ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ИОНИЗАТОРОМ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ И ПОДОГРЕВОМ ГАЗОВ ПЛАЗМОЙ В СОПЛЕ Российский патент 2024 года по МПК F02K9/42 F02K99/00 F03H1/00 

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а более конкретно, к специальной конструкции жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) и может быть использовано в качестве маршевого или управляющего ЖРД космических аппаратов, или средств доставки грузов по баллистической траектории, или в качестве ЖРД многократного включения. Подогрев газового потока низкотемпературной плазмой (НТП) в сверхзвуковом, коническом сопле, посредством внешнего, электромагнитного, высокочастотного (ВЧ) поля индуктора, используется для локального подогрева потока газов, образующихся при сгорании топлива в камере сгорания (КС) для ЖРД, с целью увеличения его тяги. Подогрев газов может производиться даже на относительно небольшом участке по сравнению со всей длиной сопла. Тем не менее, в результате этого скорость атомов (ионов) существенно увеличивается за счет локального подогрева в поле индуктора при увеличении температуры движущегося потока газов и уменьшении его плотности, соответственно. Это приводит к увеличению удельного импульса (УИ) для ЖРД. Подобные работы и патенты, использующие подогрев плазмой сверхзвуковых потоков газовых смесей высокой плотности для ЖРД, с их предварительной ионизацией, в литературе отсутствуют, хотя сверхзвуковые потоки плазмы аргона и азота малой плотности исследовались экспериментально в плазматронах по работе: Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С. Плазматроны. М.: Машиностроение, 1993. 296 с. Мощное, электромагнитное ВЧ поле разогревает электроны, посредством индуктора, до температуры 7500-10000 К, значительно превышающей температуру окружающих нейтральных молекул, атомов, ионов. Электроны, вращаясь по круговой орбите в индукторах, сталкиваются с атомами и молекулами, передавая им свою энергию и подогревая сверхзвуковой поток газа до высокой температуры, не превышающей температуру электронов. Величина подогрева зависит от удельной мощности электромагнитного ВЧ поля и давления в КС. Мощность ВЧ генераторов для индукторов соответствует реальным возможностям сборки на мощных транзисторах, например: 2П979 В (300 Вт, 230 МГц, выпуск 2006 г.) или BLF574 (600 Вт, 108 МГц, выпуск 2010 г.), или других, более мощных.

На фиг. 1 изображена упрощенная схема построения ЖРД, где - корпус КС -1; объем КС -2; критическое сечение -3; коническое керамическое сопло -4; индуктор электромагнитного ВЧ поля -5; генератор электроэнергии ВЧ напряжения -6; изолятор -7; ионизатор -8; анод -9; поток рентгеновских квантов -10. Площадь заземленного анода (9) ионизатора примерно равна площади критического сечения (3).

Охлаждаемая КС (1) малого диаметра сможет выдержать высокое внутреннее давление газов (2), а керамическое, охлаждаемое, коническое сопло (4) позволит проникнуть мощному электромагнитному ВЧ полю от внешнего индуктора (5), питаемому от генератора энергии (6), и подогреть сверхзвуковой газовый поток плазмой для ускорения газового потока. Встроенный ионизатор (8), соединенный посредством изолятора (7) с импульсным источником высокого напряжения (6), предназначен для образования в аноде (9) направленного потока рентгеновских квантов (10) которые ионизируют плотный поток атомов и молекул в объеме КС и в критическом сечении (3).

На фиг. 2 показан вариант конического сопла с тремя индукторами на рабочие частоты F₁, F₂=2⋅F₁ и F₃=2⋅F₂. Стрелка S_п - направление вектора Умова-Пойнтинга для электромагнитной волны ВЧ поля. Частоты F₁, F₂ и F₃ соответствуют тому, чтобы воздействие электромагнитного ВЧ поля, определяемое величиной эффективного слоя поглощения (скин-слоя Δр) в нашей конструкции конического сопла, происходило наиболее эффективно, а частоты находились в разрешенных диапазонах для промышленного использования по ГОСТ Р 51318.11-2006 «Совместимость технических средств электромагнитная. Промышленные, научные, медицинские и бытовые (ПНМБ) высокочастотные устройства». В противном случае, одновременная работа множества мощных генераторов может привести к взаимным наводкам и помехам радиосвязи на Земле, а эффективность подогрева газов плазмой резко снизится.

Область, занятая плазмой, отделена от витков индукторов охлаждаемым, коническим, керамическим соплом с температурой поверхности не более 1000 К. Рабочая частота электромагнитного ВЧ поля, выбрана в диапазоне F=3,39-27,12 MHz определяется величиной скин-слоя Δ_p=[2/((μ_v⋅σ(T)⋅2π⋅F]^1/2, где μ_v - магнитная постоянная вакуума, σ(Т) - средняя проводимость плазмы в зоне подогрева электромагнитным ВЧ полем и геометрическими размерами конического, керамического сопла. Параметры плазмы на входе индуктора зависят от проводимости втекающего газа, который обычно имеет небольшую проводимость σ_о<30 l/Ω⋅м для типичных температур газов в начале сопла Т_а=2528-2752 K, что соответствует давлениям в КС для ЖРД ~1-50 МПа для керосина с азотной кислотой. Этой величины σ₀ недостаточно для оптимального поглощения электромагнитного ВЧ поля и эффективного подогрева потока газов в индукторе даже при использовании в топливе добавок щелочных металлов. Если же повысить степень ионизации газов в КС предлагаемым ионизатором, показанным на фиг. 3, то величина проводимости достигнет оптимальной величины σ_s~200 l/Ω⋅м на входе в сопло. В этом случае, подогретый и проводящий газ будет нагрузкой и частью магнитной системы индуктора. Тогда разогретые электроны образуют короткозамкнутый виток виртуального трансформатора с большой плотностью тока направленного навстречу первичному току обмотки индуктора. Если электромагнитная ВЧ энергия проникает на глубину скин-слоя Δ_р, соизмеримого с входным радиусом индуктора, то на этой глубине поглощается около 87% энергии, подогревающей сверхзвуковой газовый поток. В другом случае, эффективность передачи ВЧ энергии плотным потокам газов будет незначительной. Дополнительная ионизация топлива в КС значительно повышает скорость его сгорания из-за образования свободных радикалов и электронов, книга: Степанов Е.М., Дьячков Б.Г. Ионизация в пламени и электрическое поле. М.: «Металлургия», 1968 г., а, следовательно, уменьшает количество не сгоревшего топлива.

На фиг. 3 представлена упрощенная конструкция ионизатора, где 11 - керамический корпус; 12 - вольфрамовая спираль; 13 - пористый подогреваемый катод; 14 - поток электронов; 15 - фокусирующая катушка; 16 - анод; 17 - медная охлаждаемая основа. Постоянный ток анода составляет типичное значение i_а=2,5 А, что соответствует величине импульсной мощности ионизатора P_imp=250-1000 кВт и скважности импульсов Q=500-2000, тогда средняя мощность ионизатора будет равна P_i=500 Вт чтобы избежать сильного разогрева охлаждаемого анода. Поток электронов (14) в ионизаторе движется со скоростью 0,55-0,83 от скорости света и при ударе о поверхность анода проникает глубоко в анод, частично отражаясь от поверхности и диффузно рассеиваясь на керамических стенках. При такой скорости электронов в аноде проявляется эффект Комптона, а на выходе ионизатора из анода выходит интенсивный поток рентгеновских квантов с энергией 8,04 кэВ (медный анод), для которых распределение по углу в диапазоне ускоряющего напряжения ~400 кВ, имеет косинусный вид. Более подробно специальный ионизатор для ЖРД при давлении в КС равном 10-15 МПа рассмотрен в работе: Воронин СТ. Ионизатор горячих газовых потоков высокой плотности рентгеновским, характеристическим излучением при фотолюминесценции комбинированного анода трансмиссионного типа.//Физические основы приборостроения. 2022. T. 11. №3 (45), С. 14-21.

Геометрические размеры для конического сопла и индукторов подбираются с целью наиболее эффективного подогрева газов индуктором и согласования индуктора с генератором ВЧ энергии. Были выбраны следующие расчетные, оптимальные размеры для конического сопла: внутренний входной диаметр критического сечения D_cr=10 мм, выходной диаметр D_out=60 мм и длина сопла L_c=150 мм для указанных выше частот индукторов.

Толщина диэлектрических стенок сопла 8 мм. Тепловая мощность КС составляла 397 кВт при ее объеме 500 см^-3. Удельная тепловая мощность для КС равнялась 794 Вт/см³ для расчетной топливной пары керосин - азотная кислота при рабочем давлении в камере сгорания 15 МПа и скорости потока газов в критическом сечении W_кp=997 м/с для расхода топлива G=0,052 кг/с по работе: Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Справочник в 10 томах под редакцией академика Глушко В.П. М: ВИНИТИ АН СССР, 1971-1979.3, том 5. Удельная ВЧ мощность принята равной ~1200 Вт/см³ и значительно превышает удельную тепловую мощность КС.

Для достижения главной цели - увеличения УИ для ЖРД, были сделаны соответствующие расчеты и проведены опыты и эксперименты, которые показали реальную возможность изготовления предлагаемой конструкции ЖРД по работе: Воронин СТ. Численное моделирование сверхзвукового потока газов в коническом сопле с локальным подогревом плазмой.//Письма в ЖТФ, 2022, Т. 48, №10, С. 40-44. В настоящее время появились экономичные электрогенераторы марки МЭГ мощностью 6-15 кВт и весом 4,5-9 кг на основе которых возможно изготовление предлагаемого малогабаритного ЖРД с давлением в КС до 15 МПа. Расчетный вес предлагаемого ЖРД увеличивается в 1,5 раза, относительно обычного ЖРД при таких же габаритах, но при росте удельного импульса в 2-2,5 раза, тогда эффективность использования топлива увеличивается более чем в 3 раза. Конструкция самого ЖРД кардинально изменяется, но вспомогательное оборудование остается (баки, турбины, клапаны, датчики и прочее), за исключением использования ионизатора с источником импульсного, высокого напряжения, системы индукторов с мощным генератором ВЧ электроэнергии. Концепция построения предлагаемого малогабаритного ЖРД содержит следующие принципиальные положения:

1) ограничение диаметра КС до 60-80 мм при значительном уменьшении сечения в критической части и соответствующем увеличении приведенной длины пролета L_пр для газов в КС - равной отношению объема КС к площади критического сечения;

2) изменение рабочего давления в КС в широком интервале P_кс=10-50 МПа;

3) повышение средней температуры Г_кс в КС и критическом сечении Т_кр, соответственно;

4) работа встроенных в КС импульсных, высоковольтных ионизаторов газов на основе мощных потоков рентгеновского излучения с использованием эффекта Комптона;

5) отказ от профилированного сопла Лаваля и замена его на коническое сопло;

6) использование энергии электромагнитного ВЧ поля для ионизации и дополнительного ускорения сверхзвукового потока газов в коническом сопле при его подогреве НТП;

Все вышеназванные положения взаимосвязаны, вследствие использования определенных физических законов положенных в основу достижения главной цели - увеличения УИ.

Например, рост давления и температуры в КС ограничивается ее диаметром, точнее -прочностью и теплопроводностью используемого материала, поэтому в настоящее время он составляет 350-480 мм, при большом расходе не полностью сгорающего в КС топлива, в работе: Воробей В.В. Технология производства ЖРД. М.: МАИ. 2001, 496 С. Также следует учитывать значительные потери энергии в габаритных КС из-за возникающих мощных, механических колебаний турбулентных потоков газов, обусловленных градиентами температуры и скоростей не полностью сгорающего топлива и, особенно, компоненты идущей на тепловую завесу. Понятно, что чем больше давление в КС, тем выше получаемая в ней температура, полнее сгорание топлива и больше УИ на выходе из сопла, этим объясняются три первых пункта, определяющих снятие ограничения по предельному давлению, которое теперь значительно увеличивается, так как диаметр КС уменьшен. Далее, предлагается разделение высокоэффективного сгорания топлива и окислителя при повышенном давлении в изобарной или скоростной КС, с последующим подогревом электромагнитным ВЧ полем в коническом сопле. Отказ от профилированного сопла Лаваля обусловлен самой конструкцией малогабаритного ЖРД с использованием подогрева сверхзвукового потока газов плазмой в коническом сопле. Принципиально возможно объединение нескольких ЖРД в связку, содержащую 3, 7, 20, 38 штук и более, что повысит грузоподъемность ракеты при полете с поверхности земли на низкие или высокие орбиты в космосе или по баллистическим траекториям.

Известен ЖРД малой тяги работающий на жидком химическом топливе (Патент RU 2 176 748 от 01.11.1999 г.) у которого в цилиндрическом корпусе КС установлена полая втулка из жаропрочного диэлектрического материала с расположенными по краям кольцевыми электродами из жаростойкого материала, внутренний диаметр которых равен диаметру КС. Между металлическими электродами зажигается разряд, и температура в КС дополнительно повышается, что приводит к увеличению УИ. Недостатком конструкции является наличие коронирующего разряда по поверхности диэлектрического материала, который воздействует на стенки КС, что снижает надежность и срок службы ЖРД.

Известен ЖРД с дополнительным электромагнитным разгоном рабочего тела, содержащий кольцевую КС, смесительную головку и тарельчатое сопло (Патент RU 2 303 156 С1 от 20.07.2007 г.). Внутренняя часть тарельчатого сопла и выходной участок его внешней части выполнены из токопроводящего материала, соединены с камерой двигателя через прокладки из диэлектрического материала и связаны с источником электрического тока. Дополнительный разгон рабочего тела в рассматриваемом двигателе осуществляется за счет действия электромагнитных сил на ионизированные продукты сгорания. Недостатком является то, что электрический ток в продуктах сгорания обеспечивается ионами с очень малой концентрацией по сравнению с движущимся потоком атомов и молекул, температура которых, к тому же, уменьшается по мере движения в расширяющемся сопле. Кроме того, такой разряд неустойчив и приводит к стягиванию тока в шнур (пинч-эффект), что приводит к местному перегреву и быстрой эрозии элементов конструкции.

Известен ЖРД, который содержит конструктивно: кольцевую КС, смесительную головку и штыревое сопло (Патент RU 2 788 063 С1 от 6.07.2022 г.), также имеется внутренняя электрическая обмотка, размещенная в корпусе КС и подключенная к источнику электрической энергии. Корпус кольцевой КС выполнен из магнитного материала. Смесительная головка соединена с положительным полюсом основного источника электрической энергии и изолирована от корпуса КС. Центральное тело выполнено из диэлектрического материала, а в основание центрального тела установлен кольцевой катод-компенсатор, соединенный с отрицательным полюсом источника электрической энергии. Недостатком предложенной конструкции является то, что работа данного ЖРД может происходить лишь в глубоком вакууме и с малой тягой.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является двигатель VASIMR ученого Франклина Чанг-Диаза (США), предложенного в 1979 г., в разработке фирмы «Ad Astra Rocket Company» (США), www.adastrarocket.com. Последние известные испытания усовершенствованного варианта проводились в вакуумной камере в 2021 г. Двигатель VASIMR является по сути электротепловым, плазменным ускорителем. Он использует радиоволны СВЧ диапазона для ионизации рабочего тела (газ - аргон или ксенон) с последующим разгоном полученной плазмы с помощью электромагнитного поля для получения тяги. Этот двигатель является разновидностью плазменного двигателя без электродов, отличающегося в способе ускорения плазмы при высоком вакууме в космосе. Основное преимущество такой конструкции состоит в исключении эрозии электродов. Все части двигателя VASIMR защищены магнитным полем и не приходят в прямой контакт с газовой плазмой. Величина УИ составляет значительную величину - от 50 до 300 км/с.Недостатками двигателя VASIMR являются: небольшая достигнутая тяга 5,4 ньютон; высокое энергопотребление около 200 кВт; вес 300 кг, без учета веса источников электроэнергии. Причина небольшой тяги - это слабое давление электромагнитного СВЧ поля на плазму, что является непреодолимым препятствием для ее дальнейшего увеличения.

Изобретение относится к ракетной технике для использования в космических аппаратах, в том числе стартующих с поверхности земли или летящих по баллистическим траекториям. Двигатель содержит малогабаритную камеру сгорания, керамическое коническое сопло, тракты их охлаждения, одну или несколько форсунок. Для увеличения тяги жидкостного ракетного двигателя предложено комбинированное техническое решение, позволяющее значительно увеличить удельный импульс при некотором оптимальном увеличении веса дополнительных деталей, узлов и приборов. Предложено использовать подогрев потока газов плазмой в керамическом, охлаждаемом, коническом сопле индуктором электромагнитного высокочастотного поля с высокой удельной мощностью, превышающей удельную тепловую мощность камеры сгорания. Количество индукторов может быть более одного, работающих на кратных частотах в разрешенных диапазонах и размещенных вдоль конического сопла определенных размеров. Основной индуктор (индукторы) обязательно размещается между критическим и расчетным сечениями. Количество индукторов зависит от давления в камере сгорания, которое определяет их диаметр и мощность. Для повышения степени сгорания топлива на камеру сгорания устанавливается специальный прибор - ионизатор плотных газовых потоков, использующий эффект Комптона, который излучает интенсивный, импульсный, направленный поток рентгеновских квантов с энергией, зависящей от давления газов в камере сгорания и вида топлива. Это позволяет уменьшить количество не сгоревшего топлива в камере сгорания и таким образом увеличить эффективность его использования. Другим назначением ионизатора является создание потока ионизованного газа с оптимальной проводимостью на входе основного индуктора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Жидкостный ракетный двигатель с ионизатором в камере сгорания и подогревом газов плазмой в сопле продуктов сгорания, работающий на поверхности земли или в космосе и содержащий конструктивно связанные изобарическую или скоростную камеру сгорания, инжектирующие форсунки для топлива и выходное коническое сопло, отличающийся тем, что с целью увеличения удельного импульса и повышения экономичности использования топлива производится дополнительный подогрев потока газов плазмой в керамическом, охлаждаемом, коническом сопле индуктором электромагнитного высокочастотного поля с удельной мощностью, превышающей удельную тепловую мощность камеры сгорания, и который размещается между критическим и расчетным сечениями, а также, для повышения степени сгорания топлива, на камеру сгорания устанавливается ионизатор плотных газовых потоков, использующий эффект Комптона, который излучает направленный вдоль камеры сгорания поток рентгеновских квантов с энергией, зависящей от давления газов в камере сгорания и вида топлива, причем ионизатор также обеспечивает создание потока ионизованного газа с проводимостью на входе индуктора, определяющей величину подогрева данного потока и увеличение удельного импульса.

2. Жидкостный ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что количество индукторов более одного, работающих на кратных частотах в разрешенных диапазонах 3,39, 6,78, 13,56, 27,12 МГц и размещенных вдоль конического сопла, причем количество индукторов зависит от давления в камере сгорания, которое определяет их диаметр и мощность.