-gruza-na-orbitu (дата обращения: 15.03.2022). Преимуществом прототипа перед жидкостными ракетными двигателями классической конструкции является высокая эффективность работы штыревого сопла, которое обладает свойством саморегулирования и обеспечивает расчетный режим работы на любых высотах. Недостатком прототипа является неиспользование энергии, затрачиваемой на ионизацию продуктов сгорания, в качестве полезной составляющей кинетической энергии истекающего рабочего тела.
Задачей изобретения является повышение удельного импульса тяги жидкостного ракетного двигателя посредством дополнительного разгона ионизированных продуктов сгорания в электромагнитном поле.
Технический результат достигается за счет того, что в жидкостный ракетный двигатель, содержащий конструктивно связанные кольцевую камеру сгорания, смесительную головку и штыревое сопло, введены внешняя и внутренняя электрические обмотки, размещенные в корпусе камеры сгорания и подключенные к дополнительному источнику электрической энергии, корпус кольцевой камеры сгорания выполнен из магнитопроводящего материала, смесительная головка соединена тоководом с положительным полюсом основного источника электрической энергии и электроизолирована от корпуса камеры сгорания, центральное тело выполнено из диэлектрического материала, а в основание центрального тела установлен кольцевой катод-компенсатор, соединенный тоководом с отрицательным полюсом основного источника электрической энергии.
Заявляемое изобретение иллюстрировано чертежами:
- фиг. 1 - Конструктивный чертеж двигателя;
- фиг. 2 - Конструктивный чертеж смесительной головки;
- фиг. 3 - Конструктивный чертеж двигателя с сопловым насадком;
- фиг. 4 - Конструктивная схема работы двигателя.
r
На фиг. 1-4 использованы следующие обозначения: 1 - магнитопроводящий корпус камеры сгорания; 2 - внутренняя обмотка 3 - кольцевая камера сгорания; 4 - кольцевой катод-компенсатор; 5 - смесительная головка; 6 - токовод; 7 - основной источник электрической энергии; 8 - внутренняя полость; 9 - внешняя обмотка; 10 - термостойкое покрытие; 11 - коммутационное устройство (КУ); 12 - токовод; 13 - центральное тело; 14 - корпус смесительной головки; 15 - днище; 16 - полость горючего; 17 - форсунка-анод; 18 - полость окислителя; 19 - патрубок окислителя; 20 - патрубок горючего; 21 - диэлектрическая проставка; 22 - периферическая форсунка; 23 - сопловой насадок; 24 - продукты сгорания; 25 - траектория движения электронов; 26 - ионизированные продукты сгорания; е - электрон; Е - осевое электрическое поле; H - радиальное магнитное поле.
Двигатель (см. фиг. 1) содержит кольцевую камеру сгорания 3, смесительную головку 5 и штыревое сопло. Внутренний участок контура штыревого сопла образован центральным телом 13, которое жестко соединено с кольцевой камерой сгорания 3. Камера сгорания 3 образована магнитопроводящим корпусом 1 с нанесенным на внутренние поверхности термостойким покрытием 10. В пазах магнитопроводящего корпуса 1 размещены внешняя 9 и внутренняя 2 обмотки. Профилированное центральное тело 13 выполнено из диэлектрического композиционного материала с нанесенным на его наружную поверхность абляционным покрытием. В центральное тело 13, вблизи его основания, с внутренней стороны относительно потока продуктов сгорания 24, вмонтирован кольцевой катод-компенсатор 4, соединенный тоководом 12 с отрицательным полюсом источника питания 7. В электрической цепи имеется коммутационное устройство 11 с элементами системы управления электрическим током. Полое центральное тело 13 и корпус 1 образуют внутреннюю полость 8, в которой размещаются элементы систем подачи топлива, электроснабжения и управления тягой (на фиг. 1-4 не показаны).
Смесительная головка 5 (см фиг. 2) состоит из корпуса 14, днища 15 и форсунок 17. Днище 15 делит внутреннюю полость смесительной головки 5 на полость горючего 16 и полость окислителя 18. Для подачи компонентов топлива к смесительной головке 5 приварены, по крайней мере, один патрубок горючего 20 и, по крайней мере, один патрубок окислителя 19. Смесительная головка 5 соединена тоководом 6 с положительным полюсом источника электрической энергии 7, таким образом, форсунки 17 находятся под напряжением и являются анодом. В корпусе 1 камеры сгорания выполнены отверстия для установки форсунок 17, а также выполнены периферические форсунки 22 для обеспечения внутреннего охлаждения стенок камеры сгорания 3. Смесительная головка 5 крепится к корпусу 1 камеры сгорания через герметизирующую диэлектрическую проставку 21 посредством резьбового соединения (на фиг. 1-4 не показано). Проставка 21 обеспечивает электроизоляцию магнитопроводящего корпуса 1 от смесительной головки 5, находящейся под напряжением. В местах контакта корпуса 1 и форсунок 17 на их наружную поверхность нанесено изолирующее покрытие.
На фиг. 3 изображен двигатель с сопловым насадком 23, на котором размещен кольцевой катод-компенсатор 4. Таким образом, катод-компенсатор 4 расположен с внешней стороны потока продуктов сгорания 24. Насадок 23 выполнен из композиционного материала с абляционным покрытием внутренней поверхности. Центральное тело 13 и сопловой насадок 23 образуют сопло с частичным внутренним расширением.
Заявляемый двигатель работает следующим образом (см. фиг. 4). Система подачи топлива обеспечивает заполнение полостей 16 и 18 горючим и окислителем соответственно. Двигатель работает на жидких самовоспламеняющихся компонентах топлива, например, на несимметричном диметилгидразине в качестве горючего и тетраоксиде диазота в качестве окислителя. Форсунки 17 обеспечивают распыл и смешивание компонентов топлива в камере сгорания 3. В результате химической реакции образуются высокотемпературные частично ионизированные продукты сгорания 26. Газодинамический разгон продуктов сгорания 24 достигается при их сверхзвуковом расширении в штыревом сопле, которое обладает свойством саморегулирования и обеспечивает расчетный режим работы на любых высотах. Периферические форсунки 22 обеспечивают создание пристеночного слоя топлива для охлаждения стенок камеры сгорания 3.
r
r
Устройство дополнительного электромагнитного разгона продуктов сгорания реализовано на основе использования эффекта Холла. При включении устройства между форсунками-анодами 17 и катодом-компенсатором 4, которые запитаны от основного источника электрической энергии 7, возникает разность потенциалов. Продукты сгорания 24 представляют собой низкотемпературную плазму, обладающую электропроводностью. Под действием осевого электрического поля Е в проводящей среде продуктов сгорания 24 возникает электрический ток между катодом 4 и анодом 17. При этом электроны е, испускаемые катодом 4, движутся навстречу истекающим продуктам сгорания 24 и ионизируют их, повышая таким образом степень ионизации и плотность электрического тока. Магнитные катушки 2 и 9, запитанные от дополнительного источника электрической энергии (на фиг. 1-4 не показан), создают в кольцевом зазоре камеры сгорания 3 радиальное магнитное поле H. Электроны е под воздействием радиального магнитного поля H приобретают азимутальную составляющую вектора скорости, формируя азимутальную составляющую тока. При этом траектория движения 25 электронов е приобретает форму спирали, частота соударений с молекулами продуктов сгорания 24 увеличивается, и степень ионизации плазмы повышается. Ионизированным продуктам сгорания 26 сообщается дополнительное ускорение электрическим полем Е. Охлаждение камеры сгорания 3 - внутреннее и емкостное, охлаждение центрального тела 13 и соплового насадка 23 - абляционное, во время работы двигателя, и за счет теплообмена излучением - после останова.
Двигатель может работать как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В необходимых случаях двигатель может работать с выключенным устройством дополнительного электромагнитного разгона, в этом случае тяга будет создаваться исключительно газодинамическим расширением продуктов сгорания. Изобретение относится к ракетным двигателям многократного включения благодаря применению самовоспламеняющихся компонентов топлива.
Технический результат заключается в повышении удельного импульса тяги жидкостного ракетного двигателя благодаря применению устройства дополнительного электромагнитного разгона продуктов сгорания, основанного на использовании эффекта Холла.