Способ создания силы тяги ракетного двигателя

 

Использование: в авиации и космонавтике, а именно при создании способов создания силы тяги ракетного двигателя. Сущность изобретения: рабочее тело из емкости направляют в камеру, в которой рабочее тело нагревают. При его истечении из камеры на рабочее тело воздействуют управляющим потоком дополнительного компонента, например, из дополнительной емкости, при этом дополнительный компонент может быть нагрет. Управляющий поток последнего подают в область вне камеры и образуют объем внешней среды, в который истекает рабочее тело, при этом статическое давление управляющего потока в этой области меньше на 1...20% полного давления рабочего тела.1 ил.

Изобретение относится к области космической техники, в частности к способам, применяющимся для ускорения летательных аппаратов и использующих для создания силы тяги двигателя истечение рабочего тела.

Известен способ создания силы тяги ракетного двигателя [1] включающий направление из емкости компонентов рабочего тела системой подачи в камеру, в которой рабочее тело нагревают и оно истекает, создавая силу тяги, при этом поток истекает через сопло, служащее для преобразование тепловой энергии в кинетическую энергию потока.

Такой способ прост и широко используется в ракетной технике.

Однако в этом способе параметры сопла строго определены и поток рабочего тела имеет постоянные характеристики, которые не могут изменяться во время работы двигателя. Кроме того, низка и эффективность перехода тепловой энергии рабочего тела в кинетическую энергию летательного аппарата.

Известен способ создания силы тяги ракетного двигателя [2] включающий направление в поток рабочего тела от ракетного двигателя дополнительного воздушного потока, при этом поток истекает через сопло, служащее для преобразования тепловой энергии нагретого рабочего тела и воздушного потока в кинетическую энергию с созданием силы тяги.

Такой способ позволяет повысить эффективность ракетного двигателя за счет использования воздушного потока внешней среды, в которой движется летательный аппарат.

Однако в этом способе такой двигатель работоспособен только в воздушной атмосфере Земли и не может работать в космических условиях, то есть имеет ограниченные возможности использования.

Известен способ создания силы тяги ракетного двигателя, принятый за прототип [3] включающий направление из емкости компонентов рабочего тела системой подачи в камеру, в которой рабочее тело нагревают и оно истекает, причем на него воздействуют управляющим потоком дополнительного компонента, например, из дополнительной емкости подают системой подачи, при этом поток рабочего тела вместе с управляющим потоком истекают через сопло, а сам дополнительный компонент может быть нагрет, например, за счет использования части энергии самого потока рабочего тела.

Такой способ позволяет сравнительно эффективно преобразовывать тепловую энергию в кинетическую энергию рабочего тела, обеспечивает многорежимность работы двигателя, при этом управляющий поток позволяет изменять характеристики потока рабочего тела.

Однако здесь рабочий и управляющий потоки истекают вместе из сопла, имеют близкие скорости, определяемые перепадом давлений между камерой нагрева (обычно камера сгорания) и внешней средой, например, вакуумом, и такой поток имеет сверхзвуковую или околозвуковую скорость. А такой поток имеет импульс, превосходящий импульс потока со звуковой скоростью всего на 10-30% и при этом обеспечивается относительно низкая эффективность перехода энергии рабочего тела в кинетическую энергию летательного аппарата, тем самым не полностью реализуются возможности тепловой энергии рабочего тела для создания силы тяги.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение удельного импульса тяги на 10-100% путем повышения эффективности использования тепловой энергии рабочего тела.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе создания силы тяги ракетного двигателя, включающем направление из емкости компонентов рабочего тела системой подачи в камеру, в которой рабочее тело нагревают и оно истекает, причем на него воздействуют управляющим потоком дополнительного компонента, например, из дополнительной емкости подают системой, при этом сам дополнительный компонент может быть нагрет, управляющий поток дополнительного компонента подают в область вне камеры и образуют объем внешней среды, в которой истекает рабочее тело, причем управляющий поток в этой области имеет статическое давление меньше, на величину от 1 до 20% чем полное давление рабочего тела в камере, при этом истекающее из камеры рабочее тело имеет безразмерный скоростной коэффициент λ меньше 0,4.

Сила тяги двигателя определяется совокупностью давления газа рабочего тела и его количеством движения, то есть определяется полным импульсом потока Z(λ). Причем его величина минимальна в критическом сечении Z_кр=2 и постепенно увеличивается для сверхзвукового потока до 2,5. Однако полный импульс Z увеличивается и при уменьшении λ < 1, и достигает увеличения в 1,25 раза (Z=2,5) при l 0,5, а при l 0,4 увеличение Z в 1,45 раза по сравнению с критическим потоком и выше Z сверхзвукового потока, и Z еще более увеличивается с уменьшением l. Поэтому величина l 0,4 соответствует появлению положительного эффекта превышению импульса Z (для l 0,4) над импульсом сверхзвукового потока, и служит верхним пределом l, при уменьшении которой положительный эффект увеличивается. Для получения дозвукового потока с l ≅ 0,4 в область вне камеры подают поток дополнительного компонента, например, поток холодного газа или жидкости, который однако может быть и подогрет (в случае необходимости). И этим потоком вблизи выходного сечения камеры создают объем внешней среды, газовую или жидкостную пробку на пути истекающего рабочего тела. При этом в этой области давление всего на 1-20% меньше полного давления рабочего тела в камере, что в сочетании с малым градиентом давления между камерой и областью пробки и близкого (вплотную) расположения этой области к выходу камеры обеспечивает невозможность получения критического или сверхзвукового потока рабочего тела. Здесь эта область, пробка, служит переходной зоной между камерой и вакуумом, причем узкий поток области не воздействует на поверхности камеры (точнее, воздействие незначительно) и не создает внешней среды, атмосферы вокруг всего двигателя, уменьшающей силу тяги. Причем эта область является газовой или жидкой пробкой для истекающего из камеры потока рабочего тела, при этом эта пробка непрерывно уносится потоком рабочего тела и также непрерывно возобновляется. Нижний предел давления определяется требованием обеспечения перепада давления между областью пробки и камерой, соответствующего скорости рабочего тела с l ≅ 0,4, и в зависимости от вещества потока рабочего тела и его показателя имеем, например, при к 1,3 нижний предел давления области отличается на 10-12% от полного давления в камере, и понижается до 15-20% для веществ с к более 1,7. Верхний предел давления области отличается на 1% от давления в камере, так как пробка-область не должна запирать рабочее тело в камере. При работе такого способа обеспечивается повышение удельного импульса тяги на 10-100% в зависимости от перепада давления и получаемого l.

Сравнительный анализ с прототипом и аналогами показывает, что образование управляющим потоком дополнительного компонента области, на выходе из камеры, в которой давление на 1-20% меньше полного давления рабочего тела в камере, обеспечивает повышение удельного импульса тяги и эффективности использования тепловой энергии рабочего тела. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию новизны.

Сравнение заявляемого решения с известными в данной области техники позволило сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Предложенный способ поясняется чертежом.

Устройство для осуществления данного способа содержит емкость 1 с компонентами рабочего тела, соединенную системой подачи 2 с камерой 3, а также емкость 4 дополнительного компонента, соединенную системой подачи 5 с нагревающим устройством 6 и областью из дополнительного компонента 7.

При работе компоненты рабочего тела из емкости 1 через систему подачи 2 попадают в камеру 3, в которой нагревают рабочее тело, например, за счет химических реакций, при этом одновременно из емкости 4 дополнительный компонент системой подачи 5 подают в нагревающее устройство 6 (если это считается необходимым), а из него в область 7, тем самым область 7 образует пробку на пути истекающего из камеры 3 рабочего тела до скоростного коэффициента менее 0,4.

Пример.

Рассмотри рабочие процессы на примере жидкостного РД (ЖРД) типа "Рокитдайн" F-1, имеющего силу тяги R 680 т, секундный расход компонентов рабочего тела (керосин плюс жидкий кислород) до 3000 кг/с, при этом давление в камере Р_к 65 кг/см², диаметр критического сечения d_кр 1000 мм, удельный импульс 260 кг с/кг, расширение сопла f_c 10. Общая масса такого двигателя составляет всего 8200 кг, из них на долю системы подачи, выполненной в виде турбонасосного агрегата (ТНА), приходится 1140 кг. При времени работы двигателя порядка 150 с общая масса расходуемого рабочего тела составляет до 450 т.

Камера такого двигателя включает цилиндрическую часть, в которой происходит сгорание компонентов рабочего тела, а затем происходит ускорение потока до звуковой скорости в критическом сечении, после чего поток расширяется в сверхзвуковой части сопла.

В таком традиционном способе сила тяги появляется в результате перехода основной части тепловой энергии в кинетическую энергию потока, и величина силы тяги: R=(p_c p_н)·F_с + m_с·V_с, где m_c секундный расход рабочего тела, кг/с; v_c скорость рабочего тела, м/с; F_c площадь сопла; p_c давление на выходе сопла; p_н давление внешней среды, действующей на сопло.

При этом минимальная сила тяги наблюдается в критическом сечении, а если сила тяги есть фактически полный импульс потока без учета давления среды: и соотношение импульсов газового потока к импульсу потока в критическом сечении определяет функцию приведенного полного импульса Z. Эта функция зависит только от безразмерного скоростного коэффициента λ. И при сверхзвуковом потоке с l 2,0 (М ≈ 7) величина Z 2,5 против Z_кр 2,0 в критическом сечении, то есть увеличение в 1,25 раз, и незначительно увеличивается при дальнейшем повышении l > 2.

Рассмотрим для простоты работу ЖРД в вакууме, и p_н 0.

Однако помимо скорости потока силу тяги создает и тепловая энергия потока рабочего тела, учитываемая составляющей F_c· p_c, при этом сила тяги создается в результате ударов атомов тела на стенки камеры и сопла, составляющая однако менее 50% от создаваемой силы тяги.

В предложенном способе используется в основном тепловая энергия и соответствующая сила давления газа рабочего тела, равная R=p_к·F_к + m_c·v_к,
где F_к сечение камеры;
p_к давление в камере;
v_к скорость на выходе из камеры.

При этом составляющая количества движения меньше 30% от общей величины тяги. Здесь используется то обстоятельство, что полный импульс газового потока в области низких скоростей с l < 1 также возрастает, причем при l 0,4 функция Z 2,9, а при l 0,3 величина Z 3,6; а для l 0,2 величина Z 5,2. То есть полный импульс потока рабочего тела в области низких скоростей значительно выше, чем у сверхзвукового потока.

И это вполне объяснимо. Дело в том, что тепловая энергия и давление газа пропорциональны энергии атомов и их концентрации, например, зависимость типа pn·к·Т, то есть давление прямо пропорционально концентрации атомов и их температуре, с учетом постоянной Больцмана. А в известном традиционном способе тепловая энергия переходит в кинетическую, равную m_c·v²_c/2; при этом составляющая силы тяги определяется количеством движения тела m_c·v_c, то есть используется лишь часть энергии рабочего тела для передачи космическому аппарату (КА). И с молекулярной точки зрения это значит, что газ, движущейся с малой скоростью, позволяет атомам при их тепловом движении чаще ударять на стенки камеры и передавать больший импульс этих атомов к стенке, чем в известном способе с большой направленной скоростью потока рабочего тела.

Можно подойти и с другой стороны. Рассмотрим распределение давления в ЖРД. Как в предложенном, так и в известном способе, давление газа на стенку камеры равно F_к·p_к, и в предложенном способе это определяет силу тяги. А в известном способе газ движется дальше к критическому сечению, и здесь давление направлено против составляющей F_к·p_к, уменьшая силу тяги в 2-4 раза, причем в критическом сечении доля статического давления в создании импульса рабочего тела достигает 35-40% В сверхзвуковой части сопла давление и скорость направлены в сторону составляющей F_к·p_к и частично компенсируют потери полного импульса при движении потока к критическому соплу (см. книгу Т.М. Мелькумов и др. Ракетные двигатели. М. Машиностроение, 1976, с.16, рис. 1.13). Отсюда и величина полного импульса движется от 5,2 при λ 0,2 до 2 в критическом сечении и основа до 2,5 (имеется в виду функция Z) при l 2.

Поэтому применение дозвуковой части камеры, выполненный в виде цилиндра, из которой истекает дозвуковой поток рабочего тела со скоростным эффектом l менее 0,4 (а оптимальная величина l на уровне 0,15-0,25), позволяет увеличить силу тяги, при одинаковом расходе рабочего тела, в 1,5 4 раза.

Однако при использовании ЖРД в вакууме на выходе из камеры или сопла имеется сверхкритический перепад давления, который приводит в известном способе и его конструктивном выполнении к получению критического потока в выходном сечении камеры или сверхзвуковой скорости на выходе из сопла двигателя.

Поэтому в предложенном способе используют создание промежуточной области, пробки, для выходного сечения камеры, отделяющей камеру от вакуума. При этом образуется перепад давления между камерой и пробкой, и такой перепад давления составляет 1-20% при оптимальном перепаде до 3-10% от полного давления в камере, и поток рабочего тела вынужденно истекает с дозвуковой скоростью с l ≲ 0,4 (так как здесь нет критического перепада давления). Причем эта пробка непрерывно уносится и непрерывно возобновляется, при этом в силу малых размеров пробки и ее месторасположения (находится вне камеры) воздействие давления потока такого дополнительного компонента на процессы в камере незначительно (воздействие только на процесс истечения).

Вещество дополнительного компонента для пробки управляющего потока, может использоваться различным по агрегатному состоянию. Для рассматриваемого ЖРД F-1 наиболее просто использовать отбор жидкого кислорода из дополнительной емкости или прямо из емкости рабочего рабочего тела, затем поток кислорода подогревают и в виде потока холодного газа с Т 100-500 К подают в область пробки. При этом для такого управляющего холодного потока скорость звука составляет до 100-250 м/с, поэтому такой критический поток (с параметрами, соответствующими скорости истечения, равной звуковой) держится около камеры достаточно долго, что уменьшает расход дополнительного компонента на создание пробки. Причем малая скорость в 4-5 раз меньше скорости звука в нагретом рабочем тела, в сочетании с малой толщиной пробки (по сравнению с объемом камеры), обеспечивают сравнительно небольшой расход дополнительного компонента, до 10-80% от расхода рабочего тела.

Перспективно для дополнительного компонента использование и водорода. Тогда жидкий водород из дополнительной емкости с помощью турбонасосного агрегата подается в нагревающее устройство, а затем в область пробки. Малый молекулярный вес водорода, равный 2, и в 16 раз меньший, чем у кислорода, в сочетании с низкой температурой и относительно низкой скоростью звука, позволяет снизить массовый расход дополнительного компонента.

В общем случае принципиально возможно использование и жидкостей, например, струи воды или жидкого водорода, при этом достоинством такой струи воды или жидкого водорода является малая толщина струи и области пробки, достигающая уровня 1-20 мм. Возможно использование и горючего газа в качестве дополнительного компонента.

Все конструкции в способе емкости с дополнительным компонентом, система подачи (турбонасосный агрегат), нагревающее устройства этого компонента (газогенераторы), известны и широко применяются в технике, в том числе и ракетной.

Управляющий поток дополнительного компонента подают с помощью сопел, одного или нескольких, или множества малых. Например, система из 3-х сопел, расположенных под углом 120^o друг относительно друга по окружности, при этом оси всех сопел направлены к оси камеры, тем самым отдельные потоки сталкиваются в центре камеры. Сопла рассчитаны на звуковой поток дополнительного компонента, при этом полное давление отдельных потоков на 5-20% превышает полное давление рабочего тела, а статическое давление дополнительного компонента меньше на 1-20% полного давления рабочего тела.

Управляющий поток может подаваться и через одно сопло, например, с осью сопла, перпендикулярной к оси камеры. Перспективно использование и кольцевого сопла, охватывающего камеру в виде щели, через которую движется звуковой поток дополнительного компонента, струя которого направлена под углом 60-90^o к оси камеры. Достоинством такой конструкции является простота и полная невозможность какого-либо воздействия струи на элементы камеры. Впрочем, в общем случае количество струй дополнительного компонента неограниченно и составляет от одной и более, например, от 1 до 100, вплоть до непрерывной кольцевой. Сам поток может подаваться струей как вдоль плоскости выходного сечения камеры (оптимальный вариант), так и струей от камеры или касаясь струей стенки камеры. То есть, направляющий поток дополнительного компонента подается струей перпендикулярно оси камеры, так и под углом 50-90^o к оси потока в направлении течения рабочего тела, а также и под углом 60-90^o к оси потока навстречу потоку рабочего тела, однако это нежелательный вариант, как при этом возможно воздействие на камеру и потери силы тяги.

Итак, принимаем, что камера ЖРД имеет F_к 5 м², что соответствует радиусу камеры r_к 1,3 м. Эта камера расположена по оси кольцевого сопла, щель которого имеет высоту 0,1-0,5 м, из которой вытекает струя дополнительного компонента. При этом создается пробка, и рабочее тело истекает со скоростью λ 0,2 или 200-300 м/с. И при давлении в камере p_к сила тяги достигает согласно соотношению функций Z 5,2 и 2,5 до 1500 т, при этом расход дополнительного компонента зависит от используемого вещества и конструктивного совершенства такой системы. Расход дополнительного вещества снижает характеристики двигателя с предложенным способом, но все-таки они выше, чем в известном способе. Так, принимая расход дополнительного компонента равным 2 т/с, против 3 т/с расходуемого рабочего тела, то есть 67% имеем, что удельный импульс тяги получается равным 280 кс·с/кг; при этом для одного и того же запаса рабочего топлива (рабочее тело плюс дополнительный компонент) для ЖРД, равного 450 т, время работы уменьшается со 150 с до 90 с, однако суммарный импульс увеличивается на 25% Это значит, что при одинаковом потребном суммарном импульсе, создаваемым ЖРД, можно уменьшить запас рабочего топлива до 320-350 т, что дает выигрыш до 100 т или до 20-25% Тем самым предложенный способ позволяет повысить эффективность использования тепловой энергии рабочего тела. Возможно и повышение конечной скорости разгона ракеты или летательного аппарата примерно на 10-30% при одинаковом расходе рабочего топлива (тело плюс компонент).

Динамика движения таких летательных аппаратов определяется по формуле Циолковского, где, однако, используется эквивалентная скорость рабочего тела вместо скорости истечения в известном способе, а подробная расшифровка для приближенных оценок эквивалентной скорости

где v_э эквивалентная скорость;
а_кр скорость звука в рабочем теле;
M_p расход рабочего тела;
M_д расход дополнительного компонента управляющего потока;
M_o начальная масса летательного аппарата;
M_к конечная масса аппарата (по формуле Циолковского);
Z(λ_э) функция полного импульса потока рабочего тела при истечении из камеры, соответствующей λ ≲ 0,4.
Предложенный способ применим для создания тяги любых тепловых ракетных двигателей, например, в жидкостных двигателях или даже в ядерных двигателях с нагревом рабочего тела в ядерном реакторе. Такой способ повышает удельный импульс тяги на 10-100% в зависимости от соотношения параметров потока рабочего теля и струи дополнительного компонента. При этом эквивалентная скорость такого двигателя определяется по удельному импульсу тяги экспериментальным путем или по расчетам в зависимости от соотношения и величин параметров потока рабочего теля и струи дополнительного компонента, и эта эквивалентная скорость используется в расчетах параметров движения, например, в формуле Циолковского. Предложенный способ реализуется известными конструкциями и полностью выполним в настоящее время, обеспечивая повышение удельного импульса тяги и эффективности перехода тепловой энергии рабочего тела в кинетическую энергию летательного аппарата, повышение полезной нагрузки на 10-50%
Предложенный способ найдет применение для создания ракетных двигателей, использующих тепловую энергию для получения силы тяги.

Формула изобретения

Способ создания силы тяги ракетного двигателя, включающий направление из емкости компонентов рабочего тела системой подачи в камеру, в которой рабочее тело нагревают и оно истекает, причем на него воздействуют управляющим потоком дополнительного компонента, например, из дополнительной емкости подают системой подачи, при этом сам дополнительный компонент может быть нагрет, отличающийся тем, что управляющий поток дополнительного компонента подают в область вне камеры и образуют объем внешней среды, в которой истекает рабочее тело, причем управляющий поток в этой области имеет статическое давление меньше на величину 1 20% чем полное давление рабочего тела в камере, при этом истекающее из камеры рабочее тело имеет безразмерный скоростной коэффициент λ меньше 0,4.

РИСУНКИ

Рисунок 1