EA042281B1 - HYBRID GAS GENERATOR - Google Patents

HYBRID GAS GENERATOR Download PDF

Info

Publication number
EA042281B1
EA042281B1 EA202091971 EA042281B1 EA 042281 B1 EA042281 B1 EA 042281B1 EA 202091971 EA202091971 EA 202091971 EA 042281 B1 EA042281 B1 EA 042281B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
fuel
hydrogen
gas generator
oxygen
solid
Prior art date
Application number
EA202091971
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Борис Васильевич Крутских
Original Assignee
Борис Васильевич Крутских
Filing date
Publication date
Application filed by Борис Васильевич Крутских filed Critical Борис Васильевич Крутских
Publication of EA042281B1 publication Critical patent/EA042281B1/en

Links

Description

Изобретение относится к устройствам по созданию объёмов газа и может быть использовано в ствольных метательных установках и реактивных ракетных двигателях. Известны и наиболее широко применяются химические устройства:SUBSTANCE: invention relates to devices for creating gas volumes and can be used in cannon launchers and jet rocket engines. Known and most widely used chemical devices:

1) твёрдотопливные газогенераторы - применяются в метательных ствольных стрелковых, артиллерийских системах и в первых ступенях легкогазовых пушек (патент RU 2668481 С2), а также в твердотопливных ракетах (Виницкий А.М., Ракетные двигатели на твердом топливе, М., 1973). Достоинствами являются: относительная простота, отсутствие проблемы возможных утечек топлива, возможность долговременного хранения, надёжность. Недостатками таких газогенераторов являются: невысокий удельный импульс; дорогое топливо и большое количество агрессивных веществ в выхлопе. Так, например, при каждом пуске аппарата Спейс Шаттл в атмосферу выбрасывалось ~ 1000 т продуктов сгорания твердого топлива, содержащих свыше 100 т газообразного хлористого водорода;1) solid propellant gas generators - used in propelling barreled rifle, artillery systems and in the first stages of light gas guns (patent RU 2668481 C2), as well as in solid rockets (Vinitsky A.M., Rocket engines on solid fuel, M., 1973). The advantages are: relative simplicity, no problem of possible fuel leaks, the possibility of long-term storage, reliability. The disadvantages of such gas generators are: low specific impulse; expensive fuel and a large amount of aggressive substances in the exhaust. So, for example, during each launch of the Space Shuttle, ~ 1000 tons of solid fuel combustion products containing over 100 tons of gaseous hydrogen chloride were emitted into the atmosphere;

2) жидкостные газогенераторы в настоящее время применяются как жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), использующий в качестве топлива жидкости, в том числе сжиженные газы. По количеству используемых компонентов различаются одно- и двухкомпонентные ЖРД (Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. Камеры. Д.И. Завистовский, В.В. Спесивцев. Учеб. пособие. Харьков: Национальный аэрокосмический университет Харьковский авиационный институт, 2006. 122 с.). Преимущества - ЖРД самый высокий удельный импульс в классе химических ракетных двигателей. Более 4500 м/с, для пары кислород + водород и 3500 м/с для пары керосин + кислород. Экологичные и дешёвые топлива. Недостатки - ЖРД: они значительно более сложные и более дорогостоящи, чем эквивалентные по возможностям твердотопливные, несмотря на то, что 1 кг жидкого топлива в несколько раз дешевле твёрдого.2) liquid gas generators are currently used as a liquid-propellant rocket engine (LRE), using liquids as fuel, including liquefied gases. By the number of components used, one- and two-component liquid-propellant rocket engines are distinguished (Design and design of liquid rocket engines. Chambers. D.I. Zavistovsky, V.V. Spesivtsev. Textbook. Kharkov: National Aerospace University Kharkov Aviation Institute, 2006. 122 p. ). Advantages - LRE has the highest specific impulse in the class of chemical rocket engines. More than 4500 m/s for a pair of oxygen + hydrogen and 3500 m/s for a pair of kerosene + oxygen. Eco-friendly and cheap fuels. Disadvantages - LRE: they are much more complex and more expensive than equivalent solid fuel, despite the fact that 1 kg of liquid fuel is several times cheaper than solid fuel.

Применение жидких компонентов топлива в ствольных системах ещё не вышло из стадии экспериментов (CHRIS JENKINS. MONERGOLS AND DIERGOLS - THE WAY FORWARD FOR PROJECTILES. MILITARY TECHNOLOGY, 1988, No 7).The use of liquid fuel components in receiver systems has not yet left the experimental stage (CHRIS JENKINS. MONERGOLS AND DIERGOLS - THE WAY FORWARD FOR PROJECTILES. MILITARY TECHNOLOGY, 1988, No 7).

Перспективно использование трёх компонентов топлива одновременно, например водород - бериллий - кислород и водород - литий - фтор. Бериллий и литий горят, а водород по большей части используется как рабочее тело. Это позволяет достичь значений удельного импульса в районе 550-560 с. Однако это технически очень сложно, и никогда не использовалось на практике (Википедия).It is promising to use three fuel components simultaneously, for example, hydrogen - beryllium - oxygen and hydrogen - lithium - fluorine. Beryllium and lithium burn, and hydrogen is mostly used as a working fluid. This makes it possible to achieve specific impulse values in the region of 550–560 s. However, this is technically very difficult, and has never been used in practice (Wikipedia).

Известен другой тип газогенераторов - с фазовым переходом. Здесь объёмы рабочего тела возрастают без химических преобразований. Патент KZ 33305 - криоиспарительный газогенератор в автономной пневмопушке и устройство для метания снаряда - патент KZ 31797. Преимущество их в экологичности, простоте конструкции, доступности и безотказности. Недостатком для заявленной цели является небольшой удельный импульс.Another type of gas generators is known - with a phase transition. Here, the volumes of the working fluid increase without chemical transformations. Patent KZ 33305 - cryo-evaporative gas generator in an autonomous air gun and a device for throwing a projectile - patent KZ 31797. Their advantage is in environmental friendliness, simple design, availability and reliability. The disadvantage for the stated purpose is a small specific impulse.

Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство по патенту РФ № 2511986. Гибридный ракетный двигатель, использующий компоненты топлива в разных агрегатных состояниях. Наличие твёрдого компонента позволяет существенно упростить конструкцию. Первый полёт ракеты, оснащённой гибридным двигателем, спроектированной под руководством С.П. Королева, состоялся 23.05.1934 года.Closest to the claimed invention is a device according to RF patent No. 2511986. A hybrid rocket engine using fuel components in different states of aggregation. The presence of a solid component makes it possible to significantly simplify the design. The first flight of a rocket equipped with a hybrid engine, designed under the direction of S.P. Queen, took place on May 23, 1934.

Преимущества по сравнению с ЖРД: простота конструкции, проще инфраструктура заправки; возможно добавление в топливо порошка химически активных металлов для увеличения как удельного импульса, так и плотности. Преимущества по сравнению с твердотопливными двигателями: более высокий удельный импульс, экологичность, меньшая взрывоопасность - не взрывается от трещин в топливной шашке; топливо не чувствительно к паразитному электрическому заряду и не склонно к самовоспламенению из-за нагрева; ракету можно перевозить, устанавливать без окислителя и заправлять им на месте. Недостатки гибридных ракетных двигателей: топливо оснащено каналами, и потому его плотность не столь высока; невозможно регенеративное охлаждение сопла и топливная завеса (как и в твердотопливных ракетах); удельный импульс меньше чем в ЖРД.Advantages in comparison with LRE: simplicity of design, simpler refueling infrastructure; it is possible to add a powder of reactive metals to the fuel to increase both the specific impulse and density. Advantages in comparison with solid propellant engines: higher specific impulse, environmental friendliness, lower explosiveness - does not explode from cracks in the fuel block; the fuel is not sensitive to parasitic electric charge and is not prone to self-ignition due to heating; the rocket can be transported, installed without an oxidizer and refueled on the spot. Disadvantages of hybrid rocket engines: the fuel is equipped with channels, and therefore its density is not so high; regenerative cooling of the nozzle and fuel curtain is impossible (as in solid rockets); specific impulse is less than in LRE.

Применение гибридного топлива в ствольных метательных системах в настоящее время не встречается.The use of hybrid fuel in barreled propellant systems is currently not encountered.

Задача данного изобретения - разработка газогенератора:The objective of this invention is the development of a gas generator:

1) простого и надёжного как твердотопливный, и с удельным импульсом как у ЖРД;1) simple and reliable like solid fuel, and with a specific impulse like a rocket engine;

2) с возможностью использования нескольких компонентов топлива и применения эффекта фазового перехода водорода для достижения ещё большего удельного импульса;2) with the possibility of using several fuel components and applying the effect of the phase transition of hydrogen to achieve an even greater specific impulse;

3) с применением недорогого и экологичного топлива;3) using inexpensive and environmentally friendly fuel;

4) применимого в ствольных метательных системах и в том числе в легкогазовых мощных пушках с высокой скоростью метания.4) applicable in barreled throwing systems, including powerful light-gas cannons with high throwing speed.

Технический результат выражается:The technical result is expressed:

(1) в увеличении экологичности, надёжности устройства и его производительности;(1) in increasing the environmental friendliness, reliability of the device and its performance;

(2) в уменьшении стоимости конструкции установки и стоимости топлива.(2) in reducing the cost of plant design and fuel cost.

Технический результат изобретения достигается тем, что гибридный газогенератор содержит камеру сгорания, компоненты топлива в разных агрегатных состояниях и устройство выпуска сгенерированного газа. При этом все компоненты помещены в камере сгорания. Компоненты топлива в твёрдом агре- 1 042281 гатном состоянии могут представлять собой как сплошные объёмы, пригодные для продолжительного горения, так и гранулы с большой внешней поверхностью, если требуется большая скорость реакции.The technical result of the invention is achieved by the fact that the hybrid gas generator contains a combustion chamber, fuel components in different states of aggregation and a device for releasing the generated gas. In this case, all components are placed in the combustion chamber. Fuel components in the solid aggregate state can be both solid volumes suitable for long-term combustion and granules with a large outer surface, if a high reaction rate is required.

Компоненты могут быть сегментированы полностью или частично с применением оболочек. На стенках оболочек могут быть установлены устройства для запуска реакции. При этом компоненты будут вступать в реакцию в определённом порядке для возможности регулирования скорости и мощности реакции.Components can be segmented in whole or in part using wrappers. Devices can be installed on the walls of the shells to start the reaction. In this case, the components will react in a certain order to be able to control the speed and power of the reaction.

Для уменьшения нагрева топлива за пределами зоны горения применимы устройства по снижению теплопереноса излучением и турбулентного переноса нагретых масс из зоны горения.To reduce fuel heating outside the combustion zone, devices are applicable to reduce heat transfer by radiation and turbulent transfer of heated masses from the combustion zone.

Часть жидкого водорода может использоваться не как горючее, а как топливо с фазовым переходом. Скорость звука в водороде больше, чем в других веществах. Поэтому водород может разогнаться сам и частично разогнать пылевые частицы быстрее, чем любой другой газ. Повышение скорости реактивной струи увеличивает удельный импульс.Part of liquid hydrogen can be used not as a fuel, but as a fuel with a phase change. The speed of sound in hydrogen is greater than in other substances. Therefore, hydrogen can accelerate itself and partially disperse dust particles faster than any other gas. Increasing the speed of the jet stream increases the specific impulse.

Низкая плотность водорода увеличивает размеры устройства. Чтобы увеличить плотность топлива с применением водорода, можно использовать более плотные водородосодержащие компоненты. Это могут быть химические соединения - метан, боразан и т.д. или сорбенты водорода. При получении водорода из метана, который разлагается при 1500°C, попутно выделяется углерод в виде сажи или графита. Чтобы пылевые частицы меньше снижали скорость газов, газогенератор может быть снабжен устройством для уменьшения доли конденсированной фазы в исходящей струе газа.The low density of hydrogen increases the size of the device. To increase the fuel density using hydrogen, denser hydrogen-containing components can be used. These can be chemical compounds - methane, borazan, etc. or hydrogen sorbents. When hydrogen is produced from methane, which decomposes at 1500°C, carbon is simultaneously released in the form of soot or graphite. In order for dust particles to reduce the speed of gases less, the gas generator can be equipped with a device for reducing the proportion of the condensed phase in the outgoing gas stream.

Наибольшим содержанием водорода обладают бороводороды, особенно диборан. Но они очень опасны, нестабильны и ядовиты. Однако в состоянии глубокой заморозки, как и любое вещество, будут нейтральны. Поэтому перспективно топливо, где компонентами являются азот и боран в конденсированных состояниях. В результате реакции этой пары образуются водород и нитрид бора. Эти вещества неядовиты, поэтому выхлоп будет экологически чистым.Borohydrides, especially diborane, have the highest hydrogen content. But they are very dangerous, unstable and poisonous. However, in a state of deep freezing, like any substance, they will be neutral. Therefore, a promising fuel, where the components are nitrogen and borane in condensed states. As a result of the reaction of this pair, hydrogen and boron nitride are formed. These substances are non-toxic, so the exhaust will be environmentally friendly.

ЧертежиBlueprints

Фиг. 1 - пример конкретного исполнения устройства - гибридный газогенератор как легкогазовая пушка. 1. Камера сгорания с термоизоляцией. 2. Жидкий водород. 3. Кислород в твердом состоянии в гранулах. 4. Воспламеняющий заряд. 5. Ствол. 6. Запускаемый аппарат.Fig. 1 - an example of a specific design of the device - a hybrid gas generator as a light gas gun. 1. Combustion chamber with thermal insulation. 2. Liquid hydrogen. 3. Oxygen in the solid state in granules. 4. Igniting charge. 5. Barrel. 6. Starting device.

Устройство, приведённое в примере, работает следующим образом: при воспламенении заряда (4), поверхность ближних к заряду гранул кислорода (3) и часть водорода (2) нагреваются и вступают в реакцию. Выделяет тепло и водяной пар. Жидкий водород (2) интенсивно испаряется. Давление возрастает, и запускаемый аппарат (6) начинает движение по стволу (5). Общий объём камеры сгорания со стволом увеличивается. По мере роста температуры всё большее количество гранул кислорода принимают участие в горении.The device shown in the example works as follows: when the charge (4) ignites, the surface of the oxygen granules (3) closest to the charge and part of the hydrogen (2) heat up and react. Gives off heat and water vapor. Liquid hydrogen (2) evaporates intensively. The pressure increases, and the launch vehicle (6) starts moving along the shaft (5). The total volume of the combustion chamber with the barrel increases. As the temperature rises, more and more oxygen granules take part in combustion.

Этим обеспечивается прогрессивное горение, требуемое для поддержания давления при многократном увеличении объёма за ускоряющимся снарядом. Скорость горения гранул зависит от их размера;This provides the progressive combustion required to maintain pressure as the volume increases multiple times behind the accelerating projectile. The burning rate of pellets depends on their size;

фиг. 2 - пример конкретного исполнения устройства - гибридный газогенератор как ракетный реактивный двигатель. 1. Камера сгорания с термоизоляцией. 2. Жидкий водород. 3. Кислород в твердом состоянии. 4. Компонент топлива из порошка магния (как варианты: из лития, алюминия, или др.) в оболочках, например из пластика. 5. Запускающее устройство, например нить накала. 6. Устройство выпуска с возможностью запирания до пуска реакции, например выпускное отверстие с разрывной мембраной. 7. Сопло. 8. Заправочный штуцер для водорода и дренажный клапан. 9. Заправочный штуцер для кислорода и дренажный клапан. 12. Устройство для снижения нагрева жидкого водорода излучением от зоны горения и уменьшения турбулентного перемешивания, например отражающие, перфорированные пластины. 13. Устройство для снижения нагрева твёрдого кислорода излучением от зоны горения (отражающие пластины). 14. Устройство для уменьшения доли конденсированной фазы в струе газа. Например, электрический вихревой пылеуловитель.fig. 2 - an example of a specific implementation of the device - a hybrid gas generator as a rocket jet engine. 1. Combustion chamber with thermal insulation. 2. Liquid hydrogen. 3. Oxygen in the solid state. 4. Fuel component from magnesium powder (as options: from lithium, aluminum, or others) in shells, for example, from plastic. 5. Triggering device, such as a filament. 6. An outlet device with the possibility of locking before starting the reaction, for example, an outlet with a bursting disc. 7. Nozzle. 8. Hydrogen filler and drain valve. 9. Oxygen filling port and drain valve. 12. A device for reducing the heating of liquid hydrogen by radiation from the combustion zone and reducing turbulent mixing, for example, reflective, perforated plates. 13. Device for reducing the heating of solid oxygen by radiation from the combustion zone (reflecting plates). 14. Device for reducing the proportion of the condensed phase in the gas jet. For example, an electric vortex dust collector.

Соотношение объёмов компонентов приведено условно. Скорость преобразования топлива определяют форма, количество отдельных объёмов с компонентами, их взаимное расположение и выходное сечение в устройстве выпуска. Точные расчёты этих параметров по заданным характеристикам газогенератора могут выполняться на основе экспериментов;The ratio of the volumes of the components is given conditionally. The rate of fuel conversion is determined by the shape, the number of individual volumes with components, their relative position and the outlet section in the outlet device. Accurate calculations of these parameters for the given characteristics of the gas generator can be performed on the basis of experiments;

фиг. 3 - устройство, приведённое в примере, работает следующим образом. В первую очередь производится заправка камеры сгорания (1) жидким водородом (2) через штуцер (8). Далее заливается жидкий кислород (3) через штуцер (9). Кислород, окруженный более холодным водородом, переходит в твёрдое состояние. После подготовки компонентов топлива нить накала (5) запускающего устройства прожигает материал оболочки, зажигает магний (4) и кислород. Начинается интенсивное выделение тепла. Между зоной горения и устройством выпуска (6) жидкий водород (2) переходит в газ и частично реагирует с выделяющимся газообразным кислородом. Возникает зона горения (11), которая расширяется до полного сгорания кислорода, металлического порошка, оболочек и части водорода. Давление в камере сгорания (1) возрастает. Разрывная мембрана устройства выпуска (6) разрушается. И газы (15) устремляются в сопло (7), где дополнительно разгоняются и создают реактивную тягу. Часть разогретых газов водорода (10) вырываются как топливо с фазовым переходом. При этом служат тепловой завесой для стенок сопла.fig. 3 - the device shown in the example works as follows. First of all, the combustion chamber (1) is filled with liquid hydrogen (2) through the fitting (8). Next, liquid oxygen (3) is poured through the fitting (9). Oxygen, surrounded by colder hydrogen, turns into a solid state. After preparing the fuel components, the filament (5) of the starting device burns through the shell material, ignites the magnesium (4) and oxygen. An intense release of heat begins. Between the combustion zone and the outlet device (6), liquid hydrogen (2) passes into gas and partially reacts with the released gaseous oxygen. There is a combustion zone (11), which expands until the complete combustion of oxygen, metal powder, shells and part of hydrogen. The pressure in the combustion chamber (1) increases. The rupture disc of the release device (6) is destroyed. And the gases (15) rush into the nozzle (7), where they are additionally accelerated and create jet thrust. Part of the heated hydrogen gases (10) escape as fuel with a phase transition. In this case, they serve as a thermal curtain for the walls of the nozzle.

Claims (1)

Гибридный газогенератор, содержащий камеру сгорания и устройство выпуска сгенерированного газа, отличающийся тем, что все компоненты топлива расположены в камере сгорания, при этом в камере сгорания агрегатное состояние одного из компонентов топлива отличается от агрегатного состояния другого компонента топлива.A hybrid gas generator containing a combustion chamber and a device for discharging the generated gas, characterized in that all fuel components are located in the combustion chamber, while in the combustion chamber the state of aggregation of one of the fuel components differs from the state of aggregation of the other fuel component.
EA202091971 2020-08-20 HYBRID GAS GENERATOR EA042281B1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA042281B1 true EA042281B1 (en) 2023-01-31

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7947137B2 (en) Nitrous oxide based explosives and methods for making same
US7506500B1 (en) Propulsion from combustion of solid propellant pellet-projectiles
CN101855325A (en) Nitrous oxide fuel blend monopropellants
Tian et al. Numerical and experimental investigation on the effects of aft mixing chamber diaphragm in hybrid rocket motor
JPH10513542A (en) Cartridge loaded with high pressure light gas
Yang et al. A theoretical investigation of thermodynamic performance for a ramjet based on a magnesium—Water reaction
Yang et al. Thermodynamic cycle analysis of ramjet engines using magnesium-based fuel
US3942443A (en) Rocket assisted projectile
Gautham et al. Propulsive performance of mechanically activated aluminum–water gelled composite propellant
Benhidjeb-Carayon et al. Hypergolic ignition and relights of a paraffin-based hybrid grain
EA042281B1 (en) HYBRID GAS GENERATOR
US3685453A (en) Antipersonnel mine destruct system
US3137127A (en) Method of developing high energy thrust
Jung et al. Ignition delay in solid-fuel ramjet combustor
US3726219A (en) Integral propellant case ramjet projectile
RU2500659C2 (en) Staroverov's powder - 2
KR100437717B1 (en) Fuel Composites of Fuel Air Explosive Munition
Wollmark et al. Static Firing Tests of Aluminum-Water Propellant Motors Containing V-Alex Nanopowders
RU187155U1 (en) Liquid-free rocket engine gasless steam chamber
RU196907U1 (en) Missile with a gas-vapor powder engine, explosive nuclear charges and a rotary nozzle
Iorga et al. Design and Testing of an Unguided Rocket with Thermobaric Warhead for Multiple Launcher System
RU219887U1 (en) AMMUNITION WITH VOLUMETRIC-DETONATING MIXTURE
Bruckner et al. The ram accelerator: review of experimental research activities in the US
US4208948A (en) High efficiency propulsion system
Falempin et al. Pulsed detonation engine-Towards a tactical missile application