СПОСОБ РЕАКТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ В ВИДЕ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК F02K1/00 F03H5/00 

Изобретение относится к реактивным двигательным установкам, в частности к способам создания реактивной тяги и ракетным двигателям, осуществляющим этот способ реактивного движения, и может быть использовано на космических кораблях.

Известен способ реактивного движения, при котором используют двигатель прямой реакции и создают силу тяги в результате истечения из него реактивной струи (см. "Политехнический словарь" под ред. академика А.Ю.Ишлинского. - М. : Советская энциклопедия, 1980, с.441).

Наиболее близким к заявленному по совокупности признаков является способ осуществления реактивного движения, применяемый в ядерных ракетных двигателях, при котором используют энергию вытекающего из сопла парообразного рабочего тела, нагрев и испарение которого производят за счет применения источника энергии длительного действия, использующего цепную ядерную реакцию, и при этом приводят в движение систему, содержащую ракетный двигатель (см. там же, с. 629 и рисунок к статье).

Применение указанного способа реактивного движения связано с выбросом рабочего тела в окружающее пространство, что определяет кратковременность осуществления способа.

Известен воздушно-реактивный двигатель, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину и сопло (см. там же, с. 89).

В этом двигателе для сжигания топлива используют кислород, входящий в состав атмосферного воздуха, что не позволяет использовать двигатель в космическом пространстве.

Наиболее близким к заявленному по совокупности признаков является ядерный реактивный двигатель, содержащий парогенератор с источником энергии длительного действия, например, с ядерным реактором, жидкое рабочее тело, способное при нагревании превращаться в пар (газ), насос, сообщающийся с трубопроводом для перемещения жидкого рабочего тела, и сопло (см. там же, с. 629 и рисунок к статье). Этот двигатель имеет недостаток, заключающийся в безвозвратной потере рабочего тела при выбросе его в парообразном (газообразном) состоянии в окружающее пространство, что определяет кратковременность использования реактивного двигателя, а также обуславливает быстрый его износ в связи с форсированным режимом работы, что связано с необходимостью получения максимально возможного суммарного импульса при ограниченной массе рабочего тела.

Предлагаемое изобретение по способу реактивного движения и устройству для его осуществления в виде ракетного двигателя позволяет получить технический результат, заключающийся в обеспечении возможности осуществления продолжительной по времени работы ракетного двигателя с устранением необходимости работы в форсированном режиме с одновременным созданием постоянной искусственной тяжести на космическом корабле.

Указанный технический результат по способу реактивного движения достигается тем, что в ракетном двигателе используют энергию вытекающего из сопла парообразного рабочего тела, нагрев и испарение которого из жидкого состояния производят за счет применения источника энергии длительного действия, использующего цепную ядерную реакцию, например, ядерного реактора, и при этом приводят в движение систему, содержащую ракетный двигатель, например, космический корабль, Согласно изобретению рабочее тело в ракетном двигателе используют путем его преобразования в жидкое и парообразное состояние и электромагнитное оптическое излучение, при этом обеспечивают непрерывную циркуляцию рабочего тела в виде жидкости и пара в замкнутой круговой системе ракетного двигателя, включающей парогенератор, сопло, газонепроницаемый баллон, насос и трубопровод, связывающий полость баллона с парогенератором, содержащим источник энергии длительного действия, в парогенераторе жидкое рабочее тело нагревают и превращают в пар, который через сопло с ускорением направляют в полость баллона, где под действием внутреннего давления в струе пара обеспечивают его расширение и изменяют при этом направление движения и действия импульса во все стороны, сопутствующее расширению охлаждение используют для конденсации пара в полости баллона, оседающий на стенки баллона жидкий конденсат рабочего тела дополнительно охлаждают на теплопроводных не смачиваемых жидким конденсатом стенках баллона, обеспечивают движение капель конденсата в сторону насоса за счет остаточной кинетической энергии и инерционных сил, возникающих при ускорении космического корабля, и при помощи насоса по трубопроводу жидкое рабочее тело направляют в парогенератор, обеспечивая последовательное осуществление указанных преобразований жидкого и парообразного рабочего тела без выхода его в окружающее пространство, при этом нагрев парообразного рабочего тела производят до температуры, позволяющей его конденсацию при расширении в полости баллона, тепловую энергию, сопутствующую охлаждению и конденсации рабочего тела, выводят из полости баллона в окружающее пространство через теплопроводные стенки баллона и путем оптического, преимущественно инфракрасного, излучения, направляемого в пространство через прозрачную для излучения противоположную соплу стенку баллона с использованием размещенного за соплом рефлектора, за счет чего создают реактивную тягу, при этом струю рабочего тела из сопла и оптическое излучение направляют в одну сторону, противоположную направлению движения космического корабля.

При осуществлении указанного способа реактивного движения применяют термодинамический цикл, который включает изотермический процесс подачи жидкого конденсата рабочего тела из баллона в парогенератор, изобарический процесс нагревания и испарения рабочего тела в парогенераторе, первый адиабатический процесс при истечении с ускорением парообразного рабочего тела через сопло, второй адиабатический процесс расширения во все стороны, охлаждения и конденсации рабочего тела в жидкое состояние в полости баллона и изобарический процесс дополнительного охлаждения жидкого конденсата рабочего тела за счет отвода теплоты через теплопроводные стенки баллона.

Ракетный двигатель, предназначенный для осуществления указанного способа реактивного движения, содержит парогенератор с источником энергии длительного действия, например, с ядерным реактором, жидкое рабочее тело, способное при нагревании превращаться в пар, насос, сообщающийся с трубопроводом для перемещения жидкого рабочего тела, и сопло. Согласно изобретению ракетный двигатель снабжен баллоном, стенки которого выполнены из газонепроницаемого теплопроводного и не смачиваемого жидким конденсатом рабочего тела материала, полость баллона изолирована от окружающей среды и с одной стороны сообщается с соплом, а с противоположной стороны - с насосом, который соединен с трубопроводом, связывающим баллон с парогенератором, часть стенок баллона, примыкающих к соплу, имеет симметричную оси сопла вогнутую форму, и внутренняя их поверхность выполнена в виде рефлектора с возможностью направленного в одну сторону оптического, в частности инфракрасного излучения с созданием при этом реактивной тяги, что обеспечивают тем, что противоположная соплу часть стенок баллона выполнена из прозрачного для оптического излучения материала, при этом отраженное рефлектором излучение и вытекающая из сопла струя рабочего тела направлены в одну сторону.

В качестве рабочего тела используется вещество, способное после выхода из сопла в парообразном состоянии и при последующем расширении и понижении температуры изменять агрегатное состояние и конденсироваться из парообразного в жидкое состояние при температуре выше температуры окружающей среды, в которой находится баллон.

В состав рабочего тела, применяемого в ракетном двигателе, входят ядра конденсации, в том числе в виде корпускул.

В полости баллона содержатся только пары и жидкий конденсат рабочего тела.

На схеме, приведенной на фиг. 1, показано в общем виде осуществление способа реактивного движения на примере соответствующего устройства в виде ракетного двигателя, где сопло двигателя и баллон даны в разрезе по осевой фронтальной плоскости, короткими стрелками с более толстыми линиями показано направление движения рабочего тела, а длинными стрелками с тонкими линиями - преимущественное направление теплового излучения от рабочего тела при его охлаждении и конденсации. На фиг. 2 приведена диаграмма термодинамического цикла непрерывных прямых круговых процессов в системе координат давление - температура, протекающих в ракетном двигателе при осуществлении предложенного способа реактивного движения.

Предложенный способ реактивного движения характеризуется использованием устройства для его осуществления в виде ракетного двигателя, на примере работы которого будет дано описание этого способа.

Устройство для осуществления способа реактивного движения в виде ракетного двигателя (см. схему фиг. 1) содержит парогенератор 1 с источником энергии длительного действия, использующим цепную ядерную реакцию, например, ядерным реактором или радиоизотопным источником тепловой энергии (см. [2] с. 429). С парогенератором сообщается сопло 2, которое в свою очередь на выходе сообщается с полостью баллона 3, изолированной от окружающей среды, помимо возможности обмена электромагнитным (тепловым) излучением. Стенки баллона выполнены из газонепроницаемого, теплопроводного и не смачиваемого жидким конденсатом рабочего тела гладкого материала. На противоположной соплу 2 баллона 3 установлен насос 4, заборный патрубок которого сообщается с полостью баллона, а нагнетающий (напорный) патрубок соединен с трубопроводом 5, другой конец которого сообщается с парогенератором 1. Внутренние стенки баллона имеют плавные очертания от выхода из сопла 2 до заборного патрубка насоса 4. Часть стенок баллона, примыкающих к соплу, имеет симметричную оси О-О сопла вогнутую форму, и внутренняя их поверхность выполнена в виде рефлектора 6 (на схеме фиг. 1 изображение рефлектора дано двойной линией - непрерывной и тонкой прерывистой) с возможностью направленного в одну сторону отражения оптического, преимущественно инфракрасного, излучения. Противоположная соплу 2 часть стенок 7 баллона выполнена из прозрачного для оптического излучения материала.

В качестве рабочего тела, обладающего массой, в ракетном двигателе используется вещество, способное после выхода из сопла в парообразном состоянии и при последующем расширении и понижении температуры изменять агрегатное состояние и конденсироваться из парообразного в жидкое состояние при температуре выше температуры окружающей среды, в которой находится баллон (например, вода, аммиак, фреоны, щелочные металлы, ртуть и др.).

В состав рабочего тела ракетного двигателя входят ядра конденсации, в том числе в виде корпускул, не растворимых в жидком рабочем теле и не испаряющихся при нагревании.

В полости баллона 3 во время работы двигателя содержатся только пары и конденсат рабочего тела.

Приведенное устройство в виде ракетного двигателя осуществляет предложенный способ реактивного движения следующим образом.

Жидкое рабочее тело в парогенераторе 1 нагревают, превращают в пар и направляют в сопло 2, через которое рабочее тело движется с ускорением, что приводит к возрастанию его импульса (количества движения) и связанному с этим появлению реактивной силы, поскольку величина реактивной тяги равна импульсу вытекающего из сопла рабочего тела (см., например "Элементарный учебник физики" под ред. акад. Ландсберга Г.С., том 1. - М.: Наука, 1971, с. 404). Вышедшая из сопла свободная струя парообразного рабочего тела обладает внутренним давлением Р, под действием которого струя расширяется с изменением направления векторов импульса ее частиц. Это приводит к возникновению давления F₂ на боковые стенки баллона с соответствующим уменьшением силы давления F₁ на противоположную стенку баллона по сравнению с созданной при истечении рабочего тела из сопла тягой Т. Расширение парообразного рабочего тела приводит к его охлаждению и конденсации (см., например, указанный выше учебник под редакцией акад. Ландсберга Г. С., с.610). Осевший на стенки баллона жидкий конденсат рабочего тела дополнительно охлаждают за счет отвода теплоты через теплопроводные стенки в окружающее пространство.

В полости баллона не содержится других веществ помимо рабочего тела. В связи с этим у стенок баллона, где рабочее тело находится в виде капель или тумана конденсата, давление ниже, чем в вышедшей из сопла струе. Это приводит к перепаду давления между центральной частью полости баллона, куда направляют струю парообразного рабочего тела из сопла, и пространством около стенок баллона. Этот перепад давления обеспечивает совершение работы по отклонению части струи парообразного рабочего тела в боковые стороны от оси 0-0 сопла.

Для повышения надежности конденсации рабочего тела в его состав вводят ядра конденсации (см. [2], с. 235/2). При этом нагрев парообразного рабочего тела производят до температуры, позволяющей его конденсацию при расширении в полости баллона.

Несмачиваемость внутренних стенок оболочки баллона жидким конденсатом рабочего тела обеспечивает возможность беспрепятственного движения капель конденсата по стенкам баллона за счет остаточного импульса и ускорения при работе двигателя, улучшения теплопередачи и увеличения теплового потока через стенки баллона при отсутствии на ней пленки жидкого конденсата рабочего тела с малой теплопроводностью (см. [1], с. 746/2 и 747/3).

Насос 4, установленный в стороне баллона 3, противоположной соплу 2, перемещает жидкий конденсат рабочего тела по трубопроводу 5 в парогенератор. При этом обеспечивается непрерывная циркуляция рабочего тела по замкнутой круговой системе, включающей парогенератор 1, сопло 2, баллон 3, насос 4, трубопровод 5, без выброса рабочего тела в окружающее пространство.

Тепловую энергию, сопутствующую охлаждению и конденсации рабочего тела, выводят из полости баллона 3 в окружающее пространство через теплопроводные стенки баллона, а также путем оптического, преимущественно инфракрасного, излучения (см. [2], с. 345/2), направляемого в пространство через прозрачную для излучения противоположную стенку 7 баллона с использованием размещенного за соплом рефлектора 6. За счет этого создают реактивную тягу, обеспечивающую реактивное движение, подобно тому, как это имеет место у фотонного двигателя ( см.[2], с. 569/1). При этом струю парообразного рабочего тела из сопла и рабочее тело в виде оптического излучения направляют в одну сторону, противоположную направлению движения космического корабля.

Все сказанное выше находится в полном соответствии с законами термодинамики.

В разработке общих основ термодинамики и в развитии ее технических приложений важную роль играет исследование циклов термодинамических круговых процессов, осуществляемых термодинамической системой (см. [1], с.845/2,3). В наиболее информативной форме эти циклы представлены на диаграммах термодинамических процессов (см., например, [1], с.244/2).

Осуществляемый в предложенном способе термодинамический цикл, обеспечивающий реактивное движение, представлен в качестве примера на диаграмме в системе координат р-Т (давление-температура) на схеме фиг. 2. Цикличность данного процесса обусловлена повторяющимся возвратом в исходное положение и многократным использованием одного и того же рабочего тела с последовательным его нагреванием и охлаждением с соответствующим изменением агрегатного состояния при создании реактивной тяги.

Отрезок изотермы А-Б изображает подачу жидкого конденсата рабочего тела из баллона 3 в парогенератор 1 при практически неизменной температуре Т₁ и с повышением давления от практически нулевого (область полости баллона, заполненная жидкостно-капельным конденсатом) до р₂. Возможность осуществления этого процесса при помощи насоса 4 очевидна и в обоснованиях не нуждается.

Отрезок изобары Б-В изображает нагревание (Б-Д¹) и испарение (Д¹-В) рабочего тела в парогенераторе при постоянном давлении р₂ с увеличением внутренней энергии и с повышением температуры от Т₁ до Т₄. Практическая осуществимость этих процессов также очевидна.

Отрезок адиабаты В-Г изображает адиабатическое расширение парообразного рабочего тела в реактивном сопле 2 с падением давления от р₂ до р₁ и снижением температуры от Т₄ до Т₃, что обеспечивает создание полной реактивной тяги Т.

Отрезок адиабаты Г-Д изображает адиабатическое расширение парообразного рабочего тела в полости баллона 3 с падением давления от р₁ до практически нулевого в связи с конденсацией рабочего тела и понижением температуры от Т₃ до Т₂.

Известно, что адиабатическое расширение газа с совершением работы против внешних сил вызывает его охлаждение, что имеет место в описываемых процессах В-Г и Г-Д (см. [1], с. 12/1,2). При этом адиабатическое расширение В-Г рабочего тела в сопле двигателя создает реактивную тягу, совершающую работу по ускорению описываемой системы, а адиабатическое расширение Г-Д парообразного рабочего тела в полости баллона совершает работу по изменению направления движения рабочего тела в боковые стороны и соответствующему изменению направлений векторов импульса рабочего тела. Оба этих адиабатических процесса являются необратимыми (в связи с невозможностью перехода теплоты самопроизвольно от тел более холодных и телам более нагретым), что согласно второму началу термодинамики подтверждает их практическую осуществимость.

Отрезок изобары Д-А изображает дополнительное охлаждение жидкого рабочего тела от Т₂ до Т₁ на стенках баллона за счет передачи теплоты (или излучения) во внешнее пространство при практически неизменном нулевом давлении. Согласно второму началу термодинамики (неизбежность рассеивания части тепловой энергии в окружающую среду при работе тепловой машины) это определяет возможность совершения работы против внешних сил.

Приведенный выше термодинамический цикл является круговым процессом (см. [1], с. 845/2 и 333/2,3), в полной мере согласуется с законами термодинамики и всеобщими законами сохранения и подтверждает осуществимость предложенного способа реактивного движения.

Источники информации
1. Физический энциклопедический словарь под ред. Прохорова А.М. - М.: Советская энциклопедия, 1984.

2. Политехнический словарь под ред. акад. Ишлинского Ю.А. - М.: Советская энциклопедия, 1980.

Использование в косметической технике. Реактивную тягу Т создают с применением рабочего тела (РТ) в виде жидкости, пара и оптического излучения. Жидкое РТ нагревают в парогенераторе 1 и через сопло 2 направляют в газонепроницаемый баллон 3, стенки которого выполнены из теплопроводного несмачиваемого жидким РТ материала. Стенка баллона, примыкающая к соплу, выполнена в виде рефлектора 6, а противоположная рефлектору стенка 7 баллона выполнена из прозрачного для оптического излучения материала. Полость баллона при помощи насоса 4, установленного напротив сопла, и трубопровода 5 сообщается с парогенератором. В результате расширения парообразного РТ в сопле и полости баллона оно конденсируется, жидкий конденсат оседает на стенки баллона, дополнительно охлаждается за счет передачи теплоты через стенки в окружающее пространство и движется по инерции в сторону насоса, при помощи которого жидкий конденсат по трубопроводу направляют в парогенератор. При этом осуществляют непрерывно повторяющуюся циркуляцию РТ в жидком и газообразном состоянии в системе ракетного двигателя без выброса его в окружающее пространство. Тепловая энергия от РТ при помощи рефлектора 6 излучается из полости баллона через прозрачную стенку 7 в пространство. Движение струи РТ из сопла и излучение из полости баллона направляют в одну общую сторону. 2 с. и 3 з. п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ реактивного движения, при котором в ракетном двигателе используют энергию вытекающего из сопла парообразного рабочего тела, нагрев и испарение которого из жидкого состояния производят за счет применения источника энергии длительного действия, использующего цепную ядерную реакцию, например, ядерного реактора, и при этом приводят в движение систему, содержащую ракетный двигатель, например, космический корабль, отличающийся тем, что рабочее тело в ракетном двигателе используют путем его преобразования в жидкое и парообразное состояние и электромагнитное оптическое излучение, при этом обеспечивают непрерывную циркуляцию рабочего тела в виде жидкости и пара в замкнутой круговой системе ракетного двигателя, включающей парогенератор, сопло, газонепроницаемый баллон, насос и трубопровод, связывающий полость баллона с парогенератором, содержащим источник энергии длительного действия, в парогенераторе жидкое рабочее тело нагревают и превращают в пар, который через сопло с ускорением направляют в полость баллона, где под действием внутреннего давления в струе пара обеспечивают его расширение и изменяют при этом направление движения и действия импульса во все стороны, сопутствующее расширению охлаждение используют для конденсации пара в полости баллона, оседающий на стенки баллона жидкий конденсат рабочего тела дополнительно охлаждают на теплопроводных не смачиваемых жидким конденсатом стенках баллона, обеспечивают движение капель конденсата в сторону насоса за счет остаточной кинетической энергии и инерционных сил, возникающих при ускорении космического корабля, и при помощи насоса по трубопроводу жидкое рабочее тело направляют в парогенератор, обеспечивая последовательное осуществление указанных преобразований жидкого и парообразного рабочего тела без выхода его в окружающее пространство, при этом нагрев парообразного рабочего тела производят до температуры, позволяющей его конденсацию при расширении в полости баллона, тепловую энергию сопутствующую охлаждению и конденсации рабочего тела, выводят из полости баллона в окружающее пространство через теплопроводные стенки баллона и путем оптического, преимущественно инфракрасного, излучения, направляемого в пространство через прозрачную для излучения противоположную соплу стенку баллона с использованием размещенного за соплом рефлектора, за счет чего создают реактивную тягу, при этом струю рабочего тела из сопла и оптическое излучение направляют в одну сторону, противоположную направлению движения космического корабля. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при его осуществлении применяют термодинамический цикл, который включает изотермический процесс подачи жидкого конденсата рабочего тела из баллона в парогенератор, изобарический процесс нагревания и испарения рабочего тела в парогенераторе, первый адиабатический процесс при истечении с ускорением парообразного рабочего тела через сопло, второй адиабатический процесс расширения во все стороны, охлаждения и конденсации рабочего тела в жидкое состояние в полости баллона и изобарический процесс дополнительного охлаждения жидкого конденсата рабочего тела за счет отвода теплоты через теплопроводные стенки баллона. 3. Ракетный двигатель, содержащий парогенератор с источником энергии длительного действия, например, с ядерным реактором, жидкое рабочее тело, способное при нагревании превращаться в пар, насос, сообщающийся с трубопроводом для перемещения жидкого рабочего тела, и сопло, отличающийся тем, что он снабжен баллоном, стенки которого выполнены из газонепроницаемого теплопроводного и не смачиваемого жидким конденсатом рабочего тела материала, полость баллона изолирована от окружающей среды и с одной стороны сообщается с соплом, а с противоположной стороны - с насосом, который соединен с трубопроводом, связывающим баллон с парогенератором, часть стенок баллона, примыкающих к соплу, имеет симметричную оси сопла вогнутую форму и внутренняя их поверхность выполнена в виде рефлектора с возможностью направленного в одну сторону оптического, в частности, инфракрасного излучения, с созданием при этом реактивной тяги, что обеспечивают тем, что противоположная соплу часть стенок баллона выполнена из прозрачного для оптического излучения материала, при этом отраженное рефлектором излучение и вытекающая из сопла струя рабочего тела направлены в одну сторону. 4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используется вещество, способное после выхода из сопла в парообразном состоянии и при последующем расширении и понижении температуры изменять агрегатное состояние и конденсироваться из парообразного в жидкое состояние при температуре выше температуры окружающей среды, в которой находится баллон. 5. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что в состав рабочего тела входят ядра конденсации, в том числе в виде корпускул.