Импульсный детонационный ракетный двигатель Российский патент 2018 года по МПК F02K7/04 F03H1/00 

Изобретение относится к ракетной технике и предназначено для создания импульсных ракетных двигателей систем ориентации космических аппаратов и старта с поверхности и посадки на планеты с малой гравитацией, например Луну.

Известен импульсный электрический ракетный двигатель [1], состоящий из анода, катода и шашки рабочего тела, расположенной между ними.

Однако такой ракетный двигатель работает на применении твердого рабочего тела. К недостаткам можно отнести отсутствие продуманной системы зажигания импульса электрического разряда.

Известен также импульсный ракетный двигатель [2], состоящий из анода, катода и шашки из рабочего тела, выполненного из материала с высоким значением диэлектрической проницаемости.

Однако и такой двигатель предназначен для использования твердого рабочего тела и не способен использовать порошок из других материалов. Резко ограничен выбор материала для двигателя из-за требований к высокой диэлектрической проницаемости.

В качестве аналога выбран импульсный электрический ракетный двигатель, состоящий из анода и катода, подключенных к генератору высоковольтных импульсов [3].

Такой ракетный двигатель работает на жидком рабочем теле. Однако жидкое рабочее тело выполнено в виде пленки и использует режим электрического поверхностного разряда, приводящего к частичному испарению этой пленки. Давление, развиваемое между анодом и катодом, незначительно, что не позволяет получить и высоких скоростей истечения рабочего тела. Поверхностный разряд осуществляется преимущественно по сложившейся электроразрядной дорожке, что позволяет только частично использовать запас рабочего тела.

В качестве аналога выбран электроразрядный [4] ракетный двигатель, содержащий разгонный участок в виде полой трубки, катод и острийковый анод, разделенные диэлектриком и соединенные с высоковольтным источником напряжения, и снабженный системой подачи рабочего тела. Однако и этот двигатель способен лишь частично использовать рабочее тело.

В качестве прототипа выбран импульсный электроразрядный ракетный двигатель [5], содержащий участок в виде газодинамического резонатора с полой разгонной трубкой, заканчивающийся сверхзвуковым соплом, анодом и катодом, разделенными диэлектриком и соединенными с высоковольтным источником напряжения и высоковольтным конденсатором, снабженный системой подачи и поджига рабочего тела.

Однако в системе подачи рабочего тела присутствует дозатор подачи рабочего тела, система, инициирующая детонационный разряд, достаточно сложна из-за того, что разряд осуществляется в нестабильных условиях, поскольку использование газообразного рабочего тела не всегда позволяет равномерно разместить его в резонаторе.

Особенность предлагаемого импульсного ракетного двигателя состоит в том, что система подачи и поджига выполнена в виде прозрачной диэлектрической трубки, заполненной инертным газом, на торцах которой установлены анод и катод, а рабочее тело выполнено в виде цилиндрического усеченного конуса из светопоглощающего материала, обращенного широким основанием в сторону к сверхзвуковому соплу, а диэлектрическая прозрачная трубка установлена по оси симметрии цилиндрического усеченного конуса.

Целью предлагаемого реактивного двигателя является облегчение инициирования разряда, увеличение скорости истечения рабочего тела и увеличение доли сжигаемого рабочего тела.

На рис. 1 схематично изображен предлагаемый импульсный детонационный ракетный двигатель. Он содержит участок в виде газодинамического резонатора 1 с полой разгонной трубкой 2, заканчивающийся сверхзвуковым соплом 3, анодом 4 и катодом 5, разделенными диэлектриком и соединенными с высоковольтным источником напряжения 6 и высоковольтным конденсатором 7, снабженный системой подачи и поджига рабочего тела. Особенностью является то, что система подачи и поджига выполнена в виде прозрачной диэлектрической трубки 8, заполненной инертным газом 9, на торцах которой установлены анод 4 и катод 5, а рабочее тело 10 выполнено в виде цилиндрического усеченного конуса из светопоглощающего материала, обращенного широким основанием в сторону к сверхзвуковому соплу 3, а диэлектрическая трубка 8 установлена по оси симметрии цилиндрического усеченного конуса 10.

Работает предлагаемый импульсный детонационный двигатель следующим образом. При подключении анода 4 и катода 5 к импульсному источнику напряжения 6 и высоковольтному конденсатору 7 между анодом 4 и катодом 5 осуществляется электрический разряд с получением низкотемпературной плазмы с температурой до 30.000 К. Основная часть (до 70-80) энергии выделяется в виде световой энергии, которая проходит через диэлектрическую прозрачную трубку 8 и выделяется на светопоглощающем материале усеченного конуса 10. Высокий коэффициент преобразования электрического разряда в световую энергию достигается за счет заполнения диэлектрической прозрачной трубки 8 инертным газом. Использование других газов нецелесообразно по многим причинам (сильная эрозия катода и анода, пониженные температуры на поверхности светпоглощающего материала). Благодаря своей форме, выполненной в виде цилиндрического усеченного конуса, температура в узком сечении этого конуса существенно выше, чем в широком сечении, что создает мощный гидродинамический импульс в направлении сверхзвукового сопла 3. Импульс создается за счет поверхностного испарения светопоглощающегося материала. Электрический разряд осуществляется в замкнутой герметичной трубке 8, что позволяет добиваться воспроизводимого гидродинамического импульса в зависимости от энергии разряда.

Примеры выполнения реактивного двигателя №1. В качестве светопоглощающего материала выбран эбонит с высоким коэффициентом светового поглощения. Зазор между герметичной прозрачной трубкой выбран в 2 мм. При энергии разряда в 1000 Дж и длительности импульса в 10^-3 секунды мощность разряда оценивается в 1 МВт. На выходе из сопла регистрируется мощный выхлоп из испарившегося материала.

Примеры выполнения реактивного двигателя №2. В качестве светопоглощающего материала выбран эбонит с высоким коэффициентом светового поглощения. Зазор между герметичной прозрачной трубкой выбран в 2 мм в области узкого сечения конуса из светопоглощающего материала и 4 мм в области широкого сечения конуса. При энергии разряда в 1000 Дж и длительности импульса в 10^-3 секунды мощность разряда по-прежнему оценивается в 1 МВт. Благодаря ускоренному движению в сторону сопла на выходе из него регистрируется сверхзвуковое истечение из испарившегося материала, что подтверждается скачками уплотнения (полосами с увеличенной концентрацией продуктов световой эрозии) на бумаге, расположенной вблизи сопла.

Техническим результатом можно признать получение сверхзвуковых скоростей на выходе из сопла и упрощение системы поджига и подачи рабочего тела.

В предложенном импульсном детонационном двигателе нет проблем запуска разряда, нет проблем с подачей рабочего тела, поскольку рабочее тело твердое и нет необходимости его перемещать. При освоении Луны в качестве рабочего тела можно использовать спеченный лунный реголит. Плотность излучения от предложенного импульсного источника света позволяет при небольших зазорах испарять даже вольфрам, который не совсем пригоден в качестве рабочего тела, поскольку температура испарения этого металла весьма значительна

Источники информации

1. Патент RU №201113344. Импульсный электрический ракетный двигатель.

2. Патент RU №2211952. Импульсный электрический ракетный двигатель.

3. Патент RU №2011124587. Импульсный электрический ракетный двигатель.

4. Патент RU №200710731. Импульсный электрический ракетный двигатель.

5. Патент RU №2433293. Импульсный детонационный ракетный двигатель.

Изобретение относится к ракетной технике и предназначено для создания импульсных ракетных двигателей систем ориентации космических аппаратов и старта с поверхности и посадки на планеты с малой гравитацией, например Луну. Импульсный детонационный ракетный двигатель, в котором система подачи и поджига выполнена в виде прозрачной диэлектрической трубки, заполненной инертным газом, на торцах которой установлены анод и катод, а рабочее тело выполнено в виде цилиндрического усеченного конуса из светопоглощающего материала, обращенного широким основанием в сторону к сверхзвуковому соплу. При этом диэлектрическая прозрачная трубка установлена по оси симметрии цилиндрического усеченного конуса. Изобретение позволяет облегчить инициирование разряда, увеличить скорость истечения рабочего тела и увеличить долю сжигаемого рабочего тела, что приводит к получению сверхзвуковых скоростей на выходе из сопла, а также к упрощению системы поджига и подачи рабочего тела. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Импульсный детонационный ракетный двигатель, содержащий участок в виде газодинамического резонатора с полой разгонной трубкой, заканчивающийся сверхзвуковым соплом, анодом и катодом, разделенными диэлектриком и соединенные с высоковольтным источником напряжения и высоковольтным конденсатором, снабженный системой подачи и поджига рабочего тела, отличающийся тем, что система подачи и поджига выполнена в виде прозрачной диэлектрической трубки, заполненной инертным газом, на торцах которой установлены анод и катод, а рабочее тело выполнено в виде цилиндрического усеченного конуса из светопоглощающего материала, обращенного широким основанием в сторону к сверхзвуковому соплу, а диэлектрическая прозрачная трубка установлена по оси симметрии цилиндрического усеченного конуса.

2. Импульсный электроразрядный ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что рабочее тело выполнено из эбонита.

3. Импульсный электроразрядный ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что рабочее тело выполнено из спеченного порошка лунного реголита.