ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА НА КИСЛОРОДНО-ВОДОРОДНОМ ТОПЛИВЕ Российский патент 2007 года по МПК F02K9/44 

Изобретение относится к ракетной технике и предназначено для ракетных систем, работающих на кислородно-водородном топливе.

Горючим в жидком ракетном топливе служит обычно жидкий водород, керосин или диметилгидразин, окислителем - жидкий кислород или тетраоксид диазота.

Все компоненты жидкого ракетного топлива в условиях эксплуатации находятся в топливных баках ракеты и раздельно подаются (насосами или вытеснением - сжатым газом) в камеру сгорания ракетного двигателя.

В настоящее время кислородно-водородное топливо применяется на верхних ступенях космических ракет, где оно дает наибольший эффект (Патенты РФ № 2266423, 2187010, 2136935). Все двигательные установки содержат баки компонентов топлива - горючего и окислителя - жидких водорода и кислорода, системы подачи топлива в камеру сгорания, соединенную с соплом для выпуска газов. Недостатками двигательных установок на кислородно-водородном топливе являются большие объемы топливных баков; топливные баки, предназначенные для размещения жидкого водорода и кислорода, представляют собой гигантские термосы, металлические стенки которых покрыты теплоизолирующими полимерными материалами.

Наиболее близкой к заявляемой является двигательная установка на водородно-кислородном топливе (РКК «Энергия», ракета-носитель «Энергия», http://www.buran.ru/htm/rocket/htm). Двигательная установка состоит из баков с жидкими водородом и кислородом, системы подачи водорода и кислорода в камеру сгорания, сопел для истечения газа, блока управления. Эта установка обладает теми же недостатками, что и все - большие объемы топливных баков, необходимость их теплоизолирования, взрывоопасность.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является снижение габаритов двигательных установок на водородно-кислородном топливе, повышение взрывобезопасности.

Для достижения указанного результата предложена двигательная установка на кислородно-водородном топливе, содержащая корпус, камеру сгорания, соединенную с соплом для выхода газов, при этом в камере сгорания размещена микропористая структура, выполненная из полых микросфер и/или герметичных полых капилляров, часть которых заполнена кислородом, а другая - водородом.

При этом микросферы и капилляры могут быть выполнены из горючего полимерного материала.

Капилляры могут быть намотаны на насадку, расположенную вдоль оси установки.

Капилляры могут быть расположены вдоль оси установки.

Микропористая структура может быть выполнена из капилляров, намотанных на насадку и расположенных в части камеры сгорания, примыкающей к корпусу двигателя, и микросфер, заполняющих центральную часть камеры.

Микропористая структура может быть выполнена из капилляров, расположенных вдоль оси установки в части камеры сгорания, примыкающей к корпусу двигателя, и микросфер, заполняющих центральную часть камеры.

Микропористая структура может быть выполнена из микросфер, пронизанных капиллярами.

Кроме того, микропористая структура может быть выполнена из капилляров, намотанных на насадку и расположенных в части камеры сгорания, примыкающей к корпусу двигателя, и капилляров, расположенных вдоль оси установки, заполняющих центральную часть камеры.

На фиг.1 дана общая схема двигательной установки, в камере сгорания которой размещена микропористая структура, выполненная из полых микросфер.

На фиг.2 дана общая схема двигательной установки, в камере сгорания которой размещена микропористая структура, выполненная из герметичных полых капилляров, расположенных параллельно оси установки.

На фиг.3 дана общая схема двигательной установки, в камере сгорания которой размещена микропористая структура из полых микросфер, пронизанная капиллярами, расположенными параллельно оси установки.

На фиг.4 дан фрагмент микропористой структуры из капилляров, намотанных на насадку, в центральной части которой размещены микросферы.

На фиг.5 дан фрагмент микропористой структуры из капилляров, расположенных параллельно оси установки, в центральной части которой размещены микросферы. Обозначения позиций на чертежах:

1 - корпус двигательной установки,

2 - камера сгорания,

3 - сопло,

4 - блок управления работы систем двигательной установки,

5 - микросферы,

6 - капилляры,

7 - насадка.

В корпусе двигательной установки 1 расположены камера сгорания 2, соединенная с соплом для выхода сгоревших газов 3, в камере сгорания 2 расположена микропористая структура, заполняющая весь свободный объем камеры, представляющая собой герметичные полые микросферы 5, или герметичные полые капилляры 6, или комбинацию из микросфер и капилляров. Одна часть микросфер и капилляров заполнена водородом, другая - кислородом. В головной части корпуса могут быть установлены системы поджига и другие функциональные блоки управления работой систем двигательной установкой 4. Микросферы 5 могут заполнять весь объем камеры сгорания, как показано на фиг.1, также сборка параллельно расположенных оси установки капилляров 6 может заполнять весь объем камеры сгорания 2, как показано на фиг.2. Расположенные параллельно оси установки капилляры 6 могут заполнять не весь объем камеры сгорания 2, как показано на фиг.3, тогда свободное пространство камеры заполняют микросферами 5. Расположенные параллельно оси установки капилляры 6 могут заполнять часть камеры 2, оставляя при этом свободной ее центральную часть, тогда эту центральную часть заполняют микросферами 5 (фиг.5). Капилляры могут быть намотаны на насадку 7, (например, цилиндрическую), расположенную вдоль оси установки. Они могут заполнять весь объем камеры сгорания, или заполнять часть камеры сгорания, примыкающую к корпусу, при этом центральную часть камеры сгорания заполняют параллельно расположенными капиллярами (не показано), или заполнять часть камеры сгорания, тогда свободное пространство заполняется микросферами (фиг.4). Комбинации выполнения микроструктуры из микросфер и капилляров не исчерпываются данными вариантами.

Покажем принципиальную возможность создания микроструктуры из микросфер и капилляров, способную к использованию в двигательных установках.

В настоящее время известны микропористые структуры, которые могут представлять собой засыпку полых микросфер или пучки капилляров. Размеры микросфер лежат в диапазоне от 10 мкм до 10 мм, отношение толщины оболочки к радиусу микросфер от 0,01-0,1. Радиус капилляров также находится в диапазоне от 10 мкм до 10 мм, отношение толщины оболочки к радиусу капилляров от 0,01-0,1, ограничений по длине капилляров нет. Они изготавливаются из металлов, стекла, полимерных материалов (А.А.Акунец, Н.Г.Басов и др. Сверхпрочные микробаллоны для хранения водорода. Труды ФИАН, 1992 г., т.220, с.96-1-12. K.L.Yan, B.G.Sellars, Storage of hydrogen by high pressure microencasulation in glass. Int. J. Hydrogen Energy. Vol.10. No.7/8. hh/517-522. 1985).

Материал, из которого изготовлены микросферы или капилляры для двигательной установки, должен отвечать определенным требованиям. Полимерные материалы должны быть горючими, обладать высокой прочностью и низкой плотностью, диапазон плотности 1250-1500 кг/м³, прочности - 250-550 кг/мм². Микросферы или капилляры, изготовленные из горючих полимерных материалов, заполняют газообразным кислородом или водородом. Заполнение капилляров кислородом или водородом может производиться заранее или при изготовлении установки через систему газозаполнения (не показана). Основными характеристиками микропористых структур, с точки зрения хранения водорода и кислорода, являются: 1) отношение параметров прочности (предел прочности на растяжение) материала оболочки микросфер и капилляров к его плотности σ/ρ, где σ - предел прочности материала оболочки на разрыв, а ρ - плотность материала оболочки, 2) отношение толщины оболочки к их радиусу - δ/R, где δ - толщина оболочки элемента микропористой структуры (толщина оболочки микросферы или капилляра).

Как видно из таблицы 1, прочность армоса значительно превосходит (в 10 раз) прочность хромоникелевой стали, при этом он более чем в 5 раз легче. Так как весовое содержание водорода или кислорода в микроструктуре является отношением веса газа к весу матрицы, то применение, например, армоса позволяет создавать легкую микроструктуру и с большим содержанием водорода или кислорода за счет высоких прочностных характеристик σ/ρ у армоса, в 49,4 раза больше, чем у хромоникелевой стали.

Таблица 1МатериалПлотность, кг/м³Прочность при растяжении, σ, кг/мм²Отношение прочности к плотности, 10^-6 мХромоникелевая сталь7800550,0077 (1)Хромистая сталь78001100,0140 (1,8)Высокопрочная сталь80002400,0300 (3,9)Стекло2500120,0048 (0,6)Полимеры, полиамиды140080,0057 (0,7)Армос14505500,3800 (49,4)СВМ14304200,2900 (37,7)Терлон14503100,2100 (273)

Отношение δ/R влияет на уровень напряжений в оболочках микросфер или капилляров микропористой структуры, так как σ_ϕ=PR/2 δ, где Р - давление водорода в капсуле, кг/мм². В таблицах 2,3 показана зависимость уровня напряжений в оболочке микросфер в зависимости от δ/R.

Таблица 2
Давление водорода в микросферах - 2000 ати, Плотность водорода=70 г/л. 74,4% объема занято сферами. Материал армос, плотность 1,45 г/млОтношение толщины оболочки сферы к ее радиусу, δ/RУровень напряжений в оболочке сферы, σϕ-σ_R,_кг/ммСодержание водорода в микросферах, % вес.Содержание водорода в структуре из сфер, г/л0,011005,0167,454,10,02505,081,052,50,025405,065,651,70,033308,048,750,50,04255,037,349,10,05205,031,047,80,1105,013,340,7

Таблица 3
Давление водорода в микросферах - 3000 ати, Плотность водорода=90 г/л. 74,4% объема занято сферами. Материал армос, плотность - 1,45 г/млОтношение толщины оболочки сферы к ее радиусу, δ/RУровень напряжений в оболочке сферы, σ_ϕ-σ_R,_кг/мм²Содержание водорода в микросферах, % вес.Содержание водорода в структуре из сфер, г/л0,011507,5200,465,00,02757,597,262,90,025607,573,862,10,033462,058,560,50,04382,545,558,90,05307,537,257,40,1157,516,548,8

В таблицах 4,5 показано содержание водорода в капиллярах и уровень напряжений σϕ-σ_R в их оболочках в зависимости от отношения толщины оболочки капилляра к ее радиусу δ/R.

Таблица 4
Давление водорода в капиллярах - 2000 ати, Плотность водорода =70 г/л. Материал армос, плотность - 1,45 г/млОтношение толщины оболочки капилляра к ее радиусу, δ/RУровень напряжений в оболочке капилляра, σϕ-σ_R,_кг/мм²Содержание водорода в капиллярах, % вес.Содержание водорода в структуре из капилляров, г/л0,01995,0237,768,60,02505,0117,067,20,04255,056,764,50,05205,044,763,20,075138,328,660,00,1105,020,656,7

Таблица 5
Давление водорода в капиллярах - 3000 ати, Плотность водорода =90 г/л. Материал армос, плотность - 1,45 г/млОтношение толщины оболочки капилляра к ее радиусу, δ/RУровень напряжений в оболочке капилляра, σϕ-σ_R,_кг/мм²Содержание водорода в капиллярах, % вес.Содержание водорода в структуре из капилляров, г/л0,011507,5305,788,20,02757,5150,586,40,04382,573,083,00,05307,557,581,20,075207,536,877,00,1157,526,572,9

Устройство работает следующим образом. Из микросфер 5 и/или капилляров 6 формируют микропористую структуру, заполняя ею весь свободный объем камеры сгорания 2. Варианты выполнения показаны на фиг.1-5. Работа двигательной установки протекает так же, как и в установках на твердом топливе, Срабатывает система поджига, и микроструктура, выполненная из горючего материала, горит вместе с кислородом и водородом, которыми заполнены микросферы и капилляры. Сгоревшие газы выбрасываются через сопло 3, соединенное с камерой сгорания 2. Блок управления двигательной установкой 4 поддерживает требуемый режим горения, управления полетом, ориентации и другие необходимые функции. При различном выполнении микроструктуры, как показано на чертежах, и изменении размеров микросфер и капилляров можно регулировать скорость распространения фронта горения, подбирать оптимальные соотношения содержания кислорода и водорода и, соответственно, весогабаритные характеристики двигательной установки.

Так, если плотность жидкого кислорода равна 1140 кг/м³, а плотность водорода при 200 МПа составляет порядка 70 кг/м³, а при 300 МПа порядка 85 кг/м³, и для сгорания 1 кг водорода требуется 8 кг кислорода, то, используя водород при давлении 200 МПа, мы получаем объемное соотношение водорода при этом давлении к жидкому кислороду 2:1.

Таким образом, данное изобретение позволит снизить габариты двигательных установок, так как отпадает необходимость в объемных топливных баках с жидким водородом и кислородом, а разбиение всего топливного объема на микроколичества, заключенное в микросферах или капиллярах, снижает взрыво- и пожаробезопасность установки.

Изобретение относится к ракетной технике и предназначено для ракетных систем, работающих на кислородно-водородном топливе. Двигательная установка на кислородно-водородном топливе, содержащая корпус, камеру сгорания, соединенную с соплом для выхода газов, при этом в камере сгорания размещена микропористая структура, выполненная из полых микросфер и/или герметичных полых капилляров, часть которых заполнена кислородом, а другая - водородом. При этом микросферы и капилляры могут быть выполнены из горючего полимерного материала. Капилляры могут быть намотаны на насадку, расположенную вдоль оси установки. Капилляры могут быть расположены вдоль оси установки. Микропористая структура может быть выполнена из капилляров, намотанных на насадку, и расположенных в части камеры сгорания, примыкающей к корпусу двигателя, и микросфер, заполняющих центральную часть камеры. Микропористая структура может быть выполнена из капилляров, расположенных вдоль оси установки в части камеры сгорания, примыкающей к корпусу двигателя, и микросфер, заполняющих центральную часть камеры. Кроме того, микропористая структура может быть выполнена из микросфер, пронизанных капиллярами. Изобретение обеспечивает снижение габаритов двигательных установок на водородно-кислородном топливе, повышение взрывобезопасности. 7 з.п. ф-лы., 5 ил., 5 табл.

1. Двигательная установка на кислородно-водородном топливе, содержащая корпус с размещенными в нем камерой сгорания, соединенной с соплом для выхода газов, и блоком управления, отличающаяся тем, что в камере сгорания размещена микропористая структура, выполненная из полых микросфер и/или герметичных полых капилляров, часть которых заполнена кислородом, а другая - водородом.2. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что микросферы и капилляры выполнены из горючего полимерного материала.3. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что капилляры намотаны на насадку, расположенную вдоль оси установки.4. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что капилляры расположены вдоль оси установки.5. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что микропористая структура выполнена из капилляров, намотанных на насадку и расположенных в части камеры сгорания, примыкающей к корпусу двигателя, и микросфер, заполняющих центральную часть камеры.6. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что микропористая структура выполнена из капилляров, расположенных вдоль оси установки в части камеры сгорания, примыкающей к корпусу двигателя, и микросфер, заполняющих центральную часть камеры.7. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что микропористая структура выполненная из микросфер, пронизана капиллярами.8. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что микропористая структура выполнена из капилляров, намотанных на насадку, и расположенных в части камеры сгорания, примыкающей к корпусу двигателя, и капилляров, расположенных вдоль оси установки, заполняющих центральную часть камеры.