Импульсный электротермический двигатель
Владельцы патента RU 2769485:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" (RU)
Изобретение относится к реактивным двигательным установкам и может быть использовано для коррекции орбиты и ориентации малых космических аппаратов научно-образовательного назначения. Двигатель содержит бак для рабочего тела, управляющий клапан, нагреватель, выполненный в виде капиллярной трубки из электропроводящего материала, токоподводы и сопло. Капиллярная трубка выполнена двухступенчатой. Ступень большего диаметра расположена со стороны управляющего клапана, а ступень меньшего диаметра примыкает к соплу. Нагрев капиллярной трубки производится пропусканием электрического тока непосредственно через нее. Рабочее тело подается в ступень большего диаметра и запирается клапаном подачи. Далее производится испарение рабочего тела в ступени большего диаметра и перегрев паров в ступени меньшего диаметра. Перегретый пар выходит через сопло и создает тягу. Закрытый клапан подачи препятствует выходу рабочего тела обратно в бак. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к реактивным двигательным установкам, в частности может быть использовано для коррекции орбиты и ориентации малых космических аппаратов.
Известен термоэлектрический двигатель (Термоэлектрический двигатель для малых и сверхмалых космических аппаратов, Павлов A.M., Попов А.С. Наука и образование, МГТК им. Н.Э. Баумана doi: 10.7463/1112.0492149), работа которого основана на испарении рабочего тела в нагревательном элементе и последующим его ускорением в сопле. Подача рабочего тела осуществляется из бака по вытеснительной схеме. Испарение рабочего тела и разгон паров до звуковой скорости происходят в капиллярной трубке. Нагрев трубки осуществляется за счет пропускания электрического тока по нихромовой проволоке, намотанной на предварительно изолированную капиллярную трубку. На конце трубки установлено сверхзвуковое сопло для дальнейшего ускорения потока.
Недостатком такого двигателя является ограничение давления в капиллярной трубке давлением в баке, что приводит к снижению мощности двигателя.
Целью изобретения является повышение мощности двигателя за счет повышения давления в капиллярной трубке.
Указанная цель достигается тем, что в импульсном электротермическом двигателе, содержащем бак для рабочего тела, управляющий клапан, нагреватель, выполненный в виде капиллярной трубки из электропроводящего материала, токоподводы и сопло, капиллярная трубка выполнена двухступенчатой, ступень большего диаметра расположена со стороны управляющего клапана, а ступень меньшего диаметра примыкает к соплу, причем один токоподвод присоединен к трубке вблизи клапана, а другой вблизи сопла.
Импульсный электротермический двигатель схематически показан на фиг. 1. На фиг. 2 показан двигатель с независимым электропитанием ступеней.
Жидкое рабочее тело находится в баке 1 под небольшим давлением, создаваемым поршнем с пружиной или наддувом. На выходе бака установлен управляющий клапан 2. К выходу клапана 2 присоединен нагреватель, выполненный в виде капиллярной трубки, состоящей из ступеней 3 и 4. Ступень 3 большего диаметра соединена с выходом клапана 2. Ступень 4 меньшего диаметра соединена с соплом 5. В начале и конце нагревателя установлены токоподводы 6 и 7. Электропитание ступеней осуществляется от аккумулятора 8 через ключ 9. В случае независимого электропитания ступеней 3 и 4 (фиг. 2), нагреватель снабжен дополнительным топодводом 10 и ключом 11. Для двигателя по фиг. 1 с зависимым питанием трубок соотношение температур ступеней задается величиной погонного сопротивления ступеней 3 и 4, определяемого площадью поперечного сечения стенок трубок.
Двигатель по фиг. 1 работает следующим образом. При замыкании ключа 9 на нагреватель поступает напряжение, и он начинает нагреваться. После нагрева ступени 3 (кипятильника) до температуры близкой к температуре кипения рабочего тела при давлении в баке, открывается управляющий клапан 2 и в ступень 3 подается рабочее тело. После заполнения ступени 3 на 50%…70% объема, управляющий клапан 2 закрывается и нагреватель отсекается от бака 1. При продолжении нагрева рабочее тело в ступени 3 начинает кипеть. Поскольку жидкое рабочее тело подается в предварительно нагретую капиллярную трубку, температура рабочего тела в ступени 3 будет максимальной со стороны ступени 4 и кипение рабочего тела будет происходить преимущественно с этой стороны. Так как ступень 3 заполняется рабочим телом частично, случайные выбросы рабочего тела в сторону ступени 4 будут испаряться до попадания в ступень 4 (пароперегреватель).
В ступени 4 пары рабочего тела нагреваются до высокой температуры и поступают в сопло 5. Давление в нагревателе повышается, но поскольку управляющий клапан 2 закрыт, выход рабочего тела обратно в бак 1 не происходит. Величина давления в нагревателе определяется только скоростью подвода тепла к капиллярной трубке и расходом рабочего тела через сопло 5.
После выхода всего рабочего тела через сопло 5 и охлаждения ступени 3 до температуры ниже температуры кипения рабочего тела при давлении в баке цикл можно повторить.
Нагрев капиллярной трубки можно прекратить до истечения всего рабочего тела через сопло 5. В таком случае охлаждение ступени 3 происходит быстрее и частота импульсов тяги может быть увеличена, однако их величина будет меньше за счет снижения температуры и давления рабочего тела в конце импульса. В случае использования двигателя в режиме одиночных импульсов, прекращение нагрева капиллярной трубки до истечения всего рабочего тела, позволяет уменьшить рассеяние остаточного тепла в окружающую среду.
На фиг. 2 показана схема двигателя с независимым электропитанием ступеней 3 и 4. В таком двигателе толщины стенок ступеней 3 и 4 выбираются из условий прочности и технологичности, а необходимые значения температур ступеней достигаются за счет регулирования времени подключения ступеней 3 и 4 к источнику электропитания.
Изобретение позволяет повысить эффективность двигателя за счет нагрева рабочего тела до высоких температур при больших давлениях и соответственно обеспечения большей термодинамической эффективности рабочего тела.
1. Импульсный электротермический двигатель, содержащий бак для рабочего тела, управляющий клапан, нагреватель, выполненный в виде капиллярной трубки из электропроводящего материала, токоподводы и сопло, отличающийся тем, что капиллярная трубка выполнена двухступенчатой, ступень большего диаметра расположена со стороны управляющего клапана, а ступень меньшего диаметра примыкает к соплу, причем один токоподвод присоединен к трубке вблизи клапана, а другой вблизи сопла, при этом при нагреве капиллярной трубки температура ступени большего диаметра достигает меньшего значения, чем температура ступени меньшего диаметра.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения стенки ступени большего диаметра, больше площади поперечного сечения стенки ступени меньшего диаметра
3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в него введен дополнительный токоподвод, присоединенный к трубке на стыке ступеней, причем подача электропитания на ступень большего диаметра может производиться независимо от подачи электропитания на ступень меньшего диаметра.
