Способ работы электроракетной двигательной установки

 

Использование: при разработке и создании транспортных двигательных установок космических аппаратов. Сущность изобретения: после подвода энергии в форме тепла к рабочему телу от внешнего источника одну часть рабочего тела высокого давления подают в электроракетный двигатель 6 и ускоряют с получением тяги, а другую часть, расширив, например, на турбине 9 с выработкой электрической энергии, подают в емкость 1 хранения рабочего тела, где она охлаждается за счет запаса холода, которым обладает рабочее тело в емкости хранения, и частично восполняют расходуемый в процессе работы установки запас рабочего тела. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к космическому энергомашиностроению и может быть использовано для снабжения космического аппарата электрической и другими видами энергии и создания силы тяги за счет преобразования тепловой энергии высокотемпературного источника тепла, например ядерного реактора или солнечного концентратора.

Известен способ работы ракетной двигательной установки, реализованный в кислородно-водородном жидкостном ракетном двигателе (патент США N 4589253, кл. F 02 K 9/48).

Однако такой двигатель характеризуется сравнительно низкими значениями удельной тяги в пустоте, составляющими примерно (4,5-5) 10³ м/с.

Известен также способ работы ядерной ракетной двигательной установки, который включает процессы подвода энергии в форме тепла от ядерного реактора к рабочему телу и расширение рабочего тела в сопле (Сафранович В.Ф. Эдмин Л. М. Маршевые двигатели космических аппаратов. М. Машиностроение, 1980, с. 147-148).

Однако в ядерной ракетной двигательной установке при применении водорода в качестве рабочего тела возможно получение удельного импульса тяги до ≈16000 м/с. Наибольшее значение удельного импульса тяги обеспечивают электроракетные двигатели.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ работы ракетной двигательной установки, реализованной в многомегаваттной ядерно-электроракетной двигательной установке (Coonus E.P. King D.Q. Cuta I. M. Webb B.I. The pegasus drive a multi-megawatt nuclar electric propulsion system. AIAA Pap. 1987, N 1038, 1-3). Этот способ основан на подводе тепла к преимущественно криогенному рабочему телу от внешнего источника тела, расширении рабочего тепла с одновременным генерированием электрической энергии, охлаждением его после расширения, ускорении рабочего тела в двигателе.

Недостатком указанного способа является то, что отвод энергии в форме тепла от рабочего тела в холодильнике-излучателе приводит к низкому значению КПД установки, к тому же не используется запас холода, которым обладает рабочее тело магнитоплазмодинамического ракетного двигателя, что также приводит к низкому значению КПД ракетной двигательной установки, реализующей способ-прототип.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности работы электроракетной двигательной установки путем использования запаса холода рабочего тела.

Это достигается тем, что перед расширением производят отбор части рабочего тела для использования в качестве рабочего тела электроракетного двигателя, а оставшуюся часть рабочего тела при расширении используют для выработки электроэнергии, а также тем, что охлаждение рабочего тела после расширения осуществляют преимущественно криогенным рабочим телом.

Способ может быть реализован, например, в ракетной двигательной установке, энергетический контур которой работает по циклу Ренкина, схема которой приведена на чертеже.

Ракетная двигательная установка состоит из емкости 1, в которой находится запас рабочего тела, и последовательно соединенных по ходу рабочего тела насоса 2, теплообменников 3 и 4, распределительного устройства 5, соединенного с электроракетным двигателем 6 и турбиной 7, кинематически связанной с электрогенератором 8, который электрически связан с электроракетным двигателем 6. Турбина 7 через теплообменник 3 связан газовой магистралью с емкостью 1. Наинизшей температурой в цикле Ренкина является температура рабочего тела перед насосом. Если в качестве рабочего тела используется водород, то эта температура составляет примерно 20 К. Рабочее тело водород заправлено в емкость 1 при температуре 14,2 К.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Жидкий водород из емкости 1 насосом 2 подают в теплообменник 3, где он нагревается до температуры кипения и испаряется. При этом тепло подводится от встречного потока отработанного водорода. Затем парообразный водород подают в высокотемпературный теплообменник 4 и перегревают за счет тепла высокотемпературного источника, например ядерного реактора. Далее с помощью распределительного устройства 5 часть потока водорода направляют в электроракетный двигатель, а другую часть расширяют на турбине 7 с выработкой электрической энергии, которую используют для ускорения рабочего тела, подаваемого в электроракетный двигатель 6. Затем отработанное на турбине рабочее тело охлаждают в теплообменнике 3 и подают в емкость 1 хранения для повторного использования. Работа установки продолжается до исчерпания запаса холода рабочего тела, т.е. до того момента, когда температура жидкого водорода в емкости хранения возрастет до температуры кипения.

Осуществимость предложенного способа базируется на том, что хорошо известны и широко используются высокотемпературные источники энергии, например ядерные реакторы, радиоизотопные источники, солнечные концентраторы, различные типы электроракетных двигателей, а также генераторы холода, в частности различные криогенные машины.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в повышении КПД ракетной двигательной установки, что приводит к уменьшению потребляемой тепловой мощности, а значит, позволяет снизить массу высокотемпературного источника тепла и всей установки в целом. Для ракетных двигательных установок, размещаемых на транспортных средствах, КПД и массогабаритные характеристики входят в число наиболее важных показателей.

Формула изобретения

1. СПОСОБ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОРАКЕТНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ, основанный на подводе тепла к преимущественно криогенному рабочему телу от внешнего источника тепла, расширении рабочего тела с одновременным генерированием электрической энергии, охлаждении его после расширения, ускорении рабочего тела в двигателе, отличающийся тем, что перед расширением производят отбор части рабочего тела для использования в качестве рабочего тела электроракетного двигателя, а оставшуюся часть рабочего тела при расширении используют для выработки электроэнергии.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение рабочего тела после расширения осуществляют преимущественно криогенным рабочим телом.

РИСУНКИ

Рисунок 1