ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ МИКРОДВИГАТЕЛЬ
ELECTROTHERMAL MICROMOTOR

Изобретение относится к космической технике, а именно к электротермическим микродвигателям, входящим в состав двигательных установок микротяги, устанавливаемых на спутники малой массы, преимущественно до 10 кг (наноспутниках) для решения задач орбитального маневрирования.
Электротермические (или электронагревательные) микродвигатели являются наиболее простыми среди известных микродвигателей. Тяга таких микродвигателей для наноспутников может составлять ≤10 Мн (≤1 гс), а энергопотребление - ≤10 Вт.
Создание реактивной микротяги в электротермических микродвигателях осуществляется посредством подвода энергии к нагревательному элементу, размещенному в микродвигателе, прокачиванием газообразного рабочего тела вдоль «горячих» поверхностей микродвигателя, на которых происходит окончательный нагрев рабочего тела и выброс рабочего тела через реактивное сопло (сопло Лаваля).
Эффективность микродвигателя определяется величиной его удельного импульса тяги, которая напрямую зависит от величины нагрева газообразного топлива на входе в реактивное сопло. Величина же нагрева газообразного топлива определяется энергопотреблением и массой микродвигателя, а также временем контакта прогреваемого топлива с горячими поверхностями микродвигателя. Кроме того, эффективность микродвигателя зависит от степени его герметичности, определяющей непроизводительные утечки топлива.
Для увеличения времени контакта прогреваемого топлива с горячими поверхностями микродвигателя используют завихрители и различного вида газоводы. Контроль температуры прогреваемого топлива осуществляется трубчатой (игольчатой) термопарой, чувствительный элемент которой располагается вблизи входа в критическое сечение сопла.
Известен электротермический микродвигатель по патенту США №4608821, содержащий камеру, в которой смонтирован нагревательный элемент, расположенную вокруг нее кольцевую камеру, изолированную от камеры с нагревательным элементом и сообщенную с системой подвода топлива и с реактивным соплом (соплом Лаваля).
Недостатком данного микродвигателя является то, что нагревательный элемент напрямую не контактирует с нагреваемым газообразным топливом, что снижает степень нагрева топлива и, как следствие, удельный импульс тяги микродвигателя.
Известен электротермический микродвигатель по патенту №2332583, содержащий наружный и внутренний цилиндрические корпусы, расположенные коаксиально с образованием торовой полости между их стенками, завихритель входного потока, трубопровод подачи топлива в завихритель, газовод с реактивным соплом, цилиндрические нагревательные элементы и трубчатые термопары, расположенные на входе в реактивное сопло, токовыводы нагревательных элементов и термопар, выведенные через торец внутреннего корпуса посредством герметизирующего термостойкого герметика.
Данный электротермический микродвигатель взят за прототип.
Микродвигатель по прототипу содержит основной и резервный нагревательный элемент и две термопары, тяга составляет 30 Мн (3 гс) при потребляемой мощности 60 Вт и токе на нагревателе ≈5 А. Каждый нагревательный элемент содержит по три двухканальные керамические трубки с уложенной в них нихромовой проволокой.
Для наноспутников такой микродвигатель является переразмеренным по мощности, тяге и количеству керамических трубок. Масштабирование микродвигателя в меньшую сторону с сохранением конструктивного совершенства возможно только при сохранении количества керамических трубок. При уменьшении количества керамических трубок нагревательного элемента снижается плотность компоновки микродвигателя и удельный импульс тяги падает.
Резервирование микродвигателя обусловлено высокой токовой нагрузкой на нихромовую проволоку нагревательного элемента, что может привести к ее перегоранию. Поэтому в таких микродвигателях при энергопотреблении 60 Вт используют холодную схему запуска, при которой нагрев нагревательных элементов и подача топлива (например, газообразного аммиака) осуществляется одновременно. Но при этом удельный импульс тяги микродвигателя существенно ниже, чем при горячей схеме запуска, при которой сначала разогревают микродвигатель, а затем подают топливо.
Микродвигатель для наноспутников потребляет ≤10 Вт, и характеристика нагревательного элемента такова, что он содержит одну двухканальную или четырехканальную керамическую трубку с уложенной в нее нихромовой проволокой. Токовая нагрузка на нагревательный элемент незначительная и составляет ≈2-3 А, что гарантирует сохранность нихромовой проволоки при использовании более эффективной горячей схемы запуска. Запасы топлива (аммиака) для наноспутника исходя из ограничений по его габаритам и массе (не более 10 кг) составляют ≈0,4-0,5 кг, поэтому время выработки такого запаса топлива незначительно.
Все это ведет к тому, что резервирование по нагревательным элементам и термопарам не требуется. Поэтому в составе микродвигателя для наноспутника используется нагреватель цилиндрической формы в виде одной двухканальной или четырехканальной керамической трубки (для заявляемой конструкции показана четырехканальная керамическая трубка) и одна трубчатая термопара марки ТХА.
Трубчатая термопара марки ТХА содержит металлическую трубку из материала ХН78Т диаметром для нашего случая 1,0 мм, внутри которой проложены электрические провода, соединенные с чувствительным элементом (рабочий спай) на одном торце трубки и с токовыводами термопары на другом торце трубки, место соединения с которыми расположено в защитной керамической муфте. Поэтому трубчатая термопара допускает значительный изгиб при монтаже.
Наружный и внутренний корпусы между собой жестко не соединены, и для поджатия внутреннего корпуса в наружном корпусе используется пустотелая поджимающая гайка, что усложняет конструкцию и увеличивает массу микродвигателя.
Герметизация торцевой части микродвигателя (пустотелой поджимающей гайки), из которой выходят токовыводы нагревательного элемента и трубчатых термопар, а также подходит трубопровод подачи топлива, при помощи термостойкого герметика затруднена из-за большого количества труднодоступных конструктивных застойных зон. Технология герметизации микродвигателя требует постоянного уплотнения герметика, и при наличии конструктивных застойных зон качество герметизации снижается.
При тяге микродвигателя ≤10 Мн (≤1 гс) эффективность щелевого завихрителя в виде наклонных газоподводящих прорезей снижается, что ведет к уменьшению рабочим телом с корпуса микродвигателя теплосъема. Как следствие, снижается нагрев рабочего тела.
Таким образом, основные недостатки микродвигателя по прототипу при использовании его для наноспутников следующие:
- щелевой завихритель в виде наклонных газоподводящих прорезей обладает недостаточной эффективностью при низких давлениях подводимого газообразного топлива;
- монтаж одного нагревателя цилиндрической формы (двухканальная или четырехканальная керамическая трубка) осуществляется на газоводе, при этом сохраняются габариты микродвигателя, что ведет к низкой плотности компоновки конструкции в целом, повышенной массе конструкции по отношению к требуемой для одного нагревателя и, как следствие, к снижению величины нагрева топлива и к снижению удельного импульса тяги микродвигателя;
- наружный и внутренний корпусы между собой жестко не соединены и для поджатия внутреннего корпуса в наружном корпусе используется поджимающая гайка, что усложняет конструкцию и увеличивает массу микродвигателя;
- трубопровод подачи топлива расположен в торцевой части наружного корпуса в месте нанесения герметизирующего термостойкого герметика, что усложняет технологию уплотнения герметика и его поэтапной сушки из-за дополнительных конструктивных труднодоступных зон; все это может привести к потере герметичности микродвигателя.
Целью заявляемого микродвигателя является повышение степени герметичности, снижение массы и увеличение удельного импульса тяги микродвигателя.
Поставленная цель достигается тем, что на одном конце наружный и внутренний корпусы герметично соединены между собой при помощи фланцев, а на другом конце на боковой поверхности наружного корпуса смонтирован трубопровод подачи топлива в торовую полость, внутри которой выполнен завихритель входного потока топлива в виде винтового канала из двухзаходной резьбы на наружной поверхности внутреннего корпуса, внешней поверхностью контактирующей с внутренней поверхностью наружного корпуса, выход которого соединен с полостью внутреннего корпуса на входе в газовод в виде винтового канала, образованного наружной поверхностью цилиндрического нагревательного элемента, трубчатым корпусом термопары, уложенным по винтовой линии на поверхности нагревательного элемента и контактирующим с внутренней поверхностью внутреннего корпуса, причем реактивное сопло установлено на торце внутреннего корпуса и снабжено внешним фланцем, герметично соединенным с фланцем наружного корпуса, при этом чувствительный элемент термопары расположен вблизи входа в критическое сечение сопла, а с противоположной от сопла стороны длина наружного корпуса превышает длину внутреннего корпуса, на котором выполнен буртик, контактирующий с внутренней поверхностью наружного корпуса, при этом герметизирующий термостойкий герметик расположен в полости выхода токовыводов термопары и нагревательного элемента, образованной свободной внутренней поверхностью наружного корпуса и ограничительной шайбой, надетой на цилиндрический нагревательный элемент.
Заявляемый двигатель поясняется чертежами, на которых показано:
- на фиг. 1 - общий плоский вид микродвигателя в сборе;
- на фиг. 2 - общий объемный вид микродвигателя в сборе;
- на фиг. 3 - объемный вид нагревательного элемента в сборе с термопарой.
Микродвигатель содержит цилиндрический наружный корпус 1 с фланцем 2 и цилиндрический внутренний корпус 3 с фланцем 4, расположенные коаксиально с образованием торовой полости 5. При этом фланцы 2 и 4 состыкованы между собой неразъемным соединением.
В полости 5 выполнен завихритель, выполненный в виде двухзаходной резьбы 6 на внешней поверхности внутреннего корпуса 3, по наружной поверхности контактирующей с внутренней поверхностью наружного корпуса 1.
На входе в завихритель, выполненный в виде двухзаходной резьбы 6, установлен трубопровод подачи топлива 7 (на фиг. 1 не показан). На противоположном фланцу 4 конце внутреннего корпуса 3 выполнен буртик 8, контактирующий с внутренней поверхностью наружного корпуса 1.
На выходе завихрителя, выполненного в виде двухзаходной резьбы 6, во внутреннем корпусе 3 выполнено отверстие 9, соединяющее полость завихрителя (винтовую полость) с полостью внутреннего корпуса 3.
В полости внутреннего корпуса 3 смонтированы цилиндрический нагревательный элемент 10 в виде четырехканальной керамической трубки, внутри которой установлен проволочный нагревательный элемент 11, например, в виде проволоки из нихрома и трубчатая термопара, состоящая из трубчатого корпуса 12, токовыводов 13 и соединительной муфты 14. Проволочный нагреватель 11 заканчивается токовыводами 15. Токовыводы 15 нагревательного элемента и токовыводы 13 трубчатой термопары выведены через торец внутреннего корпуса 3.
В полости внутреннего корпуса 3 выполнен газовод в виде винтового канала, образованного наружной поверхностью цилиндрического нагревательного элемента 10 и трубчатым корпусом 12 трубчатой термопары, уложенным по винтовой линии на поверхности нагревательного элемента 10 и контактирующим с внутренней поверхностью внутреннего корпуса 3.
Реактивное сопло 16 установлено на торце внутреннего корпуса 3 и снабжено внешним фланцем 17, сваркой соединенным с фланцем 4 наружного корпуса 1. Трубчатый корпус 12 уложен по винтовой линии так, что трубчатая термопара расположена на входе в реактивное сопло 16, при котором чувствительный элемент 18 трубчатой термопары также расположен на входе в критическое сечение реактивного сопла 16.
Длина наружного корпуса 1 превышает длину внутреннего корпуса 3. Герметизирующий термостойкий герметик 19 расположен в полости выхода соединительной муфты 14 токовыводов 15 нагревательного элемента 10 и токовыводов 13 трубчатой термопары, образованной свободной внутренней поверхностью наружного корпуса 1 и ограничительной шайбой 20 с прорезью под трубчатый корпус 12 трубчатой термопары, надетой на цилиндрический нагревательный элемент 10.
Установка микродвигателя в составе корректирующей двигательной установки осуществляется при помощи крепежного фланца 21. Токовыводы 15 фиксируются на соединительной муфте 14 нитяным термостойким бандажом 22, ГОСТ Р 56212-2014.
Работа микродвигателя осуществляется следующим образом.
Перед подачей предварительно газифицированного топлива в микродвигатель производится его разогрев включением нагревательного элемента 10 («горячая» схема запуска). Расположение проволочного нагревателя 11 в керамической трубке нагревательного элемента обеспечивает надежную изоляцию от металлического корпуса микродвигателя.
Рабочее топливо микродвигателя (например, жидкий аммиак) предварительно газифицируется до температуры ≈(80-100)°C и подается в трубопровод подачи топлива 7. Далее по винтовому каналу в виде двухзаходной резьбы 6 газообразное топливо проходит в полости 5 двойной путь, нагреваясь от корпусов 1,3. Затем через отверстие 9 топливо попадает в винтовую полость, образованную нагревательным элементом 10, трубчатыми элементами 12 трубчатой термопары и внутренней поверхностью внутреннего корпуса 3. При этом происходит окончательный нагрев топлива. Далее топливо истекает через реактивное сопло 16, создавая тягу с эффективностью (величина удельного импульса тяги микродвигателя), в основном определяемой величиной нагрева газообразного топлива.
Контроль температуры разогрева осуществляется на входе в критическое сечение сопла 16 чувствительным элементом 18 трубчатой термопары.
Установка микродвигателя в составе корректирующей двигательной установки осуществляется через фланец 21. Вокруг микродвигателя в составе корректирующей двигательной установки для снижения тепловых потерь устанавливается многослойный теплозащитный экран (на чертеже не показан).
Таким образом, трубчатая термопара осуществляет две функции: контроль температуры газообразного топлива и закрутка газообразного топлива вокруг нагревательного элемента 10.
Герметичность микродвигателя осуществляется введением сварных соединений по фланцам 2, 4, 17, а также использованием герметизирующего термостойкого герметика 19, обеспечивающего герметизацию мест выхода из полости внутреннего корпуса 3 соединительной муфты 14 трубчатой термопары, токовыводов 15 и зоны контакта буртика 8 с корпусом 3.
Из-за размещения трубопровода подачи топлива 7 на боковой поверхности наружного корпуса герметизируемая полость максимально свободна для нанесения и уплотнения герметика, что обеспечивает надежную герметизацию микродвигателя.
Сравнение масс заявляемого микродвигателя и микродвигателя по прототипу проведено с учетом того, что минимальная не уменьшаемая масса конструкции микродвигателя (без кожуха токовыводов) по прототипу длиной 46 мм и диаметром 13 мм составляет 23 г: наружный корпус - 12,5 г, корпус внутренний - 4,8 г, газовод с соплом - 2 г, гайка прижимная - 3,7 г.
Заявляемый микродвигатель длиной 47 мм и диаметром 9,5 мм имеет массу конструкции 10,74 г: наружный корпус - 6,24 г, корпус внутренний - 2,96 г, сопло - 1,54 г.
Экспериментальные исследования микродвигателя по прототипу показали, что при энергопотреблении 10 Вт, расходе топлива (азот) 5,5 мг/с, времени работы 180 с достигается температура топлива на входе в критическое сечение сопла 150°C.
Испытания аналога заявляемого микродвигателя на азоте (масса конструкции 29 г, диаметр 11 мм) показали, что при таких же параметрах достигается температура топлива на входе в критическое сечение сопла 180°C.
Поэтому прогнозируемая температура на входе в критическое сечение сопла для заявляемого микродвигателя при массе конструкции 10,74 г составит ≈220°C.
При температуре топлива 150°C удельный импульс тяги микродвигателя по прототипу составит ≈95 с, а при 220°C для заявляемого микродвигателя - 107 с.
С учетом этого заявляемый микродвигатель по сравнению с прототипом при использовании нагревательного элемента в виде одной керамической трубки с нихромовой проволокой обеспечивает:
- снижение массы конструкции на 53%;
- увеличение удельного импульса тяги на 13-15%;
- повышение степени герметичности микродвигателя.