Система охлаждения центрального тела сопла клиновоздушного реактивного двигателя
COOLING SYSTEM OF THE CENTRAL BODY OF THE WEDGE-AIR JET ENGINE NOZZLE

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к устройству двигательных установок. Во всех разрабатываемых объектах ракетно-космической техники имеются термонапряженные элементы (камеры энергодвигательных установок, двигательные установки типа Aerospike). В данных термонагруженных элементах возникают температурные напряжения, вызванные разностью температур по термонапряженному элементу, которые могут достигать половины значения суммарных напряжений в данных конструкциях. Одним из перспективных методов уменьшения температуры центрального тела сопла многокамерной двигательной установки является применение термоэмиссионного охлаждения.
Известна двигательная установка с плоским центральным телом по патенту РФ на полезную модель №206666, которая включает в своем составе плоское центральное тело, выполненное в виде клина, и два ряда круглых камер сгорания со сверхзвуковыми соплами с общей плоской камерой-коллектором, которая содержит плоскую щель для истечения сверхзвуковой струи.
Недостатками аналога является низкая надежность из-за избыточного нагрева центрального тела истекающими продуктами сгорания. В компоновке заявленного аналога двигательной установке с центральным телом не заявлена организация системы охлаждения центрального тела.
Ближайшим аналогом заявленного изобретения является многокамерная двигательная установка с центральным телом, описанная в статье (см., например, Giacomo Ercole Erik Garofalo and etc. «N2O-Cooled Aerospike for a Hybrid Rocket Motor: Nitrous Oxide Characterization and Additive Manufacturing)), доступно онлайн https://www.researchgate.net/publication/318296322_N2O-Cooled_Aerospike_for_a_Hybrid_Rocket_Motor_Nitrous_Oxide_Characterization _and_Additive_Manufacturing) которая включает в своем составе коническое центральное тело, с организованной системой охлаждения по регенеративному типу. Центральное тело с системой охлаждения состоит из двух входных труб, которые образуют коллектор из пяти кольцевых охлаждающих каналов. Эти каналы выходят в двадцать отдельных выпускных отверстий, которые затем сходятся в единую центральную трубу вдоль оси главного сопла.
Ближайший аналог работает следующим образом. В начальный момент работы поток продуктов сгорания с высокой температурой выходит из сопел камер сгорания и движется вдоль сплошного центрального тела, нагревая его. Охлаждение центрального тела сопла двигателя, осуществляется по типу регенеративного охлаждения, с помощью организации охлаждающих каналов. Топливо сначала используется в качестве хладагента для центрального тела, а затем повторно впрыскивается в камеру сгорания. Удельный импульс системы улучшен за счет регенерированного нагрева.
Основным недостатком ближайшего аналога является увеличение требуемой массы хладогента в единицу времени и сложности организации каналов системы охлаждения регенеративным методом (см., например, Климов В. В. «Экспериментальное исследование конвективного теплообмена на центральном теле линейного сопла внешнего расширения)), доступно онлайн http://trudvmai.ru/upload/iblock/def/eksperimentalnoe-issledovanie-konvektivnogo-teploobmena-na-tsentralnom-tele-lineynogo-sopla-vneshnego-rasshireniya.pdf?lan g=ru&issue=24). Кроме того, используемая для данного типа сопла система охлаждения приводит к большим гидравлическим потерям энергии топлива (энергия от газогенератора идет на продавливание охладителя в каналах охлаждения).
Техническая задача, вытекающая из критики ближайшего аналога, заключается в снижении массы требуемого хладогента в единицу времени за счет термоэмиссионного охлаждения.
Заявленное изобретение решает указанную техническую задачу тем, что предлагается система на основе принципа термоэмиссионного охлаждения, которая позволяет снизить расход хладогента за счет варьирования формой каналов прохождения хладагента более удобной для коллекторов с хладагентом. Центральное тело находится в тепловом контакте с коллектором. Коллектор выполнен по замкнутой схеме. Коллектор гидравлически последовательно через клапан связан с емкостью для хранения под давлением смеси инертного газа и легкоионизируемой добавки. Коллектор состоит из катодной и анодной стенки, разделенных электроизолирующими элементами. Катодная стенка прилегает к поверхности центрального тела и отделена на расстояние от 0,3 мм до 1 мм от анодной стенки электроизолирующими элементами. Анодная стенка находится в тепловом контакте с тепловым аккумулятором с высокой теплоемкостью.
В качестве легкоионизируемой добавки может использоваться калий. В качестве инертного газа в коллекторе может применяться гелий.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения заключается в снижении массы требуемого хладогента в единицу времени за счет термоэмиссионного охлаждения. Применение термоэмиссионного охлаждения позволяет обеспечить снижение перепада температурных напряжений и повышение ресурса центрального тела сопла.
Схема реализации заявляемого изобретение представлено на фиг. 1.
Система охлаждения центрального тела сопла клиновоздушного реактивного двигатели (см фиг. 1) включает в себя центральное тело 1, катодную стенку коллектора 2, анодную стенку коллектора 3, электроизолирующие элементы 4, источник напряжения 5, камеры сгорания и сопла 6, емкость для хранения смеси инертного газа и легкоионизируемой добавки 7, клапан 8, коллектор 9, тепловой аккумулятор 10.
В охлаждаемом блоке кольцевого сопла с усеченным клиновидным центральным телом 1 - предназначенным для функционирования широкодиапазонной двигательной установки, катодная стенка коллектора 2 выполнена из жаропрочного материала, центральное тело 1 выполнено из жаропрочного сплава, рассчитанного на длительную работу при температуре до 1100°С, электроизолирующие элементы - из высокотемпературной технической керамики, анодная стенка коллектора 3 выполнена из жаропрочных сплавов, камеры сгорания и сопла 6 выполнены из жаропрочных сплавов.
Система охлаждения центрального тела 1 камеры сгорания и сопла 6 клиновоздушного реактивного двигатели, катодная стенка коллектора 2, предназначенная для эмиссии электронов при нагреве, анодная стенка коллектора 3 - для восприятия электронов термоэмиссии, вышедших из катодной стенки коллектора 2, электроизолирующие элементы 4 - для предотвращения замыкания катодной стенки коллектора 2 и анодной стенки коллектора 3, источник напряжения 5 - для создания напряжения между катодом и анодом, камер сгорания и сопел 6 - для создания тяги, емкость для хранения смеси инертного газа и легкоионизируемой добавки 7, клапан 8 - для обеспечения выхода смеси из емкости и движения его в канал движения рабочей смеси, коллектор 9 - для движения рабочей смеси от емкости к каналу движения рабочей смеси, тепловой аккумулятор 10 - для поддержания температуры анодной стенки коллектора 3 ниже температуры катодной стенки коллектора 2.
Заявляемое изобретение работает следующим образом
При работе клиновоздушного реактивного двигателя продукты сгорания выходят из камер сгорания и сопел 6 и двигаются вдоль центрального тела 1. Центральное тело 1 и катодная стенка коллектора 2 при этом нагреваются. Одновременно происходит открытие клапана 8 и смесь инертного газа и легкоионизируемой добавки поступает в коллектор 9, состоящего из катодной стенки коллектора 2 и анодной стенки коллектора 3. При движении смеси между катодной и анодной стенкой из смеси на поверхности катодной стенки осаждается легкоионизируемая добавка. При снижении работы выхода электронов и при высокой температуре катодной стенки коллектора 2 с ее поверхности происходит термоэмиссия электронов, которые через поле источника напряжения 5 переходят на анодную стенку, охлаждаясь на нем. С катодной стенки коллектора 2 начинают выходить электроны термоэмиссии и забирать с собой тепло. В результате катодная стенка коллектора 2 и центральное тело 1 охлаждаются. Далее по полю электроны термоэмиссии переходят на анодную стенку коллектора 3 и от нее через источник напряжения 5 возвращаются на катодную стенку коллектора
2 и цикл охлаждения повторяется заново.
5
2
5
2
С поверхности центрального тела 1 с помощью организации системы термоэмиссионного охлаждения снимаются тепловые потоки в интервале от 1⋅10 Вт/м до 8⋅10 Вт/м и переносятся на анодную стенку коллектора 3, распределяясь на большую площадь ее поверхности. В результате анодная стенка коллектора 3 охлаждается меньшим количеством хладагента в единицу времени в коллекторе 9, чем поверхности центрального тела 1 без системы термоэмиссионного охлаждения. В результате снижаются температурные напряжения на поверхности центрального тела 1 и с катодной стенки коллектора 2. Температура анодной стенки коллектора 3 ниже температуры катодной стенки коллектора 2 за счет контакта с тепловым аккумулятором 10.
Таким образом, решается указанная техническая задача и достигается технический результат, который заключается в снижение массы требуемого хладогента в единицу времени за счет термоэмиссионного охлаждения.
Пример 1.
2
3
В охлаждаемом блоке кольцевого сопла с центральным телом 1 широкодиапазонной двигательной установки в качестве термоэмиссионного слоя выступает материал - фуллерен С60 с эффективной работой выхода порядка 2.6 эВ, центральное тело 1 выполнено из жаропрочного сплава ХН78Т на основе никеля, рассчитанный на длительную работу при температуре до 1100°С, электроизолирующие элементы - из AlO, упрочненного оксидом циркония, катодная стенка коллектора 2 и анодная стенка коллектора 3, камеры сгорания и сопла 6 выполнено из жаропрочного сплава на никелевой основе Н95Г.
Пример 2.
В охлаждаемом блоке клиновидного сопла с конусоидальным центральным телом 1 широкодиапазонной двигательной установки в качестве термоэмиссионного слоя выступает материал - фторированный графен, синтезирован путем воздействия на графен дифторида ксенона, с эффективной работой выхода порядка 3 эВ, центральное тело 1, выполнено из жаропрочного деформируемого хромоникелевого сплава ХН57ВКЮТМБЛ, рассчитанное на длительную работу при температуре до 1220°С, электроизолирующие элементы - из композитного материала Аристар - С, наполненный непрерывными армирующими материалами, катодная стенка коллектора 2 и анодная стенка коллектора 3, камеры сгорания и сопла 6 выполнено из жаропрочного сплава на никелевой основе Н95Г.