Жидкостный ракетный двигатель с дополнительным электромагнитным разгоном рабочего тела

Изобретение относится к ракетно-космической технике и преимущественно может быть использовано в маршевых и управляющих ракетных двигателях космических аппаратов. Жидкостный ракетный двигатель содержит камеру, состоящую из кольцевой камеры сгорания, смесительной головки и тарельчатого сопла. Внутренняя часть тарельчатого сопла и выходной участок внешней части тарельчатого сопла выполнены из токопроводящего материала, соединены с камерой двигателя через проставки из диэлектрического материала и связаны через тоководы с разноименными полюсами источника электрической энергии. Изобретение обеспечивает повышение удельного импульса двигателя за счет увеличения скорости истечения рабочего тела из камеры. 1 ил.

 

Изобретение относится к ракетно-космической технике и преимущественно может быть использовано в маршевых и управляющих ракетных двигателях космических аппаратов.

Важнейшим направлением совершенствования ракетных двигателей космических аппаратов является повышение их экономичности, которая количественно оценивается с помощью удельного импульса. Повышение удельного импульса ракетных двигателей позволяет увеличить маневренные возможности космических аппаратов, повысить срок их активного существования, снизить стоимость реализации космических программ.

Известны электроракетные двигатели, в частности стационарный плазменный двигатель СПД-100, содержащий камеру из диэлектрического материала, в которой размещены анод, кольцевой электромагнит и катод-нейтрализатор (Новости космонавтики, 2000 г., №3, с.30 и 2004 г., №8, с.49). Рабочим телом двигателя служит ксенон. Разгон рабочего тела осуществляется за счет электрической энергии, подводимой от внешнего источника.

Электроракетные двигатели позволяют существенно увеличить удельный импульс по сравнению с традиционными жидкостными ракетными двигателями. Однако существенным недостатком этих двигателей являются малая тяга и большая потребляемая электрическая мощность. К примеру, двигатель СПД-100 развивает тягу примерно 8 Г, потребляя 1200 Вт электрической мощности. В связи с этим существенно снижается оперативность выполнения маневров. Кроме того, в процессе выполнения маневров практически вся вырабатываемая на борту электрическая мощность используется двигателем, и космический аппарат в течение длительного времени выводится из рабочего режима.

Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру сгорания и реактивное сопло. В реактивном сопле, выполненном из диэлектрического материала, установлены два кольцевых электрода, связанных через тоководы с внешним источником электрической энергии (см. патент №2204047, 2003 г.).

Данный двигатель позволяет повысить удельный импульс за счет повышения температуры рабочего тела посредством дугового разряда в среде рабочего тела. Однако данное устройство не позволяет значительно увеличить удельный импульс, так как величина подводимой тепловой мощности ограничена допустимой температурой конструкционных материалов камеры двигателя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру двигателя, состоящую из кольцевой камеры сгорания, смесительной головки и тарельчатого сопла (см. Новости космонавтики, 1998 г., №17/18, с.45 и Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей / Васильев А.П., Кудрявцев В.М., Кузнецов В.А. и др./ Под ред. Кудрявцева В.М. - М.: Высшая школа, 1983, - с.353-359).

Недостатком данного двигателя является низкий удельный импульс вследствие ограниченного запаса химической энергии, содержащейся в топливе.

Целью изобретения является повышение удельного импульса посредством дополнительного разгона рабочего тела в электромагнитном поле.

Указанная цель достигается тем, что внутренняя часть и выходной участок внешней части тарельчатого сопла выполнены из токопроводящего материала соединены с камерой двигателя через проставки из диэлектрического материала и связаны через тоководы с разноименными полюсами источника электрической энергии.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Жидкостный ракетный двигатель содержит камеру двигателя, состоящую из кольцевой камеры сгорания 1, смесительной головки 2 и тарельчатого сопла 3. Тарельчатое сопло 3 состоит из внутренней части 4 и внешней части 5. Внутренняя часть 4 и выходной участок 6 внешней части 5 тарельчатого сопла 3 выполнены из токопроводящего материала, соединены с камерой двигателя через проставки 7 и 8 из диэлектрического материала и связаны через тоководы 9 и 10 с разноименными полюсами источника электрической энергии 11. Кольцевая камера сгорания 1 и тарельчатое сопло 3 снабжены охлаждающими трактами, которые связаны с коллектором 12 подвода горючего и с трубопроводом 13 подвода окислителя.

Устройство работает следующим образом. Окислитель поступает в кольцевую камеру сгорания 1 через трубопровод 13, охлаждающий тракт внутренней части 4 тарельчатого сопла 3 и смесительную головку 2. Горючее поступает в кольцевую камеру сгорания 1 через коллектор 12, охлаждающий тракт внешней части 5 тарельчатого сопла 3 и смесительную головку 2. В кольцевой камере сгорания 1 происходит смешение и горение компонентов топлива. На выходе из кольцевой камеры сгорания 1 образуется рабочее тело (продукты сгорания) с высоким теплосодержанием. Рабочее тело поступает в тарельчатое сопло 3, в котором происходит газодинамический разгон рабочего тела за счет преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию направленного движения рабочего тела.

Внутренняя часть 4 тарельчатого сопла 3 имеет отрицательный потенциал, т.к. связана через токовод 10 с отрицательным полюсом источника электрической энергии 11. Выходной участок 6 внешней части 5 тарельчатого сопла 3 имеет положительный потенциал, т.к. связан через токовод 9 с положительным полюсом источника электрической энергии 11. Рабочее тело в тарельчатом сопле 3 из-за высокой температуры (порядка нескольких тысяч градусов) частично ионизировано и, следовательно, является токопроводящим. В результате этого в среде рабочего тела между внутренней частью 4 и выходным участком 6 внешней части 5 тарельчатого сопла 3 возникает электродуговой разряд. Наличие электродугового разряда повышает степень ионизации рабочего тела и увеличивает плотность электрического тока j, протекающего в среде рабочего тела. Электрический ток индуцирует азимутальное магнитное поле с индукцией В. Взаимодействие радиальной составляющей электрического тока с магнитным полем приводит к возникновению силы Ампера, действующей на ионы и электроны, содержащиеся в ионизированном потоке рабочего тела. Эта сила направлена вдоль оси тарельчатого сопла 3 в сторону движения потока рабочего тела. Силу Ампера, действующую на элементарный объем рабочего тела dV, можно выразить следующим образом (см. чертеж):

где - вектор радиальной составляющей электрического тока;

- вектор индукции магнитного поля.

Сила Ампера обеспечивает дополнительный разгон рабочего тела в тарельчатом сопле 3. В результате увеличения скорости истечения рабочего тела из камеры двигателя повышается удельный импульс двигателя.

Дополнительный разгон рабочего тела осуществляется за счет действия электромагнитных сил и не требует повышения температуры рабочего тела. Вследствие этого предлагаемое устройство позволяет подводить к рабочему телу большую мощность от источника электрической энергии. В результате обеспечивается возможность значительного повышения удельного импульса двигателя.

Таким образом, достигается цель предлагаемого изобретения.

Жидкостный ракетный двигатель с дополнительным электромагнитным разгоном рабочего тела, содержащий камеру двигателя, состоящую из кольцевой камеры сгорания, смесительной головки и тарельчатого сопла, отличающийся тем, что внутренняя часть и выходной участок внешней части тарельчатого сопла выполнены из токопроводящего материала, соединены с камерой двигателя через проставки из диэлектрического материала и связаны через тоководы с разноименными полюсами источника электрической энергии.