Система охлаждения центрального тела многокамерной двигательной установки
COOLING SYSTEM OF THE CENTRAL BODY OF A MULTI-CHAMBER PROPULSION SYSTEM

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к устройству двигательных установок. Во всех разрабатываемых объектах ракетно-космической техники имеются термонапряженные элементы (камеры энергодвигательных установок, двигательные установки типа Aerospike). В данных термонапряженных элементах возникают температурные напряжения, вызванные разностью температур по термонапряженному элементу, которые могут достигать половины значения суммарных напряжений в данных конструкциях. Одним из перспективных методов уменьшения температуры центрального тела многокамерной двигательной установки является применение термоэмиссионного охлаждения.
Известна двигательная установка с плоским центральным телом по патенту РФ на полезную модель №106666, 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.
Недостатками аналога является низкая надежность из-за избыточного нагрева центрального тела истекающими продуктами сгорания. В компоновке заявленного аналога двигательной установке с центральным телом не заявлена организация системы охлаждения центрального тела.
Ближайшим аналогом заявленного изобретения является многокамерная двигательная установка с центральным телом, описанная в статье (см., например, Giacomo Ercole Erik Garofalo and etc. «N2O-Cooled Aerospike for a Hybrid Rocket Motor: Nitrous Oxide Characterization and Additive Manufacturing)), доступно онлайн https://www.researchgate.net/publication/318296322_N2O-Cooled_Aerospike_for_a_Hybrid_Rocket_Motor_Nitrous_Oxide_Characterization _and_Additive_Manufacturing) которая включает в своем составе коническое центральное тело, с организованной системой охлаждения по регенеративному типу. Центральное тело с системой охлаждения состоит из двух входных труб, которые образуют коллектор из пяти кольцевых охлаждающих каналов. Эти каналы выходят в двадцать отдельных выпускных отверстий, которые затем сходятся в единую центральную трубу вдоль оси главного сопла.
Ближайший аналог работает следующим образом. В начальный момент работы поток продуктов сгорания с высокой температурой выходит из сопел камер сгорания и движется вдоль сплошного центрального тела, нагревая его. Охлаждение центрального тела сопла двигателя, осуществляется по типу регенеративного охлаждения, с помощью организации охлаждающих каналов. Топливо сначала используется в качестве хладагента для центрального тела, а затем повторно впрыскивается в камеру сгорания. Удельный импульс системы улучшен за счет регенерированного нагрева.
Основным недостатком ближайшего аналога является увеличение требуемой массы хладогента в единицу времени и сложности организации каналов системы охлаждения регенеративным методом (см., например, Климов В. В. «Экспериментальное исследование конвективного теплообмена на центральном теле линейного сопла внешнего расширения)), доступно онлайн http://trudymai.ru/upload/iblock/def/eksperimentalnoe-issledovanie-konvektivnogo-teploobmena-na-tsentralnom-tele-lineynogo-sopla-vneshnego-rasshireniya.pdf?lan g=ru&issue=24). Кроме того, используемая для данного типа сопла система охлаждения приводит к большим гидравлическим потерям энергии топлива (энергия от газогенератора идет на продавливание охладителя в каналах охлаждения).
Техническая задача, вытекающая из критики ближайшего аналога, заключается в снижении массы требуемого хладагента в единицу времени за счет термоэмиссионного охлаждения.
-4
-5
3
-2
3
Заявленное изобретение решает указанную техническую задачу тем, что предлагается система на основе принципа термоэмиссионного охлаждения, которая позволяет снизить расход хладагента за счет варьирования формой каналов прохождения хладагента более удобной для коллекторов с хладагентом. Система охлаждения центрального тела сопла многокамерной двигательной установки включает в себя коллектор с хладагентом, который расположен внутри центрального тела и гидравлически связан с окружающей средой, отличающийся тем, что в тепловом контакте с коллектором электрически изолирован от внешней поверхности центрального тела анод, анод на расстоянии от 10 см до 1 см через электроизолирующие элементы соединен с наружной поверхностью центрального тела, представляющей катод, анод и катод образуют вакуумированную герметичную полость с мелкодисперсным легкоионизируемым с малой работой выхода порошком внутри нее, объемной плотностью в количестве варьируемом от 1,18⋅20 кг/м до 1,18⋅20 кг/м, электроизолирующие элементы, которые расположены и жестко скреплены с одной из стенок вакуумированной герметичной полости между катодом и анодом.
В качестве мелкодисперсного легкоионизируемого с малой работой выхода порошка может использоваться цезий.
В качестве хладагента в коллекторе может применяться гелий.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения заключается в снижении массы требуемого хладогента в единицу времени за счет термоэмиссионного охлаждения. Применение термоэмиссионного охлаждения позволяет обеспечить снижение перепада температурных напряжений и повышение ресурса центрального тела сопла.
Схема реализации заявляемого изобретение представлено на фиг.1.
Система охлаждения центрального тела многокамерной двигательной установки на фиг.1 включает в своем составе центральное тело 1, катод 2, мелкодисперсный легко ионизируемый с малой работой выхода порошок 3, вакуумированную герметичную полость 4, анод 5, камеры сгорания с соплом 6, источник напряжения 7, электроизолирующие элементы 8, коллектор 9.
В охлаждаемом блоке кольцевого сопла с усеченным клиновидным центральным телом 1 - предназначенным для функционирования широкодиапазонной двигательной установки, катод 2 жаропрочного материала, центральное тело 1 выполнено из жаропрочного сплава, рассчитанного на длительную работу при температуре до 1100°С, электроизолирующие элементы - из высокотемпературной технической керамики, анод 5 выполнен из жаропрочных никельсодержащих сплавов, камеры сгорания и сопла 6 выполнено из жаропрочных сплавов.
Система охлаждения центрального тела 1 многокамерной двигательной установки, катод 2, предназначенный для эмиссии электронов при нагреве, мелкодисперсный легкоионизируемый с малой работой выхода порошок 3 - для снижения работы выхода электронов катода 2 и компенсации пространственного заряда при термоэлектронной эмиссии, анод 5 - для восприятия электронов термоэмиссии, вышедших из катода 2, вакуумированная герметичная полость 4, образованная катодом 2 и анодом 5, камеры сгорания с соплом 6 - для создания тяги, источник напряжения 7 - для переноса электронов через зазор и от анода 5 к катоду 2, электроизолирующие элементы 8 - для предотвращения замыкания катода 2 и анода 5, коллектор 9 - для поддержания температуры анода ниже температуры катода 2.
Заявляемое изобретение работает следующим образом.
При работе камер сгорания с соплами 6 продукты сгорания выходят из сопел 6 и двигаются вдоль центрального тела 1. При этом происходит нагрев катода 2 и центрального тела 1. Одновременно по мере нагрева происходит испарение мелкодисперсного легкоионизируемого с малой работой выхода порошка 3 в вакуумированной герметичной полости 4, образованной катодом 2 и анодом 5. С катода 2 в этот момент происходит термоэлектронная эмиссия с термоэмиссионным охлаждением. Катод 2 и центральное тело 1 при этом охлаждаются. Далее электроны попадают на анод 5, где релаксируют при взаимодействии с кристаллической решеткой анода 5. Через источник напряжения 7 и центральное тело 1 отрелаксированные электроны термоэмиссии возвращаются на катод 2 и цикл термоэмиссионного охлаждения повторяется заново. Одновременно, в коллекторе 9 анода 5 протекает хладагент и выбрасывается наружу.
5
2
5
2
С поверхности центрального тела с помощью организации системы термоэмиссионного охлаждения снимаются тепловые потоки интервале от 1⋅10 Вт/м до 8⋅10 Вт/м и переносятся на анод, распределяясь на большую площадь его поверхности. В результате анод охлаждается меньшим количеством в единицу времени хладагента в коллекторе, чем поверхности центрального тела без системы термоэмиссионного охлаждения. В результате снижаются температурные напряжения на поверхности центрального тела 1 и с катода 2. Таким образом, решается указанная техническая задача и достигается технический результат, который заключается в снижение массы требуемого хладагента в единицу времени за счет термоэмиссионного охлаждения. Что, в свою очередь, способствует снижению гидравлических потерь энергии топлива.
Пример 1.
2
3
В охлаждаемом блоке кольцевого сопла с усеченным клиновидным центральным телом широкодиапазонной двигательной установки в качестве термоэмиссионного слоя 1 выступает материал - вольфрам с напылением соединений на основе бария с эффективной работой выхода порядка 1.5 эВ, центральное тело 2 выполнено из жаропрочного сплава ХН55 ВМТФКЮ (ЭИ929), рассчитанный на длительную работу при температуре до 1100°С, электроизолирующие элементы - из AlO, упрочненного оксидом циркония, температура анода 5 поддерживается в диапазоне от 800°С до 1000°С, камера сгорания и сопло выполнено из сплава ХН55 ВМТФКЮ (ЭИ929).
Пример 2.
В охлаждаемом блоке клиновидного сопла с конусоидальным центральным телом широкодиапазонной двигательной установки в качестве термоэмиссионного слоя 1 выступает материал - рениевый сплав на основе ниобия с напылением соединений на основе стронция, с эффективной работой выхода порядка 1 эВ, центральное тело 2, выполнено из жаропрочного сплава на никелевой основе Н95Г, рассчитанное на длительную работу при температуре до 1220°С, электроизолирующие элементы - из композитного материала Аристар-С, наполненный непрерывными армирующими материалами, температура анода 5 поддерживается в диапазоне от 800°С до 1000°С, камера сгорания и сопло выполнено из жаропрочного сплава на никелевой основе Н95Г.
Заявляемое изобретение можно применять при охлаждении центральных тел двигательной установки любой формы, в том числе и осесимметричной и с укороченным центральным телом.