Составной сопловой блок многокамерной двигательной установки
COMPOSITE NOZZLE UNIT OF MULTI-CHAMBER PROPULSION INSTALLATION

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к устройству двигательных установок.
В реализации двигателя с кольцевым соплом разработаны различные конструктивные схемы. Среди них следует отметить схему двигателя с тороидальной камерой сгорания и аэродинамическим штыревым центральным телом и многокамерного двигателя с камерами сгорания, расположенными по периметру штыревого центрального тела, для первых ступеней мощных космических носителей. Центральное тело - осесимметричное тело, которое частично помещается внутри реактивных сопел, а частично выступает наружу за их обрез и предназначено для формирования требуемой формы проточного канала и организации течения рабочего тела (продуктов сгорания). Этим обеспечивается увеличение эффективности двигательной установки за счет дополнительного ускорения выходящего потока рабочего тела [1].
Интерес к установке центрального тела в ракетных двигателях связан с возможным улучшением его характеристик и получением комплексного эффекта уменьшения массы и стоимости ракетно-космической техники. Это особенно актуально в коммерческой космонавтике. Однако, основной проблемой создания и эксплуатации центрального тела является его нагрев в полете. Форма его достаточно сложна для организации эффективного охлаждения жидкостью (компонентом топлива). Поэтому необходим поиск новых устройств его охлаждения, в том числе на ранее не применявшихся физических принципах.
Известна компоновка маршевой многокамерной двигательной установки двухступенчатой ракеты-носителя с составным сопловым блоком по патенту [2], которая включает в своем составе камеры сгорания по диаметру двигательной установки (ДУ), укороченное центральное тело, внутри которого размещена ДУ второй ступени с тарельчатым соплом.
Известна двигательная установка с плоским центральным телом по патенту на полезную модель [3]. которая включает в своем составе плоское центральное тело, выполненное в виде клина, и два ряда круглых камер сгорания со сверхзвуковыми соплами с общей плоской камерой-коллектором, которая содержит плоскую щель для истечения сверхзвуковой струи.
Недостатком известных устройств является низкая надежность из-за избыточного нагрева центрального тела истекающими продуктами сгорания и сложности организации охлаждения классическими методами охлаждения, например, методом прохождения жидкости в каналах охлаждения.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство, описанное в п. 2 патента на изобретение [4], включающее первичные укороченные сопла Лаваля с укороченным центральным телом в хвостовой части первой ступени ракеты-носителя и первичные укороченные сопла Лаваля многокамерной двигательной установки второй ступени ракеты-носителя.
Ближайший аналог работает следующим образом. В начальный момент начинают работать камеры сгорания и поток продуктов сгорания с высокой температурой выходит из сопел камер сгорания и движется вдоль центрального тела, нагревая его.
Недостатком ближайшего аналога является низкая надежность, связанная с высоким нагревом центрального тела, что подтверждается в работе [5]. Кроме того, это приводит к большим гидравлическим потерям энергии топлива (энергия от газогенератора идет на продавливание охладителя в каналах охлаждения) и делает проблематичным создание полноразмерного центрального тела.
Заявленное изобретение свободно от этих недостатков.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения заключается в увеличение надежности составного соплового блока многокамерной двигательной установки за счет его термоэмиссионного охлаждения.
Указанная техническая задача решается тем, что в составной сопловом блоке многокамерной двигательной установки, включающей укороченные сопла Лаваля с укороченным центральным телом, центральное тело выполнено полым, на его внутреннюю поверхность нанесен термоэмиссионный слой из материала с эффективной работой выхода электрона 0.01-3.3 эВ, на расстоянии от 1 нм до 1 см от термоэмиссионного слоя расположен анод, между термоэмиссионным слоем и анодом в контакте с ними расположены электронепроводящие элементы, при этом термоэмиссионный слой и анод образуют полость, полость между термоэмиссионным слоем и анодом вакуумирована и герметизирована, анод электрически через проводящие элементы соединен со входом источника напряжения, выход источника напряжения соединен с термоэмиссионным слоем, анод примыкает к элементу, внутри которого расположены каналы системы охлаждения анода, в полости между термоэмиссионным слоем и анодом размещена легкоионизируемая добавка.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения заключается в увеличении надежности составного соплового блока многокамерной двигательной установки за счет термоэмиссионного охлаждения центрального тела.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
Составной сопловой блок многокамерной двигательной установки включает в своем составе центральное тело 1, термоэмиссионный слой 2, анод 3, камеру сгорания с соплом 4, источник напряжения 5, электроизолирующие элементы 6, каналы охлаждения анода 7, легкоионизируемую добавку 8.
Центральное тело 1 - предназначено для функционирования ДУ с центральным телом, термоэмиссионный слой 2 предназначен для эмиссии электронов при нагреве, анод 3 - для восприятия электронов термоэмиссии, вышедших из термоэмиссионного слоя, камера сгорания с соплом 4 - для создания тяги, источник напряжения 5 - для переноса электронов через зазор и от анода к катоду, электроизолирующие элементы 6 - для предотвращения замыкания катода и анода, каналы охлаждения 7 - для поддержания температуры анода ниже температуры катода, легкоионизируемая добавка 8 - для снижения работы выхода электрона термоэмиссионного слоя и компенсации пространственного заряда при термоэлектронной эмиссии.
Заявляемое изобретение работает следующим образом.
2
3
При работе камер сгорания с соплом 4 продукты сгорания выходят из сопла и двигаются вдоль центрального тела 1. При этом происходит нагрев центрального тела 1 и термоэмиссионного слоя 2, представляющих собой катод. Одновременно по мере нагрева происходит испарение легкоионизируемой добавки 8 в полости, образованной катодом и анодом. Цезий адсорбируется на термоэмиссионном слое и аноде, снижая их работу выхода, увеличивая тем самым проходящий термоэмиссионный ток и термоэмиссионное охлаждение. За счет взаимодействия с выходящими электронами термоэмиссии происходит частичная ионизация цезия с компенсацией пространственного заряда тока термоэмиссии. С термоэмиссионного слоя 2 в этот момент происходит термоэлектронная эмиссия с термоэмиссионным охлаждением. Термоэмиссионный слой 2 и центральное тело 1 при этом охлаждаются. Далее электроны попадают на анод 3, где «остывают», релаксируя при взаимодействии с кристаллической решеткой анода. Через источник напряжения 5 и центральное тело 1 «остывшие» электроны термоэмиссии возвращаются в термоэмиссионный слой 2 и цикл термоэмиссионного охлаждения повторяется заново. Одновременно, в каналах системы охлаждения анода 7 циркулирует хладагент, например, гелий. Электроизолирующие элементы 6 выполнены из непроводящего материала, например, окиси алюминия (AlO).
Таким образом, решается указанная техническая задача и достигается технический результат, который заключается в увеличении надежности Составной сопловой блок многокамерной двигательной установки за счет термоэмиссионного охлаждения центрального тела.
Заявляемое изобретение можно применять при охлаждении центральных тел ДУ любой формы, в том числе плоской и осесимметричной.
Список источников информации
1. Н.Д. Коваленко, Г.А. Стрельников, А.Е. Золотько - Газодинамические аспекты и разработки сопел двигателей ступеней ракет с высокой плотностью компоновки // Техническая механика. - 2011. - №2. - С. 36-53.
2. Патент RU 2610873 C2 МПК: F02K 9/97 «Компоновка маршевой многокамерной двигательной установки двухступенчатой ракеты-носителя с составным сопловым блоком»
3. Патент на полезную модель RU 106666 U1 МПК: F02K 1/00 «Двигательная установка с плоским центральным телом»
4. Патент RU 2511800 C1 МПК: F02K 9/97 «Способ создания аэродинамического сопла многокамерной двигательной установки и составной сопловой блок для осуществления способа» (прототип - п. 2 формулы)
5. В.В. Климов - Экспериментальное исследование конвективного теплообмена на центральном теле линейного сопла внешнего расширения // Труды МАИ. - 2003. - №14. - С. 1-16.