Способ увеличения тяги гибридного ракетного двигателя
Владельцы патента RU 2598984:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" (RU)
Изобретение относится к области космической техники, в частности к способам интенсификации и управления внутренними баллистическими характеристиками гибридных ракетных двигателей. При увеличении тяги гибридного ракетного двигателя изменяют массовый расход твердофазного компонента топлива, в качестве которого используется полиметилметакрилат, путем влияния на заряженные частицы в пламени. Для этого в камере сгорания гибридного ракетного двигателя создают электростатическое поле с помощью высоковольтной системы, включающей источник высоковольтного напряжения и два электрода. Изобретение позволяет повысить скорости горения твердого компонента топлива в камере сгорания и увеличить тягу гибридного ракетного двигателя. 1 ил.
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.
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, отличающийся тем, что в камере сгорания гибридного ракетного двигателя создают электростатическое поле с помощью высоковольтной системы, включающей источник высоковольтного напряжения и два электрода.
