СПОСОБ СОЗДАНИЯ РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ, РАКЕТА НА ЖИДКОМ ТОПЛИВЕ И ПУСКОЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF CREATING JET THRUST, LIQUID PROPELLANT ROCKET, AND START-CHARGE DEVICE TO THIS END (VERSIONS)

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано для создания реактивной тяги в пожаробезопасных двигателях с экологически чистым топливом, установленных, например, на метеорологических ракетах многократного применения, макетах самолетов, космических ракет, игрушечных фейерверков и т.п.
Известны реактивные двигатели на унитарном твердом топливе, состоящем из вещества в неустойчивом - метастабильном состоянии, которое при пуске ракеты разлагается на горючее и окислитель и сгорает с большим выделением тепла, обеспечивающим реактивную тягу газовой струи продуктов реакции /1/.
Существенным недостатком таких двигателей является их пожароопасность и однократность применения с малым удельным импульсом, что делает их малопригодными для безвредного исследования атмосферы и детского технического творчества в качестве модельных ракетных двигателей, заменяющих обычную пиротехнику.
Известен также пароводяной ракетный двигатель и соответствующий способ создания реактивной тяги, состоящий в том, что в камеру двигателя заключается перегретая вода, которая после заполнения под действием избыточного давления паровой подушки подается в сопло. На входе в сопло производят сепарацию крупных жидких частиц, появляющихся в паровом потоке в результате вскипания воды после разгерметизации камеры двигателя, что позволяет повысить однородность мелкодисперсного потока рабочего тела и тем самым снизить потери импульса тяги в сопле из-за не равновесности его двухфазного течения /2/.
Недостатком этого технического решения является сложная герметизация и заправка камеры двигателя перегретой водой под большим давлением, у которой недостаточно энтальпии, то есть запасенной тепловой энергии для компенсации теплоты испарения и превращения в перегретый пар, необходимый для получения высокотемпературной реактивной струи с большим удельным импульсом тяги.
К тому же запуск пароводяного двигателя должен производиться сразу после заправки, пока перегретая вода не остыла и не потеряла своего метастабильного состояния, то есть способности вскипать после снятия избыточного давления.
Задачей настоящего изобретения является создание простой группы технических решений, у которых безопасный и высокоэффективный способ получения реактивной тяги легко реализовывался в виде дешевой конструкции, использующей экологически чистые компоненты жидкого топлива и источники энергии, для многократного пуска - зарядки реактивного двигателя.
Указанная задача решается тем, что в известном способе создания реактивной тяги замкнутую камеру заполняют при нормальном давлении и температуре метастабильной жидкостью, состоящей из однородной смеси жидкого горючего, окислителя и балласта, которую подвергают электролизу между электродами, разделенными пористым материалом, в условиях автоклава в присутствии электропроводящих и каталитических присадок, а полученную «газированную гремучую смесь» повышенной энтальпии, насыщенную растворенными в ней газообразным горючим и окислителем, в пенообразном состоянии дросселируют в щелевое сопло, где осуществляют каталитический процесс горения перегретого пара метастабильной жидкости и разогрев газообразной реактивной струи.
При необходимости метастабильность жидкости повышают путем электролиза нейтрального балласта, например воды, в автоклаве с разложением ее на газообразное горючее и окислитель - водород и кислород, которыми создают газовую подушку повышенного давления и насыщают ими жидкость в присутствии катализаторов и электропроводящих присадок, с последующим дросселированием в сопло.
Кроме того, предварительно метастабильную жидкость получают непосредственным смешиванием жидкого горючего и окислителя, например спирта и пергидроля, с последующим электролизом в автоклаве с добавлением электропроводящих и каталитических присадок, например растворов кислот или их солей.
В простейшем случае камеру двигателя заполняют водой, при нормальном давлении и температуре, а перевод ее в метастабильное состояние осуществляют от внешнего источника электрической анергии путем перегрева топлива, повышения ее энтальпии и концентрации горючего и окислителя, которые после пуска каталитически сгорают, превращая нейтральный балласт, например, ту же воду, в перегретый пар, создающий механическую тягу.
Поставленная задача изобретения решается так же тем, что у известного реактивного двигателя камеру с перегретой жидкостью, через дроссельную трубку соединяют со щелевым соплом-стабилизатором в виде конической пружины из металлической упругой ленты. Камера ракеты может снабжаться носовым обтекателем полезной нагрузки с обратным клапаном, который закреплен на поперечной перемычке.
Кроме того, в единый изобретательский замысел входит и пускозарядное устройство, содержащее коробчатое основание из электроизолирующего материала с металлической крышкой и изоляционной втулкой направляющего стержня малой конусности, на который плотно надета дроссельная трубка камеры ракеты, электрически соединенной через коническое сопло-стабилизатор с одним из полюсов источника электрического тока.
Другой полюс этого источника через электрический дроссель и ограничительный резистор в виде индикаторной лампы накаливания подключен к основанию направляющего стержня.
Признаки, характеризующие варианты изобретения в части его устройства, являются технологическими эквивалентами признаков способа, что обеспечивает промышленную осуществимость изобретения и решение поставленной технической задачи.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема, совмещенная с продольным разрезом предложенного устройства.
Осуществление предложенного способа создания реактивной тяги при помощи вариантов заявленного устройства начинают с заполнения камеры двигателя жидким топливом, в частности водой, используя медицинский шприц с длинной иглой, при нормальном давлении и температуре.
После заполнения камеры ее закрывают герметизирующим элементом, например резиновой пробкой-пыжом, который устанавливают у внутреннего конца дросселирующей трубки.
Затем производят энергетическую зарядку ракеты, то есть аккумулируют в ней достаточное количество энергии путем перевода части жидкого топлива в метастабильное состояние с повышенной энтальпией. Для этого дроссельную трубку плотно надевают на направляющий стержень так, чтобы образовалась замкнутая электрическая цепь с щелевым соплом-стабилизатором, металлической крышкой пускозарядного устройства, ограничительным резистором, дросселем и источником электрического тока. Этим током производят разогрев жидкого топлива и его электролиз на электродах, которыми являются никелевая дроссельная трубка и стенки камеры. Причем электролиз жидкого топлива производят в условиях замкнутого автоклава с проводящими и каталитическими присадками к топливу, которое разделяют на две приэлектродных части пористым материалом или ионообменной мембраной.
Благодаря нагреву и насыщению топлива, синтезированным на электродах горючим и окислителем получают «газированную гремучую смесь» с повышенной энтальпией и метастабильностью, а также газовую подушку высокого давления, которой выталкивают герметизирующую пробку-пыж из дроссельной трубки, изнутри покрытой разжигающим гремучую смесь катализатором, например пленкой хрома, двуокиси марганца или их солей. После сброса избыточного давления вскипевшую гремучую смесь в пенообразном состоянии дросселируют в сопло-стабилизатор, где осуществляют каталитический процесс горения перегретого пара метастабильного топлива и разогрев газообразной реактивной струи. Для увеличения удельного импульса камеру можно заполнять не водой, а заранее приготовленной стеохимической смесью жидкого горючего, например спирта или ацетона, с окислителем - пергидролем, содержащим 30-50% перекиси водорода.
При этом не прореагировавшие в дроссельной трубке компоненты горючего поджигают электрической искрой, которая возникает в момент разрыва индуктивной электрической цепи в месте контакта направляющего стержня с дроссельной трубкой или конического сопла-стабилизатора с металлической крышкой пускозарядного устройства.
В рассматриваемом способе уменьшение потерь импульса в сопле осуществляют не только термодинамическим процессом дросселирования пенообразного топлива, который сам по себе способен превратить перегретую жидкость в сухой пар, но и каталитическим сжиганием этого топлива без открытого пламени с последующим дожиганием его горючих компонентов притоком атмосферного воздуха в щели между витками ленты конического сопла-стабилизатора горения и аэродинамической ориентации ракеты.
По сравнению с прототипом предложенный способ газирования метастабильной жидкости по своей эффективности значительно превосходит все пароводяные двигатели, приближаясь по величине удельного импульса к наиболее мощным ракетным двигателям с раздельной подачей в сопло жидкого горючего и окислителя.
Ракета на жидком топливе, реализующая описанный способ и представленная на чертеже, состоит из топливной камеры 1, которая через дроссельную трубку 2 с герметизирующим элементом в виде резиновой пробки-пыжа 3, сообщается с щелевым соплом-стабилизатором 4. Это щелевое сопло выполнено как аэродинамический стабилизатор в виде конической пружины, навитой с радиальным шагом из упругой металлической ленты, которая закреплена на узком конце металлической камеры 1 с образованием электрического контакта, тогда как дроссельная трубка 2, обернутая пористым материалом 5, в этом месте покрыта и механически закреплена электроизолирующим клеевым компаундом 6. При этом на внутреннюю поверхность дроссельной трубки 2 нанесено каталитическое покрытие, которое из-за малой толщины на чертеже не показано. Внутреннее пространство камеры 1 заполнено жидким топливом 7, в качестве которого может использоваться обычная вода с электропроводящими и каталитическими присадками, в виде незначительного количества серной и соляной кислоты или их солей.
Можно использовать и унитарное жидкое топливо из стеохимической смеси пергидроля и органического горючего - спирта, растворенного водорода и т.п. На камеру 1 может быть надет обтекатель 8, заполненный полезной нагрузкой 9, например конфетти или цветным порошком для имитации дневного фейерверка.
В носовой части обтекателя 8 имеется небольшое отверстие, закрытое обратным клапаном 10, в виде резинового колпачка, который своей центральной частью прикреплен к перемычке 11.
Заправленная ракета плотно надевается дроссельной трубкой 2 на направляющий стержень 12 пускозарядного устройства, который у своего основания имеет утолщенную часть малой конусности. Основание стержня 12 крепится при помощи изолирующей втулки 13 в центре металлической крышки 14 коробчатого основания 15, изготовленного из электроизолирующего материала, и электрически соединяется с ограничительным резистором 16, например индикаторной лампой накаливания, и дросселем 17. Поскольку в исходном сжатом состоянии упругая лента конического сопла-стабилизатора упирается в металлическую крышку 14 коробчатого основания 15, снабженного клеммами 18 для подключения внешнего источника тока , то образуется электрическая цепь индуктивного характера, замыкающаяся через слабопроводящее топливо 7, находящееся при нормальной температуре и давлении.
Варианты устройства данного изобретения работают следующим образом. После установки заправленной камеры ракеты 1 ее нижней частью с дроссельной трубкой 2 на утолщенное основание направляющего стержня 12 начинается прохождение электрического тока  через топливо 7, которое подвергается нагреву и частичному электролизу с увеличением энтальпии - Е, образованием газообразного водорода, кислорода и перекиси водорода по брутто формуле
При этом пористый материал 5 препятствует обратной релаксации атомарного кислорода и водорода, что обеспечивает их интенсивное выделение на электродах автоклава - никелевой дроссельной трубке 2 и стенках камеры 1. Вместо водорода может использоваться жидкое горючее - ацетон, который синтезируется вместе с окислителем - перекисью водорода из органической компоненты унитарного топлива - изопропилового спирта по известной формуле
Поскольку этот процесс идет в условиях автоклава замкнутой камеры 1 с повышающимся давлением, то в ней образуется газовая подушка из водорода и кислорода, а также жидкая гремучая смесь из перекиси водорода, насыщенной газообразным водородом или ацетоном.
При достижении давления, достаточного для преодоления сил трения основания направляющего стержня 12 с дроссельной трубкой 2 и выталкивания пробки-пыжа 3, происходит сброс давления и начинается движение ракеты вдоль направляющего стержня 12.
Перегретое и газированное топливо 7 вскипает и в виде пенообразной гремучей смеси поступает в дроссельную трубку 2 с внутренним каталитическим покрытием, где происходит термодинамическое преобразование пены в сухой пар, который дополнительно разогревается каталитическим окислением горючих компонентов топлива не только газообразным кислородом, но и атомарным кислородом, отщепленным от перекиси водорода.
Такой процесс образования реактивной тяги идет без открытого пламени, но не прореагировавшие компоненты горючего и окислителя могут воспламеняться электрической искрой, которая возникает в момент отрыва направляющего стержня 12 от дроссельной трубки 2 или металлической крышки 14 от последнего витка щелевого сопла-стабилизатора 4. Эти витки плоской ленты конической пружины, намотанные с определенным зазором, препятствуют распространению пламени в радиальном направлении, но хорошо продуваются в осевом, что обеспечивает полное дожигание горючего кислородом воздуха и увеличивает удельный импульс реактивной тяги.
При этом электрический дроссель 17 обеспечивает дугообразный характер электрической искры, а ограничительный резистор 16 в виде лампы накаливания - стабилизирует ее мощность и сигнализирует о скорости процесса зарядки ракеты. Во время разгона ракеты пространство внутри обтекателя 8 заполняется встречным потоком воздуха повышенного давления, который кратковременно открывает обратный клапан 10, а в момент зависания ракеты, когда лобовое давление на обтекатель исчезает - сбрасывает его и рассеивает конфетти, цветной порошок 9 или соответствующие химические реагенты.
В отличие от прототипа давление газовой подушки в камере 1 ракеты уже не ограничивается температурой перегрева воды и может быть существенно увеличено при умеренной температуре жидкого топлива 7, безопасной для конструктивных элементов ракеты и самого пользователя.
При соответствующем подборе концентрации исходных компонентов топлива или использовании одной лишь воды, пуск ракеты происходит без открытого пламени с выделением экологически чистых паров воды и углекислого газа, если используется и органическое горючее. Это гарантирует пожаробезопасность и многократность действия при достаточно высоком удельном импульсе тяги.
Натурные испытания различных вариантов предложенной ракеты, изготовленной из сифонных баллончиков для углекислого газа, подтвердили ее работоспособность и вышеуказанные данные.