ГАЗОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ТЯГОЙ Российский патент 2000 года по МПК F02K9/42 

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано в газореактивных системах управления космического аппарата, а также в системах обеспечения микрогравитации технологических орбитальных модулей.

Известна газореактивная система, которая обеспечивает постоянное управляющее усилие при многократных включениях системы. Система состоит из баллонов хранения сжатого газа, регулятора давления газа, подводящего трубопровода, коллектора низкого давления и газореактивных микровигателей (с. 46-47 в кн.: Беляев Н.М., Уваров Е.И. Расчет и проектирование реактивных систем управления космических летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1974). Регулирование тяги в этой системе осуществляется изменением давления газа регулятором давления. Сжатый газ под высоким давлением хранится на борту в баллоне. Перед включением системы в работу производится подача газа из баллона к регулятору давления газа. В регуляторе давления происходит редуцирование высокого давления газа до заданной величины и поддержание этой величины в определенных пределах. В зависимости от величины точность поддержания давления не превышает 50% от номинального значения. Поддержание постоянного давления газа после регулятора обеспечивает получение постоянной величины управляющего усилия в системе. Редуцированный газ низкого давления по подводящему трубопроводу поступает к коллектору низкого давления, а оттуда подводится к газореактивным двигателям. Подобная система обеспечивает работу двигателей с постоянной тягой, и она используется в системах ориентации при многократных включениях.

Известен газореактивный двигатель на сжатом газе (с. 49-52 в кн.: Беляев Н. М., Уваров Е.И. Расчет и проектирование реактивных систем управления космических летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1974), содержащий подводящий трубопровод с клапанами и теплообменник с соплом. Регулирование тяги в этом двигателе производится изменением давления газа перед соплом двигателя.

Однако регулирование тяги двигателя требует регулирования давления газа в подводящем трубопроводе для того, чтобы обеспечить соответствие величины давления газа перед клапанами требуемой величине давления перед соплом двигателя, причем точность регулирования ограничена диапазоном чувствительности используемых для этих целей регуляторов давления.

Известен микродвигатель (патент США N 3603093), принятый за прототип, содержащий линию подачи рабочего газа с механическим регулятором давления и клапанами, теплообменник с блоком регулирования мощности и сопло. Основным элементом теплообменника является пористая вставка, выполненная из материала с большим коэффициентом теплового расширения. Настройка двигателя на заданный диапазон регулирования осуществляется соответствующим подбором материала вставки и его пористости. Регулирование тяги в этом двигателе основано на изменении расхода газа перед соплом. Расход газа изменяет подвод к пористой вставке тепловую мощность в определенном диапазоне регулирования. При тепловом воздействии поры указанной вставки меняют свой эффективный диаметр в соответствии с ее температурой, благодаря чему регулируется массовый расход газа через двигатель.

Однако регулирование тяги путем изменения массового расхода газа при изменении проходного сечения пор под действием теплового расширения материала не позволяет обеспечить точную и глубокую регулировку тяги, так как не существует точного закона теплового расширения пористого материала. Наличие регулятора давления в подводящем трубопроводе двигателя, необходимое для обеспечения низкого уровня массового расхода, при котором возможна работа пористой вставки как ограничителя расхода, существенно ограничивает точность регулирования тяги и снижает надежность двигателя.

При создании изобретения решались задачи повышения глубины и точности регулирования тяги, а также повышения надежности двигателя.

Поставленные задачи решены за счет того, что в известном двигателе, содержащем газовый тракт с управляющим клапаном, нагревную камеру и сопло, на входе в нагревную камеру установлен жиклер с критическим сечением, причем размеры критических сечений жиклера и сопла, их коэффициенты расхода и теплофизические характеристики газа перед жиклером и соплом связаны между собой зависимостью:

где отношение критических сечений жиклера и сопла;
отношение коэффициентов расхода жиклера и сопла;
отношение минимально возможной температуры газа перед жиклером к максимально возможной температуре газа перед соплом;
k - показатель адиабаты газа, используемого в двигателе.

Установка жиклера с критическим сечением на входе в нагревную камеру позволяет устранить необходимость механического регулирования давления газа в газовом тракте для получения требуемой величины давления газа перед соплом двигателя с целью обеспечения заданного уровня тяги двигателя. Заданный уровень тяги двигателя обеспечивается предварительным подбором критических сечений и коэффициентов расхода жиклера и сопла, а также регулировкой температур газа перед жиклером и соплом в соответствии с вышеприведенной зависимостью. При увеличении температуры удельный импульс тяги двигателя возрастает, поскольку критическая скорость истечения газа зависит от его температуры. Независимость массового расхода газа от его температуры обеспечивается подачей газа в нагревную камеру через критическое сечение жиклера. Тяга двигателя линейно возрастает при увеличении удельного импульса тяги при постоянном расходе. Поскольку для заявленного двигателя известен точный закон изменения тяги, то обеспечивается точное и глубокое регулирование тяги.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 изображена принципиальная схема газореактивного двигателя с регулируемой тягой по п. 1 формулы изобретения, на фиг. 2 - схема двигателя по п. 2 формулы изобретения, на фиг. 3 - схема двигателя по п. 3 формулы изобретения.

Двигатель (фиг. 1) содержит газовый тракт 1, управляющий клапан 2, жиклер 3, нагревную камеру 4, сопло 5.

Жиклер двигателя может быть выполнен регулируемым (фиг. 2) На входе в жиклер может быть установлен теплообменник 6 (фиг. 3).

Двигатель работает следующим образом.

Сжатый газ по газовому тракту 1 через управляющий клапан 2 поступает в жиклер 3, нагревную камеру 4, нагревается и выбрасывается через сопло 6, создавая реактивную тягу.

При прохождении через критическое сечение жиклера 3 скорость течения газа, при условии связи размеров критических сечений жиклера 3 и сопла 5, их коэффициентов расхода и теплофизических характеристик газа перед жиклером и соплом зависимостью, приведенной в формуле изобретения, возрастает до местной скорости звука, т.е. достигает критического значения, и, следовательно, ликвидируется обратная связь между температурой газа и его расходом через сопло.

Регулирование тяги двигателя осуществляется соответствующим изменением подводимой к газу через нагревную камеру 4 тепловой мощности.

В случае использования регулируемого жиклера принцип работы заявляемого двигателя аналогичен описанному выше, за исключением того, что настройка двигателя на номинальные параметры и переход на другое газообразное рабочее тело в этом случае будет происходить подстройкой параметров жиклера. При этом требования к точности изготовления сопла двигателя и, следовательно, стоимость производства могут быть снижены.

В случае необходимости расширения диапазона регулирования на входе в жиклер устанавливают теплообменник 6. После прохождения теплообменника температура газа перед жиклером изменяется. При этом диапазон регулирования двигателя увеличивается за счет изменения соотношения температур газа перед жиклером и соплом 5 двигателя.

Причем, поскольку нагревная камера и газовый тракт газодинамически развязаны, то изменение температуры газа приводит только к изменению его удельной тяги. Так как тепловая мощность прямо пропорциональна температуре, а удельная тяга - корню квадратному из температуры, то обеспечивается значительное увеличение точности регулирования тяги, что необходимо для решения задач высокоточного управления положением космического аппарата и обеспечения условий микрогравитации в космических технологических модулях.

Двигатель предназначен для использования в газореактивных системах управления космическим аппаратом и для систем обеспечения микрогравитации технологических орбитальных модулей. Двигатель содержит газовый тракт с управляющим клапаном, жиклер, нагревную камеру, сопло. К жиклеру со стороны управляющего клапана подключен теплообменник. При прохождении газа через критическое сечение жиклера, при условии связи размеров критических сечений жиклера и сопла, их коэффициентов расхода и теплофизических характеристик газа перед жиклером и соплом зависимостью, защищаемой изобретением, ликвидируется обратная связь между температурой газа и его расходом через сопло. Для настройки двигателя на номинальные параметры и расширения диапазона регулирования может быть использован регулируемый жиклер. Регулирование тяги двигателя осуществляется соответствующим изменением подводимой к газу через нагревную камеру тепловой мощности, что повышает глубину и точность регулирования тяги двигателя на сжатом газе, а также повышает его надежность. 2 з. п.ф-лы, 3 ил.

1. Газореактивный двигатель с регулируемой тягой, содержащий газовый тракт с управляющим клапаном, нагревную камеру и сопло, отличающийся тем, что на входе в нагревную камеру установлен жиклер с критическим сечением, причем размеры критических сечений жиклера и сопла, их коэффициенты расхода и теплофизические характеристики газа перед жиклером и соплом связаны между собой зависимостью

где отношение критических сечений жиклера и сопла;
отношение коэффициентов расхода жиклера и сопла;
отношение минимально возможной температуры газа перед жиклером к максимально возможной температуре газа перед соплом;
к - показатель адиабаты газа, используемого в двигателе. 2. Газореактивный двигатель с регулируемой тягой по п.1, отличающийся тем, что жиклер выполнен регулируемым. 3. Газореактивный двигатель с регулируемой тягой по п.1, отличающийся тем, что на входе в жиклер установлен теплообменник.