Электротермический двигатель
ELECTROTHERMAL ENGINE

Изобретение относится к реактивным двигательным установкам, в частности может быть использовано для коррекции орбиты и ориентации малых космических аппаратов.
Известен термоэлектрический двигатель (Термоэлектрический двигатель для малых и сверхмалых космических аппаратов, Павлов A.M., Попов А.С. Наука и образование, МГТК им. Н.Э. Баумана doi: 10.7463/1112.0492149), работа которого основана на испарении рабочего тела в нагревательном элементе и последующим его ускорением в сопле. Подача рабочего тела осуществляется из бака по вытеснительной схеме. Испарение рабочего тела и разгон паров до звуковой скорости происходят в капиллярной трубке. Нагрев трубки осуществляется за счет пропускания электрического тока по нихромовой проволоке, намотанной на предварительно изолированную капиллярную трубку. На конце трубки установлено сверхзвуковое сопло для дальнейшего ускорения потока.
Недостатком такого двигателя является сложность и низкая эффективность нагревателя. Передача тепла от нихромовой проволоки к капиллярной трубке затруднена электроизоляцией, что не позволяет быстро нагревать капиллярную трубку. Медленное нагревание трубки приводит к увеличению рассеивания энергии. Кроме того, при импульсной работе двигателя после завершения импульса значительная часть тепловой энергии остается в элементах нагревателя и впоследствии рассеивается в окружающую среду.
Целью изобретения является повышение эффективности двигателя за счет обеспечения возможности быстрого нагрева капиллярной трубки и уменьшение общей теплоемкости нагревателя.
Указанная цель достигается тем, что в электротермическом двигателе, содержащем бак для рабочего тела, клапан подачи, нагреватель, токоподводы нагревателя и сопло, нагреватель выполнен в виде тонкостенной капиллярной трубки из электропроводящего материала, а токоподводы присоединены непосредственно к капиллярной трубке.
Электротермический двигатель показан на чертеже (Фиг. 1), где 1 - бак для рабочего тела, 2 - клапан подачи, 3 - обратный клапан, 4 - нагреватель (капиллярная трубка), 5 - сопло, 6 - токоподводы, 7 - батарея конденсаторов, 8 - аккумуляторная батарея.
Жидкое рабочее тело находится в баке 1 под небольшим давлением, создаваемым поршнем с пружиной или наддувом. Избыточное давление в баке предотвращает испарение рабочего тела в баке при положительных температурах. Клапан 2 нормально закрыт.Обратный клапан 3 пропускает рабочее тело только от клапана подачи 2 в нагреватель 4. На выходе нагревателя 4 установлено сверхзвуковое сопло 5. Площадь критического сечения сопла 5 меньше проходного сечения нагревателя 4 и скорость течения рабочего тела в капиллярной трубке 4 дозвуковая. Нагрев капиллярной трубки 4 производится пропусканием непосредственно через нее электрического тока с помощью токоподводов 5. Возможность быстрого нагрева капиллярной трубки 4 большим током обеспечивает батарея конденсаторов 7. Коммутация электрических токов производится с помощью электронных ключей К1…К3.
Двигатель работает следующим образом. При замыкании ключей К2 и К3 производится зарядка батареи конденсаторов 7 от аккумуляторной батареи 8. Предотвращение возникновения опасных для батареи 8 величин электрического напряжения производится периодическим прерыванием зарядного тока. После зарядки батареи конденсаторов 7, при необходимости выдачи корректирующего импульса тяги, включается ключ К1 и происходит быстрый нагрев капиллярной трубки 4. Включением клапана 2 производится подача рабочего тела в капиллярную трубку 4. В процессе движения по горячей трубке 4 рабочее тело испаряется, и далее пары перегреваются. Давление в трубке 4 быстро растет и после превышения давления в баке 1 обратный клапан 3 закрывается, и подача рабочего тела в нагреватель 4 прекращается. При закрытом обратном клапане 3 выход рабочего тела из трубки 4 возможен только через сопло 5. Таким образом, давление на входе в сопло 5 не зависит от давления в баке 1 и определяется температурой трубки 4 и количеством рабочего тела, попадающего в трубку до закрытия обратного клапана 3. После выхода паров рабочего тела из нагревателя 4 и остывания трубки цикл может быть повторен.
Количество рабочего тела, попадающего в нагреватель 4 до закрытия обратного клапана, зависит от температуры трубки 4 и может регулироваться изменением фазы впрыска рабочего тела относительно начала нагрева трубки 4.
Изобретение позволяет повысить эффективность двигателя за счет нагрева рабочего тела до высоких температур при больших давлениях и уменьшения потерь тепла.