пароводяной ракетный двигатель

Формула изобретения

Пароводяной ракетный двигатель, использующий в качестве энергоносителя и рабочего вещества перегретую воду, которая нагревается встроенными в конструкцию ракетного двигателя или наружными нагревателями до глубоко закритических температур, и состоящий из водяной камеры и сопловой головки, отличающийся тем, что в водяной камере установлен расширительный канал, соединенный с сопловой головкой с устройством управления тягой, которая расположена в головной части двигателя, а сопла за критическим сечением обладают закритическими параметрами с неизоэнтропическим режимом истечения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству ракетных двигателей и может быть использовано при создании ракет для доставки полезной нагрузки на небольшие высоты и в качестве стартовых ускорителей для аэрокосмических систем.

Известны ракетные двигатели, использующие в качестве энергоносителя и рабочего вещества воду.

Наиболее близким аналогом заявленному изобретению по технической сути и назначению является пароводяной ракетный двигатель, представленный в заявке №96101208/06 от 24.01.1996 г. на патент РФ на изобретение "Способ создания реактивной тяги ракетного двигателя и пароводяной ракетный двигатель". Данный двигатель состоит из заполняемой перегретой водой камеры, сообщенной с соплом, расположенным в донной части. Вода подается в сопловую часть под действием давления подушки насыщенного пара над открытой поверхностью воды в верхней части камеры. С целью уменьшения потерь импульса жидкие капли в пароводяном рабочем теле диспергируют перед соплом механическим устройством на входе в сопло или сепарируют с помощью центробежного завихрителя или сетки.

Недостатком данного двигателя являются низкая эффективность, обусловленная низкой удельной энергоемкостью перегретой воды при нормальном атмосферном давлении, не позволяющая достигнуть высоких значений тяги и импульса, необходимых для применения двигателя на реальных ракетах с полезной нагрузкой. Дополнительные механические устройства, сепараторы или сетки на входе в сопло снижают КПД и тягу двигателя. Конструкция двигателя не предусматривает компоновку ракеты с обратным стартом.

Целью заявленного изобретения является повышение эффективности пароводяного ракетного двигателя.

Указанная цель достигается тем, что воду в пароводяном ракетном двигателе, состоящем из водяной камеры с расширительным каналом и сопловой головки с устройством управления тягой в головной части, нагревают до глубоко закритических температур встроенными в водяную камеру нагревателями или с помощью наружных источников теплового или электромагнитного излучения сквозь тепло- или радиопрозрачные части стенок камеры, а сопло или сопла за критическим сечением обладают закритическими параметрами.

Схема варианта конструкции пароводяного ракетного двигателя с нагреваемой наружными источниками тепловой энергии водой в водяной камере представлена на чертеже. На схеме обозначены: стенка 1 водяной камеры с перегретой водой; стенка 2 расширительного канала; местоположение устройства управления тягой 3; местоположение сопла 4 обратного старта; местоположение элементов интерфейса 5 на ускорителе. Варианты конструкций встроенных в водяную камеру нагревателей могут быть различными в зависимости как от назначения и конструкции ракеты, так и различных внешних условий.

Работает данный ракетный двигатель следующим образом:

При закрытом устройстве 3 управления тягой в сопловой головке воду в заполненной водяной камере 1 нагревают до закритических температур наружным излучением сквозь стенки или встроенными в водяную камеру нагревателями, например электрическими, или дымогарными каналами с горячими газами от внешнего источника. При этом возрастает удельная теплоемкость и энтальпия воды и падает ее вязкость. При достижении стартовой температуры открывают устройство 3 управления тягой, и пароводяная смесь движется по расширительному каналу 2 с донной части камеры в сопловую головку. Расширительный канал располагают по длине водяной камеры и придают такие длину и конусность, чтобы при входе пароводяной смеси в сопловую головку доля жидкокапельной фракции в массе смеси была минимальной. Такому режиму истечения смеси способствуют то, что испарение капель воды с закритической температурой происходит без затраты энергии, и то, что при падении давления по мере продвижения массы смеси по расширяющемуся каналу в ней выделяется избыточная теплота, соответствующая уменьшению энтальпии. Конкретные значения параметров расширительного канала определяются конструктивными особенностями ракеты, стартовой температурой воды и режимом ускорения ракеты. Сопловая головка с устройства управления тягой 3 направляет поток пара соответственно направлению тяги ракеты и имеет такие параметры сечений, что пар после критического сечения сопла или сопел истекает в глубоко закритическом режиме и уже вблизи критического сечения сопла происходит лавинообразная конденсация и кристаллизация влаги вследствие адиабатического охлаждения. Это приводит к падению давления в закритическом объеме сопла и приближает режим работы двигателя к режиму работы в пустоте, а термодинамический режим истечения пара на закритическом участке сопла становится неизоэнтропическим.

Режим обратного старта позволяет снизить требования к центровке ракетной системы и избавляет от необходимости применения аэродинамических стабилизаторов. Во время подъема ускорителя возможно уменьшить скорость охлаждения воды в водяной камере с помощью дистанционного подогрева ее сквозь радиопрозрачные стенки водяной камеры энергией от излучателей, расположенных на стартовой площадке и по трассе движения ракеты.

Таким образом, использование глубоко закритического перегрева воды, закритического режима истечения рабочего тела и установка сопел в головной части пароводяного ракетного двигателя с расширительным каналом в водяной камере позволяют улучшить тяговые характеристики пароводяной ракеты и использовать преимущества обратного старта.

Возможно применение в пароводяных ракетных ускорителях и иных, в частности искусственных, жидкостей или водных растворов с иными, чем у чистой воды, молекулярным весом и теплофизическими свойствами, позволяющими добиться неизоэнтропического истечения пара с большим удельным импульсом, чем для чистой воды.

Давления в водяной камере, соответствующие режимам старта и подъема таких ракет с коммерчески оправданной полезной нагрузкой, достижимы при температурах воды от 800-900 К. При таких температурах для изготовления элементов корпуса, сопловой головки и механизмов управления тягой ускорителя многоразового использования пригодны различные относительно дешевые природные и искусственные материалы. Изготовление элементов конструкции ускорителя можно осуществлять на гражданских предприятиях наземной промышленности и широко применять коммерческие детали.

Изготовление ракет с пароводяными двигателями с неизоэнтропическим истечением рабочего вещества, подготовка к старту и старт окажутся многократно проще, дешевле и безопасней, чем при использовании существующих ракет с термохимическими ракетными двигателями. Особенно эффективно применение пароводяных ракет в качестве экологически безупречных мощных стартовых ускорителей для тяжелых аэрокосмических систем.