Электротермический микродвигатель
Владельцы патента RU 2332583:
ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ПОЛЕТ-ИНТЕР" (ЗАО "ПОЛЕТ-ИНТЕР") (RU)
Изобретение относится к двигательным установкам для спутников малой массы. В микродвигателе газовод выполнен с двумя цилиндрическими фланцами, расположенными на его наружной части с отступом от его торцов, и дополнительно размещен внутри цилиндрического стакана с цилиндрическим буртиком в районе дна так, что свободный торец газовода уперт в дно стакана, длина которого выбрана из условия утопания противоположного цилиндрического фланца относительно открытого торца стакана, и снаружи газовода между цилиндрическими фланцами расположены электрические нагревательные элементы в двухканальных керамических трубках, например, в виде проволоки из нихрома, диаметр которой меньше диаметра отверстий в трубках, с выводом токоподводящих частей нагревательных элементов в трубках через пазы во фланце и отверстия в дне стакана, причем внутренний диаметр стакана равен наружному диаметру цилиндрических фланцев газовода, при этом камера выполнена в виде стакана с внутренним диаметром, равным диаметру цилиндрического буртика, и с отверстием в дне, диаметр которого равен диаметру выступающей торцевой части газовода с соплом Лаваля, выполненной ступенчатой, длина утолщенной цилиндрической части которой равна величине утопания цилиндрического фланца относительно открытого торца стакана, который с расположенным в нем газоводом прижат к дну камеры при помощи цилиндрического выступа пустотелой гайки с наружной резьбой, ввинченной в открытый торец камеры, в теле которой размещена система подачи газифицированного топлива в виде подводящего трубопровода, а завихритель выполнен в виде наклонных газоподводящих прорезей на цилиндрическом буртике, при этом на боковой поверхности свободного торца стакана, а также на боковой поверхности газовода у торца, контактирующего с дном стакана, и в цилиндрических фланцах газовода выполнены прорези, а чувствительные элементы термопар размещены в газоводе через отверстия в дне стакана и вместе с токовыводами выведены наружу через пустотелую гайку, полость которой и торец камеры заполнены термостойким герметиком. Изобретение обеспечивает повышение эффективности микродвигателя, а также увеличение удельной тяги на 35-40% и снижение массы на 10-12%. 11 ил.
Изобретение относится к космической технике, а именно к электротермическим микродвигателям, входящим в состав двигательных установок микротяги, устанавливаемых на спутники малой массы для решения задач орбитального маневрирования.
Современный уровень развития космической техники характеризуется тенденцией к миниатюризации спутников различного назначения (научных, связных, дистанционного зондирования Земли, навигационных, гидрометеорологических и др.) и увеличению количества их запусков. Для решения задач орбитального маневрирования в состав спутников вводятся двигательные установки микротяги, в которых реактивная тяга создается электротермическими микродвигателями. Тяга таких микродвигателей составляет 0.02-0.05 Н (2-5 кгс).
В настоящее время как в России, так и за рубежом создано немало образцов двигателей микротяги, среди которых электротермические (электронагревательные) микродвигатели являются наиболее простыми и отработанными.
Создание реактивной микротяги в электротермических микродвигателях осуществляется посредством подвода энергии к нагревательному элементу, размещенному в микродвигателе, прокачиванием рабочего тела вдоль «горячих» поверхностей микродвигателя, на которых происходит испарение и нагрев рабочего тела, и выброс нагретого газа через реактивное сопло (сопло Лаваля).
Несмотря на схемную простоту таких микродвигателей, трудности конструктивного их исполнения и изготовления обусловлены необходимостью выполнения следующих, зачастую противоречивых, требований, среди них:
- высокие удельные показатели (удельная тяга, потребляемая электрическая мощность на единицу массы);
- высокая надежность, для обеспечения которой необходимо вводить основной и резервный электрические нагревательные элементы;
- обеспечение управления микродвигателем и контроля его температуры при помощи термопар, чувствительные элементы которых должны быть размещены у входа в реактивное сопло (сопло Лаваля);
- простота и технологичность конструкции при минимальных габаритах и массе и т.п.
Эффективность микродвигателя в первую очередь определяется величиной его удельной тяги, которая напрямую зависит от величины нагрева газообразного топлива на входе в реактивное сопло. Уравнение для определения теоретической удельной тяги имеет вид (см. патент №2186237):
где Руд - удельная тяга двигателя;
Т0 - температура газообразного топлива перед входом в сопло;
μт - молекулярный вес топлива;
R - универсальная газовая постоянная.
Вместе с тем, микродвигатель должен иметь минимальную массу конструкции и обеспечивать подвод электрической энергии к нагревательным элементам и монтаж термопар для измерения температуры газообразного топлива.
Известен электротермический микродвигатель по патенту США №4608821, содержащий камеру, в которой смонтирован нагревательный элемент, расположенную вокруг нее кольцевую камеру, изолированную от камеры с нагревательным элементом и сообщенную с системой подвода топлива и с соплом Лаваля.
Недостатком данного микродвигателя является то, что нагревательный элемент напрямую не контактирует с нагреваемыми парами топлива, что снижает степень нагрева топлива и удельную тягу двигателя.
Наиболее близким к заявляемому микродвигателю является однокомпонентный жидкостный ракетный двигатель малой тяги (далее микродвигатель) по патенту №2154748 (заявка №96117948/06 от 09.09.1996). Данный микродвигатель взят за прототип.
Микродвигатель по прототипу содержит камеру термического разложения топлива, внутри которой расположено устройство для стартового разогрева микродвигателя, выполненное в виде полого стакана (газовода) с перфорированными стенками с донышком, обращенным к форсунке, внутри которой установлен шнековый завихритель. Открытый конец стакана прикреплен к корпусу камеры и месту ее стыка с соплом двигателя. На стакан намотан с зазором между витками нагреватель, а на внутренней поверхности боковой стенки камеры намотан с зазором между витками дополнительный электрический нагреватель.
Рассмотрим недостатки по прототипу, обусловленные компоновкой его составных частей и снижающие его эффективность по параметру удельная тяга и конструктивная сложность.
1. Выполнение перфорации на боковых стенках стакана снижает эффективность нагрева газообразного топлива за счет того, что часть газообразного топлива сразу попадает в отверстия, расположенные у донышка стакана, и по этой причине напрямую не контактирует с нагревательными элементами микродвигателя.
2. Путь, пройденный газообразным топливом, от входа в камеру микродвигателя до входа в сопло Лаваля, от которого зависит степень нагрева паров топлива, практически ограничен длиной самой камеры. В реальных условиях компоновки микродвигателя в составе двигательной установки и самого спутника имеются ограничения на длину камеры. В этих условиях снижается эффективность микродвигателя.
3. При ограничениях длины камеры микродвигателя увеличение пути, пройденного газообразным топливом, до выброса его через реактивное сопло, в устройстве по прототипу достигается закруткой паров топлива в камере использованием завихрителя. Расположение завихрителя в форсунке, подающего топливо, ведет к дополнительным гидравлическим потерям и, как следствие, к снижению эффекта закручивания топлива. Кроме того, будут потери напора при взаимодействии с донышком стакана, что также снизит эффект закручивания топлива.
4. В микродвигателе по прототипу нагреватель намотан на стакан с зазором между витками, а на внутренней поверхности боковой стенки камеры намотан с зазором между витками дополнительный электрический нагреватель. В подобных конструкциях в качестве нагревательного элемента используется проволочный нагревательный элемент, уложенный через слой изоляции в металлической трубке для обеспечения гарантированной изоляции металлического корпуса микродвигателя от электрического нагревателя. В этом случае газообразное топливо напрямую не контактирует с электрическим нагревателем, что также снижает нагрев топлива.
5. В конструкции микродвигателя по прототипу вывод нагревателя наружу для подвода электрической энергии, а также ввод чувствительных элементов термопар возможен только через торец камеры путем введения в камере дополнительных гермовыводов. При этом расположение форсунки подачи топлива по оси микродвигателя затрудняет монтаж чувствительных элементов термопар в районе входа в сопло, особенно при диаметре форсунки, большем диаметра стакана (газовода), что является недостатком.
Технической задачей заявляемого микродвигателя является повышение его эффективности за счет увеличения удельной тяги микродвигателя и упрощения его конструкции.
Поставленная задача решается за счет того, что в микродвигателе содержащем цилиндрическую камеру с системой подачи газифицированного топлива, размещенный в камере цилиндрический газовод, полость которого соединена с камерой и с окружающей средой через сопло Лаваля, завихритель, расположенный на входе в камеру, электрические нагревательные элементы и термопары, газовод выполнен с двумя цилиндрическими фланцами, расположенными на его наружной части с отступом от его торцов, и дополнительно размещен внутри цилиндрического стакана с цилиндрическим буртиком в районе дна так, что свободный торец газовода уперт в дно стакана, длина которого выбрана из условия утопания противоположного цилиндрического фланца относительно открытого торца стакана, и снаружи газовода между цилиндрическими фланцами расположены электрические нагревательные элементы в двухканальных керамических трубках, например, в виде проволоки из нихрома, диаметр которой меньше диаметра отверстий в трубках, с выводом токоподводящих частей нагревательных элементов в трубках через пазы во фланце и отверстия в дне стакана, причем внутренний диаметр стакана равен наружному диаметру цилиндрических фланцев газовода, при этом камера выполнена в виде стакана с внутренним диаметром, равным диаметру цилиндрического буртика, и с отверстием в дне, диаметр которого равен диаметру выступающей торцевой части газовода с соплом Лаваля, выполненной ступенчатой, длина утолщенной цилиндрической части которой равна величине утопания цилиндрического фланца относительно открытого торца стакана, который с расположенным в нем газоводом прижат к дну камеры при помощи цилиндрического выступа пустотелой гайки с наружной резьбой, ввинченной в открытый торец камеры, в теле которой размещена система подачи газофицированного топлива в виде подводящего трубопровода, а завихритель выполнен в виде наклонных газоподводящих прорезей на цилиндрическом буртике, при этом на боковой поверхности свободного торца стакана, а также на боковой поверхности газовода у торца, контактирующего с дном стакана, и в цилиндрических фланцах газовода выполнены прорези, а чувствительные элементы термопар размещены в газоводе через отверстия в дне стакана и вместе с токовыводами выведены наружу через пустотелую гайку, полость которой и торец камеры заполнены термостойким герметиком.
Заявляемый двигатель поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг.1 - общий вид микродвигателя в сборе;
на фиг.2 - поперечное сечение по защитному кожуху микродвигателя (сечение В-В на фиг.1);
на фиг.3 - поперечное сечение по корпусу микродвигателя (сечение Б-Б на фиг.1);
на фиг.4 - цилиндрический стакан микродвигателя;
на фиг.5 - вид на дно цилиндрического стакана;
на фиг.6 - выполнение газовода на поверхности стакана (вид А на фиг.5);
на фиг.7 - вид на торец газовода со стороны подвода газообразного топлива;
на фиг.8 - общий вид газовода микродвигателя;
на фиг.9 - вид на торец газовода со стороны сопла Лаваля;
на фиг.10 - общий вид микродвигателя без защитного кожуха с токовыводами и термопарами;
на фиг.11 - объемный вид основных частей микродвигателя.
Микродвигатель содержит газовод 1, газовая полость 2 которого заканчивается реактивным соплом 3. Газовод 1 выполнен с двумя цилиндрическими фланцами 4, 5, расположенными на его наружной части с отступом от его торцов. Газовод 1 размещен внутри цилиндрического стакана 6 с цилиндрическим буртиком 7 в районе дна так, что свободный торец газовода уперт в дно стакана, а длина стакана выбрана из условия утопания противоположного цилиндрического фланца 4 относительно открытого торца стакана 6.
Снаружи газовода 1 между цилиндрическими фланцами 4, 5 расположены электрические нагревательные элементы 8 в двухканальных керамических трубках 9, например, в виде проволоки из нихрома, с выводом токоподводящих частей нагревательных элементов 8 в трубках 9 через пазы 10 во фланце 5 и отверстия 11 в дне стакана 6.
Внутренний диаметр стакана 6 равен наружному диаметру цилиндрических фланцев 4, 5 газовода 1. Камера микродвигателя выполнена цилиндрической ступенчатой формы в виде стакана 12 с дном 13 и стакана 14 с фланцем 15 для крепления микродвигателя в составе двигательной установки. Диаметр стакана 14 больше диаметра стакана 12. Длина стакана 12 меньше длины газовода 1. Диаметр буртика 7 стакана 6 равен внутреннему диаметру стакана 12 камеры.
Наружная торцевая часть газовода 1 с реактивным соплом 3 выполнена ступенчатой из двух частей 16 и 17. Диаметр цилиндрической части 16 больше диаметра цилиндрической части 17, а длина цилиндрической части 16 равна величине утопания фланца 4 относительно открытой торцевой части стакана 6.
Газовод 1 с нагревателями (обычно монтируется основной и резервный нагреватели) со стаканом 6 устанавливается в цилиндрическую часть 12 корпуса микродвигателя, при этом торец стакана 6 прижат к дну цилиндрической части 12 камеры при помощи ввинченной в цилиндрическую часть 13 камеры пустотелой гайки 18 с наружной резьбой с цилиндрическим выступом 19. В дне 13 стакана 12 выполнено отверстие для выхода торцевой части 17 газовода 1 с реактивным соплом 3. В этом случае, при сборке микродвигателя торец утолщенной части 16 будет также прижат к внутренней поверхности дна 13 стакана 12, обеспечивая необходимую степень герметизации камеры микродвигателя относительно внешней среды. Кроме того, герметизация обеспечивается выбором типа посадки цилиндрической части 17 газовода в отверстие в дне 13 камеры микродвигателя.
Завихритель выполнен в виде наклонных газоподводящих прорезей 20 на буртике 7. Подвод газифицированного топлива осуществляется через трубопровод 21, вваренный в гайку 18, в полость между корпусами гайки 18 и цилиндрической части 14 камеры. На боковой поверхности свободного торца стакана 6 до зоны контакта цилиндрического фланца 4 с поверхностью стакана, а также на боковой поверхности газовода 1 у торца, контактирующего с дном стакана 6, до цилиндрического фланца 5 и в цилиндрических фланцах 4, 5 газовода 1 выполнены прорези (отверстия) 22, 23, 24, 25, соответственно для прохода газифицированного топлива.
Внутри пустотелой гайки 16 размещены токовыводы 26 электрических нагревателей и термопары 27 микродвигателя. Для выхода нагревателей и термопар в дне стакана 6 выполнены отверстия 28, 29 соответственно. Токовыводы 26 нагревателей размещены в изолирующих керамических трубках 30. Токовыводы 26, термопары и подводящий трубопровод закрыты защитным кожухом 31, соединенным с цилиндрической частью 14 камеры микродвигателя. Для снижения габаритов защитный кожух 31 выполнен Т-образной формы.
Полость гайки 18 и торец камеры загерметизированы при помощи керамического герметика 32.
Подача газообразного топлива в трубопровод 21 осуществляется через штуцер (не показан), который соединяется с ответной частью топливной магистрали двигательной установки.
Работа микродвигателя осуществляется следующим образом.
Перед подачей газообразного топлива в микродвигатель производится его разогрев включением основных (или резервного) нагревательных элементов 8. Расположение нагревательных элементов 8 в керамических трубках 9 обеспечивает надежную изоляцию от корпуса микродвигателя. При этом в торцах керамических трубок 9 проделаны соответствующие пропилы (не показаны), обеспечивающие утопание нагревательных элементов в трубках. Контроль температуры разогрева осуществляется термопарами 27, чувствительные элементы которых расположены в полости 2 газовода 1.
Топливо микродвигателя (например, жидкий аммиак) предварительно газифицируется в испарителе двигательной установки и в газообразном виде подается в трубопровод 21 микродвигателя.
Из трубопровода 21 газообразное топливо попадает в полость стакана 14 камеры микродвигателя и затем через завихрители 20 в полость, между стаканом 12 камеры микродвигателя и стаканом 6, образованную за счет толщины буртика 7. Завихрители 20 обеспечивают вращательно-поступательное движение газообразного топлива в полости, увеличивая тем самым путь вокруг горячего корпуса стакана 6 и нагрев паров топлива.
Далее газообразное топливо через прорези 22 в стакане 6 и отверстия 24 во фланце 4 газовода 1 попадает в полость, образованную стаканом 6, газоводом 1 и его фланцами 4, 5. В данной полости расположены нагревательные элементы 8 в двухканальных керамических трубках 9. Диаметр нагревательных элементов (например, проволоки из нихрома) меньше диаметра каналов в трубках 9. Плотность заполнения поперечного сечения данной полости (фиг.3) составляет 67.5%. В этом случае газообразное топливо будет омывать горячие керамические трубки как снаружи, так и изнутри, проходя по самим нагревательным элементам 8. Увеличение степени нагрева газообразного топлива на этом участке достигается заполнением свободного пространства между керамическими трубками и поверхностями стакана 6 и газовода 1 термостойким изолятором, например, керамического типа. В этом случае газообразное топливо пойдет только через отверстия в керамических трубках 9, омывая сами нагревательные элементы и максимально нагреваясь.
Затем газообразное топливо через отверстия 25 во фланце 5 и прорези 23 у торца газовода 1 попадает в полость 2 газовода 1 и истекает через реактивное сопло 3 (сопло Лаваля), создавая тягу с эффективностью (величиной удельной тяги), в основном определяемой величиной нагрева истекаемого газообразного топлива.
Термопары 27 (обычно для надежности ставятся две термопары) контролируют температуру газообразного топлива в полости 2 газовода.
Токовыводы 26 выполнены в виде трубок из наржавеющей стали и их длина выбирается из условия наличия на их концах допустимой температуры для соединения токоподводящей кабельной сети путем пайки. Установка микродвигателя в составе двигательной установки осуществляется через фланец 15 камеры микродвигателя. Вокруг камеры микродвигателя в составе двигательной установки для снижения тепловых потерь устанавливается многослойный теплозащитный экран (не показан).
Эффективность микродвигателя оценим по величине его теоретической удельной тяги, которая определяется температурой газообразного топлива перед входом в сопло согласно (1).
Оценим температуру газообразного топлива перед входом в сопло для микродвигателя по прототипу и заявляемого микродвигателя с одинаковой подводимой электрической мощностью. Примем, что основной нагрев газообразного топлива обеспечивается путем обтекания и контакта с нагретыми частями камеры микродвигателя. За характерную длину, на которой происходит нагрев газообразного топлива, примем длину камеры микродвигателя L.
В заявляемом микродвигателе увеличению температуры нагрева газообразного топлива способствуют следующие существенные конструктивные признаки:
- нагрев газообразного топлива осуществляется на длине, равной 3L, при этом до входа в сопло топливо контактирует с внутренней поверхностью стакана 12, с внешней и внутренней поверхностями стакана 6 и газовода 1, с наружной и внутренней поверхностями керамических трубок 9, с поверхностями нагревательных элементов 8 (в микродвигателе по прототипу нагрев осуществляется практически на длине L, а топливо контактирует только с внутренней поверхностью камеры, с поверхностями полого стакана (газовода) и с поверхностями нагревательных элементов);
- в качестве нагревательных элементов 8 использованы проволочные нагреватели, например, из нихрома, теплоотдача которых выше нагревателей, использованных в прототипе, нагревательная проволока которых уложена через изоляцию в металлическом кабеле;
- использование для изоляции нагревательных элементов 8 керамических трубок 9 обеспечивает дополнительную поверхность, контактирующую с газообразным топливом и нагревающую его;
- укладка керамических трубок 9 с нагревательными элементами 8 вокруг газовода 1 и у внутренней стенки стакана 6 обеспечивает нагрев всей конструкции микродвигателя;
- выполнение завихрителей 20 на поверхности стакана 6 увеличивает по сравнению с прототипом эффект закрутки газообразного топлива за счет снижения гидравлических потерь на 30-35%.
С учетом сказанного температура газообразного топлива на вход в сопло по сравнению с прототипом будет выше на 35-40%, что эквивалентно увеличению на ту же величину удельной тяги двигателя.
Кроме того, конструкция микродвигателя обеспечивает простой монтаж термопар для измерений температуры в газоводе, а также подвод электроэнергии к нагревательным элементам. Снижение массы микродвигателя за счет того, что гермовывод для токовыводов и термопар выполнен в полости гайки 16, составит 10-12%.
Заявляемый микродвигатель автономно и в составе двигательной установки на жидком аммиаке успешно прошел полный цикл наземной экспериментальной отработки, включая ресурсные испытания, испытания на функционирование, испытания на прочность (статические, вибрационные, ударные).
Микродвигатель, содержащий цилиндрическую камеру с системой подачи газофицированного топлива, размещенный в камере цилиндрический газовод, полость которого соединена с камерой и с окружающей средой через сопло Лаваля, завихритель, расположенный на входе в камеру, электрические нагревательные элементы и термопары, отличающийся тем, что газовод выполнен с двумя цилиндрическими фланцами, расположенными на его наружной части с отступом от его торцов, и дополнительно размещен внутри цилиндрического стакана с цилиндрическим буртиком в районе дна так, что свободный торец газовода уперт в дно стакана, длина которого выбрана из условия утопания противоположного цилиндрического фланца относительно открытого торца стакана, и снаружи газовода между цилиндрическими фланцами расположены электрические нагревательные элементы в двухканальных керамических трубках, например, в виде проволоки из нихрома, диаметр которой меньше диаметра отверстий в трубках, с выводом токоподводящих частей нагревательных элементов в трубках через пазы во фланце и отверстия в дне стакана, причем внутренний диаметр стакана равен наружному диаметру цилиндрических фланцев газовода, при этом камера выполнена в виде стакана с внутренним диаметром, равным диаметру цилиндрического буртика, и с отверстием в дне, диаметр которого равен диаметру выступающей торцевой части газовода с соплом Лаваля, выполненной ступенчатой, длина утолщенной цилиндрической части которой равна величине утопания цилиндрического фланца относительно открытого торца стакана, который с расположенным в нем газоводом прижат к дну камеры при помощи цилиндрического выступа пустотелой гайки с наружной резьбой, ввинченной в открытый торец камеры, в теле которой размещена система подачи газифицированного топлива в виде подводящего трубопровода, а завихритель выполнен в виде наклонных газоподводящих прорезей на цилиндрическом буртике, при этом на боковой поверхности свободного торца стакана, а также на боковой поверхности газовода у торца, контактирующего с дном стакана, и в цилиндрических фланцах газовода выполнены прорези, а чувствительные элементы термопар размещены в газоводе через отверстия в дне стакана и вместе с токовыводами выведены наружу через пустотелую гайку, полость которой и торец камеры заполнены термостойким герметиком.
