Импульсный электротермический двигатель
PULSE ELECTROTHERMAL ENGINE

Изобретение относится к реактивным двигательным установкам, в частности может быть использовано для коррекции орбиты и ориентации малых космических аппаратов.
Известен термоэлектрический двигатель (Термоэлектрический двигатель для малых и сверхмалых космических аппаратов, Павлов A.M., Попов А.С. Наука и образование, МГТК им. Н.Э. Баумана doi: 10.7463/1112.0492149), работа которого основана на испарении рабочего тела в нагревательном элементе и последующим его ускорением в сопле. Подача рабочего тела осуществляется из бака по вытеснительной схеме. Испарение рабочего тела и разгон паров до звуковой скорости происходят в капиллярной трубке. Нагрев трубки осуществляется за счет пропускания электрического тока по нихромовой проволоке, намотанной на предварительно изолированную капиллярную трубку. На конце трубки установлено сверхзвуковое сопло для дальнейшего ускорения потока.
Недостатком такого двигателя является ограничение давления в капиллярной трубке давлением в баке, что приводит к снижению мощности двигателя.
Целью изобретения является повышение мощности двигателя за счет повышения давления в капиллярной трубке.
Указанная цель достигается тем, что в импульсном электротермическом двигателе, содержащем бак для рабочего тела, управляющий клапан, нагреватель, выполненный в виде капиллярной трубки из электропроводящего материала, токоподводы и сопло, капиллярная трубка выполнена двухступенчатой, ступень большего диаметра расположена со стороны управляющего клапана, а ступень меньшего диаметра примыкает к соплу, причем один токоподвод присоединен к трубке вблизи клапана, а другой вблизи сопла.
Импульсный электротермический двигатель схематически показан на фиг. 1. На фиг. 2 показан двигатель с независимым электропитанием ступеней.
Жидкое рабочее тело находится в баке 1 под небольшим давлением, создаваемым поршнем с пружиной или наддувом. На выходе бака установлен управляющий клапан 2. К выходу клапана 2 присоединен нагреватель, выполненный в виде капиллярной трубки, состоящей из ступеней 3 и 4. Ступень 3 большего диаметра соединена с выходом клапана 2. Ступень 4 меньшего диаметра соединена с соплом 5. В начале и конце нагревателя установлены токоподводы 6 и 7. Электропитание ступеней осуществляется от аккумулятора 8 через ключ 9. В случае независимого электропитания ступеней 3 и 4 (фиг. 2), нагреватель снабжен дополнительным топодводом 10 и ключом 11. Для двигателя по фиг. 1 с зависимым питанием трубок соотношение температур ступеней задается величиной погонного сопротивления ступеней 3 и 4, определяемого площадью поперечного сечения стенок трубок.
Двигатель по фиг. 1 работает следующим образом. При замыкании ключа 9 на нагреватель поступает напряжение, и он начинает нагреваться. После нагрева ступени 3 (кипятильника) до температуры близкой к температуре кипения рабочего тела при давлении в баке, открывается управляющий клапан 2 и в ступень 3 подается рабочее тело. После заполнения ступени 3 на 50%…70% объема, управляющий клапан 2 закрывается и нагреватель отсекается от бака 1. При продолжении нагрева рабочее тело в ступени 3 начинает кипеть. Поскольку жидкое рабочее тело подается в предварительно нагретую капиллярную трубку, температура рабочего тела в ступени 3 будет максимальной со стороны ступени 4 и кипение рабочего тела будет происходить преимущественно с этой стороны. Так как ступень 3 заполняется рабочим телом частично, случайные выбросы рабочего тела в сторону ступени 4 будут испаряться до попадания в ступень 4 (пароперегреватель).
В ступени 4 пары рабочего тела нагреваются до высокой температуры и поступают в сопло 5. Давление в нагревателе повышается, но поскольку управляющий клапан 2 закрыт, выход рабочего тела обратно в бак 1 не происходит. Величина давления в нагревателе определяется только скоростью подвода тепла к капиллярной трубке и расходом рабочего тела через сопло 5.
После выхода всего рабочего тела через сопло 5 и охлаждения ступени 3 до температуры ниже температуры кипения рабочего тела при давлении в баке цикл можно повторить.
Нагрев капиллярной трубки можно прекратить до истечения всего рабочего тела через сопло 5. В таком случае охлаждение ступени 3 происходит быстрее и частота импульсов тяги может быть увеличена, однако их величина будет меньше за счет снижения температуры и давления рабочего тела в конце импульса. В случае использования двигателя в режиме одиночных импульсов, прекращение нагрева капиллярной трубки до истечения всего рабочего тела, позволяет уменьшить рассеяние остаточного тепла в окружающую среду.
На фиг. 2 показана схема двигателя с независимым электропитанием ступеней 3 и 4. В таком двигателе толщины стенок ступеней 3 и 4 выбираются из условий прочности и технологичности, а необходимые значения температур ступеней достигаются за счет регулирования времени подключения ступеней 3 и 4 к источнику электропитания.
Изобретение позволяет повысить эффективность двигателя за счет нагрева рабочего тела до высоких температур при больших давлениях и соответственно обеспечения большей термодинамической эффективности рабочего тела.