ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ РАЗГОНОМ РАБОЧЕГО ТЕЛА
LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINE WITH ADDITIONAL ELECTROMAGNETIC ACCELERATION OF WORKING BODY

Изобретение относится к ракетно-космической технике и преимущественно может быть использовано в маршевых и управляющих ракетных двигателях космических аппаратов.
Важнейшим направлением совершенствования ракетных двигателей космических аппаратов является повышение их экономичности, которая количественно оценивается с помощью удельного импульса. Повышение удельного импульса ракетных двигателей позволяет увеличить маневренные возможности космических аппаратов, повысить срок их активного существования, снизить стоимость реализации космических программ.
Известны электроракетные двигатели, в частности стационарный плазменный двигатель СПД-100, содержащий камеру из диэлектрического материала, в которой размещены анод, кольцевой электромагнит и катод-нейтрализатор (Новости космонавтики, 2000 г., №3, с.30 и 2004 г., №8, с.49). Рабочим телом двигателя служит ксенон. Разгон рабочего тела осуществляется за счет электрической энергии, подводимой от внешнего источника.
Электроракетные двигатели позволяют существенно увеличить удельный импульс по сравнению с традиционными жидкостными ракетными двигателями. Однако существенным недостатком этих двигателей являются малая тяга и большая потребляемая электрическая мощность, а следовательно, большая масса источника питания. К примеру, двигатель СПД-100 развивает тягу примерно 8 т, потребляя 1200 Вт электрической мощности. В связи с этим существенно снижается оперативность выполнения маневров. Кроме того, в процессе выполнения маневров практически вся вырабатываемая на борту электрическая мощность используется двигателем, и космический аппарат в течение длительного времени выводится из рабочего режима.
Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру сгорания и реактивное сопло. В реактивном сопле, выполненном из диэлектрического материала, установлены два кольцевых электрода, связанных через тоководы с внешним источником электрической энергии (см. патент №2204047, 2003 г.).
Данный двигатель позволяет повысить удельный импульс за счет повышения температуры рабочего тела посредством дугового разряда в среде рабочего тела. Однако данное устройство не позволяет значительно увеличить удельный импульс, так как величина подводимой тепловой мощности ограничена допустимой температурой конструкционных материалов камеры двигателя.
Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру двигателя, состоящую из кольцевой камеры сгорания, смесительной головки и тарельчатого сопла (см. Новости космонавтики, 1998 г., №17/18, с.45 и Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. / Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Кузнецов В.А. и др.; под ред. Кудрявцева В.М. - М.: Высшая школа, 1983. - С.353-359).
Недостатком данного двигателя является низкий удельный импульс вследствие ограниченного запаса химической энергии, содержащейся в топливе.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать ракетный двигатель, содержащий источник электрической энергии, камеру двигателя, состоящую из кольцевой камеры сгорания, смесительной головки и реактивного сопла тарельчатого типа (патент №2303156 от 20.07.2007 г.). Данный двигатель позволяет значительно повысить удельный импульс за счет дополнительного разгона рабочего тела в электромагнитном поле.
3
Однако существенным недостатком данного двигателя является большая масса источника питания. Для достижения высоких значений скорости истечения рабочего тела разрядный ток в камере должен достигать значений порядка 10 А, а потребляемая электрическая мощность - нескольких сот кВт. В настоящее время в космосе в основном используются солнечные батареи с удельной массой 10-15 кг/кВт. Следовательно, для обеспечения двигателя необходимой электрической мощностью необходима солнечная батарея массой более 1 тонны.
Целью изобретения является снижение массы двигателя. Указанная цель достигается тем, что двигатель снабжен накопителем энергии, который через коммутирующее устройство и тоководы связан с источником электрической энергии, а также с внутренней частью и с выходным участком внешней части тарельчатого сопла.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
Жидкостный ракетный двигатель с дополнительным электромагнитным разгоном рабочего тела содержит кольцевую камеру сгорания 1, смесительную головку 2, тарельчатое сопло 3, источник электрической энергии 4, накопитель энергии 5 и коммутирующее устройство 6. Тарельчатое сопло 3 состоит из внутренней части 7 и внешней части 8. Внутренняя часть 7 и выходной участок 9 внешней части 8 тарельчатого сопла 3 выполнены из токопроводящего материала, соединены с камерой двигателя через проставки 10 и 11 из диэлектрического материала. Кольцевая камера сгорания 1 и тарельчатое сопло 3 снабжены охлаждающими трактами, которые связаны с коллектором 12 подвода горючего и с трубопроводом 13 подвода окислителя. Накопитель энергии 5 через коммутирующее устройство 6 и тоководы 14, 15 и 16 связан с источником электрической энергии 4, а также с внутренней частью 7 и с выходным участком 9 внешней части 8 тарельчатого сопла 3.
Устройство работает следующим образом. На пассивном участке полета электрическая энергия, вырабатываемая источником электрической энергии 4, через коммутирующее устройство 6 и тоководы 14, 15 подводится к накопителю энергии 5. Благодаря этому обеспечивается заряд накопителя 5.
На активном участке полета коммутирующее устройство 6 соединяет накопитель 5 через тоководы 14 и 16 с внутренней частью 7 и с выходным участком 9 внешней части 8 тарельчатого сопла 3. При включении двигателя окислитель поступает в кольцевую камеру сгорания 1 через трубопровод 13, охлаждающий тракт внутренней части 7 тарельчатого сопла 3 и смесительную головку 2. Горючее поступает в кольцевую камеру сгорания 1 через коллектор 12, охлаждающий тракт внешней части 8 тарельчатого сопла 3 и смесительную головку 2. В кольцевой камере сгорания 1 происходит смешение и горение компонентов топлива. На выходе из кольцевой камеры сгорания 1 образуется рабочее тело (продукты сгорания) с высоким теплосодержанием. Далее рабочее тело поступает в тарельчатое сопло 3, в котором происходит газодинамический разгон рабочего тела за счет преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию направленного движения рабочего тела.
r
Внутренняя часть 7 тарельчатого сопла 3 имеет отрицательный потенциал, т.к. связана через тоководы и коммутирующее устройство 6 с отрицательным полюсом накопителя энергии 5. Выходной участок 9 внешней части 8 тарельчатого сопла 3 имеет положительный потенциал, т.к. связан через тоководы и коммутирующее устройство 6 с положительным полюсом накопителя энергии 5. Рабочее тело в тарельчатом сопле 3 из-за высокой температуры (порядка нескольких тысяч градусов) частично ионизировано. Вследствие наличия разности потенциалов между внутренней частью 7 и выходным участком 9 внешней части 8 тарельчатого сопла 3 в среде рабочего тела возникает электродуговой разряд. Наличие электродугового разряда повышает степень ионизации рабочего тела и увеличивает плотность электрического тока j, протекающего в среде рабочего тела. Осевая составляющая электрического тока j индуцирует азимутальное магнитное поле с индукцией В. Взаимодействие радиальной составляющей электрического тока j с магнитным полем приводит к возникновению силы Ампера, действующей на ионы и электроны, содержащиеся в ионизированном потоке рабочего тела. Эта сила направлена вдоль оси тарельчатого сопла 3 в сторону движения потока рабочего тела.
Силу Ампера, действующую на элементарный объем рабочего тела dV, можно выразить следующим образом (см. чертеж)
,
где  - вектор электрического тока, протекающего через рабочее тело;
- вектор индукции магнитного поля.
Сила Ампера обеспечивает дополнительный разгон рабочего тела в сопле 3. Увеличение скорости истечения рабочего тела из сопла повышает удельный импульс двигателя.
уд
уд
Использование накопителя энергии для дополнительного разгона рабочего тела позволяет существенно снизить массу двигателя. Это обусловлено тем, что в настоящее время разработаны маховичные, индукционные и емкостные накопители с очень высокими удельными характеристиками. Например, маховичные накопители обладают следующими характеристиками: удельная мощность N=10 кВт/кг, удельная энергия Е=650 кДж/кг (Маховичный Н. Накопители энергии. Издательство знание, новый в жизни науки и технике, серия техника №7, 1980 г.). Также накопители энергии способны обеспечить двигатель мощностью порядка нескольких сот кВт при массе порядка нескольких десятков кг.
Поскольку пассивные участки полета космического аппарата являются протяженными, для обеспечения зарядки накопителя энергии 5 требуется источник электрической энергии небольшой мощности, а следовательно, небольшой массы.
В результате суммарная масса источника электрической энергии 4 и накопителя энергии 5, необходимая для работы двигателя, существенно меньше, чем масса источника электрической энергии у прототипа.
Таким образом, достигается цель предлагаемого изобретения.