Паровой двигатель - аккумулятор Романова для космических аппаратов

Полезная модель относится к ракетно-космической технике и может быть использована в качестве паровой, двигательной установки (ПДУ) космического аппарата (КА) в качестве корректирующей двигательной установки (КДУ) с созданием импульсов для коррекции положения КА, находящегося на околоземной орбите.
2
Во всех тепловых двигателях движущая механическая сила создается в ограниченном объеме избыточным давлением образующихся газов в кг/см над давлением окружающей среды, а не массой газов в кг, которые истекают от перепада давления и создают пропульсивную, толкающую силу на площади поперечного сечения канала, из которого истекают, при этом, толкающая сила рассчитывается по законам термодинамики, а не по законам механики, как принято в действующей теории ТД, что ясно без доказательств.
Заблуждение парадигмы существующей теории тепловых двигателей, называемых реактивными, началось с изобретения пороха и его использования в первых тепловых двигателях - пороховых ракетах.
При сгорании пороха его масса переходит в газообразное состояние с давлением превышающем давление атмосферы, и перепад давления создает силу, толкающую ракету.
Начинающий гореть порох и количество образующихся газов, имеющих небольшую массу, но большое давление, толкают остальную не сгоревшую большую массу с большим ускорением, что доказывает то, что ракету движет не масса образующихся газов, а их давление.
Известны КДУ для коррекции параметров орбит КА, использующие несколько типов двигателей, таких как жидкостно-газовые, плазменные, электронагревные и термокаталитические.
Наибольшее распространение получили КДУ со стационарными плазменными двигателями (СПД) Морозова.
Начиная с 1972 г. двигательные установки данного типа используются для коррекции орбиты КА.
В основе принципа действия стационарного плазменного двигателя лежит ускорение ионов рабочего тела электростатическим полем.
В известных КДУ и СПД цикл генерации рабочего тела, создающего корректирующее усилие для КА, осуществляется на орбите, при этом СПД требует мощного источника электрической энергии, и даже с ним способен выбрасывать лишь незначительную массу газа с большой скоростью, создавая импульсно очень малую тягу для коррекции положения КА на орбите.
Каждый СПД имеет определенную мощность, от 1-2 кВт до 100 кВт, и может использоваться для КА, определенной массы, при этом, в качестве маршевых ДУ для ускорения и торможения КА, а так же для создания длительного, мощного импульса для межпланетного перелета, они, не обладающие возможностью генерировать мощность в широком диапазоне, не могут быть использованы.
Известен импульсный ядерный ракетный двигатель, в котором используется энергия большого числа небольших ядерных зарядов (в том числе и термоядерных), находящихся на борту ракеты.
Заряды последовательно выбрасываются из ракеты и на некотором расстоянии за ней взрываются.
При каждом сферическом взрыве незначительная часть ударной волны, расширяющихся газообразных продуктов взрыва, воздействует на КА и создает толкающие его импульсы, сообщая ускорение. (http://galspace.spb.ru/start-2.htm).
При сгорании одного килограмма дымного пороха образуется 300 л газообразных продуктов, при взрыве 1 кг тротила образуется 700 л, при взрыве 1 кг гексогена образуется 908 л/кг, а при испарении воды - 1650 л.
Известно, что вода является экологически чистым и самым газообразующим веществом, а, следовательно, самым эффективным рабочим телом, однако, она характеризуется большой удельной теплоемкостью, и требует больших затрат тепловой энергии для образования пара.
Она используется как усилитель мощности все типов тепловых двигателей, использующих тепло высокотемпературных газов, при подаче воды в которые, генерируется пар, повышая давление образующейся газопаровой смеси и мощность, для ГТД («Справочник авиационного техника», ВИ Минобороны СССР, М. 1964 г.), патенты РФ на РД, торпеды, и газопаровые пороховые, детонационные и ядерные ВВ.
Вода, при нагреве, меняет свое физическое состояние, переходя из жидкого, в газообразное - пар, при этом его удельный объем составляет 1,694 м3/кг, по сравнению с первоначальным жидким состоянием воды, и он обладает большей потенциальной энергией избыточного давления, по сравнению с давлением продуктов сгорания химического топлива и другими способами генерирования избыточного давления газообразного рабочего тела.
Известна газопароимпульсная КДУ для КА, в которой для генерации избыточного давления используется газопаровая смесь, образующаяся при взрыве газопарового заряда ВВ, содержащего внутри обычного заряда ВВ ампулу с водой, (Патент РФ №180685).
Известна импульсная ДУ для КА, создающая пропульсивную, толкающую силу ударной волной взрываемых дефлаграционных или детонирующих зарядов ВВ, внутри которых установлены ампулы с водой, (Патент РФ №190423).
Насыщенный водяной пар образуется в закрытом сосуде над свободной поверхностью воды, нагретой до кипения, при этом его давление зависит только от температуры, и не зависит от объема воды, содержащейся в закрытом объеме.
Но насыщенный пар можно генерировать и в закрытом сосуде, полностью заполненном водой любого объема, не нагревая всю воду, а нагревая лишь небольшой объем, при этом его давление передается всей находящейся в объеме воде.
Именно это свойство насыщенного пара с генерацией его в закрытом объеме, полностью заполненном водой, использовано для создания серии различных типов паровых двигателей, не имеющих аналогов, при этом генерация насыщенного пара осуществляется малогабаритными мощными источниками, тепла, позволяющими перегреть небольшой объем воды с образованием насыщенного пара: ядерными - тепловыделяющим элементом (ТВЭЛ), или тепловыделяющей сборкой (ТВС) или лазерным источником тепла (ЛИТ).
Избыточное давления насыщенного пара можно использовать для создания механической энергии для линейного перемещения, например, поршня, для создания крутящего момента поршневого парового двигателя, для паровых домкратов, паровых штамповочных прессов, при этом поршневые паровые двигатели, с безрасходным объемом воды, использовать для привода транспортных средств различного типа: тепловоза - современного «паровоза», для надводных и подводных аппаратов и судов, для ракет, а так же для всесредных аппаратов.
Известно, что емкость, заполненная горячей водой, при сообщении ее с атмосферой, не обладает потенциальной энергией избыточного давления, так как при истечении воды из емкости только небольшой объем испаряется, насыщая парами окружающий воздух, при этом не образуется насыщенный пар высокого давления.
Известно, что при сообщении емкости, заполненной горячей, нагретой до кипения водой, со средой с давлением ниже атмосферного, она вскипает, образуя насыщенный пар, обладающий потенциальной энергией давления, которой можно совершить механическую работу.
Это свойство и использовано при создании парового двигателя для КА для генерации насыщенного пара высокого давления для создания им сил для движения КА в космическом вакууме.
Известна прямоточная паровая энергетическая установка беспилотного подводного аппарата, использующая забортную воду и генерирующая насыщенный водяной пар, создающий пропульсивную силу, движущую аппарат, и, содержащая, в качестве источника тепловой энергии, тепловыделяющую сборку (ТВС) и аппаратуру запуска реакции деления, остановки и регулирования мощности (Патент РФ №185128).
Известен прямоточный паровой двигатель с ядерным источником тепла ТВЭЛ для торпеды, использующий в качестве рабочего тела забортную воду для генерации насыщенного пара и создания пропульсивной толкающей силы (Газета "Энергетика и промышленность России" \ №09 (365) май 2019 года).
Известна КДУ с ЯИТ для КА, содержащая многосопловую камеру генерации водяного пара постоянного объема, выполненную с возможностью многократного заполнения водой и с герметизацией сопл или разовой паяной заглушкой, или заслонками с электроприводами, при этом в камере установлен ЯИТ, выполненный, по меньшей мере, из двух ТВЭЛов подкритиче-ской массы, разделенных замедлителем, (Патент РФ №190508).
Появилось сообщение о новой программе НАСА - разработке малых космических аппаратов SSTP (Small Spacecraft Technology Program), с водяными двигателями, принцип работы которых заключается в том, что вода превращается в пар, давление которого толкает космический корабль, («Рамблер»).
В перспективе разработчики «космического парового двигателя» планируют разработку новых модификаций технологии для координации действий скоплений небольших космических кораблей.
Известно открытие №65 «Светогидравлический эффект» с лазерным источником тепла (ЛИТ), генерирующим луч с плотной тепловой энергией, при импульсном наведении которого на воду, она взрывается.
Тепловая энергия ЛИТа широко используется во многих областях промышленности, например, для пайки, сварки в атмосфере и под водой, в медицине и других.
При создании ДУ для КА ставились следующие задачи:
упростить термодинамический цикл создания движущей силы ДУ,
упростить рабочее тело и затраты не его генерацию в космосе,
обеспечить использование одной ДУ с диапазоном создаваемых мощностей для всех типов КА, в том числе в качестве маршевого,
использовать для генерации газообразного тела более эффективный, компактный источник тепловой энергии,
обеспечить повышение удельной мощности ДУ,
резко упростить конструкцию ДУ,
улучшить габаритно массовые характеристики,
резко снизить цену силы - «тяги»,
снизить объем и сроки проектирования КД,
цену изготовления и эксплуатации,
обеспечить 100% экологическую безопасность.
Задачи решены тем, что для генерации водяного пара используется, предварительно нагретая, вода, которой заполняется бак ДУ перед стартом ракеты-носителя, при этом ДУ является паровым двигателем - аккумулятором пара (ПДА) для использования в космическом вакууме.
Для коррекции положения КА на орбите - тангаж, рыскание, вращение, ПДА содержит покрытый теплоизоляцией и заполненный горячей водой бак, в котором установлены ТЭН, для подогрева остывшей воды, лазерный источник тепла (ЛИТ) и, герметично установленный на внутренней стенке нагреватель-испаритель (НИ), исключающий непосредственный контакт лазерного луча с водой, разогреваемый ЛИТом, и испаряющий контактирующую с ним воду с образованием насыщенного пара у его поверхности.
Кроме того, ПДА содержит конусно-цилиндрические камеры-сопла (КС) с дном полусферической формы, сообщающуюся через трубопровод с баком, установленные перпендикулярно оси массы КА, в вилках с приводами, например с шаговым ЭД, обеспечивающим ее поворот в перпендикулярной оси КА плоскости на угол 90° в обе стороны, и соединяемые с трубопроводом сильфонами или полипропиленовыми, покрытыми теплоизоляцией, или резиновыми, так же покрытыми теплоизоляцией, и, для сообщения полости КС с баком, она содержит электроклапан (ЭК).
Нагретая вода может поступать из бака в КС без вытесняющего ее давления, и испаряться с созданием толкающей силы, а также вытесняться принудительно, для чего в баке установлен лазерный источник тепла (ЛИТ), генерирующий насыщенный пара небольшого давления относительно вакуума и объема, вытесняющий воду в КС.
Для создания импульса вода подается в КС при открытии ЭК, и горячая вода, поступая в полость КС, находящуюся под низким давлением космического вакуума, мгновенно будет испаряться, с образованием сухого пара, при этом создается толкающий импульс.
Для повышении давления сухого пара, образующегося в КС, они могут содержать подогреватели пара (ПП), которые установлены в их полостях на днище, нагреваемые ЛИТами, при этом давление пара повышается, и создается большее толкающее усилие.
На рис. 1 изображена общая принципиальная схема ПДА, где 1 бак, 2 - ЛИТ, 3 - теплоизоляция, 4 - ТЭН, 5 - трубопровод, 6 - КС, 7 - привод.
На рис. 2 изображена принципиальная схема К с пароподогревателем (ПП), где 1 - КС, 2 - вал привода, 3 - трубопровод, 4 - сильфон, 5 - теплоизоляция, 6 - ЛИТ, 7 - ПП, 8 - ЭК.
Во всех трех положениях КС создает кратковременные или продолжительные импульсы паром низкого давления с минимальным расходом пара и минимальной силой.
Для исключения попадания воды в канал ЛИТ, установленного в баке и пароводогенраторах, на их внутренних стенках герметично установлены нагреватели (испарители), разогреваемые лучом лазера, который испаряет контактирующую с ними воду с образованием насыщенного пара.
Для работы ПДА требуется аккумулятор не большой мощности, предварительно заряженный до запуска, а при разрядке подзаряжаемый от солнечных батарей.
Один ПДА обеспечивает генерацию мощности в двух диапазонах, с изменением мощности в каждом.
Толкающая КА сила ПДА зависит от температуры и давления генерируемого пара в КС и площади поперечного сечения КС, которое в свою очередь зависит от расхода воды и мощности лазерных источников тепла.
ПДА характеризуется простой конструкцией, с использованием, практически бесплатной воды, минимальными массогабаритными характеристиками, и обеспечивает повышенный диапазон создаваемой мощности для создания пропульсивной силы коррекции, и высокие удельную мощность и КПД.