РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СТАРОВЕРОВА - 11 Российский патент 2014 года по МПК F02K9/97 

Изобретение относится к твердотопливным и гибридным ракетным двигателям.

Известны ракетные двигатели, см., например, «Бескорпусный двигатель с самоподачей», пат. №2431052. Топливом в них, как правило, служит углеводород и твердый окислитель. Хорошими энергетическими характеристиками обладает топливо с пятиокисью азота (азотным ангидридом), однако этот окислитель склонен к постепенной возгонке (сублимации), а при 33°С интенсивно возгоняется.

Данный двигатель содержит пятиокись азота и, чтобы она не возгонялась, имеет на конце реактивного сопла реборду (она и так есть почти на каждом сопле), за которую через эластичную (например, резиновую) манжету герметично крепится крышка ограниченной прочности. Крышка может напоминать обычную хозяйственную крышку для консервирования, которой хозяйки закатывают консервированный компот. Но для уменьшения внутреннего объема крышка может с зазором повторять форму конфузора сопла (см. эскиз). Причем часть такой крышки может иметь гофрирование, чтобы лучше реагировать на внутреннее давление.

В полость двигателя желательно положить немного (0,0001-0,1% от веса топлива) пятиокиси азота и заполнить ее инертным газом под давлением. Таким газом может быть радон (самые крупные, то есть - малопросачивающиеся молекулы), ксенон, криптон, аргон, азот, фреон-22, и т.п. Заполнять полость и поры (если они есть) двигателя желательно в герметичной камере, заполненной радоном с повышенным давлением.

Очень скоро в замкнутой полости образуется равновесное состояние между парами пятиокиси азота и ее кристаллами, и возгонка прекращается. Давление газа подбирается исходя из максимальной эксплуатационной температуры по уравнению Клапейрона-Клаузиуса.

Для малых ракет следует сразу после заправки замерить прогиб крышки от внутреннего давления, и затем в процессе хранения следить за давлением по этому прогибу.

Для больших ракет на упомянутой крышке могут быть смонтированы баллон с запасом газа, редуктор и перепускной клапан - все это для того, чтобы долгое время поддерживать заданное давление, компенсируя возможные утечки. Причем баллон может иметь заправочный штуцер для подкачки.

Крышка может крепиться к реборде на конце сопла простой завальцовкой (хозяйки сказали бы - закаткой), или может крепиться дистанционно управляемым байонетным креплением (два сопрягающихся фланца с Г-образными приливами или выступами). В последнем случае перед пуском байонет раскрывается, сбрасывается внутренним давлением, и при этом срабатывает концевой выключатель, разблокирующий возможность пуска. Разумеется, возможны и другие способы крепления крышки к соплу, например болты ограниченной прочности.

Внутренняя конфигурация двигателя может иметь обычную форму, например звездообразный канал переменного сечения. Но для уменьшения возможности возгонки внутренний канал двигателя может быть заполнен более быстрогорящим топливом (далее - «быстрогорящее»), чем основное (например, на основе черного пороха). В этом случае внутренний канал должен быть сужающегося к соплу сечения (чтобы по мере сгорания быстрогорящего топлива сечение канала стало постоянным в любом месте двигателя, ведь стенки канала в основном топливе начнут гореть не одновременно). А это быстрогорящее топливо для ускорения горения, в свою очередь, может иметь по продольной оси лидер-заряд из еще более быстрогорящего топлива. В этом случае фронт горения быстрогорящего топлива будет иметь вид конуса, то есть его поверхность увеличится.

Количество и скорость горения быстрогорящего топлива могут оказаться слишком большими для штатного реактивного сопла. В этом случае в быстрогорящее топливо следует включить инертные элементы, например шарики из открытопористого пенопласта, крошку фторопласта-4 или стеклянные пустотелые сферы ограниченной прочности.

На прилагаемом эскизе упрощённо (толщина тонкостенных элементов не показана) показан данный двигатель. Он состоит из корпуса 1 с реактивным соплом 2, имеющим на конце реборду 3. За эту реборду завальцована с ограниченной прочностью крышка 4, причём между крышкой и соплом имеется резиновая манжета 5 (она может быть расположена и в месте завальцовки).

Внутри двигателя расположено основное топливо 6, имеющее сужающийся к соплу канал, заполненный быстрогорящим топливом 7, в свою очередь, имеющим по продольной оси лидер-канал 8 с ещё более быстрогорящим топливом. На входе сопла расположен запал 9.

Пример 1 реакции пятиокиси азота в двигателе, где С2Н4 - обобщённое обозначение углеводородов, например этилена или полиэтилена, а В2Н6 - диборан:

С2Н4 + 3N2O5 + 3В2Н6 = 6BN + 2СO2 + 11Н2O + 4871,4 кДж.

То есть удельное тепловыделение 11,20 кДж/г. У других углеводородных горючих, в частности у керосина, будут близкие показатели.

Теоретически для такого двигателя нужен бак (то есть это гибридный двигатель), но можно использовать твёрдые соединения бора (декаборан, боргидрид бериллия) или чистый бор. Рассмотрим пример 2.

2LiAlH4 + 6N2O5 + В10Н14 + 2В = Li2O + Аl2O3 + 11Н2O + 5В2O3 + 12BN + 11316,3 кДж.

Соотношение компонентов топлива: алюмогидрида лития - 8.75%, пятиокиси азота - 74,68%, декаборана - 14,08%, бора - 2,49%. Удельное тепловыделение 13,04 мДж/кг. Для сравнения рассмотрим пример 3, в котором водород не окисляется:

4LiAlH4 + 4N2O5 + В10Н14 = 2Li2O + 2Аl2O3 + 15Н2 + В2O3 + 12BN + 5782,9 кДж.

Соотношение компонентов топлива: алюмогидрида лития - 21,50 %, пятиокиси азота - 61,19%, декаборана - 17,31%. Удельное тепловыделение намного меньше - 8,19 мДж/кг, зато выделяется чистый водород, скорость звука в котором почти в 4 раза больше, чем в воздухе. По удельному импульсу эти двигатели будут примерно равны.

Работает двигатель так: воспламеняется запал 9, воспламеняется быстрогорящее топливо 7 и ещё более быстрогорящее топливо лидер-заряда 8. Давление газов срывает крышку 4, и двигатель начинает давать тягу. Фронт горения топлива 7 приобретает вид конуса. А по мере сгорания топлива 7 открываются стенки канала в основном топливе 6, и сужающийся книзу канал начинает расширяться. После полного сгорания топлива 7 канал в топливе 6 приобретает форму цилиндра.

Если в топливе 7 находились инертные элементы, то они выбрасываются в сопло (стеклянные сферы при этом лопаются, а пенопластовые шарики сжимаются и оплавляются).

Если канал двигателя имел обычный вид, и топлива 7,8 не применялись, то запал 9 следует поместить в передней части двигателя.

Во время хранения двигателя давление в нём измеряется по прогибу гофрированной крышки или манометром.

Изобретение относится к твердотопливным и гибридным ракетным двигателям. Ракетный двигатель содержит корпус и реактивное сопло. На конце реактивного сопла выполнена реборда, за которую герметично крепится крышка ограниченной прочности. В полости двигателя имеется 0,0001-0,1% от веса топлива пятиокиси азота и инертный газ под давлением. Инертным газом является ксенон, криптон, аргон, азот, фреон-22. На крышке смонтированы баллон с запасом газа, имеющий заправочный штуцер, редуктор и перепускной клапан. Изобретение позволяет повысить энергетические характеристики ракетного двигателя. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ракетный двигатель, содержащий корпус и реактивное сопло, отличающийся тем, что содержит пятиокись азота и имеет на конце реактивного сопла реборду, за которую герметично крепится крышка ограниченной прочности.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в полости двигателя имеется 0,0001-0,1 % от веса топлива пятиокиси азота, и она заполнена инертным газом под давлением.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что инертным газом является ксенон, криптон, аргон, азот, фреон-22.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что часть крышки имеет гофрирование.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на упомянутой крышке смонтированы баллон с запасом газа, редуктор и перепускной клапан, причём баллон имеет заправочный штуцер для подкачки.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что крышка крепится к реборде на конце сопла завальцовкой или крепится дистанционно управляемым байонетным креплением.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренний канал двигателя заполнен более быстрогорящим топливом (далее - «быстрогорящее»), чем основное (например, на основе чёрного пороха), причём внутренний канал имеет сужающееся к соплу сечение.

8. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что быстрогорящее топливо имеет по продольной оси лидер-заряд из ещё более быстрогорящего топлива.

9. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что быстрогорящее топливо содержит инертные элементы, например крошку фторопласта-4 или стеклянные пустотелые сферы ограниченной прочности.

10. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что соотношение компонентов топлива: алюмогидрида лития - 8,75%, пятиокиси азота - 74,68%, декаборана - 14,08%, бора - 2,49%.

11. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что соотношение компонентов топлива: алюмогидрида лития - 21,50%, пятиокиси азота - 61,19%, декаборана -17,31%.