ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ МИКРОДВИГАТЕЛЬ
ELECTRIC THERMAL MICRO ENGINE

Изобретение относится к космической технике, а именно к электротермическим микродвигателям, входящим в состав двигательных установок микротяги, устанавливаемых на спутники малой массы для решения задач орбитального маневрирования.
Современный уровень развития космической техники характеризуется тенденцией к миниатюризации спутников различного назначения (научных, связных, дистанционного зондирования Земли, навигационных, гидрометеорологических и др.) и увеличению количества их запусков. Для решения задач орбитального маневрирования в состав спутников вводятся двигательные установки микротяги, в которых реактивная тяга создается электротермическими микродвигателями. Тяга таких микродвигателей составляет 0.02-0.05 Н (2-5 гс).
В настоящее время как в России, так и за рубежом создано немало образцов двигателей микротяги, среди которых электротермические (электронагревательные) микродвигатели являются наиболее простыми и отработанными.
Создание реактивной микротяги в электротермических микродвигателях осуществляется посредством подвода энергии к нагревательному элементу, размещенному в микродвигателе, прокачиванием рабочего тела вдоль «горячих» поверхностей микродвигателя, на которых происходит испарение и нагрев рабочего тела и выброс нагретого газа через реактивное сопло (сопло Лаваля).
Эффективность микродвигателя в первую очередь определяется величиной его удельной тяги, которая напрямую зависит от величины нагрева газообразного топлива на входе в реактивное сопло.
Известен микродвигатель по патенту №2154748 (заявка №96117948/06 от 09.09.1996).
Данный микродвигатель содержит камеру термического разложения топлива, внутри которой расположено устройство для стартового разогрева микродвигателя, выполненное в виде полого стакана (газовода) с перфорированными стенками с донышком, обращенным к форсунке, внутри которой установлен шнековый завихритель. Открытый конец стакана прикреплен к корпусу камеры и месту ее стыка с соплом Лаваля двигателя. На стакан намотан с зазором между витками нагреватель, а на внутренней поверхности боковой стенки камеры намотан с зазором между витками дополнительный электрический нагреватель.
Недостатки данного микродвигателя обусловлены компоновкой его составных частей, что снижает его эффективность по параметру удельная тяга, а именно:
1. Выполнение перфорации на боковых стенках стакана снижает эффективность нагрева газообразного топлива за счет того, что часть газообразного топлива сразу попадает в отверстия, расположенные у донышка стакана, и по этой причине напрямую не контактирует с нагревательными элементами микродвигателя.
2. Путь, пройденный газообразным топливом, от входа в камеру микродвигателя до входа в сопло Лаваля, от которого зависит степень нагрева паров топлива, практически ограничен длиной самой камеры. В реальных условиях компоновки микродвигателя в составе двигательной установки и самого спутника имеются ограничения на длину камеры. В этих условиях снижается эффективность микродвигателя.
3. В микродвигателе нагреватель намотан на стакан с зазором между витками, а на внутренней поверхности боковой стенки камеры намотан с зазором между витками дополнительный электрический нагреватель. В подобных конструкциях в качестве нагревательного элемента используется проволочный нагревательный элемент, уложенный через слой изоляции в металлической трубке для обеспечения гарантированной изоляции металлического корпуса микродвигателя от электрического нагревателя. В этом случае газообразное топливо напрямую не контактирует с электрическим нагревателем, что также снижает эффективность нагрева топлива.
Известны микродвигатели, исключающие приведенные недостатки и обладающие повышенной удельной тягой, например электротермический микродвигатель по патенту №2332583. Данный микродвигатель взят за прототип.
В микродвигателе по прототипу газовод выполнен с двумя цилиндрическими фланцами, расположенными на его наружной части с отступом от его торцов, и дополнительно размещен внутри цилиндрического стакана с цилиндрическим буртиком в районе дна так, что свободный торец газовода уперт в дно стакана, длина которого выбрана из условия утопания противоположного цилиндрического фланца относительно открытого торца стакана, и снаружи газовода между цилиндрическими фланцами расположены электрические нагревательные элементы в двухканальных керамических трубках, например, в виде проволоки из нихрома, диаметр которой меньше диаметра отверстий в трубках, с выводом токоподводящих частей нагревательных элементов в трубках через пазы во фланце и отверстия в дне стакана, причем внутренний диаметр стакана равен наружному диаметру цилиндрических фланцев газовода, при этом камера выполнена в виде стакана с внутренним диаметром, равным диаметру цилиндрического буртика, и с отверстием в дне, диаметр которого равен диаметру выступающей торцевой части газовода с соплом Лаваля, выполненной ступенчатой, длина утолщенной цилиндрической части которой равна величине утопания цилиндрического фланца относительно открытого торца стакана, который с расположенным в нем газоводом прижат к дну камеры при помощи цилиндрического выступа пустотелой гайки с наружной резьбой, ввинченной в открытый торец камеры, в теле которой размещена система подачи газофицированного топлива в виде подводящего трубопровода, а завихритель выполнен в виде наклонных газоподводящих прорезей на цилиндрическом буртике, при этом на боковой поверхности свободного торца стакана, а также на боковой поверхности газовода у торца, контактирующего с дном стакана, и в цилиндрических фланцах газовода выполнены прорези, а чувствительные элементы термопар размещены в газоводе через отверстия в дне стакана и вместе с токовыводами выведены наружу через пустотелую гайку, полость которой и торец камеры заполнены термостойким герметиком.
Эксплуатация микродвигателя по прототипу в реальных двигательных установках микротяги, установленных на малых космических аппаратах, показали его эффективность. Вместе с тем выявлены «слабые» места и намечены пути дальнейшего совершенствования данного микродвигателя.
При давлении на входе в критическое сечение сопла Лаваля микродвигателя по прототипу порядка 0.05 МПа диаметр критического сечения сопла получается небольшим (0.7 мм) для тяги 0.03 Н (3 гс). С учетом того что физический переход газовода в критическое сечение сопла Лаваля и далее в сопло Лаваля осуществляется через радиусы скругления, то при малом размере критического сечения сопла Лаваля технологически проконтролировать полученные поверхности крайне трудно.
Для увеличения диаметра критического сечения сопла Лаваля давление на входе в критическое сечение сопла регулятором давления двигательной установки снижается до 0.02 МПа. При этом диаметр критического сечения сопла Лаваля возрастает (до 1 мм) и его выполнение и контроль не вызывают технологических трудностей.
Как известно, одним из конструктивных путей повышения удельной тяги микродвигателя является применение профилированного сопла Лаваля. Оптимальный диаметр среза профилированного сопла Лаваля для диаметра критического сечения сопла в 1 мм составляет 10 мм.
При использовании пониженного по отношению к прототипу давления на входе в критическое сечение сопла микродвигателя и оптимального по размерам профилированного сопла конструкция микродвигателя по прототипу обладает следующими недостатками.
1. Выполнение газовода и реактивного сопла Лаваля как единого целого приводит к тому, что общий диаметр микродвигателя неизбежно вырастет из-за увеличения наружного диаметра сопла Лаваля, что приведет к увеличению прогреваемой электрическими нагревателями массы микродвигателя и к снижению его энергетических характеристик.
2. При увеличении наружного диаметра сопла Лаваля вырастет и диаметр, по которому осуществляется уплотнение внешнего корпуса (стакана) с газоводом, что при нагреве микродвигателя может привести к нарушению герметичности и утечкам рабочего тела наружу.
3. Выполнение газовода и реактивного сопла Лаваля как единого целого представляет собой значительные технологические трудности при изготовлении.
Целью заявляемого микродвигателя является повышение его эффективности за счет увеличения удельной тяги микродвигателя и упрощения его конструкции.
Поставленная цель достигается тем, что дно камеры выполнено с выступающим цилиндрическим фланцем с резьбой, выполненной на внутренней поверхности, и буртиком, при этом сопло Лаваля выполнено профилированным, на цилиндрической поверхности которого выполнена резьба и буртик, а торец сопла выполнен конической формы и контактирует с конической поверхностью, выполненной на торце газовода, при этом цилиндрические буртики камеры и сопла Лаваля соединены сваркой.
Заявляемый двигатель поясняется чертежами, на которых показано:
- на фиг.1 - общий вид микродвигателя в сборе;
- на фиг.2 - поперечное сечение по защитному кожуху микродвигателя (сечение В-В на фиг.1);
- на фиг.3 - поперечное сечение по корпусу микродвигателя (сечение Б-Б на фиг.1);
- на фиг.4 - цилиндрический стакан микродвигателя;
- на фиг.5 - вид на дно цилиндрического стакана;
- на фиг.6 - выполнение газовода на поверхности стакана (вид А на фиг.5);
- на фиг.7 - вид на торец газовода со стороны подвода газообразного топлива;
- на фиг.8 - общий вид газовода микродвигателя;
- на фиг.9 - вид на торец газовода со стороны сопла Лаваля;
- на фиг.10 - общий вид микродвигателя без защитного кожуха с токовыводами и термопарами;
- на фиг.11 - объемный вид основных частей микродвигателя.
Микродвигатель содержит газовод 1, газовая полость 2 которого заканчивается соплом Лаваля 3, выполненным в виде отдельной сопловой вставки. Газовод 1 выполнен с двумя цилиндрическими фланцами 4, 5, расположенными на его наружной части с отступом от его торцов. Газовод 1 размещен внутри цилиндрического стакана 6 с цилиндрическим буртиком 7 в районе дна так, что свободный торец газовода уперт в дно стакана, а длина стакана выбрана из условия утопания противоположного цилиндрического фланца 4 относительно открытого торца стакана 6.
Снаружи газовода 1 между цилиндрическими фланцами 4, 5 расположены электрические нагревательные элементы 8 в двухканальных керамических трубках 9, например, в виде проволоки из нихрома с выводом токоподводящих частей нагревательных элементов 8 в трубках 9 через пазы 10 во фланце 5 и отверстия 11 в дне стакана 6.
Внутренний диаметр стакана 6 равен наружному диаметру цилиндрических фланцев 4, 5 газовода 1. Камера микродвигателя выполнена цилиндрической ступенчатой формы в виде стакана 12 с дном 13 и стакана 14 с фланцем 15 для крепления микродвигателя в составе двигательной установки. Диаметр стакана 14 больше диаметра стакана 12. Диаметр буртика 7 стакана 6 равен внутреннему диаметру стакана 12 камеры. На дне камеры микродвигателя 13 выполнен цилиндрический фланец 16, на внутренней поверхности которого нарезана резьба 17. Цилиндрический фланец 16 заканчивается буртиком 18. На цилиндрической поверхности сопла Лаваля 3 выполнена аналогичная резьба 19 и буртик 20, при этом диаметр буртика 20 равен диаметру буртика 18. При вворачивании сопла Лаваля 3 в стакан 12 буртик 20 упирается в буртик 18. Свободный торец сопла Лаваля 3 упирается в коническую часть газовода 1 и тем самым центрируется. Герметизация резьбового соединения достигается путем сварки оплавлением кромок буртиков 18 и 20.
В случае, если предусматривается замена сопла Лаваля 3, например при наземной экспериментальной отработке микродвигателя, допускается не выполнять сварной шов, при этом необходимая степень герметизации достигается за счет выбора мелкого шага резьбы 17 и 19 и самоуплотняющегося контакта по коническим поверхностям газовода 1 и сопла Лаваля 3.
Газовод 1 с нагревателями (обычно монтируется основной и резервный нагреватели) со стаканом 6 устанавливается в цилиндрическую часть 12 корпуса микродвигателя, при этом торец стакана 6 прижат к дну цилиндрической части 12 камеры при помощи ввинченной в цилиндрическую часть 13 камеры пустотелой гайки 21 с наружной резьбой с цилиндрическим выступом 22.
Завихритель выполнен в виде наклонных газоподводящих прорезей 23 на буртике 7. Подвод газофицированного топлива осуществляется через трубопровод 24, вваренный в гайку 21, в полость между корпусами гайки 21 и цилиндрической части 14 камеры. На боковой поверхности свободного торца стакана 6 до зоны контакта цилиндрического фланца 4 с поверхностью стакана, а также на боковой поверхности газовода 1 у торца, контактирующего с дном стакана 6, до цилиндрического фланца 5 и в цилиндрических фланцах 4, 5 газовода 1 выполнены прорези (отверстия) 25, 26, 27, 28 соответственно для прохода газофицированного топлива.
Внутри пустотелой гайки 21 размещены токовыводы 29 электрических нагревателей и термопары 30 микродвигателя. Для выхода нагревателей и термопар в дне стакана 6 выполнены отверстия 31, 32 соответственно. Токовыводы 29 нагревателей размещены в изолирующих керамических трубках 33. Токовыводы 29, термопары и подводящий трубопровод закрыты защитным кожухом 34, соединенным с цилиндрической частью 14 камеры микродвигателя. Для снижения габаритов защитный кожух 34 выполнен Т-образной формы.
Полость гайки 21 и торец камеры загерметизированы при помощи керамического герметика 35.
Подача газообразного топлива в трубопровод 24 осуществляется через штуцер (на чертеже не показан), который соединяется с ответной частью топливной магистрали двигательной установки.
Работа микродвигателя осуществляется следующим образом.
Перед подачей газообразного топлива в микродвигатель производится его разогрев включением основного или резервного нагревательных элементов 8. Возможно также включение нагревательных элементов 8 одновременно с подачей газообразного топлива. Расположение нагревательных элементов 8 в керамических трубках 9 обеспечивает надежную изоляцию от корпуса микродвигателя. При этом в торцах керамических трубок 9 проделаны соответствующие пропилы (на чертеже не показаны), обеспечивающие утопание нагревательных элементов в трубках. Контроль температуры разогрева осуществляется термопарами 30, чувствительные элементы которых расположены в полости 2 газовода 1.
Топливо микродвигателя (например, жидкий аммиак) предварительно газифицируется в испарителе двигательной установки и в газообразном виде подается в трубопровод 24 микродвигателя.
Из трубопровода 24 газообразное топливо попадает в полость стакана 14 камеры микродвигателя и затем через завихрители 23 в полость между стаканом 12 камеры микродигателя и стаканом 6, образованную за счет толщины буртика 7. Завихрители 23 обеспечивают вращательно-поступательное движение газообразного топлива в полости, увеличивая тем самым путь вокруг горячего корпуса стакана 6 и нагрев паров топлива.
Далее газообразное топливо через прорези 25 в стакане 6 и отверстия 27 во фланце 4 газовода 1 попадает в полость, образованную стаканом 6, газоводом 1 и его фланцами 4, 5. В данной полости расположены нагревательные элементы 8 в двухканальных керамических трубках 9. Диаметр нагревательных элементов (например, проволоки из нихрома) меньше диаметра каналов в трубках 9. Плотность заполнения поперечного сечения данной полости (фиг.3) составляет 67.5%. В этом случае газообразное топливо будет омывать горячие керамические трубки как снаружи, так и изнутри, проходя по самим нагревательным элементам 8. Увеличение степени нагрева газообразного топлива на этом участке достигается заполнением свободного пространства между керамическими трубками и поверхностями стакана 6 и газовода 1 термостойким изолятором, например, керамического типа. В этом случае газообразное топливо пойдет только через отверстия в керамических трубках 9, омывая сами нагревательные элементы и максимально нагреваясь.
Затем газообразное топливо через отверстия 28 во фланце 5 и прорези 26 у торца газовода 1 попадает в полость 2 газовода 1 и истекает через сопло Лаваля 3, создавая тягу с эффективностью (величиной удельной тяги), в основном определяемой величиной нагрева истекаемого газообразного топлива.
Термопары 30 (обычно для надежности ставятся две термопары) контролируют температуру газообразного топлива в полости 2 газовода.
Токовыводы 29 выполнены в виде трубок из нержавеющей стали и их длина выбирается из условия наличия на их концах допустимой температуры для соединения токоподводящей кабельной сети путем пайки.
Установка микродвигателя в составе двигательной установки осуществляется через фланец 15 камеры микродвигателя. Вокруг камеры микродвигателя в составе двигательной установки для снижения тепловых потерь устанавливается многослойный теплозащитный экран (на чертеже не показан).
Увеличение удельной тяги, как основной характеристики эффективности микродвигателя, во многом определяется минимизацией потерь при истечении газовой струи из сопла Лаваля, а также рациональным выбором давления на срезе сопла Лаваля в зависимости от условий эксплуатации. Известно, что давление на срезе сопла Лаваля и потери в реактивном сопле Лаваля определяются диаметром и длиной профиля сопла Лаваля.
Оценим диапазон размеров профилированного сопла Лаваля для микродвигателя по прототипу и заявляемого микродвигателя, получаемых без увеличения размеров камеры микродвигателя.
В микродвигателе по прототипу максимальный диаметр среза сопла Лаваля определяется наружным диаметром газовода, который в силу конструктивных особенностей не может быть больше 3...5 мм. При этом из-за увеличения площади контакта газовода с корпусом ухудшается степень герметизации камеры микродвигателя. Профилированное сопло Лаваля, выполненное в таких габаритах, будет иметь неоптимальные характеристики, и его выполнение будет представлять значительные технологические трудности. Дальнейшее увеличение диаметра газовода приводит к необходимости увеличения всех поперечных размеров деталей корпуса микродвигателя.
В заявляемом микродвигателе улучшению основных характеристик способствуют следующие существенные конструктивные признаки:
- применение реактивного профилированного сопла Лаваля оптимальной формы, не зависящей от поперечных размеров камеры микродвигателя;
- выполнение реактивного сопла Лаваля в виде отдельной сменной сопловой вставки, являющейся наиболее технологичной при изготовлении, контроле и наземной отработке микродвигателя;
- возможность использования реактивных сопел Лаваля любой формы, оптимальной для заданных условий эксплуатации при сохранении составляющих микродвигателя.
С учетом сказанного удельная тяга по сравнению с прототипом будет выше на 10-15%. Кроме того, будут значительно улучшены технологические и эксплуатационные характеристики микродвигателя.
Заявляемый микродвигатель в составе двигательной установки успешно прошел приемо-сдаточные испытания, включая испытания на функционирование и испытания на прочность (статические, вибрационные, ударные).