Импульсный детонационный ракетный двигатель
PULSED DETONATION ROCKET ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике и предназначено для создания импульсных ракетных двигателей систем ориентации космических аппаратов и старта с поверхности и посадки на планеты с малой гравитацией, например Луну.
Известен импульсный электрический ракетный двигатель [1], состоящий из анода, катода и шашки рабочего тела, расположенной между ними.
Однако такой ракетный двигатель работает на применении твердого рабочего тела. К недостаткам можно отнести отсутствие продуманной системы зажигания импульса электрического разряда.
Известен также импульсный ракетный двигатель [2], состоящий из анода, катода и шашки из рабочего тела, выполненного из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости.
Однако и такой двигатель предназначен для использования твердого рабочего тела и не способен использовать порошок из других материалов. Резко ограничен выбор материала для двигателя из-за требований к высокой диэлектрической проницаемости.
В качестве аналога выбран импульсный электрический ракетный двигатель, состоящий из анода и катода, подключенных к генератору высоковольтных импульсов [3].
Такой ракетный двигатель работает на жидком рабочем теле. Однако жидкое рабочее тело выполнено в виде пленки и использует режим электрического поверхностного разряда, приводящего к частичному испарению этой пленки. Давление, развиваемое между анодом и катодом, незначительно, что не позволяет получить и высоких скоростей истечения рабочего тела. Поверхностный разряд осуществляется преимущественно по сложившейся электроразрядной дорожке, что позволяет только частично использовать запас рабочего тела.
В качестве аналога выбран электроразрядный [4] ракетный двигатель, содержащий разгонный участок в виде полой трубки, катод и острийковый анод, разделенные диэлектриком и соединенные с высоковольтным источником напряжения, и снабженный системой подачи рабочего тела. Однако и этот двигатель способен лишь частично использовать рабочее тело.
В качестве прототипа выбран импульсный электроразрядный ракетный двигатель [5], содержащий участок в виде газодинамического резонатора с полой разгонной трубкой, заканчивающийся сверхзвуковым соплом, анодом и катодом, разделенными диэлектриком и соединенными с высоковольтным источником напряжения и высоковольтным конденсатором, снабженный системой подачи и поджига рабочего тела.
Однако в системе подачи рабочего тела присутствует дозатор подачи рабочего тела, система, инициирующая детонационный разряд, достаточно сложна из-за того, что разряд осуществляется в нестабильных условиях, поскольку использование газообразного рабочего тела не всегда позволяет равномерно разместить его в резонаторе.
Особенность предлагаемого импульсного ракетного двигателя состоит в том, что система подачи и поджига выполнена в виде прозрачной диэлектрической трубки, заполненной инертным газом, на торцах которой установлены анод и катод, а рабочее тело выполнено в виде цилиндрического усеченного конуса из светопоглощающего материала, обращенного широким основанием в сторону к сверхзвуковому соплу, а диэлектрическая прозрачная трубка установлена по оси симметрии цилиндрического усеченного конуса.
Целью предлагаемого реактивного двигателя является облегчение инициирования разряда, увеличение скорости истечения рабочего тела и увеличение доли сжигаемого рабочего тела.
На рис. 1 схематично изображен предлагаемый импульсный детонационный ракетный двигатель. Он содержит участок в виде газодинамического резонатора 1 с полой разгонной трубкой 2, заканчивающийся сверхзвуковым соплом 3, анодом 4 и катодом 5, разделенными диэлектриком и соединенными с высоковольтным источником напряжения 6 и высоковольтным конденсатором 7, снабженный системой подачи и поджига рабочего тела. Особенностью является то, что система подачи и поджига выполнена в виде прозрачной диэлектрической трубки 8, заполненной инертным газом 9, на торцах которой установлены анод 4 и катод 5, а рабочее тело 10 выполнено в виде цилиндрического усеченного конуса из светопоглощающего материала, обращенного широким основанием в сторону к сверхзвуковому соплу 3, а диэлектрическая трубка 8 установлена по оси симметрии цилиндрического усеченного конуса 10.
Работает предлагаемый импульсный детонационный двигатель следующим образом. При подключении анода 4 и катода 5 к импульсному источнику напряжения 6 и высоковольтному конденсатору 7 между анодом 4 и катодом 5 осуществляется электрический разряд с получением низкотемпературной плазмы с температурой до 30.000 К. Основная часть (до 70-80) энергии выделяется в виде световой энергии, которая проходит через диэлектрическую прозрачную трубку 8 и выделяется на светопоглощающем материале усеченного конуса 10. Высокий коэффициент преобразования электрического разряда в световую энергию достигается за счет заполнения диэлектрической прозрачной трубки 8 инертным газом. Использование других газов нецелесообразно по многим причинам (сильная эрозия катода и анода, пониженные температуры на поверхности светпоглощающего материала). Благодаря своей форме, выполненной в виде цилиндрического усеченного конуса, температура в узком сечении этого конуса существенно выше, чем в широком сечении, что создает мощный гидродинамический импульс в направлении сверхзвукового сопла 3. Импульс создается за счет поверхностного испарения светопоглощающегося материала. Электрический разряд осуществляется в замкнутой герметичной трубке 8, что позволяет добиваться воспроизводимого гидродинамического импульса в зависимости от энергии разряда.
-3
Примеры выполнения реактивного двигателя №1. В качестве светопоглощающего материала выбран эбонит с высоким коэффициентом светового поглощения. Зазор между герметичной прозрачной трубкой выбран в 2 мм. При энергии разряда в 1000 Дж и длительности импульса в 10 секунды мощность разряда оценивается в 1 МВт. На выходе из сопла регистрируется мощный выхлоп из испарившегося материала.
-3
Примеры выполнения реактивного двигателя №2. В качестве светопоглощающего материала выбран эбонит с высоким коэффициентом светового поглощения. Зазор между герметичной прозрачной трубкой выбран в 2 мм в области узкого сечения конуса из светопоглощающего материала и 4 мм в области широкого сечения конуса. При энергии разряда в 1000 Дж и длительности импульса в 10 секунды мощность разряда по-прежнему оценивается в 1 МВт. Благодаря ускоренному движению в сторону сопла на выходе из него регистрируется сверхзвуковое истечение из испарившегося материала, что подтверждается скачками уплотнения (полосами с увеличенной концентрацией продуктов световой эрозии) на бумаге, расположенной вблизи сопла.
Техническим результатом можно признать получение сверхзвуковых скоростей на выходе из сопла и упрощение системы поджига и подачи рабочего тела.
В предложенном импульсном детонационном двигателе нет проблем запуска разряда, нет проблем с подачей рабочего тела, поскольку рабочее тело твердое и нет необходимости его перемещать. При освоении Луны в качестве рабочего тела можно использовать спеченный лунный реголит. Плотность излучения от предложенного импульсного источника света позволяет при небольших зазорах испарять даже вольфрам, который не совсем пригоден в качестве рабочего тела, поскольку температура испарения этого металла весьма значительна
Источники информации
1. Патент RU №201113344. Импульсный электрический ракетный двигатель.
2. Патент RU №2211952. Импульсный электрический ракетный двигатель.
3. Патент RU №2011124587. Импульсный электрический ракетный двигатель.
4. Патент RU №200710731. Импульсный электрический ракетный двигатель.
5. Патент RU №2433293. Импульсный детонационный ракетный двигатель.