СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ТЯГИ ГИБРИДНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF INCREASING HYBRID ROCKET ENGINE THRUST

Изобретение относится к области космической техники, в частности к способам интенсификации и управления внутренними баллистическими характеристиками гибридных ракетных двигателей.
На данном этапе увеличение тяги в гибридных ракетных двигателях производится в основном за счет закрутки потока окислителя, поступающего в камеру сгорания (заявка на изобретение RU 93020225, МПК F02K 9/00. Гибридный ракетный двигатель. - Заявл.: 16.04.1993, опубл.: 27.07.1996). Недостатками данного технического решения являются усложнение конструкции двигателя и ограниченная возможность увеличения тяговых характеристик, обусловленная пределом возможности интенсификации при помощи закрутки потока окислителя.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ (патент на изобретение RU 2274761, МПК F02K 9/26, F02K 9/72. Способ регулирования соотношения компонентов топлива в гибридном ракетном двигателе. - Заявл.: 24.02.2004, опубл.: 10.08.2005), в котором изменяют массовый расход твердофазного компонента топлива с помощью регулирования действующего значения электрического тока, пропускаемого через реакционную зону газификации с целью увеличения массового расхода твердого топлива, что приводит к увеличению тяги двигателя. Недостатком данного технического решения являются значительные энергозатраты для поддержания требуемого тока через реакционную зону.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение скорости регрессии твердого топлива в гибридном ракетном двигателе, а следовательно, увеличение тяги двигателя.
Для решения указанной задачи предложен способ увеличения тяги гибридного ракетного двигателя, включающий изменение массового расхода твердофазного компонента топлива, в качестве которого используется полиметилметакрилат, путем влияния на заряженные частицы в пламени. При этом в камере сгорания гибридного ракетного двигателя создают электростатическое поле с помощью высоковольтной системы, включающей источник высоковольтного напряжения и два электрода.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение скорости горения (регрессии) твердого компонента топлива в камере сгорания гибридного ракетного двигателя, приводящее к увеличению тяги ракетного двигателя.
Процесс горения в гибридном ракетном двигателе в общем случае включает: распыл жидкого (или газообразного) компонента и его испарение; прогрев твердого компонента и его газификацию; химическое взаимодействие компонентов (собственно горение). Истечение продуктов сгорания через сопло приводит к возникновению тяги.
Технический результат достигается за счет создания электростатического поля, увеличивающего тепловой поток к поверхности твердофазного компонента и изменяющего интенсивность процесса диспергирования в камере сгорания гибридного ракетного двигателя, что позволяет путем воздействия упомянутого поля на заряженные частицы в пламени в процессе горения влиять на внутрибаллистические характеристики (температуру, скорость горения, полноту сгорания топлива) в камере сгорания.
Как показано в работе С.А. Абрукова (С.А. Абруков К вопросу влияния электрического поля на горение конденсированных систем, журнал «Физика горения и взрыва», №1, 1975, стр. 126-128), влияние электрического поля на линейную скорость горения смеси перхлората аммония и полибутадиенового каучука с алюминием осуществляется посредством рециркуляции продуктов горения ионным ветром (потоком заряженных частиц к противоположному по знаку электроду, увлекающим за собой также нейтральные частицы, приводящим к изменению формы пламени). Механизм влияния заключается в смещении под действием ионного ветра горячих потоков пламени к поверхности топлива. В рамках указанного механизма дано объяснение изменения скорости горения смесевой композиции перхлората аммония и полибутадиенового каучука в работе Н.А. Исаева (Н.А. Исаев. Влияния электрических полей на горение конденсированных систем при пониженных давлениях, журнал «Физика горения и методы ее исследования», №6, стр. 34-39).
Наложение электростатического поля приводит также к изменению интенсивности процесса диспергирования, что приводит к изменению скорости горения топлива (Н.Н. Максимов. Влияние постоянных электрических полей на горение смесевых конденсированных систем, журнал «Физика горения и методы ее исследования», №7, 1977, стр. 56-61).
В работах С.М. Решетникова, И.А. Зырянова, А.П. Позолотина (С.М. Решетников, И.А. Зырянов, А.П. Позолотин. Особенности горения полимеров в электростатическом поле, журнал «Известия ЮФУ. Технические науки», №8, 2013, стр. 30-36; И.А. Зырянов, А.П. Позолотин. Горение конденсированных веществ в электростатическом поле, журнал «Вестник СГАУ», №5, 2011, стр. 104-107) показано увеличение скорости горения и температуры пламени полиметилметакрилата ПММА, полибутадиенового каучука СКД-2, бутадиен-стирольного каучука СКМС-30, этиленпропиленового каучука СКЭПТ и бутадиен-нитрильного каучука СКН-26 в электростатических полях, объясняющееся сменой режима горения, сопровождающейся аномальным диспергированием.
При совместном действии указанных выше механизмов наложение электростатического поля в камере сгорания увеличивает скорость сгорания топлива, что проявляется в увеличении давления в камере сгорания и тяги. Особо следует отметить, что электростатическое поле не требует затрат энергии для своего поддержания.
Сущность изобретения
На фиг. 1 изображена схема модельного ГРД с системой создания электростатического поля. Принципиальная схема включает в себя гибридный ракетный двигатель, состоящий из сопла 1, камеры сгорания 8 с твердотопливным блоком горючего 2, предварительной камеры 6, системы зажигания 5, и высоковольтную систему, состоящую из источника высоковольтного напряжения и двух электродов 3 и 4.
Способ осуществляется следующим образом. В процессе работы двигателя с помощью системы электродов 3 и 4 создается электростатическое поле. Конфигурация поля зависит от компоновки электродов: возможно параллельное расположение электродов-пластин, расположение одного электрода по центру канала топливного блока, а второго - вокруг топливного блока, вариация полярностей полей. В качестве примера приведем модельный ГРД, созданный в лаборатории кафедры физики ВятГУ. Корпус двигателя был изготовлен из стали 12Х18Н10Т, в качестве твердого горючего использовались ПММА (полиметилметакрилат) и вакуумная резина. Окислителем был газообразный кислород, подаваемый через вход для подачи окислителя 7. Зажигание производилось с помощью нихромовой спирали 5. В камере сгорания 8 гибридного ракетного двигателя создают радиальное электростатическое поле напряженностью 20-200 кВ/м. Первый электрод 3 выполняют в виде проводящего металлического стержня, расположенного в керамической трубке, запаянной с одного конца, проходящей по всей длине канала топливного блока 2. Удельное сопротивление керамической трубки должно иметь значение порядка , не уменьшающееся при воздействии температур, достигаемых в камере сгорания (2000-3500°С в зависимости от используемой пары топливо-окислитель). Другой электрод 4, выполненный из металлической сетки, располагают с внешней стороны топливного блока 8. Электроды подключаются к источнику высоковольтного напряжения. Созданное таким образом радиальное электростатическое поле влияет на процесс горения в камере сгорания и на ее внутрибаллистические характеристики: увеличивается скорость сгорания твердого топлива, температура горения, полнота сгорания топлива, что увеличивает тягу двигателя.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет увеличивать тягу гибридного ракетного двигателя при минимальных энергозатратах.