Импульсный паровой двигатель с ядерным источником тепла для космических аппаратов

Полезная модель относится к энергомашиностроению, теплоэнергетике и космической технике, а именно к реактивным двигательным установкам для космических аппаратов и может быть использована для управления ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли и КА, а так же для их перемещения в космическом пространстве.
Известны для КА химические ракетные двигатели, работающие на химическом топливе, плазменные, ионные, электроракетные и другие.
Известен ядерный двигатель, в котором используется энергия большого числа небольших ядерных зарядов (в том числе и термоядерных), находящихся на борту ракеты и выбрасываемых из ракеты или КА. При сферических взрывах лишь незначительная часть ударной волны расширяющихся газообразных продуктов ударяет в толкающую платформу на КА, ускоряя его.
Предложен двигатель для КА, который для создания импульса тяги в качестве газообразующего вместо химических веществ использует воду в состоянии плазмы, а в качестве источника плазмы микроволновый генератор, характеризуется сложной конструкцией, низкой эффективностью и малым импульсом тяги. «Новости высоких технологий, 23.07.18, И. Хель».
Известен паровой двигатель для космических аппаратов, реализующий бесконтурный прямоточный способ генерации пара с ядерным реактором (патент РФ №2178831) характеризующийся сложной конструкцией - реактор, роторный двигатель, поворотные сопла с приводом, а так же проточным процессом генерации пара не обеспечивающим его высокие энергетические показателя для создания эффективной реактивной тяги.
Технической задачей полезной модели являлось создание парового двигателя для КА упрощенной конструкции и с уменьшенной массой, обеспечивающего при минимальных затратах энергии ядерного топлива повышение тактико-технических характеристик и КПД, повышение радиоактивной безопасности и соответственно стоимости его изготовления и эксплуатации.
Задача решена тем, что для генерации водяного пара двигатель содержит камеру фиксированного объема, заполняемую водой, а генерация пара вместо ядерного реактора используется тепловыделяющая сборка (ТВС) с минимальным количеством тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) обеспечивающих генерацию пара из воды ограниченного объема с максимальной энергоемкостью (Р xV) при минимальном расходе ядерного топлива, малое время запуска неуправляемой реакции деления и низкую степень радиоактивности.
Импульсный паровой двигатель содержит камеру генерации, заполняемую водой, выполненную с возможностью герметизации заслонками или ампулизации, и установленный в ней ядерный источник тепла выполненный, по меньшей мере, из двух ТВЭЛов подкритической массы разделенных замедлителем с тепловой мощностью обеспечивающей генерацию пара в замкнутом объеме.
Двигатель может обеспечивать разовый импульс, при этом герметизация сопла выполняется пайкой заглушки, которая при достижении расчетного давления выталкивается из сопла и несколько периодических импульсов, при этом периодическая ампулизация сопла обеспечивается заслонкой с электромагнитным приводом.
Привод замедлителя реакции ядерного топлива (экрана) и привод сопловых заслонок осуществляется источником электроэнергии, размещенным на КА.
Импульсный паровой двигатель с ядерным источником тепла для КА может создавать как скоростные одиночные импульсы при сопле равном диаметру камеры, так и продолжительные что обеспечивается соотношением диаметров камеры и сопла.
Камера может быть выполнена многосопловой с размещением сопл, например, в 2-х или в 3-х взаимно перпендикулярных плоскостях с осями так чтобы оси пересекались в центре и с противоположным напрвлением сопл по своим осям, что обеспечит при одновременном открытии 2-х сопл лежащих в одной плоскости перемещение КА в требуемой плоскости, при открытии 3-х камер в 2-х перпендикулярных плоскостях перемещение КА в любом направлении.
При одном и том же объеме камеры (V) и давлении пара (Р), произведение которых (РxV) как известно, определяет запас потенциальной энергии пара и называется энергоемкостью, усредненный созданный импульс будет одинаковым, но с разной продолжительностью.
Мощность создаваемого толкающего усилия при полном расходе сгенерированного пара будет определяться объемом воды находящейся в камере и давлением пара, достигнутым при ее нагреве, которое зависит от подведенного от ТВС тепла, величина которого зависит от мощности ТВС и длительности ее включения.
Импульсный паровой двигатель характеризуется простой конструкцией, реализующей более эффективный способ генерации высокоэнергетического пара, малым энергопотреблением ядерной энергии для генерации пара, низким уровнем радиационной опасности, скоростным откликом на команду и быстрым ее исполнением которые обеспечат не столько ускоренный межпланетный перелет, но и при необходимости без изменения направления полета быстрый увод КА с траектории полета при угрозе столкновения с космическим телом или объектом или при угрозе уничтожения КА пущенной в него ракетой.
Импульсный паровой двигатель с ядерным источником тепла для КА может создавать как скоростные одиночные импульсы, так и продолжительные, что обеспечивается соотношением диаметров камеры и сопла или цилиндрической камерой без сопла.
Двигатель характеризуется простой конструкцией всех элементов, малым энергопотреблением, скоростным откликом на команду и быстрым ее исполнением, что обеспечит не только высокую скорость при межпланетных перелетах, но и при необходимости быстрый увод КА с траектории полета при угрозе столкновения с космическим телом или объектом или при угрозе уничтожения КА пущенной в него ракетой.
Пополнение рабочим телом паровой ДУ КА во время межпланетных полетов льдом или жидкой водой может осуществляться при их наличии на космических телах или при дальних перелетах к КА может прицепляться бак с водой, предварительно доставленный на орбиту КА.