Бессопловая газопаровая камера жидкостного ракетного двигателя

Полезная модель относится к устройствам тепловых двигателей генерирующих избыточное давление газообразного рабочего тела над окружающей его средой и использующих при его расширении реактивную силу для их поступательного движения, а именно, к ракетным двигателям.
Один из первых учебников по теории ракетных двигателей содержит очевидную ошибку в описании процесса создания тяги в ракетном двигателе (РД) и основного показателя обеспечивающего тягу ракетного двигателя, которая явилась причиной появления так же ошибочных показателей оценки эффективности работы ракетных двигателей, таких как удельная тяга и удельный импульс в секундах и остается в последующих изданиях, являясь препятствием для появления новых более совершенных технических решений.
«… Тяга образуется потому, что из двигателя вытекают газы. Чтобы вытолкнуть газы двигатель должен действовать на них с какой-то силой. Обратная сила - сила воздействия газов на двигатель и есть реактивная тяга. Поэтому направление тяги обратно скорости вытекающих газов, а величина тяги равна силе, с которой выталкиваются газы. Очевидно, что величина этой силы зависит от количества вытекающих газов и их скорости. Механика учит, что эта сила, а, следовательно, и сила тяги, равна произведению массы выталкиваемых в секунду газов на скорость их истечения» (Гильзин К.А. «Ракетные двигатели». 1950 г.).
В приведенном выше описании процесса генерации рабочего тела для создания тяги РД даже отсутствует основной термодинамический параметр, характеризующий газообразное состояние массы после сгорания компонентов топлива - давление газов, создающее силу тяги.
2
Вместо силы, действующей на единицу поверхности и измеряемой в кг/см, использована масса, находящаяся в газообразном состоянии, измеряемая в кг, при этом указывается о какой-то силе двигателя, которая выталкивает газы, а обратная сила этой силы создает реактивную тягу.
Таким образом, признавая нахождение массы в камере сгорания в газообразном состоянии и выталкиваемую неустановленной силой из двигателя, автор учебника для ВУЗов, использует ошибочно для оценки тяги РД массу газов, движение которой подчиняется законам механики твердого тела вместо давления этой массы, подчиняющегося законам термодинамики.
Ошибочность легко доказывается на примере теплового двигателя, действующего импульсно и в котором так же проявляется действие реактивной силы, но не в качестве положительной совершающей полезную работу, а отрицательной, например, в ствольном стрелковом оружии реактивная сила отдачи.
Сила отдачи зависит не от массы пороха и от скорости ее вылета в газообразном состоянии, а от максимального давления образовавшихся газообразных продуктов взрыва массы пороха действующих на дно патрона и соответственно на оружие еще до вылета их со сверхзвуковой скоростью из ствола.
Например, пороховой заряд патрона обр. 1943 г. (калибр 7,62-мм, АК-47, АКМ) массой 1,6 г сгорает при выстреле за 0,0012 сек и образует при взрыве 1,6 л газов, т.е. по объему примерно в 1000 раз больше, чем было до выстрела и давление газов массой 1.6 г. выталкивает из канала ствола автомата пулю весом 7,9 г со скоростью 715 м/сек (2680 км/ч) и бросает ее на дальность до 3 км.
Очевидно, что законами механики, которые используются в теории для оценки тяги в РД не удалось бы доказать достигнутый результат выстрела.
Известно, что газы, находящиеся под избыточным давлением относительно давления окружающей двигатель среды, обладают силой - потенциальной энергией давления и расширяются в среду с меньшим давлением, совершая при этом в тепловых двигателях механическую работу.
Таким образом, тяга РД создается осевой составляющей равнодействующей всех сил давления газообразной массы, приложенных к внутренней и наружной поверхностям камеры сгорания, а не количеством массы газообразного рабочего тела истекающего из сопла в единицу времени - секунду.
Избыточное постоянное давление продуктов сгорания образуется в изобарической КС после сгорания компонентов топлива, при этом сопло Лаваля, ускоряя расширение возникающего объема с повышенным давлением продуктов сгорания, лишь снижает эффективность создания максимального давления в этом объеме у поверхности головки КС и последующего свободного объемного расширения от перепада давления с увеличением скорости.
Эффективное давление тяги создается только на площади головки равной площади критического сечения сопла. Остальная площадь головки и генерируемое на ней давление в кольцевом объеме окружающем цилиндрический канал от головки до критического сечения обеспечивающий лишь ускорение продуктов сгорания является не только балластным, но и снижающим тягу.
Это объясняет и названное автором учебника парадоксом несоответствие ожидаемой расчетной тяги через давление продуктов сгорания и площадь головки, которая оказывается значительно меньше.
«… Из материала гл. 6 следует, что равнодействующая сил давления на сужающуюся часть сопла направлена против направления суммарной силы тяги, т.е. налицо формальный парадокс: неизменно присутствующий в конструкции современных ракетных двигателей участок камеры уменьшает ее тягу. В дальнейшем мы должны убедиться в том, что сформулированный выше парадокс кажущийся …». Дорофеев А.А. «Основы теории тепловых ракетных двигателей». МГТУ им. Н.Э. Баумана, Глава 7.
Бессопловая КС с генерацией у поверхности головки аналогичного давления и свободным истечением без ускорения обеспечит более высокую тягу.
Неэффективность сопла Лаваля для создания максимальной реактивной тяги РД доказывается и известными решениями с подачей компонентов топлива и их сжиганием или дожиганием окислительного или восстановительного газов в объеме сверхзвуковой закритической части сопла, а также подачу воды, что обеспечивает генерацию дополнительного давления и соответственно увеличение тяги, при этом уменьшаются сверхзвуковая скорость истечения и термический КПД (патенты РФ №№2265132, 2117813, 214707).
Это так же доказывается и запатентованным техническим решением, обеспечивающим торможение сверхзвукового потока с увеличением энергии более эффективного объемного расширения, в котором лопатки турбины заменены на тормозящие сверхзвуковой поток щетинки (паровая турбина S2E50-250, Technopa GmbH, Австрия, ж-л «Турбины и Дизели», март - апрель 2014 г.).
И еще один факт названный автором странным выявленный при сжигании водорода с кислородом в нестехиометрическом соотношении.
«… Из известных топлив самую высокую скорость истечения (около 4000 м/сек) в условиях земной атмосферы (т.е. при давлении в выходном сечении сопла в 1 ат.) и внутреннем давлении 20 ат. дает смесь 1 вес.ч. (весовой части) водорода с 2 вес.ч. кислорода.
Это может показаться странным, так как при таком смешении значительная часть водорода не сгорает и действует как балласт, ибо 2 кг кислорода могут связать только 1/4 кг водорода. Максимальное количество термохимической энергии на 1 кг вещества получается при смешении 1 вес.ч. водорода с 8 вес.ч. кислорода. В этом случае достигается полное сгорание (так называемое стехиометрическое соотношение) …», немецкий ученый-ракетчик. Г. Оберт.
Ничего странного нет. Водород не балластный газ и участвует в создании тяги. При его избытке, он, не окисляясь, остается водородом, нагревается от теплоты образовавшегося водяного пара и увеличивает общее давление пароводородной смеси и действует как разбавитель перегретого водяного пара, снижая общую плотность смеси и, соответственно, увеличивая скорость истечения.
В рабочем цикле газопаровой КС используется вода давно известная как высокоэнергетическое рабочее тело и использующаяся в качестве единственного рабочего тела в паровых турбинах, в качестве дополнительного рабочего тела в парогазовых установках, в авиационных ГТД для форсажа при взлете используется в тепловых двигателях как эффективная добавка к продуктам сгорания компонентов топлива повышающая мощность и тягу двигателя ("Справочник авиационного техника "Воениздат, Москва, 1964 г. стр. 369).
В РД же для создания максимальной тяги считается использование только высокотемпературных продуктов сгорания топлива, а вода используется лишь как балласт для снижения температуры турбины ТНА или при подаче в закритическую часть сопла для исключения отрыва потока продуктов сгорания от стенки сопла.
Известны парогенераторы с подачей через общее сопло продуктов сгорания и воды прошедшей по системе охлаждения КС с последующей генерацией газопаровой смеси в камере смешения (патенты РФ №2300049, №2396485).
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели для возможности использовании ее в качестве КС для жидкостного РД по конструктивным признакам и процессу генерации газопарового рабочего тела является парогенератор с использованием в качестве компонентов топлива кислорода и водорода с генерацией продуктов сгорания в КС и с последующим добавлением в них воды в камере смешения и использованием генерируемого низкотемпературного водяного пара в качестве рабочего тела с необъемным расширением в паротурбинных установках (прототип патент РФ №2300049).
При сопловом смешении продуктов сгорания и воды, прошедшей по системе охлаждения КС, с последующей генерацией газопаровой смеси в камере смешения в известном патенте или бессопловом с подачей продуктов сгорания в камеру смешения и подачей в нее воды генерация газопаровой смеси с максимальным давлением завершается на значительном расстоянии от места впрыска, что при отсутствии расхода смеси равного скорости ее генерации не имеет значения.
При использовании КС в РД требуется создание объема рабочего тела с высоким давлением непосредственно на торцевой поверхности камеры сгорания - поверхности форсуночной головки, что обеспечит максимальную реактивную тягу.
Технической задачей полезной модели является возможность использования бессопловой камеры сгорания для жидкостного РД генерирующей низкотемпературную газопаровую смесь высокого давления на ее торцевой поверхности с обеспечением максимальных тяги, термического и эффективного КПД.
Задача решена тем, что камера сгорания компонентов топлива с форсуночной головкой и системой ее охлаждения охлаждающим компонентом дополнительно содержит цилиндрическую камеру, выполняющую функцию испарительной камеры, и сообщается с ней через каналы, выполненные в разделяющей их стенке, выполненной в испарительной камере и выполняющей функцию испарителя, при этом в качестве охлаждающего камеру сгорания компонента используется вода, которая, пройдя по системе охлаждения камеры сгорания и за тем по цилиндрическим каналам, омываемым высокотемпературными продуктами сгорания, поступает на поверхность испарителя и используется в качестве основного рабочего тела в образующейся в испарителе газопаровой смеси.
При выходе из каналов испарительной головки высокотемпературных продуктов сгорания и прошедшей по рубашке нагретой воды исходит детонационное испарение воды с резким увеличением количества газообразного рабочего тела и с образованием непосредственно на поверхности испарителя объема газопаровой смеси с пониженной температурой и более высоким давлением.
В испарительную камеру через кольцевой коллектор эжектируется также и газопаровая смесь после турбины ТНА, повышая в ней давление и тягу и обеспечивая замкнутый низкотемпературный термодинамический цикл.
В качестве теплогенерирующих компонентов могут использоваться любые известные пары горючего и окислителя, при этом так же обеспечивается уровень тяги, превышающий тягу РД использующих только теплогенерирующие компоненты.
Известно, что при сгорании 1 кг водорода с кислородом выделяется теплота 120 МДж и образуется 9 кг воды в состоянии пара с температурой Т=3600°С, при этом теплоты достаточно для испарения 40 литров воды с теплоемкостью 2.7 МДж с генерацией более высокого давления и температурой превышающей давление насыщения и снижением расхода основных компонентов в 4-5 раз, что резко снизит размеры термостатируемых баков и, соответсвенно, размер ракеты.
Для пары керосин-кислород с теплотой сгорания ниже при впрыске воды так же обеспечится снижение их расхода в 2-3 раза.
Бессопловая газопаровая камера с использованием воды в жидкостном РД обеспечивает резкое снижение удельного расхода основных теплогенерирующих компонентов и максимальныые термический и эффективный КПД.
Использование воды в цикле ракетных двигателей резко сократит общий расход и удельный расход ракетного топлива, снизятся размеры топливных баков и, соответственно, самих ракет, особенно использующих для РД криогенные топлива.
При использовании воды с высокоэнергетическими топливами в большей степени увеличивается доля воды в соотношении «топливо-вода», соответственно, в большей степени уменьшаются масса компонентов и баков для них, особенно криогенных, снизится удельная токсичность рабочего тела и в целом повышается экологичность и безопасность запусков.
Открывается возможность использования высокоэнергетических высокотемпературных ракетных металлосодержащих топлив и таких топливных пар как фтор-бериллий, фтор-литий, фтор-аммиак, использование которых осложняется задачей создания надежно охлаждаемой камеры, поскольку при сгорании этих топлив развивается чрезвычайно высокая температура, а так же их токсичность, так как продукты сгорания фторных топлив относятся к числу самых токсичных продуктов, опасных для человека и окружающей среды.
Использование бессопловых газопаровых камер сгорания для РД реализующих низкотемпературный максимально эффективный цикл соответственно снизятся цикл сборки двигателя и стоимость его изготовления.
Обеспечивается возможность многократного использования РД, так как при его выключении - отключении высокотемпературные тракты гидравлические тракты топлива могут проливаться водой, сохраняя их работоспособность и возможность повторного использования РД с заменой лишь деталей и узлов, работающих непосредственно в контакте с высокотемпературными продуктами сгорания.
При использовании ГПРД не испытывающих при работе высоких температур и сохраняющего свою работоспособность обеспечивается возможность их повторного использования с сохранением 1 ступени ракеты путем спуска на отработанной для спуска КА парашютной системе или управляемым спуском двигателями по штопорной спирали.
Использование ГПРД резко снизит стоимость ракеты и обеспечит возможность реализации проекта многоразовой двухступенчатой ракеты-носителя морского базирования аналогичной Sea Dragon (США), но с более высокими технико-экономическими показателями.
Использование воды в ракетных двигателях позволит резко снизить стоимость ракет и их запусков, а так же повысить конкурентоспособность российской ракетной техники.
В ракетах с газопаровым РД и с большим объемом бака с водой снижается вероятность значительного повреждения или разрушения стартовой площадки от высокотемпературных продуктов горения или взрыва при аварийных стартах.
Бессопловая газопаровая камера сгорания в газопаровом ракетном двигателе обеспечивает реализацию замкнутого низкотемпературного термодинамического цикла и многократное его использование с максимальными термическим и эффективным КПД, а так же резкое снижение стоимости запусков и доставки полезной нагрузки.