УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к ракетной технике и может быть использована при создании ракетных двигателей, в частности, жидкостного, твердотопливного, детонационного, ядерного и электрического ракетного двигателя ЛА.
Известна система охлаждения завесного типа, приведенная в энциклопедии "Космонавтика" под редакцией В.П. Глушко на с. 115, которая включает в себя систему щелей, через которые продавливается компонент топлива. В результате жидкость при контакте с продуктами сгорания жидкостного ракетного двигателя таким образом, что тепловая энергия отбирается на испарение этого компонента.
Недостатком данного метода является сложность в изготовлении и эксплуатации, что приводит к высокой стоимости и низкому уровню надежности двигателя.
Известен абляционный метод охлаждения, который заключается в том, что внутренняя поверхность стенки двигателя покрывается слоем теплозащитного покрытия (энциклопедия "Космонавтика" под редакцией В.П. Глушко), который в процессе работы двигателя переходит из твердого состояния в газообразное, поглощая при этом большое количество тепловой энергии.
Недостатком данного метода охлаждения является большая масса конструкции, изменение рабочего объема камеры сгорания в ходе работы и невозможность повторного использования двигателя без специальных мероприятий по восстановлению абляционного покрытия.
Прототипом заявленной полезной модели является система охлаждения конфекционного типа, описанная в энциклопедии "Космонавтика" под редакцией В.П. Глушко на с. 13. Устройство охлаждения по прототипу состоит из камеры сгорания и сопла. Эквидистантно от них, через зазор, располагается оболочка, выполненная из жаропрочных материалов.
Устройство прототипа работает следующим образом. В зазор между камерой сгорания и соплом и внешней оболочкой под давлением попадает компонент топлива, который проходит в зазоре между стенками и снимает тепло. В результате стенка охлаждается. Таким образом, отводится большое количество тепловой энергии, которая идет на нагрев проходящего в зазоре компонента топлива, а не на нагрев стенки.
Недостатками прототипа является сложность изготовления и низкая надежность особенно при многократном применении по причине возникающих температурных напряжений и деформаций.
Технической задачей, вытекающей из критики аналогов и прототипа, является увеличение надежности системы охлаждения ракетного двигателя.
Задача решается тем, что во внутреннем пространстве двигателя создается поле за счет подключения его элементов к источнику питания, где катодом выступают камера сгорания и сопло с нанесенным на них эмиссионным слой, а анодом - внешняя стенка двигателя. Таким образом, происходит отвод тепла из более теплонапряженного участка в менее теплонапряженный.
Технический эффект, достигаемый в результате реализации полезной модели - это увеличение надежности за счет упрощения конструкции системы охлаждения при отсутствии необходимости наличия системы конвекционного охлаждения, снижения температуры, температурных напряжений и деформаций. Также может быть обеспечена возможность многоразового использования изделия за счет повышения уровня надежности.
На фиг. 1 представлена схема устройства охлаждения ракетного двигателя ЛА.
Конструкция представляет собой двигатель, имеющий внешнюю стенку (внутренняя поверхность корпуса) и условно внутреннюю стенку из поверхностей сопла и камеры сгорания, на которую нанесено покрытие из материала с низкой работой выхода электрона, имеющего игольчатую форму в виде заострений, обращенных к наружной стенке. Указанные элементы двигателя подключены к бортовому источнику напряжения, при этом корпус двигателя образует анод, а стенка поверхностей внутренних элементов образует катод.
Устройство для охлаждения двигателя размещается на элементах двигателя ЛА и включает: камеру сгорания 1, сопло 2, бортовой источник напряжения 3, внутренняя стенка двигателя 4 с эмиссионным слоем 5, внешняя стенка двигателя 6, аккумулятор тепловой энергии 7. Эмиссионный слой 5 предназначен для обеспечения высокой эмиссии электронов при нагреве от внутренней 4 ко внешней стенке 6, причем внутренняя стенка 4 и эмиссионный слой 5 образуют катод; эмиссионный слой имеет игольчатую поверхность в целях увеличения разности потенциалов между внутренней и внешней стенками; внешняя стенка (анод) 6 принимает вместе с электронами тепловую энергию от катода, а затем отдает тепловую энергию аккумулятору тепловой энергии 7, с которым находится в тепловом контакте; аккумулятор тепловой энергии 7 предназначен для отвода тепловой энергии от анода путем восприятия этого тепла за счет теплоемкости и частичного рассеивания тепловой энергии в окружающую среду.
Устройство работает следующим образом.
В начальный момент времени и на всем протяжении работы ракетного двигателя происходят горение топлива в камере сгорания 1 и дальнейший выброс продуктов сгорания из сопла 2. Горение топлива протекает с большим выделением тепла. Одновременно бортовой источник напряжения 3 создает разность электрических потенциалов на внутренней стенке 4 и внешней стенке 6 двигателя. В результате внутренняя стенка 4, а далее эмиссионный слой 5, образующие катод, нагреваются до высоких температур, при которых в присутствие электростатического поля с поверхности эмиссионного слоя 5 игольчатой формы начинают выходить электроны, отводя тепловую энергию. Происходит явление термоэлектронной эмиссии, в результате которой внутренняя стенка 4 охлаждается. Далее электроны переходят на внешнюю стенку (анод) 6, где отдают часть тепловой энергии, полученной при нагреве. Внешняя стенка 6 находится в тепловом контакте с аккумулятором тепловой энергии 7. При этом, за счет более высокой теплоемкости и теплопроводности тепловой аккумулятор имеет более низкую температуру, чем катод. Далее электроны, отдавшие энергию (тепло), через бортовой источник напряжения 3 возвращаются на внутреннюю стенку 4. Данный процесс проходит циклично пока существует разность электрических потенциалов. Принцип работы заключается в создании последовательной электрической цепи, где катодом выступают внутренняя стенка и эмиссионный слой, а анодом - внешняя стенка двигателя. Процесс термоэлектронной эмиссии идет за счет наличия разности электрических потенциалов на двух стенках двигателя. Для того, чтобы электрон покинул эмиссионный слой (внутренняя стенка двигателя) и перешел во второй (внешняя стенка двигателя), необходимо затратить энергию, превышающую работу выхода электрона из материала. Для повышения разности потенциалов эмиссионному слою придают игольчатую или иную заостренную форму, тем самым увеличивая интенсивность термоэлектронной эмиссии и, следовательно, охлаждения. В этом случае происходит интенсивный отвод от механически напряженных и теплонапряженных элементов конструкции двигателя ЛА в элементы конструкции менее напряженные. При этом одновременно снижаются температура конструкции, температурные напряжения и деформации, что приводит к повышению надежности, долговечности, сохранению формы двигателя и обеспечению возможности многократного повторного применения двигателя
Внешняя стенка находится в тепловом контакте с тепловым аккумулятором энергии, который представляет собой элемент из материала с высокой теплоемкостью, теплопроводностью и высокой излучательной способностью для отвода части тепла в окружающую среду.
Технический эффект, достигаемый в результате реализации полезной модели - это увеличение надежности за счет упрощения конструкции системы охлаждения при отсутствии необходимости наличия системы конвективного охлаждения, снижения температуры, температурных напряжений и деформаций. Также может быть обеспечена возможность многоразового использования изделия за счет повышения уровня надежности и долговечности.