Способ организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе и лазерный ракетный двигатель



Способ организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе и лазерный ракетный двигатель
Способ организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе и лазерный ракетный двигатель

 

F02K99 - Реактивные двигательные установки (размещение и крепление реактивных двигательных установок на наземных транспортных средствах или транспортных средствах вообще B60K; размещение и крепление реактивных двигательных установок на судах B63H; управление положением в пространстве, направлением и высотой полета летательного аппарата B64C; размещение и крепление реактивных двигательных установок на летательных аппаратах B64D; установки, в которых энергия рабочего тела распределяется между реактивными движителями и движителями иного типа, например воздушными винтами F02B,F02C; конструктивные элементы реактивных двигателей, общие с газотурбинными установками, воздухозаборники и управление топливоподачей в воздушно-реактивных двигателях F02C)

Владельцы патента RU 2439360:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева (ГОУ ВПО КГТУ им. А.Н. Туполева) (RU)

Изобретение относится к области реактивных двигательных установок, а именно к реактивным двигателям, основанным на получении тяги в результате поглощения лазерного излучения, и предназначено для управления малыми космическими аппаратами. Лазерный ракетный двигатель включает источник лазерного излучения, систему поворотных и фокусирующих зеркал, камеру поглощения с газодинамическим окном, сопло, систему подвода рабочего тела в камеру поглощения, причем каналы для подвода рабочего тела в камеру поглощения выполнены со стороны критического сечения сверхзвукового сопла, при этом их оси расположены тангенциально к поверхности камеры поглощения, а в переднем днище камеры поглощения со стороны газодинамического окна имеется хорошо обтекаемый дефлектор, обращенный внутрь нее. Способ организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе, при котором в камеру поглощения подается рабочее тело, создается в ней плазменное ядро, нагревается рабочее тело, которое обтекает плазменное ядро и, истекая из сверхзвукового сопла, создает плазменную струю, причем рабочее тело подают со стороны критического сечения сверхзвукового сопла тангенциально поверхности камеры поглощения, создают закрученный осесимметричный поток рабочего тела, который достигает переднего днища камеры поглощения, разворачивается, обтекая плазменное ядро. Изобретение позволит поддержать высокую величину удельного импульса и увеличить ресурс работы двигателя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области реактивных двигательных установок, а именно к реактивным двигателям, основанным на получении тяги в результате поглощения лазерного излучения, и предназначено для управления малыми космическими аппаратами.

Известен лазерный ракетный двигатель (патент РФ №2338918, МПК F02K 11/00, опубл. 20.11.2008, бюл. №32) который включает в себя непрерывный источник лазерного излучения, систему поворотных и фокусирующих зеркал и рабочего тела из абляционного материала. Рабочее тело выполнено в виде цилиндрического стержня, снабженного системой перемещения вдоль и вокруг оси симметрии. Генерируемое лазером излучение, фокусируясь на поверхности рабочего тела, инициирует испарение рабочего тела, и образование плазменной струи, истекающей перпендикулярно к его поверхности и обеспечивающей передачу рабочему телу противоположно направленного реактивного импульса отдачи.

Недостатком данного устройства является наличие в конструкции движущихся частей, которые в условиях космического вакуума могут привести к заклиниванию системы перемещения рабочего тела. Использование абляционного материала при испарении приводит к образованию тяжелых фракций продуктов нагрева с высокой молекулярной массой, что уменьшает удельный импульс.

Известен лазерный ракетный двигатель и способ организации рабочего процесса в нем (патент US №4036012, МПК Н05Н 1/24, опубл. 19.07.1977), наиболее близкий по технической сущности к заявленному и принятый за прототип. Лазерный ракетный двигатель включает непрерывный источник лазерного излучения, систему поворотных и фокусирующих зеркал, камеру поглощения с газодинамическим окном, сопло, систему подвода рабочего тела в зону поглощения со стороны газодинамического окна, баллоны с рабочим телом. Способ организации рабочих процессов в двигателе осуществляется следующим образом. Лазерный луч, попадая на систему поворотных и фокусирующих зеркал, фокусируется через газодинамическое окно в зоне поглощения, куда подается рабочее тело водород, одновременно в зону поглощения подается рабочее тело с добавкой дейтерия для инициации оптического разряда и образования плазменного ядра, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и истекает из сверхзвукового сопла, образуя плазменную струю. В известном техническом решении охлаждение осуществляется регенеративным путем, при помощи жидкого водорода, поступающего в рубашку охлаждения из баллонов.

Недостатком известного двигателя является невысокая эффективность стабилизации плазмы в приосевой области, низкий коэффициент поглощения лазерного излучения водородом, что приводит к снижению удельного импульса, и недостаточная защита от горячих конвективных потоков в области критического сечения, что снижает ресурс работы двигателя и его надежность.

Технический результат, на достижение которого направленно предлагаемое изобретение, заключается в поддержании высокого удельного импульса за счет более эффективного способа организации внутрикамерных процессов и увеличении ресурса работы лазерного ракетного двигателя.

Технический результат достигается тем, что в способе организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе, включающем подачу в камеру поглощения рабочего тела, создание в ней плазменного ядра, путем фокусирования лазерного луча и инициации оптического разряда, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и истекает из сверхзвукового сопла, создавая плазменную струю, новым является то, что рабочее тело подают со стороны критического сечения сверхзвукового сопла тангенциально поверхности камеры поглощения, создают направленный в сторону распространения лазерного луча, закрученный осесимметричный поток рабочего тела, который достигает переднего днища камеры поглощения, разворачивается, обтекая плазменное ядро.

В зону фокусировки лазерного луча, для инициации оптического разряда, вводят легкоионизируемый материал.

В лазерном ракетном двигателе, включающем источник лазерного излучения, систему поворотных и фокусирующих зеркал, камеру поглощения с газодинамическим окном, сопло, систему подвода рабочего тела в камеру поглощения, новым является то, что каналы для подвода рабочего тела в камеру поглощения выполнены со стороны критического сечения сверхзвукового сопла, при этом их оси расположены тангенциально к поверхности камеры поглощения.

Газодинамическое окно в переднем днище камеры поглощения снабжено хорошо обтекаемым дефлектором, обращенным внутрь нее.

В зоне фокусировки лазерного луча установлен легкоионизируемый материал для увеличения коэффициента поглощения лазерного луча.

Сущность предлагаемого изобретения представлена на чертежах.

На фиг.1 - продольный разрез лазерного ракетного двигателя.

На фиг.2 - вид А-А фиг.1.

Здесь: 1 - непрерывный источник лазерного излучения; 2 - поворотные и фокусирующие зеркала; 3 - камера поглощения; 4 - каналы для подвода рабочего тела; 6 - дефлектор; 7 - вольфрамовая проволока; 8 - сверхзвуковое сопло.

Лазерный ракетный двигатель включает непрерывный источник лазерного излучения 1, например газодинамический CO2-лазер с длиной волны λ=10.6 мкм, систему поворотных и фокусирующих зеркал 2, представляющих собой плоские и параболические зеркала для фокусировки лазерного луча в камере поглощения 3. В камере поглощения 3 выполнено газодинамическое окно 5, которое снабжено дефлектором 6, обращенным внутрь камеры поглощения, необходимым для обеспечения разворота газа от переднего днища камеры поглощения 3. Система подачи рабочего тела имеет каналы 4 для подвода рабочего тела, выполненные в камере поглощения со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 8. Оси каналов 4 направлены тангенциально к поверхности камеры поглощения 3, так чтобы создать закрученный осесимметричный поток газа и обеспечить «завесное» охлаждение. В камере поглощения 3 в зоне фокусировки лазерного луча установлен элемент инициирования оптического разряда 7, из легкоионизируемого материала, например вольфрама, который увеличивает коэффициент поглощения лазерного излучения.

Сущность способа заключается в следующем. Генерируемое газодинамическим CO2-лазером 1 излучение, попадая на систему поворотных и фокусирующих зеркал 2, проходя через оптически прозрачное газодинамическое окно 5, фокусируется на поверхности вольфрамовой проволоки 7, которую устанавливают в зоне фокуса для увеличения коэффициента поглощения лазерного излучения и лучшей инициации оптического разряда. Одновременно с инициацией оптического разряда, из каналов 4 для подвода рабочего тела со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 9, сообщенных с системой подвода рабочего тела (не показана), в камеру поглощения 3 подается рабочее тело (например, водород или аргон). После инициации оптического разряда, происходит образование горячего плазменного ядра, при этом рабочее тело образует закрученный осесимметричный поток, направленный в сторону распространения лазерного излучения, который, достигая переднего днища камеры поглощения 3, разворачивается от дефлектора 6 в обратном направлении, и обдувает горячее плазменное ядро, и истекает в сверхзвуковое сопло, создавая плазменную струю, при этом обеспечивается условия устойчивого «горения» оптического разряда в приосевой зоне камеры поглощения 3, что позволяет поддерживать высокую величину удельного импульса и охлаждать стенки камеры поглощения 3 тангенциальным потоком рабочего тела, тем самым увеличить ресурс работы двигателя.

Условия устойчивого «горения» оптического разряда в приосевой зоне камеры поглощения 3 обеспечиваются образованием малоподвижной области течения вокруг плазменного ядра, создаваемой рабочим телом, истекающем тангенциально из каналов 4 со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 8.

Эти условия имеют вид:

vφ≥ux/tgβ или

Здесь vφ - тангенциальная составляющая скорости рабочего тела, истекающей со стороны критического сечения сверхзвукового сопла, ux - осевая составляющая скорости рабочего тела, истекающей со стороны критического сечения сверхзвукового сопла, tgβ - тангенс угла раскрытия камеры, εк - отношения большей площади сечения камеры к площади критического сечения , k - коэффициент изоэнтропы,

R - универсальная газовая постоянная, Т - температура газа.

Устройство работает следующим образом. Генерируемое лазером 1 излучение, попадая на систему поворотных и фокусирующих зеркал 2, фокусируется через газодинамическое окно 5 в камере поглощения 3 на поверхности вольфрамовой проволоки 7, инициирует «поджог» оптического разряда и образование плазменного ядра. Поток рабочего тела поступает в камеру поглощения через каналы 4 со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 8 тангенциально к поверхности камеры поглощения 3. В результате образуется закрученный осесимметричный поток газа, который направляется к переднему днищу камеры поглощения 3, поворачивается в обратном направлении от дефлектора 6 и истекает в сверхзвуковое сопло 8, обдувая горячее ядро со стороны подвода лазерного луча, обеспечивая устойчивое «горение» оптического разряда.

Такой способ организации рабочего процесса в камере поглощения 3 позволяет стабилизировать плазму в осевом направлении (т.е. предотвратить движение оптического разряда в направлении лазерного луча).

Тангенциальный поток рабочего тела, истекая из каналов 4 со стороны критического сечения сверхзвукового сопла 8, охлаждает стенки камеры поглощения 3, при этом, разворачиваясь от передней стенки камеры поглощения 3, образует малоподвижную область, которая перекрывает исток газа из ядра к стенкам камеры поглощения 3, в радиальном направлении, обеспечивая «завесное» охлаждение и поддержание высокой величины удельного импульса.

1. Способ организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе, включающий подачу в камеру поглощения рабочего тела, создание в ней плазменного ядра путем фокусирования лазерного луча и инициирования оптического разряда, нагрев рабочего тела, которое обтекает плазменное ядро и, истекая из сверхзвукового сопла, создает плазменную струю, отличающийся тем, что рабочее тело подают со стороны критического сечения сверхзвукового сопла, тангенциально поверхности камеры поглощения, создают закрученный осесимметричный поток рабочего тела, который достигает переднего днища камеры поглощения, разворачивается, обтекая плазменное ядро.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зону фокусировки лазерного луча для инициирования оптического разряда вводят легкоионизируемый материал.

3. Лазерный ракетный двигатель, включающий источник лазерного излучения, систему поворотных и фокусирующих зеркал, камеру поглощения с газодинамическим окном, сопло, систему подвода рабочего тела в камеру поглощения, отличающийся тем, что каналы для подвода рабочего тела в камеру поглощения выполнены со стороны критического сечения сверхзвукового сопла, при этом их оси расположены тангенциально к поверхности камеры поглощения, а в переднем днище камеры поглощения со стороны газодинамического окна имеется хорошо обтекаемый дефлектор, обращенный внутрь ее.

4. Лазерный ракетный двигатель по п.3, отличающийся тем, что в зоне фокусировки лазерного луча установлен легкоионизируемый материал для увеличения коэффициента поглощения лазерного луча.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в качестве электродвигателя. .

Изобретение относится к пульсирующим реактивным двигателям на основе энергии детонационного сгорания топлива, но отличается высокими показателями КПД более 50%, частоты пульсаций выше 400 Гц, дополнительным ускорением переменным электромагнитным полем каждой порции продуктов химической реакции, выбрасываемой из детонационной камеры сгорания, движущейся в виде области высокого давления газов, несущей объемный заряд положительной полярности.

Изобретение относится к ракетно-космической технике. .

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в двигательных и энергетических установках перспективных средств межорбитальной транспортировки, предназначенных для выведения космических аппаратов с низких опорных орбит на различные высокоэнергетические орбиты.

Изобретение относится к ракетным двигателям, основанным на получении тяги путем поглощения лазерного излучения, и предназначено для управления малыми космическими аппаратами

Изобретение относится к устройствам соединения газоводов

Изобретение относится к космической технике, в частности к реактивным двигателям, преобразующим тепловую энергию источника тепла в энергию газовой струи, создающей реактивную тягу двигателя

Изобретение относится к ракетно-космической технике

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно к ракетам для межзведных перелетов с жидкостным ракетным двигателем, выполненным по закрытой схеме, с дожиганием газогенераторного газа, и к средствам управления ракетой по крену, и предназначено для управления вектором тяги двигателя и ракетой по тангажу, рысканию и крену
Изобретение относится к ракетным двигателям жидкого и твердого топлива

Изобретение относится к двигателям, используемым в составе имитаторов боевых средств тренажеров для обучения и тренировки операторов переносных зенитных ракетных комплексов

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано в двигательных и энергетических установках перспективных средств межорбитальной транспортировки, предназначенных для доставки космических аппаратов на различные высокоэнергетические орбиты и отлетные от Земли траектории

Микроэлектромеханический ракетный двигатель предназначен для использования в составе космических разгонных блоков, наноспутников. Микроэлетромеханический ракетный двигатель выполнен в виде структуры из полупроводниковых кристаллов кремния, расположенных один над другим, в одном из которых выполнена камера сгорания с топливным элементом, и содержит блок поджига топлива с металлическими проводниками. Камера сгорания с топливным элементом выполнена в виде нанокристаллического пористого кремния глубиной не более 60 мкм, поры которого насыщены водородом и допированным нитратом калия. Во второй пластине выполнено сопло, расположенное симметрично нанокристаллическому пористому кремнию и сочленное с ним через металлические проводники. Изобретение направлено на упрощение и удешевление процесса изготовления двигателя, обеспечение высокой надежности двигателя по сопутствующим работе двигателя температурам, механическим нагрузкам, режиму работы двигателя и обеспечение нормальной газодинамической функции за счет предлагаемой конструкции и топлива. 1 ил.

Устройство для подачи пылеобразного рабочего тела в электроракетный двигатель относится к области электрических ракетных двигателей (ЭРД), в которых используют пыль в качестве рабочего тела для создания тяги. В устройстве для подачи пылеобразного рабочего тела в электроракетный двигатель пылеобразное рабочее тело хранится в одном или большем числе капсул, размещенных в магазине, имеется механизм для перемещения пылеобразного рабочего тела, который выполнен таким образом, что он имеет возможность вынимать капсулу из ячейки магазина и задвигать капсулу в ускоряющее пространство ЭРД и выдвигать капсулу обратно из ускоряющего пространства ЭРД. При этом капсула для хранения пылеобразного рабочего тела имеет обечайку из диэлектрического материала, донышко и быстросъемную крышку, которая имеет возможность сбрасываться вблизи первого, по ходу перемещения пылеобразного рабочего тела, ускоряющего электрода электроракетного двигателя. Изобретение позволяет исключить непосредственный контакт и трение механизмов с пылеобразным рабочим телом, регулировать подачу пылеобразного рабочего тела в ЭРД, а также уменьшить размеры ЭРД с пылеобразным рабочим телом. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.
Наверх