ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ МИКРОДВИГАТЕЛЬ
ELECTRO-THERMAL MICROMOTOR

Изобретение относится к космической технике, а именно к электротермическим микродвигателям, входящим в состав двигательных установок микротяги, устанавливаемых на спутники малой массы для решения задач орбитального маневрирования.
При разработке и создании современных спутников различного назначения (навигационных, гидрометеорологических, дистанционного зондирования Земли, научно-образовательных и др.) актуальной задачей является обеспечение орбитального маневрирования путем реализации заданного запаса характеристической скорости. Эффективным способом решения задач орбитального маневрирования является использование двигательных установок микротяги, в которых реактивная тяга создается электротермическими микродвигателями. При этом величина реактивной тяги составляет не более 0.02-0.05 Н (2-5 гс).
В настоящее время как в России, так и за рубежом созданы различные образцы двигателей микротяги, среди которых электротермические (электронагревательные) микродвигатели являются наиболее простыми и отработанными. Создание реактивной микротяги в электротермических микродвигателях осуществляется посредством подвода энергии к нагревательному элементу, размещенному в микродвигателе, прокачиванием рабочего тела вдоль «горячих» поверхностей микродвигателя, на которых происходит испарение и нагрев рабочего тела, и выброс нагретого газа через реактивное сопло (сопло Лаваля).
Эффективность микродвигателя в первую очередь определяется величиной его удельной тяги, которая напрямую зависит от величины нагрева газообразного топлива на входе в реактивное сопло, которая при фиксированном энергопотреблении зависит от конструктивного исполнения микродвигателя и его массы. Кроме того, при серийном производстве существенную роль играет технологичность микродвигателя и его ремонтопригодность.
Известен микродвигатель по патенту RU 2332583, МПК F02K 9/68, опубл. 27.08.2008 г. Данный микродвигатель содержит трубопровод подачи рабочего тела (например, аммиака), основной и резервный нагревательные элементы с токовыводами, основную и резервную термопару с токовыводами, газовод с коническим соплом, внутренний и наружный корпусы, систему закрутки газового потока рабочего тела, систему герметизации токовыводов нагревательных элементов и термопар в виде термостойкого герметика.
Недостатками данного микродвигателя является низкий удельный импульс тяги, сложная технология сборки, низкая ремонтопригодность из-за:
- применения конического сопла;
- неэффективной системы закрутки газового сопла, выполненной в виде наклонных газоподводящих прорезей на цилиндрическом буртике;
- значительной массы микродвигателя за счет наличия корпуса, закрывающего токовыводы нагревательных элементов и термопар;
- трудоемкая и нетехнологичная герметизация мест выхода токовыводов нагревательных элементов и термопар микродвигателя термостойким герметиком из-за наличия конструктивных труднодоступных мест герметизации;
- невозможность замены вышедших из строя термопар без полной разборки микродвигателя с удалением застывшего герметика, приводящей к выходу из строя нагревательных элементов и некоторых конструктивных элементов микродвигателя.
Известен микродвигатель по патенту RU 2442011, МПК F02K 9/68, опубл. 10.02.2012 г., являющийся усовершенствованием микродвигателя по патенту RU 2332583 и обладающий повышенной удельной тягой за счет использования профилированного сопла взамен конического. Данный микродвигатель взят за прототип.
Микродвигатель по прототипу содержит цилиндрический газовод с системой подачи в него газофицированного топлива и с двумя цилиндрическими фланцами, расположенными на его наружной части с отступом от его торцов, размещенный внутри цилиндрического стакана с цилиндрическим буртиком в районе дна так, что свободный торец газовода уперт в дно цилиндрического стакана, длина которого выбрана из условия утопания противоположного цилиндрического фланца относительно открытого торца стакана, расположенные снаружи газовода между цилиндрическими фланцами электрические нагревательные элементы, причем внутренний диаметр стакана равен наружному диаметру цилиндрических фланцев газовода, камеру в виде стакана, по внутреннему диаметру контактирующую с цилиндрическим буртиком стакана и с его открытым торцом по внутренней поверхности дна, в котором выполнено отверстие для размещения сопла Лаваля, соединенного с газоводом, которое выполнено в виде выступающего фланца с цилиндрическим буртиком, на внутренней поверхности которого нарезана резьба, при этом сопло Лаваля выполнено профилированным, на наружной части которого выполнена аналогичная резьба, оканчивающаяся буртиком, при помощи которой сопло Лаваля ввинчено в выступающий фланец, причем торец сопла Лаваля выполнен конической формы и контактирует с конической поверхностью, выполненной на торце газовода, при этом цилиндрические буртики камеры и сопла Лаваля соединены сваркой.
Чувствительные элементы термопар размещены в газоводе и их токоподводящие части через отверстия в дне стакана вместе с токовыводами нагревательных элементов выведены наружу через торец камеры.
Трубопровод подачи газообразного топлива в микродвигатель также расположен со стороны торца камеры.
К торцу камеры присоединен корпус в виде цилиндрических точеных и фрезерованных деталей, закрывающий токовыводы термопар, токовыводы нагревательных элементов и трубопровод подачи газообразного топлива.
Торцевая полость корпуса и часть закрывающего токовыводы и трубопровод корпуса заполнены термостойким герметиком для герметизации микродвигателя.
Завихритель газового потока выполнен в виде наклонных газоподводящих прорезей на цилиндрическом буртике цилиндрического стакана.
Эксплуатация микродвигателя по прототипу в реальных двигательных установках микротяги показала его эффективность. Вместе с тем выявлен ряд недостатков.
Наличие защитного корпуса, включающего в себя цилиндрические детали, получаемые токарной и фрезерной механической обработкой, и закрывающие токовыводы термопар, токовыводы нагревательных элементов и трубопровод подачи газообразного топлива, приводит к увеличению теплоемкости конструкции вследствие увеличения прогреваемой массы микродвигателя.
В этой связи снижается нагрев рабочего тела и, как следствие, удельный импульс тяги микродвигателя.
Кроме того, выполнение завихрителя газового потока в виде наклонных газоподводящих прорезей на цилиндрическом буртике цилиндрического стакана обладает низкой эффективностью закрутки газового потока. Это также снижает величину нагрева рабочего тела и, как следствие, удельный импульс тяги микродвигателя.
Анализ вопросов серийного изготовления микродвигателя выявил «слабые» производственные места микродвигателя. Так, технология использования термостойкого герметика для герметизации микродвигателя, изготавливаемого на основе термостойкого клея, включает послойное нанесение герметика в герметизируемую полость с поэтапной сушкой с поднятием температуры сушки на каждом из этапов. В процессе сушки необходимо постоянно уминать герметик в герметизируемой полости из-за его вспучивания для получения сплошной герметизирующей среды без пор. Весь цикл герметизации микродвигателя занимает до 10 дней.
Наличие в герметизируемой полости микродвигателя токовыводов термопар и нагревательных элементов, а также трубопровода подачи газообразного топлива приводит к появлению конструктивных застойных зон, в которых герметик в процессе сушки содержит поры, приводящие к появлению негерметичности микродвигателя.
Кроме того, окончательная герметизация микродвигателя осуществляется при пристыкованном защитном корпусе, еще более затрудняющем процесс нанесения герметика в конструктивные застойные зоны.
При неудачной герметизации микродвигателя, выявляемой при испытаниях собранного микродвигателя на герметичность, необходимо удалять затвердевший герметик, что приводит к однозначному повреждению термопар, проволочных нагревательных элементов, а зачастую керамических трубок и корпусных деталей. В этом случае необходимо заново собирать микродвигатель с заменой поврежденных элементов и его герметизировать, что является существенным недостатком.
В случае выхода из строя термопары при испытаниях собранного микродвигателя процедура ее замены также связана с удалением герметика и с полной переборкой микродвигателя.
При переборке микродвигателя также выходят из строя нагревательные элементы, часть керамических трубок. Кроме того, возможно повреждение и корпусных деталей. Это также является существенным недостатком.
Целью заявляемого микродвигателя является повышение удельного импульса тяги за счет повышения температуры рабочего тела путем снижения массы конструкции и гарантированной закрутки рабочего тела при протекании внутри микродвигателя, упрощение технологии сборки и повышение качества герметизации за счет обеспечения доступа к местам герметизации микродвигателя, обеспечение ремонтопригодности с сохранением нагревательных элементов и корпусных деталей в процессе переборки микродвигателя при неисправности термопары.
Указанный технический результат достигается тем, что микродвигатель, содержит цилиндрический газовод с трубопроводом подачи в него газофицированного топлива с двумя цилиндрическими фланцами, расположенными на его наружной части с отступом от его торцов, размещенный внутри цилиндрического стакана в районе дна так, что свободный торец газовода уперт в дно цилиндрического стакана, длина которого выбрана из условия утопания противоположного цилиндрического фланца относительно открытого торца стакана и на котором на наружной поверхности выполнен завихритель, расположенные снаружи газовода между цилиндрическими фланцами проволочные электрические нагревательные элементы в двухканальных керамических трубках с выводом токоподводящих частей нагревательных элементов в трубках через пазы во фланце и отверстия в дне стакана, причем внутренний диаметр стакана равен наружному диаметру цилиндрических фланцев газовода, камеру в виде стакана, расположенную с зазором относительно цилиндрического стакана, в дне которого выполнено отверстие для размещения сопла Лаваля в виде выступающего фланца, на внутренней поверхности которого нарезана резьба, при этом на наружной части сопла выполнена аналогичная резьба, при помощи которой сопло ввинчено в выступающий фланец, причем торец сопла выполнен конической формы и контактирует с конической поверхностью, выполненной на торце газовода, термопары, чувствительные элементы которых размещены в микродвигателе, а токовыводы выведены наружу, термостойкий герметик, нанесенный в районе выхода токовыводов термопар и нагревательных элементов, при этом цилиндрический стакан выполнен с цилиндрическим насадком стакана большего диаметра в направлении от его дна и выхода токоподводящих частей нагревательных элементов, определяющего зазор между стаканом и камерой, на наружной поверхности которого выполнена резьба, при помощи которой стакан закреплен в камере при помощи ответной резьбы на внутренней поверхности камеры, и на наружной поверхности камеры со стороны выхода токовыводов нагревательных элементов при помощи резьбового соединения соосно установлен цилиндрический корпус, при этом токовыводы нагревательных элементов за пределами цилиндрического корпуса закреплены при помощи керамических трубок на кронштейне, соединенном с камерой микродвигателя с обеспечением доступа к внутренней полости цилиндрического насадка и корпуса, чувствительные элементы термопар игольчатого типа размещены в цилиндрическом стакане вблизи критического сечения сопла посредством отверстий в цилиндрическом фланце газовода и в дне стакана камеры, и токовыводы термопар через полость, образованную выступающим фланцем крепления сопла и цилиндрическим насадком камеры, выполненным на камере вокруг фланца установки сопла, торец которого расположен за фланцем установки сопла, проложены вдоль камеры микродвигателя и закреплены на кронштейне, причем термостойкий герметик нанесен в полости, образованной цилиндрическим насадком большего диаметра, камерой и цилиндрическим корпусом, а также в полости, образованной цилиндрическим насадком, дном, фланцем крепления сопла и соплом, при этом завихритель выполнен в виде полости, образованной поверхностями винтовой пружины, расположенной в зазоре между стаканом и камерой и контактирующей с внутренней поверхностью камеры и наружной гладкой поверхностью цилиндрического стакана и ориентирующей газовый поток в направлении к соплу, при этом на входе в полость завихрителя в боковой поверхности камеры выполнен входной патрубок, соединенный с трубопроводом подачи газофицированного топлива.
Заявляемый микродвигатель поясняется чертежами, на котором показано:
- на фиг. 1 - общий вид микродвигателя в сборе;
- на фиг. 2 - вид на торец газовода со стороны сопла Лаваля;
- на фиг. 3 - общий вид газовода;
- на фиг. 4 - вид на торец газовода со стороны подвода газообразного топлива в газовод;
- на фиг. 5 - общий вид цилиндрического стакана;
- на фиг. 6-7 - объемный вид микродвигателя (проволочные нагревательные элементы в керамических трубках условно не показаны);
- на фиг. 8 - объемный вид основных частей микродвигателя (проволочные нагревательные элементы условно не показаны);
- на фиг. 9 - схема течения рабочего тела внутри микродвигателя.
Микродвигатель содержит газовод 1, газовая полость которого заканчивается съемным реактивным соплом 2. Газовод 1 выполнен с двумя цилиндрическими фланцами 3, 4, расположенными на его наружной части с отступом от его торцов. Газовод 1 размещен внутри цилиндрического стакана 5 в районе дна 6 так, что свободный торец газовода уперт в дно 6 стакана, а длина стакана выбрана из условия утопания противоположного цилиндрического фланца 3 относительно открытого торца стакана 5.
Снаружи газовода 1 между цилиндрическими фланцами 3, 4 расположены электрические нагревательные элементы 7 в двухканальных керамических трубках 8, например, в виде проволоки из нихрома, с выводом токоподводящих частей проволочных нагревательных элементов 7 в трубках 8 через пазы 9 во фланце 4 и отверстия 10 в дне 6 стакана 5.
Внутренний диаметр стакана 5 равен наружному диаметру цилиндрических фланцев 3, 4 газовода 1.
Камера микродвигателя цилиндрической формы расположена вокруг цилиндрического стакана 5 и содержит стакан 11 с дном 12, расположенным в районе сопла 2 за фланцем 3 газовода 1 по направлению к срезу сопла.
В дне 12 выполнено отверстие для размещения сопла Лаваля в виде выступающего фланца 13, на внутренней поверхности которого нарезана резьба, при этом на наружной части сопла 2 выполнена аналогичная резьба, при помощи которой сопло ввинчено в выступающий фланец 13.
Стакан 11 содержит цилиндрический насадок камеры 14, выполненный на камере вокруг фланца 13 установки сопла 2 и расположенный за ним с зазором его торца относительно наружной поверхности сопла 2.
Таким образом сформирована полость 15 вокруг резьбового соединения сопла 2 с фланцем 13.
Торец сопла 2 выполнен конической формы и контактирует с конической поверхностью 16, выполненной на торце газовода 1, при этом полости газовода 1 и сопла 2 соединяются.
На наружной поверхности стакана 11 между его торцами в районе дна 6 стакана 5 выполнен фланец 17 с винтами 18 для крепления частей микродвигателя и микродвигателя в составе двигательной установки. За фланцем 17 по направлению к токоподводящим частям нагревательных элементов 7 на стакане 11 выполнена наружная резьба 19.
Во фланце 17 выполнен также штуцер 20, полость которого соединена с внутренней полостью стакана 11, через который посредством приваренного трубопровода 21 подается рабочее тело.
Во фланцах 3, 4 выполнены отверстия 22, 23, а во фланце 3 выполнены пазы 24. Кроме того, в торцевой части газовода 1, контактирующего с в дном 6 цилиндрического стакана 5, выполнены прорези 25.
Кроме того, на торце стакана 5, контактирующего с дном 12 камеры, выполнены прорези 26.
Цилиндрический стакан 5 выполнен с цилиндрическим насадком 27 большего диаметра в направлении от его дна и выхода токоподводящих частей нагревательных элементов, определяющего зазор между наружной поверхностью стакана 5 и внутренней поверхностью стакана 11 камеры, на наружной поверхности которой выполнена резьба 28, при помощи которой стакан закреплен в камере с помощью ответной резьбы на внутренней поверхности стакана 11.
В зазоре между наружной поверхностью стакана 5 и внутренней поверхностью стакана 11 камеры расположен завихритель в виде пружины 29.
Чувствительные элементы игольчатых термопар 30 (две штуки, основная и резервная) через полость 15, отверстия 31 в дне 12, пазы 24 во фланце 4 заведены в полость стакана 5.
Иглы термопар 30 проложены вдоль микродвигателя и через переходные муфты 32, соединяющие иглы термопар и токоподводящие кабели 33, при помощи двухканальных керамических трубок 34 жаропрочными нитками 35 закреплены с элементами пластинчатого кронштейна 36.
Кронштейн 36 соединен с фланцем 17 винтами 18. При этом выступающие части винтов 18 используются как шпильки для крепления микродвигателя в составе двигательной установки.
После установки термопар 30 полость 15 герметизируется термостойким герметиком 37. При этом обеспечивается как герметизация мест выхода чувствительных элементов термопар из дна 12, так и герметизация места выхода сопла 2 из фланца 13. Работа с нанесением герметика осуществляется через зазор между наружной поверхностью сопла 2 и насадком 14.
Выходы проволочных нагревательных элементов 7 в местах их соединения с токоподводящими металлическими трубками 38 загерметизированы термостойким герметиком 39 внутри цилиндрического насадка 40 с внутренней резьбой, соединенного со стаканом 11 при помощи резьбы 19. Работа с нанесением герметика осуществляется через торец насадка 40. Для крепления трубок 38 используются двухканальные керамические трубки 34, 41 и жаропрочные нитки 35.
Работа микродвигателя осуществляется следующим образом.
Перед подачей газообразного топлива в микродвигатель производится его разогрев включением основных (или резервных) нагревательных элементов 7. Возможно также включение нагревательных элементов 7 одновременно с подачей газообразного топлива. Расположение нагревательных элементов 7 в керамических трубках 8 обеспечивает надежную изоляцию от корпуса микродвигателя. При этом в торцах керамических трубок 8 проделаны соответствующие пропилы (фиг. 8), обеспечивающие утопание нагревательных элементов 7 в керамических трубках и исключение их контакта с металлическими элементами микродвигателя. Контроль температуры разогрева осуществляется термопарами 30, чувствительные элементы которых расположены в зоне расположения нагревательных элементов в полости цилиндрического стакана 5.
Топливо микродвигателя (например, жидкий аммиак) предварительно газифицируется в испарителе двигательной установки и в газообразном виде подается в трубопровод 21 микродвигателя.
Из трубопровода 21 через штуцер 20 газообразное топливо попадает в винтовую полость, образованную внутренней поверхностью стакана 11 камеры микродвигателя, внутренней поверхностью цилиндрического стакана 5 и контактирующего с ними винтового завихрителя в виде пружины 29.
Завихритель в виде пружины 29 обеспечивает вращательно-поступательное движение газообразного топлива в полости, увеличивая тем самым путь вокруг горячего корпуса стакана 5 и нагрев топлива.
Далее газообразное топливо через прорези 26 в стакане 5 и отверстия 23 во фланце 3 газовода 1 попадает в полость, образованную стаканом 5, газоводом 1 и его фланцами 3, 4.
В данной полости расположены нагревательные элементы 7 в двухканальных керамических трубках 8. Диаметр нагревательных элементов (например, проволоки из нихрома) меньше диаметра каналов в трубках 8. Плотность заполнения поперечного сечения данной полости составляет ≈67%. В этом случае газообразное топливо будет омывать горячие керамические трубки как снаружи, так и изнутри, проходя и по самим нагревательным элементам 7.
Затем газообразное топливо через отверстия 22 во фланце 4 и прорези 25 у торца газовода 1 попадает в полость газовода 1 и истекает через реактивное сопло 2 (сопло Лаваля), создавая тягу с эффективностью (величиной удельного импульса тяги), в основном определяемой величиной нагрева истекаемого газообразного топлива.
Токовыводы 38 выполнены в виде трубок из нержавеющей стали и их длина выбирается из условия наличия на их концах допустимой температуры для соединения токоподводящей кабельной сети путем пайки.
Установка микродвигателя в составе двигательной установки осуществляется через фланец 17 камеры микродвигателя. Вокруг камеры микродвигателя в составе двигательной установки для снижения тепловых потерь устанавливается многослойный теплозащитный кожух (на чертеже не показан).
Увеличение удельного импульса тяги, как основного показателя эффективности микродвигателя, во многом определяется температурой нагрева газообразного топлива и формой сопла.
Температура нагрева газообразного топлива при заданной электрической мощности зависит от массовых характеристик микродвигателя.
Оценим массовые характеристики микродвигателей по прототипу и заявляемому решению. При оценке будем иметь в виду, что отличия микродвигателей по массе обусловлены различными конструкциями токоподводящих частей микродвигателя (защитные кожуха для прототипа и кронштейн 36 для заявляемого решения).
2
В реализованном образце микродвигателя по прототипу длина защитного кожуха составляет 35 мм, диаметр - 16 мм. Кроме того, имеются два боковых кожуха длиной 25 мм, диаметром 10 мм. Внутри данных кожухов размещены все токовыводы. Площадь кожухов составляет 3530 мм. Примем эквивалентную толщину кожухов равной 0.8 мм. Тогда для металлических кожухов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т масса кожухов составит 21 г. Масса всего микродвигателя составляет 80 г.
2
В заявляемом решении кронштейн 36 для крепления всех токовыводов выполнен фигурным и плоским. Его общая площадь с соблюдением основных габаритов кожухов по прототипу (длина 35 мм, общая ширина у торца микродвигателя 66 мм, ширина каждой полки 8 мм) составит 1100 мм.
Общая площадь кронштейна 36 более чем в три раза меньше площади кожухов по прототипу. При толщине кронштейна 0.8 мм его масса составит 6.4 г. Сокращение массы кожухов составит 69.5%, сокращение массы микродвигателя составит 18%.
При использовании титановых сплавов для изготовления кожуха (кронштейна 36) сокращение массы микродвигателя составит 14%.
Сокращение массы микродвигателя на (14-18)% приведет к увеличению удельного импульса тяги на 12-15% по сравнению с прототипом.
Герметизация микродвигателя осуществляется нанесением специального герметика 37 в полость 15 и герметика 39 в полость цилиндрического насадка 40 со стороны открытого торца.
Данные полости по сравнению с прототипом являются открытыми для нанесения и уплотнения герметика в процессе сушки, что обеспечивает высокое качество с получением сплошной (без пор) структуры герметика и, как следствие, высокую степень герметизации микродвигателя.
При выходе из строя в процессе испытаний микродвигателя термопары, как наиболее «слабого» элемента, ее замена осуществляется удалением герметика 37 из полости 15. При этом все конструктивные элементы микродвигателя сохраняются. После замены термопары полость 15 вновь герметизируется.
Таким образом, по сравнению с прототипом:
- сокращается время ремонта и его стоимость за счет исключения повреждения конструктивных элементов микродвигателя в процессе ремонта;
- обеспечивается высокое качество герметизирующей композиции и герметичность микродвигателя за счет доступа к герметизируемым полостям.