СПОСОБ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК F03H5/00 

Изобретение относится к области авиационного и ракетного двигателестроения, а более точно касается химических тепловых реактивных двигателей летательных аппаратов, и может быть использовано для решения на его основе различных по назначению транспортных задач, в том числе и в космическом пространстве.

Известны химические тепловые реактивные двигатели летательных аппаратов, использующие для обеспечения функционирования с целью получения тяги массу (как рабочее тело) и запас химической энергии вещества или совокупности веществ топлива (тепловые реактивные двигатели с совмещенными источниками массы и энергии: воздушно-реактивные ВРД, жидкостные ракетные двигатели ЖРД или, далее по тексту, химические тепловые РД, тепловые РД, двигатели или просто РД).

Тяга тепловых РД возникает при истечении в окружающее пространство вырабатываемого двигателем рабочего тела продуктов переработки вводимого в двигатель топлива за счет преобразования тепловой энергии рабочего тела в кинетическую энергию его направленного поступательного движения. В известных решениях энергообеспечение рабочего процесса тепловых РД воспроизводство рабочего тела с конкретными уровнями теплосодержания реализуется процессами горения (или разложения), обеспечивающими переработку вводимого в двигатель топлива в продукты сгорания (материальной массы для последующего отбрасывания в окружающее пространство рабочего тела двигателя) с удельным теплосодержанием RT (R-газовая постоянная, Т-температура), соответствующим по существу удельному содержанию химической энергии топлива, вводимого в двигатель (см., например: В.Е. Алемасов и др. Теория ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1989, 464 с.; М.В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. М. : Машиностроение, 1968, 394 с.; А.В. Васильев, В.М. Кудрявцев и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. М.: Высшая школа, кн. 1-2, 1993, стр. 704; А.А. Гарькавый, А.В. Чайковский, С.И. Ловинский. Двигатели летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1987, стр. 286).

Общим недостатком известного способа энергообеспечения теплового реактивного двигателя является ограничение сверху величиной удельного содержания химической энергии топлива (энтальпией) уровней теплосодержания рабочего тела (в свою очередь, определяющего достижимые уровни удельного импульса (I_уд) двигателя одной из важных характеристик, задачи увеличения которой определяют наиболее важные направления разработок в области авиационного и ракетного двигателестроения на всех этапах его развития). Указанное ограничение удельного теплосодержания рабочего тела (достижимого уровня I_уд) свойственно способу энергообеспечения в целом класса химических тепловых РД вне зависимости от их конкретного назначения, интегральных уровней тяговых характеристик, схемных, конструктивных и/или иных особенностей. Оно не может быть преодолено схемными, конструктивными или иными усовершенствованиями РД и, таким образом, носит принципиальный характер.

Ресурсы повышения эффективности способа энергообеспечения (удельного теплосодержания рабочих тел, а следовательно, и удельного импульса) тепловых реактивных двигателей на базе химической энергии традиционно оценивают двумя составляющими.

Прежде всего, это составляющая, учитывающая реальные перспективы изыскания (разработки) и освоения новых составов топлив, отличающихся повышенными уровнями удельного содержания химической энергии по сравнению с уже освоенными композициями (см. , например, М.С. Штехер. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1976, стр. 302; В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А. П. Тишин, В. А. Худяков. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Справочник в десяти томах, подготовлен под научным руководством академика В.П. Глушко. М.: АН СССР, 1971-1981 г.).

Вторая составляющая ресурсов повышения эффективности способа энергообеспечения учитывает возможности повышения достижимых степеней преобразования конкретных уровней удельного содержания химической энергии топлива в тепловую энергию рабочего тела двигателя - продуктов сгорания топлива. Она формируется достижениями разнообразных методов оптимизации характеристик рабочего процесса двигателя, связывается с перспективами ограничений, свойственных процессам преобразования энергии диссипативных явлений, учитывает реальные возможности повышения экономичности элементарных составляющих и в целом рабочего процесса двигателей (см. вышеупомянутые источники, а также, например: В. М. Акимов, В.И. Бакулев, Р.И. Курзинер и др. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей/ Под ред. С.М. Шляхтенко. Учебник для вузов 2-е перераб. и доп.. М.: Машиностроение, 1987, 587 с.; Волков Е.Б., Головков Л. Г. , Сырицын Т.А. Жидкостные ракетные двигатели. М.: Воениздат, 1970, 592 с.; Б.Ф. Гликман. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1989, 296 с.).

Сопоставление предельно достижимых значений удельного импульса (с учетом уровней удельного энергосодержания любой из композиций топлив, реальной для настоящего времени номенклатуры. В рамках традиционных схем энергообеспечения тепловых двигателей достижимый уровень удельного импульса может быть определен диапазоном, не превышающим, по крайней мере, I_yд≤4500 мс^-1) с уровнями I_уд, обеспечиваемыми известными разработками тепловых РД обнаруживает, что:
1. Ресурсы возможностей дальнейшего повышения удельного импульса тепловых реактивных двигателей на базе химической энергии топлив любыми из отмеченных разновидностей способов в целом практически исчерпаны.

2. Потребности в существенном повышении обеспечиваемых уровней I_уд химических тепловых РД могут быть обеспечены лишь изысканием для их энергообеспечения дополнительных источников и видов энергии.

В основу настоящего изобретения положена задача разработки способа энергообеспечения теплового реактивного двигателя, обеспечивающего повышение удельного импульса двигателя за счет увеличения уровней удельного теплосодержания, преобразуемого при прочих равных условиях в кинетическую энергию потоков рабочих тел двигателя.

Поставленная задача решается тем, что в способе энергообеспечения теплового реактивного двигателя, включающем ввод в двигатель водородсодержащего топлива, его подготовку и переработку в рабочее тело, при истечении которого в окружающее пространство создается тяга, согласно изобретению, перед истечением рабочего тела в окружающее пространство по меньшей мере в части среды рабочего тела возбуждают экзотермическую ядерную реакцию.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых: фиг.1-3 изображают принципиальную схему жидкостного теплового реактивного двигателя с использованием энергии экзотермических ядерных реакций.

Сущность предлагаемого способа энергообеспечения теплового реактивного двигателя поясняется на примере рассмотрения принципиальных схем тепловых двигателей (ЖРД).

На фиг.1 представлена принципиальная схема теплового реактивного двигателя (ЖРД), реализующего предлагаемый способ и работающего на смеси жидких водорода и его изотопа дейтерия в качестве горючего и жидкого кислорода - в качестве окислителя. Состав горючего в данном случае наилучшим образом отвечает возможностям возбуждения в его составе экзотермических ядерных реакций. Однако принципиально возможности возбуждения экзотермических ядерных реакций обеспечиваются и в случае замены дейтерия некоторыми иными, существенно более дешевыми компонентами.

Реактивный двигатель содержит реактор 1, являющийся основным энергетическим агрегатом, на вход которого подают материальную среду, в данном случае смесь изотопов водорода, предварительно газифицированную, оптимизированную с помощью регулятора 2 состава на стадии подготовки по составу с точки зрения условий возбуждения экзотермических ядерных реакций и величины газовой постоянной. Возбуждением в реакционной зоне реактора экзотермической ядерной реакции в газообразной среде смеси водорода и его изотопа дейтерия подогревают смесь, т. е. повышают ее теплосодержание. Вывод подогретой водородсодержащей среды (рабочего тела двигателя) из реактора в окружающее пространство осуществляют через охлаждаемое сопло 3. При направленном истечении рабочего тела в окружающее пространство через сопло 3 возникает тяга. Скорость истечения рабочего тела из сопла 3 реактора в качестве одной из основных составляющих определяет величину удельного импульса двигателя и устанавливается в соответствии с теплосодержанием среды на выходе из ядерного реактора.

Система питания реактора рабочим телом (смесь Н₂ и D₂) и электроэнергией содержит турбину 4, насосы 5, 6 и 7 соответственно кислорода, водорода и дейтерия и высоковольтный электрогенератор 8 с отрицательной вольтамперной характеристикой.

Оптимальный состав смеси (критерий - энергетический эффект) изотопов водорода на входе в реактор обеспечивается регулятором 2 состава.

Для возбуждения в реакционной зоне реактора экзотермических ядерных реакций в газообразной среде он оснащается помещаемыми в поток среды электродами 9 и 10. В рабочей зоне реактора 1 наложением на поток с контролируемыми характеристиками течения с помощью помещаемых в поток электродов 9, 10 электрического поля в направлении движения среды от электрогенератора 8 и последующим возбуждением ограниченного по силе, объемного по характеру продольного электрического разряда, среду в выделенном электродами участке потока непрерывно по мере ее поступления в реакционную зону переводят в состояние с избыточным электрическим зарядом. Благодаря этому обеспечиваются принципиально значимые изменения, по отношению к традиционным, условий внутреннего энергетического равновесия среды, неизбежно возникающей релаксацией среды к учитывающему наличие в ее составе избыточного заряда внутреннему равновесию возбуждают в составе среды экзотермические реакции ядерного синтеза и таким образом повышают теплосодержание среды (обеспечивают ее подогрев).

Для выработки рабочего тела турбины 4 генераторного газа в состав системы питания двигателя компонентами введен газогенератор 11, работающий на водороде (горючее) и кислороде (окислитель). Режим работы газогенератора восстановительный реализуется при соотношении топливных компонентов (k_m"≈1,2<k_m ⁰= 8) и обеспечивается совокупной работой агрегатов системы регулирования двигателя по тяге регулятора 12 расхода кислорода и стабилизатора 13 соотношения компонентов в газогенераторе соответственно. Выброс рабочего тела турбины 4 осуществляется направленно через выхлопное сопло 14 турбины и таким образом обеспечивает некоторый дополнительный к обусловленной истечением рабочего тела в окружающее пространство через сопло 3 реактора 1 прирост тяги.

В таблице 1 представлены некоторые данные расчетных характеристик жидкостного ракетного двигателя, реализующего предлагаемый настоящим изобретением способ энергообеспечения по схеме фиг.1.

Расчет производился применительно к условиям стационарного (установившегося) режима работы двигателя на базе уравнения энергетического баланса
N_turb = NHpump

+NDpump+NOpump+N_elgen, (1)
где

мощность на валу турбины 4; NHpump, NDpump, NOpump, N_elgen - мощности, потребляемые насосами H₂,D₂,O₂ и электрогенератором внешнего энергообеспечения ядерного реактора соответственно.

Принималось, что массовое соотношение компонент рабочей среды в реакторе Учитываемая работоспособность генераторного газа составляла (RT)"= 2,6•10⁶ J/kg Относительный перепад давления на турбине π_turb=50. КПД насосов и турбины условно принимались одинаковыми и равными 0,6.

Мощность, потребляемая на привод электрогенератора внешнего энергообеспеченгия реактора оценивалась зависимостью

ψ - учитываемый относительный уровень внешнего энергообеспечения реактора (в расчете учитывались значения ψ = 0,1; 0, 01 и 0,001,
которые согласно предварительным результатам исследований авторов представляются вполне реальными).

Удельный пустотный импульс двигателя оценивался зависимостью

где Ireact∞

- удельный импульс, реализуемый при истечении рабочего тела из реактора, оценивался с учетом состава среды и ее температуры (принималось, что T≈ΔT); Iturb∞ - удельный импульс, реализуемый при выхлопе рабочего тела турбины (принимался равным 1000 м/ с). Все интегральные характеристики двигателя оценивались в данном случае (как и далее) в предположении, что суммарный расход компонентов через двигатель составляет 0,05 кг/ с.

Двигатель, представленный на фиг. 2, по существу аналогичен по схеме двигателю фиг.1. Его принципиальное отличие состоит в том, что в нем предусматривается дожигание генераторного газа рабочего тела турбины 4 в камере 15 дожигания перед выбросом его в окружающее пространство. В состав двигателя введен также регулятор 16 расхода - агрегат системы регулирования режима в камере дожигания.

Оценки отдельных характеристик ЖРД, реализующего предлагаемый способ энергообеспечения при схемном решении двигателя, согласно фиг.2, представлены в таблице 2. Оценки получены с учетом предусматриваемого в данном случае дожигания генераторного газа при массовом соотношении компонентов в камере Все прочие входные условия аналогичны (давление и учитываемый состав среды в реакционной зоне реактора, работоспособность генераторного газа, относительный перепад давления на турбине, КПД насосов и турбины и т.п.) принимаемым в расчет при оценках характеристик двигателя по варианту схемы фиг.1.

Применительно к варианту ЖРД, согласно фиг.2, удельный импульс двигателя оценивался зависимостью:

где суммарный расход топливных компонентов через камеру (учитываемое массовое соотношение компонентов в камере 4,8); Irj∞

- удельный импульс камеры дожигания (принимался равным 4100 м/с, что отвечает реальным возможностям).

Представленные в табл. 1, 2 результаты обнаруживают действительные возможности повышения удельного импульса химических тепловых ракетных двигателей путем использования для энергообеспечения, наряду с химической, в том числе и энергии экзотермических ядерных реакций.

Целесообразно отметить, что рассмотренные варианты (фиг.1 и 2) далеко не исчерпывают возможные вариации схемных решений тепловых двигателей, обеспечивающих использование для энергообеспечения в целях повышения удельного импульса наряду с химической энергией и энергии экзотермических ядерных реакций.

На фиг.3 представлен вариант схемы ЖРД, реализующей предлагаемый способ энергообеспечения путем возбуждения экзотермических ядерных реакций на предваряющей истечение рабочего тела в окружающее пространство стадии рабочего процесса в суммарном потоке среды рабочего тела двигателя.

Реактор 17, оснащенный, как и в предыдущих вариантах, вводимыми в среду электродами 18 и 19, конструктивно размещается в составе узла: камера 20 смешения - агрегат системы подготовки среды рабочего тела, ядерный реактор 17, сопло 21. В составе системы питания двигателя компонентами и электроэнергией - насосы 22, 23 водорода (основной и подкачивающий соответственно), насос 24 кислорода, высоковольтный электрогенератор 25 с отрицательной вольтамперной характеристикой, турбина 26. Для привода турбины 26 используется генераторный газ, вырабатываемый восстановительным газогенератором 27. Режим работы генератора - восстановительный и контролируется температурным датчиком 28. Магистраль ввода окислителя в газогенератор оснащена регулятором 29 расхода - исполнительным органом системы регулирования двигателя по тяге.

Генераторный газ после турбины поступает в камеру 20 смешения, где смешивается с водородом, подаваемым в двигатель насосом 22. Водород, подаваемый в двигатель насосом 22, перед подачей в камеру 20 смешения непосредственно с выхода насоса подается в тракт охлаждения сопла 21, далее в тракт охлаждения реактора 17, испаряется и через коллектор 30 в газообразном виде подается далее в камеру 20 смешения.

Как и в ранее описанных случаях, в рабочей зоне реактора 17 наложением от электрогенератора 25 на суммарный поток рабочего тела с контролируемыми характеристиками течения с помощью помещаемых в поток электродов 18 и 19 электрического поля в направлении движения среды и последующим возбуждением ограниченного по силе, объемного по характеру продольного электрического разряда среду в выделенном электродами участке потока непрерывно по мере ее поступления в реакционную зону переводят в состояние с избыточным электрическим зарядом, чем обеспечивают принципиально значимые изменения, по отношению к традиционным, условий внутреннего энергетического равновесия среды, неизбежно возникающей релаксацией среды к учитывающему наличие в ее составе избыточного заряда внутреннему равновесию возбуждают в составе среды экзотермические реакции ядерного синтеза и таким образом повышают теплосодержание среды (обеспечивают ее подогрев).

Оптимальный состав рабочей среды, подаваемой через камеру 20 смешения на вход реактора 17, обеспечивается регулятором 31 состава среды, установленным на магистрали подачи водорода от насоса 22 в тракт охлаждения сопла 21.

За счет реализации экзотермических ядерных реакций в реакционной зоне реактора обеспечивается уровень энергосодержания рабочего тела в реакционной зоне реактора перед входом в сопло 2, превышающий уровень энергосодержания топлива, вводимого в двигатель. Последнее при прочих равных условиях обеспечивает увеличение удельного импульса двигателя по отношению к уровням, обеспечиваемым традиционно при чисто химическом энергообеспечении.

Необходимо отметить, что изменениями химического состава среды в связи с реализацией в ее составе экзотермических ядерных реакций в каждом из рассматриваемых случаев можно пренебречь. Действительно, если энерговыход химических реакций, наиболее характерных для процессов горения ракетных топлив в камерах ЖРД может быть определен диапазоном (10⁷-10⁸) Дж/кг (например, для реакции 2Н₂+О₂•1,59-10⁷ Дж/кг), то реакция преобразования водорода в гелий в результате ядерного синтеза отвечает условию 4H₁ ¹=He₄ ²=>6,45•10¹³ Дж/кг, т. е. сопровождается выделением огромной энергии. Оценками обнаруживается, что ядерный синтез, как источник дополнительного энергообеспечения ЖРД, отвечает реальным возможностям создания жидкостных ракетных двигателей с уровнями I_∞≈10⁴ м/с уже при относительно малой (порядка ~ 10^-5) степени завершенности реакций синтеза.

Вариант схемного решения двигателя, согласно фиг.3, не отличаясь принципиально от вариантов схемных решений, представленных на фиг.1 и 2, имеет вместе с тем и определенные преимущества. Он позволяет при прочих равных условиях обеспечить более низкие среднемассовые значения мольной массы рабочего тела (и тем самым повысить его газовую постоянную) двигателя в целом. Последнее, при прочих равных условиях обеспечивает и большие уровни удельного импульса двигателя. Отмеченные преимущества схемного решения по варианту фиг.3 подтверждаются и количественными оценками, проведенными авторами в сопоставительных целях. И даже не настаивая на отмечаемых преимуществах варианта, отмеченные оценки, как и представленные выше таблицами 1, 2, в целом позволяют утверждать, что реализация предлагаемого настоящим изобретением способа в существенно различных вариантах схемных решений обеспечивает реальные возможности существенного повышения удельного импульса класса тепловых реактивных двигателей в целом по сравнению с достигнутыми к настоящему времени уровнями.

Изобретение относится к области авиационного и ракетного двигателестроения. Способ энергообеспечения теплового реактивного двигателя включает ввод в двигатель водородсодержащего топлива, его подготовку и переработку в рабочее тело, воздействие на рабочее тело через помещаемые в поток электроды электрическим полем и возбуждение экзотермической ядерной реакции в рабочем теле, при истечении которого в окружающее пространство возникает тяга. Рабочее тело образуют путем смещения водорода и дейтерия, а электрическое поле организуют в направлении движения рабочего тела с последующим возбуждением ограниченного по силе, объемного по характеру продольного электрического разряда и переводом рабочего тела в состояние с избыточным электрическим зарядом. Изобретение позволяет повысить удельный импульс двигателя за счет увеличения уровней удельного теплосодержания, преобразуемого при прочих равных условиях в кинетическую энергию потока рабочего тела двигателя. 3 ил., 2 табл.

Способ энергообеспечения теплового реактивного двигателя, включающий ввод в двигатель водородсодержащего топлива, его подготовку, переработку в рабочее тело, воздействие на рабочее тело через помещаемые в поток электроды электрическим полем и возбуждение экзотермической ядерной реакции в рабочем теле, при истечении которого в окружающее пространство возникает тяга, отличающийся тем, что рабочее тело образуют путем смешения водорода и дейтерия, а электрическое поле организуют в направлении движения рабочего тела с последующим возбуждением ограниченного по силе, объемного по характеру продольного электрического разряда и переводом рабочего тела в состояние с избыточным электрическим зарядом.