Электротермический ракетный двигатель малой тяги
Изобретение относится, преимущественно, к двигательным системам космических аппаратов. Электротермический ракетный двигатель (1) содержит отсек (20) нагрева, через который пропускается текучая рабочая среда (4) перед ее выбросом из сопла (8). Нагрев среды может осуществляться омическим или электродуговым способом. Кроме того, на космическом аппарате предусмотрен источник (22) электроэнергии, содержащий фотогальванические элементы (24), установленные на теплообменнике (10). Через этот теплообменник пропускается текучая рабочая среда (4) перед тем, как попасть в блок (20) нагрева. Источник (22) преимущественно содержит концентратор (28), направляющий солнечный свет на фотогальванические элементы (24). Выделяющееся на элементах (24) тепло передается рабочей среде (4). Технический результат изобретения состоит в улучшении энергетических показателей двигательной системы путем ее рационального объединения с системой энергопитания космического аппарата. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в общем, относится к электротермическому ракетному двигателю малой тяги, содержащему, как известно, отсек нагрева, предназначенный для нагрева рабочей текучей среды для увеличения ее скорости истечения.
Изобретение, в частности, предназначено для применения в области двигательных систем космических аппаратов, таких как космические транспортные модули, но, однако, никоим образом не ограничивается этим вариантом применения.
Уровень техники
Как указано выше, в известных электротермических ракетных двигателях малой тяги (омический ракетный двигатель, электродуговой ракетный двигатель) используется электричество для нагрева рабочей текучей среды, такой как водород, аммиак или любой другой соответствующей текучей среды, для получения нагретой сжатой рабочей текучей среды, что обеспечивает ее повышенную скорость истечения.
Электротермические ракетные двигатели малой тяги, типа омического ракетного двигателя и электродугового ракетного двигателя, известны в предшествующем уровне техники, причем первый из них имеет отсек нагрева, в котором используется нить нагрева, через которую пропускают рабочую текучую среду, в то время как во втором типе предусмотрен отсек нагрева, в котором рабочую текучую среду нагревают путем пропускания ее через электрическую дугу.
В обоих случаях бортовой источник электроэнергии, обеспечивающий питание отсека нагрева, обычно является сложным и обычно является причиной низкой суммарной полезной работы узла электротермического ракетного двигателя малой тяги.
Раскрытие изобретения
Таким образом, цель настоящего изобретения состоит в разработке электротермического ракетного двигателя малой тяги, конструкция которого обеспечивает его улучшенную суммарную полезную работу по сравнению с полезной работой в вариантах выполнения двигателя предшествующего уровня техники.
С этой целью объектом настоящего изобретения является электротермический ракетный двигатель малой тяги, содержащий отсек нагрева, снабженный источником электроэнергии, через который требуется пропускать рабочую текучую среду для нагрева этой рабочей среды перед ее выпуском. В соответствии с изобретением такой источник электроэнергии содержит фотогальванические элементы, установленные на теплообменнике, через который пропускают рабочую текучую среду прежде, чем она попадает в отсек нагрева.
Предпочтительно, в электротермическом ракетном двигателе малой тяги, в соответствии с изобретением, теплообменник, соединенный с фотогальваническими элементами, обеспечивает возможность нагрева этих элементов, установленных на нем, и, следовательно, обеспечивает удовлетворительную выработку электроэнергии этими фотогальваническими элементами в результате регенерирования тепловых потерь. Поэтому, возможность значительного ограничения нагрева элементов позволяет использовать малые площади поверхности фотогальванических элементов, на которых может быть сконцентрировано солнечное излучение, например, с использованием зеркал, в результате чего, однако, не происходит снижение выработки электроэнергии этими элементами. Очевидно, что это явление можно пояснить тем фактом, что солнечные элементы генерируют ток, который пропорционален входному потоку при отсутствии потерь вырабатываемой энергии и вплоть до очень высоких значений концентраций при условии, что температура элементов поддерживается ниже максимальной рабочей температуры.
Кроме того, возможное ограничение пониженной выработки электроэнергии элементами также позволяет в случае необходимости использовать фотогальванические элементы, изготовленные с использованием малозатратной технологии.
Также, поскольку рабочая текучая среда, циркулирующая внутри теплообменника, представляет собой ту же рабочую текучую среду, которую пропускают через отсек нагрева перед выпуском ее из ракетного двигателя малой тяги, следует понимать, что эта рабочая текучая среда, таким образом, предпочтительно, будет предварительно подогрета в теплообменнике прежде, чем она поступит в отсек нагрева также называемый "камерой".
Поэтому, учитывая приведенное выше, будет понятно, что суммарная полезная работа электротермического ракетного двигателя малой тяги может быть существенно улучшена по сравнению с полезной работой двигателей, известных из уровня техники.
Кроме того, в случаях, когда ракетный двигатель малой тяги в соответствии с изобретением представляет собой омический ракетный двигатель или электродуговой ракетный двигатель, получаемая суммарная полезная работа может быть идентичной и аналогичной наблюдаемой в солнечных тепловых ракетных двигателях малой тяги, известных из уровня техники, причем в таких ракетных двигателях малой тяги не требуется использовать дорогостоящие сложные узлы, типа приемника - теплообменника - аккумулятора, технология которых не достаточно разработана.
Как указано выше, для получения электроэнергии, обеспечивающей потребность в электричестве отсека нагрева, предпочтительно, чтобы источник электроэнергии также содержал концентратор солнечного света, соединенный с фотогальваническими элементами, причем этот концентратор зеркального типа, предпочтительно, выполнен в форме надувной структуры.
Предпочтительно, фотогальванические элементы установлены на внешней поверхности теплообменника, предпочтительно, путем соединения с ним.
Другие преимущества и характеристики изобретения будут понятны из следующего, не ограничивающего описания, приведенного ниже.
Краткое описание чертежей
Описание будет приведено со ссылкой на один чертеж, схематично представляющий вид сбоку электротермического ракетного двигателя малой тяги в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения.
Осуществление изобретения
На единственном чертеже схематично представлен электротермический ракетный двигатель 1 малой тяги, в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения, причем этот ракетный двигатель 1 малой тяги может быть как типа омического ракетного двигателя, так и типа электродугового ракетного двигателя.
Ракетный двигатель 1 малой тяги, прежде всего, содержит резервуар 2 с рабочей текучей средой или проперголем 4, причем такая рабочая текучая среда должна быть пропущена через ракетный двигатель 1 малой тяги в основном направлении потока рабочей текучей среды, представленном стрелкой 6, после чего она будет выпущена через выходное сопло 8, которое формирует выходную часть ракетного двигателя 1 малой тяги.
Резервуар 2 подключен после теплообменника 10, а более конкретно, к переднему его соединителю 12, который представляет его часть и предназначен для направления рабочей текучей среды 4 в направлении центрального участка 14 теплообменника 10. В связи с этим следует отметить, что теплообменник 10, фактически может быть сформирован из двух реверсивных теплообменников для достижения максимальной однородности температуры внешней поверхности 16 центрального участка 14 теплообменника. Такой центральный участок 14 теплообменника, предпочтительно, изготовлен из материала с переменным промежутком между петлями и может включать или может не включать в себя слой материала с высокой проводимостью для выравнивания температуры, воспринимаемой фотогальваническими элементами, которые, как будет более подробно описано ниже, установлены на внешней поверхности 16. В качестве иллюстративного примера центральный участок 14 теплообменника изготовлен так, как описано в документе FR-A-2836690.
Центральный участок 14 теплообменника соединен с выходным коллектором 18 теплообменника 10, причем этот выходной коллектор 18, в свою очередь, подключен к отсеку 20 нагрева ракетного двигателя малой тяги, конструкция которого, как хорошо известно специалистам в данной области техники, зависит от типа рассматриваемого ракетного двигателя малой тяги (омический ракетный двигатель/электродуговой ракетный двигатель).
Рабочая текучая среда 4, такая как водород, аммиак или другая текучая среда, таким образом вытекает через выходной коллектор 18 и попадает в отсек 20 нагрева, прежде чем будет удалена из последнего и будет передана в выпускное сопло 8, из которого ее выпускают из ракетного двигателя 1 малой тяги с очень высокой скоростью.
Одна из особенностей изобретения состоит в том, что бортовой источник электроэнергии, обеспечивающий питание отсека 20 нагрева, содержит фотогальванические элементы 24, установленные на внешней поверхности 16 центрального участка 14 теплообменника 10.
Более точно, фотогальванические элементы 24, называемые солнечными элементами, предпочтительно, установлены в виде множества солнечных панелей 26 или панелей солнечных элементов, соединенных с этой внешней поверхностью 16. Эта последняя поверхность, предпочтительно, выполнена плоской или любой другой формы, которая может быть придана теплообменникам, как известно специалистам в данной области техники. При этом такой теплообменник должен быть сконструирован так, чтобы он поддерживал на внешней поверхности 16 однородную температуру, которая ниже максимальной рабочей температуры элементов 24.
Источник 22 электроэнергии, соединенный с солнечными элементами 24, также содержит концентратор 28 солнечного света, предпочтительно, в форме надувной структуры с зеркалами, в случае необходимости, с линзами Френеля. Концентратор 28 солнечного света такого типа также известен специалистам в данной области техники и установлен так, что он отражает свет в направлении солнечных элементов 24 и таким образом позволяет существенно повысить поток солнечного света, захватываемый этими элементами.
Следует понимать, что в таком электротермическом ракетном двигателе 1 малой тяги рабочая текучая среда 4, циркулирующая через центральный участок 14 теплообменника для теплообменника 10, обеспечивает охлаждение солнечных элементов 24 при выработке ими электроэнергии, которая, таким образом, увеличивается при постоянной полезной работе в то время, как эту же рабочую текучую среду 4 затем можно подавать в отсек 20 нагрева, после ее предварительного нагрева теплом, излучаемым этими солнечными элементами 24.
Очевидно, что специалистами в данной области техники могут быть выполнены различные модификации в отношении электротермического ракетного двигателя 1 малой тяги, описанного выше в качестве неограничивающего примера.
1. Электротермический ракетный двигатель (1) малой тяги, содержащий отсек (20) нагрева, который снабжен источником (22) электроэнергии и через который требуется пропускать рабочую текучую среду (4) для ее нагрева перед выпуском, отличающийся тем, что указанный источник (22) электроэнергии содержит фотогальванические элементы (24), установленные на теплообменнике (10), через который пропускают указанную рабочую текучую среду (4), прежде чем она достигнет указанного отсека (20) нагрева.
2. Электротермический ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанный источник (22) электроэнергии также содержит концентратор (28) солнечного света, соединенный с указанными фотогальваническими элементами (24).
3. Электротермический ракетный двигатель по п.2, отличающийся тем, что указанный концентратор (28) солнечного света, соединенный с указанными фотогальваническими элементами (24), представляет собой надувную структуру.
4. Электротермический ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанные фотогальванические элементы (24) установлены на внешней поверхности (16) указанного теплообменника (10).
5. Электротермический ракетный двигатель по п.4, отличающийся тем, что указанные солнечные элементы (24) установлены на внешней поверхности (16) путем соединения с ней.
6. Электротермический ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что он представляет собой омический ракетный двигатель.
7. Электротермический ракетный двигатель по п.1, отличающийся тем, что он представляет собой электродуговой ракетный двигатель.
