РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СТАРОВЕРОВА - 5 /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 газопылевого 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 металлов 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 расплавленный металл и вода, или антифриз на основе воды, или водяной пар.

Известно, что многие металлы и неметаллы (например, черный фосфор) реагируют с водой с выделением водорода. Эту реакцию можно использовать для выделения и саморазогрева водорода. Среди обширного выбора металлов следует отдать предпочтение или металлам, реагирующим с водой с большой скоростью, или металлам, имеющим минимальную (то есть большое отрицательное число) удельную (то есть на 1 г) энтальпию образования, то есть сильный экзотермический эффект реакции окисления. Это обеспечит получение нагретого до больших температур водорода и, следовательно, большую скорость звука в нем.

Хорошей скоростью реакции обладают натрий и калий, но их удельные энтальпии очень низкие (у калия - самая низкая из практически применимых металлов).

Хорошей скоростью реакции и сравнительно хорошей удельной энтальпией обладают: литий - 19,93, алюминий - 16,43, кремний - 15,06, магний - 14,94, кальций - 11,32 кДж/г. Но наивысшая она у бериллия - 23,92 кДж/г.

Играют также роль валентность и удельный вес металла, например, чтобы связать один атом кислорода, необходимо (в атомных единицах): алюминия - 18, калия - 78,2, кальция - 40,1, кремния - 14,0, лития - 13,9, магния - 24,3, натрия - 46, бериллия - 9,0 (наименьшее значение).

В результате вычисления удельного экзотермического эффекта реакции металла с водой получились следующие значения (в кДж/г.): натрий - 2,03, кремний - 5,20, кальций - 6,01, магний - 7,47, алюминий - 7,57, литий - 9,72, бериллий - 11,56 (наибольшее тепловыделение).

Удельное (в % на 1 г исходной смеси) выделение водорода таково: натрий - 3,33, кальций - 3,44, магний - 4,73, алюминий - 5,90, кремний - 6,24, литий - 6,27, бериллий - 8% относительно исходной массы (наибольшее значение).

Введем условный эквивалентный показатель «К» ценности реакций, равный произведению удельного экзотермического эффекта на долю водорода. Из наиболее применимых металлов он равен: натрий - 0,07, кальций - 0,21, кремний - 0,32, алюминий - 0,45, литий - 0,61, бериллий - 0,92 (наивысшее значение). То есть для реального применения можно выделить бериллий, литий и, как наиболее дешевый, алюминий. Что интересно, литий может реагировать также с жидким, а тем более - с горячим аммиаком.

Однако если реакция с водой у лития идет достаточно интенсивно, то у алюминия - очень медленно, а с бериллием практически не идет, так как алюминий и бериллий покрываются оксидной пленкой. Поэтому, казалось бы, достаточно быстрой реакции с этими веществами быть не может. Но есть несколько способов повысить скорость реакции:

1) большая поверхность реакции, то есть измельчение (разбрызгивание, распыление струей водяного пара) металла до чрезвычайно мелкодисперсного состояния. Желательно - до наноразмеров;

2) большое давление в области реакции;

3) повышенная температура в области реакции;

4) перепад температур в процессе реакции. При этом за счет различных коэффициентов термического расширения в пленке окислов появляются трещины;

5) наличие катализаторов, в частности, приведение воды в состояние электролита наличием кислот или щелочей;

6) наличие в алюминии или бериллии ртути, которая не дает образоваться целостной оксидной пленке;

7) наличие в металле растворенного водорода или другого хорошо растворимого в данном металле газа. При образовании оксидной пленки газ будет высвобождаться и нарушать целостность пленки. Известно, что очень хорошо в металлах растворяется водород;

8) образование на молекулярном уровне гальванических пар, то есть использование не чистых металлов, а их сплавов, например 90% бериллия и 10% лития;

9) использование твердого катализатора, например, углерода.

Если в качестве металлов использованы алюминий или бериллий, то в состав металла следует добавить ртуть в количестве 0,0001-10%, это разрушает оксидную пленку.

Пример 1. Наилучшим экзотермическим эффектом обладает реакция с водой бериллия. Работает двигатель так: в горячей камере сгорания компоненты смешиваются, и происходит реакция расплавленного бериллия с водой (разумеется, как и в обычном ЖРД, компоненты мелко распыляются и смешиваются). Температура плавления бериллия 1284 градуса С, что позволяет использовать для конструкции ракеты титановые сплавы. Температура кипения бериллия 2970 градусов С, и можно было бы заправить ракету перегретым бериллием под давлением, но в этом случае материалом корпуса ракеты и турбонасосного (или иного нагнетательного) агрегата может быть только вольфрам. Вода также хранится в баке ракеты в перегретом виде под избыточным давлением. Все это тепло выделится в камере сгорания двигателя.

Металл в баке должен быть без признаков оксидной пленки, то есть нагреваться и заливаться металл должен в вакууме или в инертной атмосфере, а еще лучше - в водороде (сразу будет происходить растворение водорода в металле).

Be+H2O=ВеО+Н2+312 кДж.

Удельное тепловыделение 11,56 кДж/г, водорода- 8%, К=0,92.

Примерные расчеты показывают, что прирост температуры реакции будет при постоянном давлении 3180 градусов С. При начальных температурах бериллия 1300 градусов С и воды 200 градусов С с учетом теплоемкостей исходных и получившихся веществ температура процесса достигнет 4600 градусов С. При этом скорость звука в водороде составит 5420 м/сек. Скорость газопылевой реактивной струи составит около 9760 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% кпд будет 4810 м/сек. Реально - еще меньше.

Но так как кпд 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.

Стехиометрическое соотношение компонентов: бериллия - 9,01, воды - 18,02, то есть 33,3% и 66,7%.

Такой двигатель хорошо применим к плановым космическим запускам, так как необходимо расплавить бериллий 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 желателен 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 мелкодисперсный металл или смесь металлов, и вещества или смесь веществ, содержащие воду в связанном состоянии. Например, квасцы, силикагели, бура, сульфат магния, хлорид кальция и т.п. (любой из альтернативных признаков или их сочетание обеспечивает заданный технический результат - выделение воды при нагревании).

Желательное требование к таким веществам - как можно меньшая упругость водяных паров, чтобы не происходило постепенного реагирования металла 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.

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

7Ве+MgSO4*7H2O=7ВеО+MgSO4+7Н2+2103 кДж.

То есть получим удельное тепловыделение 11,5 кДж/г и выделение водорода 7,7% от исходной массы. Эквивалентный показатель, равный произведению энерговыделения на долю выделившегося водорода, сравнительно низкий - 0,88. Расчетная температура реакции при постоянном объеме 5240 градусов С. Скорость звука в таком водороде будет 5760 м/сек, ожидаемая скорость струи - около 10370 м/сек. Однако слишком малое количество водорода внушает сомнения, сможет ли он разогнать «балласт», то есть твердые или жидкие продукты реакции, до такой скорости. Проверочный расчет по закону сохранения энергии показывает, что даже при 100% кпд скорость продуктов реакции не превысит 3690 м/сек. То есть практически - еще меньше.

Стехиометрическое соотношение компонентов: бериллия - 63,07, сульфата магния кристаллогидрата - 246,47 или 20,38% и 79,62%.

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 металлами 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 жидкий или газообразный металл или же мелкодисперсный металл дополнительно входит 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 газопылевая 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.

ВАРИАНТ 4. Как было сказано выше, литий реагирует с жидким аммиаком, а при высоких температуре и давлении - и с аммиаком, находящимся в сверхкритическом состоянии. Прирост температуры при этом получится небольшой - 1290 градусов С. Удельное тепловыделение - 4,03 кДж/г, выделение водорода - 7,98%, эквивалентный показатель - 0,32.

Стехеометрическое соотношение компонентов: 20,82:17,03, то есть лития - 55%, аммиака - 45%. Однако может оказаться целесообразным взять аммиака несколько больше, так как он будет при такой температуре частично разлагаться на водород и азот (реакция обратимая равновесная), что может оказаться полезным для повышения эффективности двигателя. Поэтому следует предусмотреть допуск ±20%. Однако не следует брать аммиака слишком много, так как реакция его разложения эндотермическая.

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.

ВАРИАНТ 5. Данный двигатель по любому из вариантов может использоваться в качестве поставщика горячего водорода в обычный окислительно-восстановительный ЖРД или ТТРД. Причем ТТРД в этом случае будет представлять собой газогенераторную кислородовыделяющую шашку и может иметь отдельную камеру сгорания. Этот вариант интересен тем, что в газогенераторной шашке и «водородовыделяющей шашке» (данном двигателе) будут сравнительно небольшие температуры, и их корпуса не потребуют значительной теплоизоляции. А высокие температуры будут только в их общей камере сгорания сравнительно небольшого размера и объема.

Ракетный двигатель содержит камеру сгорания с соплом. В камеру сгорания подают жидкий металл и воду. В камеру сгорания подают расплавленного бериллия 33,3±20% и воды 66,7±20%. В другом варианте ракетный двигатель содержит корпус с реактивным соплом. В корпусе находится бериллия 20,38% и кристаллогидрата сульфата магния 79,62%. Группа изобретений позволяет повысить удельный импульс ракетного двигателя. 2 н. и 5 з.п. ф-лы.

1. Ракетный двигатель, содержащий камеру сгорания с соплом и отличающийся тем, что в нее под давлением подается жидкий металл и вода, причем в камеру сгорания подается расплавленного бериллия 33,3±20% и воды 66,7±20%.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлов используются бериллий, или литий, или алюминий.

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

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

5. Ракетный двигатель, содержащий корпус с реактивным соплом и отличающийся тем, что в корпусе находится металл и вещества, содержащие воду в связанном состоянии, причем двигатель содержит бериллия 20,38% и кристаллогидрата сульфата магния 79,62%.

6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что используется в качестве водородовыделяющей шашки для ЖРД или ТТРД.

7. Двигатель по п. 6, отличающийся тем, что кислородовыделяющая шашка, если она есть, и водородовыделяющая шашка расположены отдельно, например разделены поперечной перегородкой, и имеют общую камеру сгорания.