РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СТАРОВЕРОВА - 4 /ВАРИАНТЫ/ Российский патент 2016 года по МПК F02K9/08 F02K9/42 F02K99/00 

Изобретение относится к ракетным двигателям жидкого и твердого топлива.

Известны ракетные двигатели, см. например мой «Бескорпусный двигатель с самоподачей», пат.№2431052. Все существующие химические ракетные двигатели используют принцип высокотемпературного нагрева газа или газо-пылевого рабочего тела (пыль - это твердые фракции разложившегося твердого ракетного топлива). Делается это для того, чтобы повысить скорость истечения рабочего тела из реактивного сопла. Эта скорость определяется во-первых, скоростью звука в газе и, во-вторых, степенью расширения газа в расширяющемся сверхзвуковом реактивном сопле и достигает в лучших двигателях 4000 м/сек. Причем детали двигателя работают в очень напряженном тепловом режиме, даже с учетом их охлаждения.

Между тем скорость звука в водороде даже при нормальных температуре и давлении 1330 м/сек. А если еще и немного повысить температуру водорода, то скорость звука в нем и скорость истечения его из сопла резко возрастут. Например, водород с температурой всего 650 градусов С (это ниже температуры его воспламенения) будет иметь скорость звука 2360 м/сек и сможет в реактивном сопле разогнаться сам и разогнать пылевые частицы до скорости около 4300 м/сек. То есть получится «холодный ракетный двигатель», в котором из-за адиабатического расширения газ на выходе из реактивного сопла может иметь приблизительно температуру окружающей среды.

На этом и основана идея данного изобретения. Цель изобретения - повышение скорости реактивной струи и удельного импульса ракетного двигателя. Для этого двигатель должен вырабатывать чистый водород и твердые вещества. Подходящей химической реакцией для этого может быть реакция гидридов с водой.

ВАРИАНТ 1. Жидкостный вариант. Данный двигатель содержит камеру сгорания (будем ее так называть, хотя процесса «сгорания» в ней не происходит) с соплом, в которую под давлением подается газообразный, или жидкий, или расплавленный гидрид и вода или антифриз на основе воды, или водяной пар.

Такими гидридами могут быть бораны, силаны, фосфины, германы, гидриды бериллия, лития, алюминия, двойные гидриды (лития-алюминия) или боргидриды.

Наилучшим экзотермическим эффектом обладает реакция с водой гидрида бериллия:

Пример 1. Работает двигатель так: в горячей камере сгорания компоненты смешиваются, и происходит реакция расплавленного гидрида бериллия с водой (разумеется, как и в обычном ЖРД, компоненты мелко распыляются и смешиваются):

ВеН2+Н2О=ВеО+2Н2+291,5 кДж/моль.

То есть удельный экзотермический эффект реакции 10,05 кДж/г, что выше, чем у большинства твердых ракетных топлив. Гидрид бериллия должен быть в расплавленном состоянии с температурой 220-245 градусов С (при 250 градусах С он разлагается).

Как видно из реакции, стехиометрическое соотношение компонентов должно быть 11,014:18,02, и при этом выделится 4,03 г/м водорода. Что в процентном соотношении составляет 37,93:62,07% и выделится 14,81% водорода от исходной массы реагирующих веществ. Из-за неполноты реакции и по другим причинам (особенно при применении антифриза) возможны отклонения в ту или другую сторону до 20%. В случае применения антифриза расчет следует вести с учетом возможного реагирования и других компонентов антифриза. Оптимальное соотношение подбирается опытным путем.

Примерные расчеты показывают, что температура реакции будет при постоянном давлении 3180 градусов С. Скорость звука в водороде составит 4560 м/сек. Скорость газо-пылевой реактивной струи составит около 8200 м/сек. Однако, слишком малое количество выделившегося водорода внушает сомнения - сможет ли он разогнать всю первоначальную массу до такой скорости. Проверочный расчет (без учета нагрева компонентов) по закону сохранения энергии показал, что максимальная скорость даже при 100% к.п.д. будет 4480 м/сек. Реально - еще меньше.

Но так как к.п.д. 100% не бывает, то из сказанного следует неожиданный вывод - данному двигателю не нужно расширяющееся сверхзвуковое сопло. Достаточно сужающегося. Желательно, с небольшой цилиндрической частью на выходе, чтобы лучше разогнать пылевые частицы. Отсутствие конфузора реактивного сопла значительно снизит вес двигателя и резко снизит его габариты.

Такой двигатель хорошо применим к плановым космическим запускам, так как необходимо аккуратно расплавить гидрид бериллия и поддерживать его в этом состоянии. Желательно также нагреть, а еще лучше - перегреть воду (все это тепло выделится в камере сгорания). Но при этом необходимо охлаждать (например, водяной рубашкой) полезную нагрузку. Воду в такой двигатель, естественно, надо подавать, пропустив предварительно через рубашку охлаждения двигателя, то есть в виде перегретого пара. Чтобы такой двигатель запустился, ему необходим начальный источник тепла. Им может быть установленная на пусковой установке горелка или пиротехническая шашка, которая направлена внутрь камеры сгорания. В течение некоторого времени она прогревает камеру, а затем, после подачи компонентов топлива (будем его так называть, хотя оно не «горит»), инициирует начало их реакции.

Более интересен вариант, в котором шашка быстрогорящего твердого ракетного топлива установлена в самой камере сгорания - по центру и/или на стенках ее. Такая шашка при правильном расчете ее мощности сразу начинает двигать ракету, прогревает камеру сгорания и в конце работы (примерно на 25-10% мощности) инициирует реакцию реагентов топлива. Возможно плавное замещение производительности шашки плавной подачей топлива в камеру сгорания. Время работы такой шашки невелико - секунды или даже доли секунды. Так как желательно прогреть стенки камеры сгорания, то, если шашек две - в центре и по краям камеры сгорания, то центральная шашка должна работать несколько дольше, чтобы прогреть стенки, открывшиеся после полного выгорания боковой шашки.

ВАРИАНТ 2. Твердотопливный вариант. Такой двигатель содержит корпус с реактивным соплом, в котором находится гидрид или смесь гидридов, и вещества или смесь веществ, содержащие воду в связанном состоянии. Например, квасцы, силикагели, бура, сульфат магния, хлорид кальция и т.п.

Желательное требование к таким веществам - как можно меньшая упругость водяных паров, чтобы не происходило постепенного реагирования гидрида с этими парами. Иначе это приведет к постепенной частичной потере энергии заряда, и может привести к самопроизвольному возгоранию. Поэтому срок хранения таких двигателей может оказаться небольшим, что может потребовать приготовления зарядов таких двигателей непосредственно перед употреблением.

Второе желательное требование к таким веществам - наибольший процент связанной воды от исходного веса.

Третье желательное требование к таким веществам - наибольшая мольная энтропия образования (наименьшее отрицательное число), приходящаяся на одну молекулу связанной воды. От этого зависит экзотермический эффект суммарной реакции.

В качестве гидридов могут быть использованы твердые гидриды - гидрид бериллия, боргидрид бериллия, алюмогидрид лития и т.п.

Пример 2. Возьмем в качестве вещества, содержащего связанную воду, сульфат магния, содержащий 7 молекул кристаллизационной воды, а в качестве гидрида - гидрид бериллия. При нагревании сульфат теряет воду, и гидрид бериллия реагирует с водой:

7ВеН2+MgSО4*7H2О=7ВеО+MgSО4+14Н2+1960 кДж.

То есть получим удельное энерговыделение 6,05 кДж/г и выделение водорода 8,7% от исходной массы. Эквивалентный показатель, равный произведению энерговыделения на долю выделившегося водорода, сравнительно низкий - 0,53. Расчетная температура реакции при постоянном объеме 500 градусов С. Скорость звука в таком водороде будет 2150 м/сек, скорость струи - 3880 м/сек. Проверочный расчет по закону сохранения энергии показал, что даже при 100% к.п.д. скорость не превысит 3620 м/сек.

Стехиометрическое соотношение компонентов: гидрида бериллия - 77,21, сульфата магния кристаллогидрата - 246,47. Или 23,85% и 76,15%.

Работает двигатель так: при нагревании до 150 градусов С сульфат магния теряет 6 молекул кристаллизационной воды, а при нагревании до 200 градусов С - всю воду. Вода вступает в экзотермическую реакцию с гидридом бериллия и экзотермически выделяется водород, который истекает из сопла.

ВАРИАНТ 3. Однако для реакции с гидридами можно использовать не только вещества, связывающие воду, но и вещества, выделяющие ее при своем разложении, например любое жидкое или твердое ракетное топливо. При этом, правда, чистого водорода не получится. Получится смесь водорода с азотом, углекислым газом и некоторыми другими примесями. Однако температура этой смеси получится достаточно высокой, и эффективность такого двигателя может оказаться выше, чем предыдущего, или чем традиционного окислительно-восстановительного.

Более того - если будет образовываться азот или его соединения, то его можно полезно использовать, если в качестве гидрида применить бораны, например диборан. В результате произойдет реакция образования нитрида бора, сопровождающаяся хорошим экзотермическим эффектом (мольная энтальпия образования нитрида бора - 252,6 кДж).

Двигатель по варианту 3 содержит камеру сгорания или корпус с соплом, работает на жидком или твердом ракетном топливе и отличается тем, что в камеру сгорания или в корпус твердотопливного ракетного двигателя дополнительно подается боран, или силан, или фосфин, или герман, или расплавленные гидриды, или же твердые гидриды дополнительно входят в состав твердого ракетного топлива.

Инициирующий пиротехнический заряд такого двигателя находится, как обычно у твердотопливных двигателей, внутри корпуса.

В результате горения обычного (окислительно-восстановительного) ракетного топлива и взаимодействия гидридов с образовавшейся водой получается газо-пылевая смесь, в которой скорость звука будет ниже, чем водороде, но выше, чем в обычных ракетных газах. Суммарный импульс такого двигателя может оказаться и выше чисто водородного двигателя, и выше окислительно-восстановительного двигателя (требуется серия экспериментов). Но, даже если импульс окажется примерно одинаковым, такой двигатель продолжает сохранять преимущество низкой температуры процесса, то есть будет иметь пониженную инфракрасную заметность и низкую тепловую напряженность конструкции двигателя, то есть ее малый вес и отсутствие охлаждения.

Стехиометрическое соотношение компонентов зависит от конкретного типа ракетного топлива и определяется экспериментально (при горении топлива количество выделившейся воды может отличаться от теоретического). Оптимальное соотношение может отличаться от стехиометрического.

Если двигатель по любому из вариантов работает не в вакууме, и если водород за соплом будет смешиваться с воздухом и гореть, то имеющиеся в нем пылевые частицы будут светиться, и инфракрасная заметность такого двигателя будет наоборот - несколько выше, чем у классического окислительно-восстановительного.

Ракетный двигатель содержит камеру сгорания с соплом, в которую под давлением подается газообразный, или жидкий, или расплавленный гидрид и вода или антифриз на основе воды, или водяной пар. В камеру сгорания подается расплавленного гидрида бериллия 37,93±20% и воды 62,07±20%. В другом варианте ракетный двигатель содержит корпус с реактивным соплом. В корпусе находится гидрид или смесь гидридов и вещества или смесь веществ, содержащие воду в связанном состоянии. В качестве веществ, содержащих воду в связанном состоянии, используют квасцы, или силикагель, или буру, или сульфат магния, или хлорид кальция. Группа изобретений позволяет повысить удельный импульс ракетного двигателя. 2 н. и 3 з.п. ф-лы.

1. Ракетный двигатель, содержащий камеру сгорания с соплом, в которую под давлением подается газообразный, или жидкий, или расплавленный гидрид и вода или антифриз на основе воды, или водяной пар, отличающийся тем, что в камеру сгорания подается расплавленного гидрида бериллия 37,93±20% и воды 62,07±20%.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в камеру сгорания направлена горелка или пиротехническая шашка, установленная на пусковой установке.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в центре и/или по краям камеры сгорания установлена шашка твердого ракетного топлива.

4. Ракетный двигатель, содержащий корпус с реактивным соплом, а в корпусе находится гидрид или смесь гидридов и вещества или смесь веществ, содержащие воду в связанном состоянии, отличающийся тем, что такими веществами являются квасцы, или силикагели, или бура, или сульфат магния, или хлорид кальция.

5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что содержит гидрида бериллия 23,85% и кристаллогидрата сульфата магния 76,15%.