RU175004U1 - CASCADE SUPERCONDUCTOR ROCKET ENGINE - Google Patents
CASCADE SUPERCONDUCTOR ROCKET ENGINE Download PDFInfo
- Publication number
- RU175004U1 RU175004U1 RU2016107591U RU2016107591U RU175004U1 RU 175004 U1 RU175004 U1 RU 175004U1 RU 2016107591 U RU2016107591 U RU 2016107591U RU 2016107591 U RU2016107591 U RU 2016107591U RU 175004 U1 RU175004 U1 RU 175004U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- superconducting
- spine
- rocket engine
- cascade
- refrigerant
- Prior art date
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Abstract
Каскадный сверхпроводниковый ракетный двигатель относится к области особых способов и устройств для создания реактивной тяги, не отнесенных к другим подклассам (от использования продуктов сгорания F02K). Данная полезная модель служит для упрощения управления ракетным двигателем, повышения его экологических качеств, удельного импульса, тяги и безопасности. Каскадные сверхпроводниковые ракетные двигатели могут использоваться организациями, государственными органами для: космических кораблей и иных летательных аппаратов.Сущностью описываемого устройства являются, во-первых, возможность использования сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИНЭ) в качестве мощных и достаточно длительных источников питания ракетного двигателя, которые последовательно разряжаются, нагревая хладагент уже разряженных СПИНЭ, во-вторых, использование большинства сжиженных газов в качестве рабочих тел ракетного двигателя, в-третьих, возможности эргономичного сочетания хранения рабочих тел и использования их же в качетстве хладагента для охлаждения СПИНЭ. Таким образом, вес летательного аппарата, использующего указанный ракетный двигатель, может быть значительно уменьшен, а его скоростные качества, тяга, экологичность, безопасность возрастут.A cascade superconducting rocket engine belongs to the field of special methods and devices for generating jet thrust, not assigned to other subclasses (from the use of F02K combustion products). This utility model serves to simplify control of a rocket engine, improve its environmental qualities, specific impulse, traction and safety. Cascade superconducting rocket engines can be used by organizations, government bodies for: spaceships and other aircraft. The essence of the described device is, firstly, the possibility of using superconducting inductive energy storage devices (SPINE) as powerful and sufficiently long-lasting power sources for a rocket engine, which are sequentially are discharged by heating the refrigerant of already discharged SPINE; secondly, the use of most liquefied gases as ochih rocket motor bodies, thirdly, possible combinations of storage ergonomic working fluids and their use as a refrigerant for cooling kachetstve SPINE. Thus, the weight of an aircraft using the specified rocket engine can be significantly reduced, and its speed, thrust, environmental friendliness, and safety will increase.
Description
Рубрики международной патентной классификации (МПК) полезной модели:Headings of the international patent classification (IPC) of a utility model:
F03H - Особые способы и устройства для создания реактивной тяги, не отнесенные к другим подклассам (от использования продуктов сгорания F02K).F03H - Special methods and devices for creating reactive thrust, not elsewhere classified (from the use of F02K combustion products).
Название полезной модели: «Каскадный сверхпроводниковый ракетный двигатель».The name of the utility model: "Cascade superconducting rocket engine."
Полезная модель относится, к электрическим ракетным двигателям.The utility model relates to electric rocket engines.
Полезная модель может быть применена при создании не пилотируемых реактивных аппаратов, пилотируемых реактивных космических аппаратов (далее - «космических кораблей»).The utility model can be applied in the creation of non-manned rocket vehicles, manned rocket vehicles (hereinafter referred to as “spacecraft”).
Из уровня техники известно, что космические корабли в настоящий момент приводятся в движение: химическими реактивными (ракетными) двигателями внутреннего сгорания, электрическими ракетными двигателями.It is known from the prior art that spacecraft are currently propelled by: chemical reactive (rocket) internal combustion engines, electric rocket engines.
Для старта и полетов на орбиту в настоящее время используются химические ракетные двигатели (ХРД). Большинство ХРД используют горючее и окислитель (вместе - топливо), продукты сгорания нагреваются в камере сгорания до высоких температур, расширяясь, разгоняются в сверхзвуковом сопле и истекают из двигателя. Распространены жидкостные и твердотопливные ракетные двигатели (ЖРД и ТРД, соответственно). В ТРД горючее и окислитель хранятся в форме смеси твердых веществ, а топливная емкость одновременно выполняет функции камеры сгорания. В ЖРД горючее и окислитель пребывают в жидком агрегатном состоянии. Они подаются в камеру сгорания с помощью турбонасосной или вытеснительной систем подач. ЖРД допускают регулирование тяги в широких пределах, и многократное включение и выключение, что особенно важно при маневрировании в космическом пространстве. Оба вида ХРД имеют достаточные удельные импульсы для старта и выхода на орбиту (до 4500 м/с). Однако, для маневрирования на орбите и движения в космическом вакууме ХРД не удобны. Топливо имеет значительную массу, занимает достаточно большой объем, а также практически всегда либо токсично, либо взрывоопасно. Для того, чтобы использовать химический ракетный двигатель на орбите, требуется доставить на орбиту соответствующие запасы топлива.For launch and orbit flights, chemical rocket engines (HRE) are currently used. Most refrigerators use fuel and an oxidizing agent (together - fuel), the combustion products are heated in the combustion chamber to high temperatures, expanding, accelerate in a supersonic nozzle and flow out of the engine. Liquid and solid propellant rocket engines (LRE and TRD, respectively) are common. In turbojet engines, fuel and oxidizer are stored in the form of a mixture of solids, and the fuel tank simultaneously serves as a combustion chamber. In LRE fuel and oxidizer are in the liquid state of aggregation. They are fed into the combustion chamber using a turbopump or displacement feed system. LRE allow thrust regulation over a wide range, and multiple on and off, which is especially important when maneuvering in outer space. Both types of RCDs have sufficient specific impulses for launch and orbit (up to 4500 m / s). However, for maneuvering in orbit and movement in a space vacuum, the HRE is not convenient. Fuel has a significant mass, occupies a sufficiently large volume, and is also almost always either toxic or explosive. In order to use a chemical rocket engine in orbit, it is necessary to deliver the corresponding fuel reserves into orbit.
Электрические ракетные двигатели (ЭРД), в качестве источника энергии для создания тяги используют электрическую энергию. Разнесение источника энергии и ускоряемого вещества позволяет обеспечить высокую скорость истечения рабочего тела (РТ), а также и меньшую массу космического корабля за счет снижения массы хранимого РТ. Это позволяет увеличить полезную нагрузку, либо улучшить массо-габаритные характеристики самого космического корабля. Удельный импульс ЭРД может достигать 10000-210000 м/с. ЭРД может получать питание от солнечных батарей, аккумуляторов, конденсаторов. Из-за несовершенства применяемых источников питания тяга существующих ЭРД не велика, соответственно ускорение космического корабля составляет десятые и даже сотые доли ускорения свободного падения. ЭРД характеризуются не очень высоким КПД - от 30 до 60%.Electric rocket engines (EREs) use electric energy as a source of energy to create traction. The separation of the energy source and the accelerated substance makes it possible to ensure a high velocity of the expiration of the working fluid (RT), as well as a smaller mass of the spacecraft due to the reduction in the mass of stored RT. This allows you to increase the payload, or to improve the mass-dimensional characteristics of the spacecraft itself. The specific impulse of the electric propulsion can reach 10000-210000 m / s. Electric propulsion can be powered by solar panels, batteries, capacitors. Due to the imperfection of the applied power sources, the thrust of the existing electric propulsion engines is not large, so the acceleration of the spacecraft is tenths or even hundredths of the acceleration of gravity. EREs are characterized by not very high efficiency - from 30 to 60%.
Наиболее известны организации, создающие космические корабли: ОАО "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королёва", NASA, SpaceX. Указанные космические корабли используют химические ракетные двигатели для старта и выхода на орбиту и электрические ракетные двигатели для маневрирования космических кораблей.The most famous organizations creating spacecraft are: SP Korolev Rocket and Space Corporation Energia, NASA, SpaceX. These spacecraft use chemical rocket engines to launch and enter orbit and electric rocket engines to maneuver spacecraft.
Задачей создания данной полезной модели было проектирование таких реактивных двигателей, которые обладали бы небольшой массой, высоким КПД, были бы экологичны, безопасны и просты в эксплуатации. При старте и выходе на орбиту указанные двигатели использовали бы оптимальный для условий полета вид РТ. Таким образом, электрические сверхпроводниковые реактивные двигатели позволяли бы: старт, выход на орбиту, осуществление корректировок и маневров космических кораблей, а также служили бы для достаточно быстрого покрытия космическими кораблями огромных космических расстояний.The task of creating this utility model was to design such jet engines that would have a small mass, high efficiency, would be environmentally friendly, safe and easy to operate. When starting and entering orbit, these engines would use the type of RT that is optimal for flight conditions. Thus, electric superconducting jet engines would allow: launch, entry into orbit, making adjustments and maneuvers of spacecraft, and would also serve to quickly cover vast space distances by spacecraft.
Результатом использования данной полезной модели станет появление космических кораблей, которые будут достаточно легкими в обслуживании, относительно не прихотливыми к виду РТ, способным на большой скорости перемещаться на значительные космические расстояния, экологически безвредными, дешевыми в использовании.The use of this utility model will result in the appearance of spacecraft that will be quite easy to maintain, relatively unpretentious to the type of RT, capable of traveling at high speed over significant space distances, environmentally friendly, cheap to use.
Для решения поставленной задачи необходимо осуществить следующие существенные решения:To solve this problem, it is necessary to implement the following significant decisions:
- разработать особые источники питания системы;- develop special power sources for the system;
- рассчитать оптимальные рабочие процессы;- calculate optimal work processes;
- спроектировать специальные камеры преобразований;- design special conversion cameras;
- подобрать оптимальные рабочие тела для выхода на орбиту и взаимодействия с источником питания.- select the optimal working fluid to enter orbit and interact with the power source.
Таким образом, сущностью полезной модели является сочетание специальных источников питания, камер преобразований и доступного и экологичного рабочего тела. Каскадный сверхпроводниковый ракетный двигатель (далее - «КСРД») может напоминать компоновкой, как химический ракетный двигатель, так и электрический ракетный двигатель и может быть, в принципе, создан путем:Thus, the essence of the utility model is a combination of special power sources, transformation chambers and an affordable and environmentally friendly working fluid. A cascade superconducting rocket engine (hereinafter referred to as “KSDR”) may resemble a chemical rocket engine or an electric rocket engine and can, in principle, be created by:
- подбора в качестве источников питания сверхпроводящих проводов либо лент, способных проводить высокие электрические токи и намотанных на катушки в форме торов (тороидов),- selection as power sources of superconducting wires or tapes capable of conducting high electric currents and wound on coils in the form of tori (toroids),
- подбора хладагента, который может охлаждать сверхпроводящие провода до температур сверхпроводимости для старта и одновременно служить эффективным рабочим телом при нагреве и выбрасывании газа из сопла (жидкий водород, жидкий гелий, жидкий неон, жидкий метан и другие вещества);- selection of a refrigerant that can cool the superconducting wires to superconducting temperatures for starting and at the same time serve as an effective working fluid when heating and ejecting gas from the nozzle (liquid hydrogen, liquid helium, liquid neon, liquid methane and other substances);
- конструирования специальной камеры преобразований с нагревательными элементами (для создания омического нагрева, нагрева электрической дутой, нагрева электромагнитным излучением и другими способами).- designing a special transformation chamber with heating elements (for creating ohmic heating, heating with electric puff, heating with electromagnetic radiation and other methods).
Как уже упоминалось ранее, удовлетворительная тяга ХРД достигается благодаря тому, что внутри камеры сгорания в результате химической реакции создается высокое давление газа, в результате скорость истечения газа из сопла достаточно высока и импульс, сообщаемый ракете газовой струей, также высок. При этом в камере сгорания ХРД образуется высокая температура (до 4000 С).As mentioned earlier, a satisfactory RRL thrust is achieved due to the fact that a high gas pressure is created inside the combustion chamber as a result of a chemical reaction, as a result, the gas outflow rate from the nozzle is high enough and the momentum imparted by the rocket to the gas jet is also high. At the same time, a high temperature (up to 4000 C) is formed in the RCD combustion chamber.
Предлагается использовать электрические силовые установки, которые включали бы источники питания и накопители электрической энергии. Такими установками являются сверхпроводящие индуктивные накопители энергии (СПИНЭ), которые представляют собой замкнутые сверхпроводящие катушки индуктивности, погруженные в отсеки с хладагентом (сжиженным газом). Если такой соленоид намотан на тороидальную поверхность, то линии магнитного поля содержатся внутри тора, и рассеяние магнитного поля за пределы тора и его влияние на какие либо электрические приборы практически исключается. Аналогом камеры сгорания такого двигателя будет служить «камера преобразования», заполняемая твердым, жидким или газообразным хладагентом.It is proposed to use electric power plants, which would include power sources and electrical energy storage devices. Such installations are superconducting inductive energy storage devices (SPINE), which are closed superconducting inductor coils immersed in compartments with refrigerant (liquefied gas). If such a solenoid is wound on a toroidal surface, then the magnetic field lines are contained inside the torus, and the scattering of the magnetic field outside the torus and its effect on any electrical devices is practically eliminated. An analogue of the combustion chamber of such an engine will be a “conversion chamber” filled with solid, liquid or gaseous refrigerant.
Электрическая энергия каждого отдельного СПИНЭ могла бы расходоваться на сублимацию, испарение и нагрев хладагента, уже находящегося в камере преобразования либо поступающего в камеру преобразования из дополнительного бака либо поступающего из уже разряженного прежде СПИНЭ. Таким образом, самый первый СПИНЭ в процессе электрической разрядки нагревал бы запас хладагента, поступающий в камеру преобразования из дополнительного бака или уже находящийся в камере преобразования. После разрядки первого СПИНЭ его обмотка уже не нуждается в хладагенте для перевода обмотки в сверхпроводящее состояние. Поэтому хладагент из разряженного СПИНЭ поступает в камеру преобразования, становясь рабочим телом, которое нагревает в процессе своей разрядки уже следующий СПИНЭ и так далее. Нагрев рабочего тела (хладагента) в камере преобразования может производиться до той температуры и того давления, которого требуют конкретные условия полета. Поэтому КСРД может укомплектовываться клапаном высокого давления, находящимся между камерой преобразования и соплом.The electrical energy of each individual SPINE could be spent on sublimation, evaporation and heating of the refrigerant already in the conversion chamber or entering the conversion chamber from an additional tank or coming from the previously discharged SPINE. Thus, the very first SPINE in the process of electrical discharge would heat up the supply of refrigerant entering the conversion chamber from an additional tank or already in the conversion chamber. After the first SPINE is discharged, its winding no longer needs refrigerant to transfer the winding to a superconducting state. Therefore, the refrigerant from the discharged SPINE enters the conversion chamber, becoming a working fluid, which heats the next SPIN in the process of its discharge, and so on. The heating of the working fluid (refrigerant) in the conversion chamber can be carried out to the temperature and pressure that specific flight conditions require. Therefore, the KSRD can be equipped with a high pressure valve located between the conversion chamber and the nozzle.
Одним из перспективных сверхпроводящих материалов для изготовления сверхпроводящих обмоток катушки СПИНЭ мог бы являться материал на основе иттриевых купратов (обычно обозначается как «YBCO»). Плотность указанного вещества (р) составляет всего лишь 6,3 г/см3 (6300 кг/м3). Критическая температура сверхпроводимости (Тс) YBCO выше 100 К, критическое поле (Вс) может быть 70-100 Тл и выше. В указанном сверхпроводящем материале в настоящее время достигаются плотности критического тока (Jc) порядка 7×10^6 А/см2 (знаком «^» здесь и далее обозначается степень). Камера преобразования должна быть выполнена таким образом, чтобы выдерживать высокие внутренние температуры и давления. Внутри камеры преобразования располагается нагревательный элемент, благодаря которому магнитная энергия, запасенная в СПИНЭ либо выработанная солнечными батареями, преобразуется в тепло. Импульс тока от СПИНЭ может длиться в течение времени t=L/r, где L - индуктивность СПИНЭ, а r - сопротивление нагрузки. Отсюда видно, что например, в случае дугового разряда СНИНЭ сопротивление нагрузки (электрической дуги) мало и импульс будет длиться достаточно долго. Импульс тока может быть также преобразован, выровнен или растянут инвертором, в том числе, постоянный ток может быть преобразован в переменный, если этого требует выбранный нагревательный элемент.One of the promising superconducting materials for the manufacture of superconducting windings of a SPINE coil could be material based on yttrium cuprates (usually referred to as “YBCO”). The density of the specified substance (p) is only 6.3 g / cm 3 (6300 kg / m 3 ). The critical temperature of superconductivity (TC) of YBCO is above 100 K, the critical field (BC) can be 70-100 T and above. In the indicated superconducting material, critical current densities (Jc) of the order of 7 × 10 ^ 6 A / cm 2 are currently achieved (the sign “^” hereinafter indicates the degree). The conversion chamber must be designed to withstand high internal temperatures and pressures. A heating element is located inside the conversion chamber, due to which the magnetic energy stored in the SPINE or generated by solar panels is converted into heat. The current pulse from SPINE can last for a time t = L / r, where L is the inductance of the SPINE and r is the load resistance. It can be seen from this that, for example, in the case of an arc discharge of the SNINE, the load resistance (electric arc) is small and the pulse will last quite a long time. The current pulse can also be converted, aligned or stretched by the inverter, including direct current can be converted to alternating current, if required by the selected heating element.
Нагревательный элемент в камере преобразования может быть выполнен в виде соленоида, ток в котором будет нарастать и затухать постепенно. Указанный нагревательный элемент может быть выполнен из материала, имеющего относительно высокое сопротивление, например, из графита. Нагревательный элемент может быть выполнен также в виде электродов, между которыми создается электрический разряд (электрическая дуга), который нагревает хладагент. Нагревательным элементом может являться также генератор электромагнитного излучения, нагревающего рабочее тело. Камера преобразования заполняется рабочим телом (в жидком, твердом, газообразном состоянии), нагрев которого создаст реактивную газовую струю, которая придаст необходимый импульс космическому кораблю.The heating element in the conversion chamber can be made in the form of a solenoid, the current in which will increase and decay gradually. The specified heating element may be made of a material having a relatively high resistance, for example, graphite. The heating element can also be made in the form of electrodes, between which an electric discharge (electric arc) is created, which heats the refrigerant. The heating element may also be an electromagnetic radiation generator that heats the working fluid. The conversion chamber is filled with a working fluid (in a liquid, solid, gaseous state), the heating of which will create a reactive gas stream, which will give the necessary impulse to the spacecraft.
КСРД может содержать также отдельные емкости для хранения жидких рабочих тел.DACC may also contain separate containers for storing liquid working bodies.
К описанию не прилагается фигур чертежей.The description is not attached to the figures of the drawings.
Произведем расчет энергии, генерируемой СПИНЭ из YBCO. Допустим, что сверхпроводящая тороидальная катушка находится в отсеке с жидким водородом, диаметр отсека 5 м и высота 3 м, при этом СПИНЭ создает магнитное поле с индукцией 50 Тл. Указанное поле заведомо меньше, чем Вс при данной температуре для YBCO. Тогда энергия такого СПИНЭ:Let us calculate the energy generated by SPINE from YBCO. Suppose that a superconducting toroidal coil is located in a compartment with liquid hydrogen, the diameter of the compartment is 5 m and the height is 3 m, while SPINE creates a magnetic field with an induction of 50 T. The indicated field is obviously less than Vs at a given temperature for YBCO. Then the energy of such a spin:
W=B2*V/2*μ*μ0=2500*58,875/2*1,25*10^(-6)=58,875 ГДжW = B 2 * V / 2 * μ * μ 0 = 2500 * 58.875 / 2 * 1.25 * 10 ^ (- 6) = 58.875 GJ
здесь В - значение магнитной индукции, V - объем тора, μ0 - магнитная проницаемость (для расчетов используем магнитную проницаемость вакуума μ0=1,25×10^(-6) Гн/м).here B is the value of magnetic induction, V is the volume of the torus, μ 0 is the magnetic permeability (for calculations, we use the magnetic permeability of the vacuum μ 0 = 1.25 × 10 ^ (- 6) GN / m).
Чем больше объем тора - тем большую энергию может запасти СПИНЭ.The larger the torus volume, the more energy SPINE can store.
Для того чтобы оценить массу и плотность энергии СПИНЭ из YBCO посчитаем массу провода (предположим, его сечение 1 см2 и по нему проходит ток, плотностью J=5*10^6А/см2, заведомо меньший Jc) из которого состоит обмотка СПИНЭ. Известно, что для соленоида энергия магнитного поля рассчитывается также по формуле:In order to estimate the mass and energy density of the SPINE from YBCO, we calculate the mass of the wire (suppose its cross section is 1 cm 2 and a current flows through it with a density J = 5 * 10 ^ 6A / cm 2 , obviously less than Jc) of which the SPINE winding consists. It is known that for a solenoid the magnetic field energy is also calculated by the formula:
W=L*I2/2, или L=2W/I2 W = L * I 2/2, or L = 2W / I 2
где I - сила тока, L - индуктивность соленоида. Индуктивность тороидального соленоида рассчитывается также по формуле:where I is the current strength, L is the inductance of the solenoid. The inductance of a toroidal solenoid is also calculated by the formula:
L=μ0*(D-d)*h*n2/(D+d),L = μ 0 * (Dd) * h * n 2 / (D + d),
где n - количество витков соленоида, D и d - внешний и внутренний диаметры тора, соответственно, h - высота тора. В нашем случае тор занимает весь цилиндрический отсек, тогда внутренний диаметр тора d стремится к нулю, отсюда:where n is the number of turns of the solenoid, D and d are the outer and inner diameters of the torus, respectively, h is the height of the torus. In our case, the torus occupies the entire cylindrical compartment, then the inner diameter of the torus d tends to zero, hence:
L=μ0*h*n2, отсюда: n2=L/μ0*h или через энергию W:L = μ 0 * h * n 2 , hence: n 2 = L / μ 0 * h or through the energy W:
n2=2W/I2*μ0*h=2*58,875*10^9/25*10^12*1,25*10^(-6)*3=35,44n 2 = 2W / I 2 * μ 0 * h = 2 * 58.875 * 10 ^ 9/25 * 10 ^ 12 * 1.25 * 10 ^ (- 6) * 3 = 35.44
Подставляя в указанную формулу известные уже значения, получаем, что количество витков n равно, примерно, 35. В случае тора с прямоугольным сечением длина каждого витка тора равна сумме длин сторон (а и b) его сечения:Substituting the already known values into the indicated formula, we obtain that the number of turns n is approximately 35. In the case of a torus with a rectangular section, the length of each turn of the torus is equal to the sum of the lengths of the sides (a and b) of its section:
2а+2b=2*2,5+2*3=11 м2a + 2b = 2 * 2.5 + 2 * 3 = 11 m
Всего 35 витков, тогда длина всех витков тора примерно равна 11*35=385 м. Тогда, объем сверхпроводящего провода равен произведению его сечения на его длину: 0,0001*1120=0,0385 м3. Умножая полученный объем на плотность YBCO (6300 кг/м3), получаем примерную массу сверхпроводящего провода: 242,55 кг. Плотность энергии, запасаемой сверхпроводящим проводом, составит около 243 МДж/кг.Only 35 turns, then the length of all turns of the torus is approximately 11 * 35 = 385 m. Then, the volume of the superconducting wire is equal to the product of its cross section and its length: 0.0001 * 1120 = 0.0385 m 3 . Multiplying the resulting volume by the density of YBCO (6300 kg / m 3 ), we obtain the approximate mass of the superconducting wire: 242.55 kg. The density of energy stored by the superconducting wire will be about 243 MJ / kg.
На данном этапе расчетов уже можно примерно оценить, выигрыш КСРД в массе и габаритах по сравнению с химическими ракетными двигателями. Можно подсчитать, какая масса кислорода понадобилась бы для того, чтобы в результате окисления водорода выделилась бы энергия, аналогичная магнитной энергии, запасаемой СПИНЭ. Известно, что при сгорании одного килограмма водорода выделяется до 140 МДж тепловой энергии. Таким образом, для выделения энергии 58,875 ГДж нужно сжечь 420 кг водорода. Но для реакции горения нужен кислород, который будет весить, примерно, в 8 раз больше водорода. То есть ракета должна перевозить 3360 кг кислорода (соответственно, занимающего объем ракеты, около 3 м3) для того, чтобы появилась такая же энергия, как при использовании 242,55 кг сверхпроводящего YBCO (занимающего небольшой объем в отсеке с жидким водородом, около 0,04 м3).At this stage of the calculations, it is already possible to roughly estimate the gain of the DAC in mass and dimensions compared to chemical rocket engines. It is possible to calculate how much mass of oxygen would be needed in order for energy to be released as a result of hydrogen oxidation, similar to the magnetic energy stored by SPINE. It is known that up to 140 MJ of thermal energy is released during the combustion of one kilogram of hydrogen. Thus, to release energy 58.875 GJ you need to burn 420 kg of hydrogen. But for the combustion reaction, oxygen is needed, which will weigh about 8 times more hydrogen. That is, the rocket must transport 3360 kg of oxygen (correspondingly occupying the volume of the rocket, about 3 m 3 ) so that the same energy appears as when using 242.55 kg of superconducting YBCO (occupying a small volume in the compartment with liquid hydrogen, about 0 , 04 m 3 ).
Получается, что масса ракеты, использующей КСРД, может быть меньше массы ракеты с химическим ракетным двигателем более чем в 15 раз. При этом могут быть существенно уменьшены габариты ракеты. Кроме того, один из СПИНЭ может располагаться по периметру кабины экипажа, таким образом, защищая его своим магнитным полем от солнечного ветра.It turns out that the mass of a rocket using the DACF can be less than the mass of a rocket with a chemical rocket engine by more than 15 times. In this case, the dimensions of the rocket can be significantly reduced. In addition, one of the SPINEs can be located around the perimeter of the cockpit, thus protecting it with its magnetic field from the solar wind.
Вычисленная ранее энергия расходуется на нагрев рабочего тела. Произведем расчеты для случая, когда рабочим телом будет являться водород. Рабочее тело подвергается нагреву до температур, заведомо превышающих их критическую температуру.The previously calculated energy is spent on heating the working fluid. We will make calculations for the case when the working fluid will be hydrogen. The working fluid is heated to temperatures obviously exceeding their critical temperature.
Отсек со сверхпроводящим проводом может заполняться жидким водородом не полностью, а лишь в количестве, необходимом для охлаждения сверхпроводника. Подсчитанные ранее 420 кг водорода с плотностью p=70 кг/м3, заняли бы 6 м3, этого бы хватило для охлаждения 0,0385 м3 сверхпроводящего провода.The compartment with the superconducting wire may not be completely filled with liquid hydrogen, but only in the amount necessary for cooling the superconductor. Previously calculated 420 kg of hydrogen with a density of p = 70 kg / m 3 would take 6 m 3 , this would be enough to cool 0.0385 m 3 of a superconducting wire.
Если же весь отсек занять жидким водородом (его остаток может быть использован, например, с помощью энергии, получаемой уже в космосе от солнечных батарей) масса этого жидкого водорода m=V*p=58,875*70=4121 кг. Таким образом, каждому килограмму водорода в полностью заполненном отсеке может быть сообщена энергия:If the entire compartment is occupied by liquid hydrogen (its remainder can be used, for example, using energy received already in space from solar panels), the mass of this liquid hydrogen is m = V * p = 58.875 * 70 = 4121 kg. Thus, each kilogram of hydrogen in a completely filled compartment can be communicated with energy:
W/m=14,3 МДж.W / m = 14.3 MJ.
Произведем расчет для случаев, когда энергия СПИНЭ расходуется на нагрев всего хладагента в отсеке со СПИНЭ и на нагрев лишь части хладагента, но до высокой температуры.We will calculate for cases where SPINE energy is spent on heating the entire refrigerant in the compartment with SPINE and on heating only part of the refrigerant, but to a high temperature.
Для того чтобы испарить m=1 кг жидкого водорода и изохорически нагреть его до определенной температуры нам потребуется энергия E, которая будет равна сумме теплоты испарения Qu=Сu*m и теплоты нагрева газа: Qн=Cν*m*(Tн-Тu). Где Сu - удельная теплота испарения (448 кДж/кг), Cν - удельная теплоемкость водорода при постоянном объеме (она равна отношению Ср/у, где у=1,4 - показатель адиабаты водорода, и Ср - изобарическая теплоемкость (14 кДж/кг*К)) а Тн и Тu - конечная температура нагрева и температура испарения (для водорода - 20 К), соответственно. То есть:In order to evaporate m = 1 kg of liquid hydrogen and heat it isochorically to a certain temperature, we need energy E, which will be equal to the sum of the heat of vaporization Qu = Cu * m and the heat of gas heating: Qн = Cν * m * (Тн-Тu). Where Cu is the specific heat of vaporization (448 kJ / kg), Cν is the specific heat of hydrogen at a constant volume (it is equal to the ratio Cp / y, where y = 1.4 is the adiabatic index of hydrogen, and Cp is the isobaric heat capacity (14 kJ / kg * K)) and Тн and Тu are the final heating temperature and evaporation temperature (for hydrogen - 20 K), respectively. I.e:
E=Qu+Qн=Cu*m+Cν*m*(Tн-Тu)E = Qu + Qn = Cu * m + Cν * m * (Tn-Tu)
В это уравнение подставляем значение Е=14,3 МДж и находим величину температуры в камере преобразования:We substitute the value E = 14.3 MJ into this equation and find the temperature in the conversion chamber:
Тн=(Е-Cu*m)/Cν*m+Тu=(14,3*10^6-448*10^3)/10^4+20=1405,2 КTn = (E-Cu * m) / Cν * m + Tu = (14.3 * 10 ^ 6-448 * 10 ^ 3) / 10 ^ 4 + 20 = 1405.2 K
Применив расчеты, подобные расчетам скорости реактивной струи для химического ракетного двигателя, используя формулу:Applying calculations similar to those of a jet engine for a chemical rocket engine using the formula:
ν2=2*y*R*T/M* (у-1)ν 2 = 2 * y * R * T / M * (y-1)
найдем скорость реактивной водородной струи для температуры 1405 К, ν=6389 м/с.we find the velocity of the reactive hydrogen jet for a temperature of 1405 K, ν = 6389 m / s.
Внутри камеры преобразования КСРД можно достигать температуры рабочего тела, аналогичной температуре в камере сгорания химического ракетного двигателя (4000 К). В этом случае будет расходоваться не весь жидкий водород, который может находиться в сечение отсека, а лишь часть хладагента, заполняющего отсек со СПИНЭ. Применив известную формулу:Inside the KSRD conversion chamber, it is possible to achieve a working fluid temperature similar to that in the combustion chamber of a chemical rocket engine (4000 K). In this case, not all liquid hydrogen that can be in the section of the compartment will be consumed, but only part of the refrigerant filling the compartment with SPINE. Applying the well-known formula:
ν2=2*y*R*T/M* (у-1)ν 2 = 2 * y * R * T / M * (y-1)
найдем скорость реактивной водородной струи для температуры 4000 К, ν=10779 м/с.we find the velocity of the reactive hydrogen jet at a temperature of 4000 K, ν = 10779 m / s.
Указанная скорость более чем в два раза превышает скорость истечения газа из камеры сгорания ХРД, работающих на смеси водорода и кислорода (4500 м/с, на сегодняшний день - максимальный показатель для ХРД).The indicated speed is more than two times the rate of gas outflow from the combustion engine chambers operating on a mixture of hydrogen and oxygen (4500 m / s, today it is the maximum indicator for refrigeration control).
Как уже упоминалось, в КСРД, в отличие от ХРД, может регулироваться температура и давление в камере преобразования с помощью изменения силы тока в нагревательном элементе и применении клапана в камере преобразования. Таким образом, будет регулироваться тяга и расход рабочего тела для различных режимов полета (старт с земли, полет в открытом космосе).As already mentioned, in KSRD, in contrast to HRD, the temperature and pressure in the conversion chamber can be controlled by changing the current in the heating element and using a valve in the conversion chamber. Thus, the thrust and flow rate of the working fluid for various flight modes (starting from the ground, flying in outer space) will be regulated.
Техническим результатом применения описанной полезной модели будет являться создание такого ракетного двигателя, который будет обладать высокой скоростью истечения газов, высокой тягой, экологичностью, безопасностью. Указанный двигатель будет также достаточно простым и дешевым в эксплуатации.The technical result of the application of the described utility model will be the creation of such a rocket engine, which will have a high gas flow rate, high traction, environmental friendliness, safety. The specified engine will also be quite simple and cheap to operate.
Полезная модель может быть материализована путем создания электрического ракетного двигателя с источниками питания в виде СПИНЭ в форме тороидальных катушек (например, из YBCO), позволяющих накапливать и сохранять электрический ток порядка 5*10^6 А/см2. СПИНЭ будут помещены в отсеки с хладагентами (например, в жидкий водород), который одновременно будет являться рабочим телом. СПИНЭ соединяются посредством инверторов и электронно-управляемых электрических ключей с нагревательным элементом, находящимся в камере преобразования. В камеру преобразования из дополнительного бака или отсеков с разряженными СПИНЭ через трубу с насосом и клапаном попадает хладагент, который нагревается и под давлением, выбрасывается через сопло.The utility model can be materialized by creating an electric rocket engine with power sources in the form of SPINE in the form of toroidal coils (for example, from YBCO), which allow accumulating and preserving an electric current of the order of 5 * 10 ^ 6 A / cm 2 . SPINE will be placed in compartments with refrigerants (for example, in liquid hydrogen), which will simultaneously be the working fluid. SPINE are connected by means of inverters and electronically controlled electrical keys to a heating element located in the conversion chamber. Refrigerant, which is heated and pressurized, is discharged through the nozzle into the conversion chamber from an additional tank or compartments with discharged SPINE through a pipe with a pump and a valve.
1 Криогенные отсеки могут быть выполнены из тех же материалов, которые используются при производстве некоторых криогенных установок (например, сталь). Внутри криогенного отсека содержится хладагент (например, жидкий водород), который, является одновременно рабочим телом. Внутри криогенного отсека размещается также сверхпроводниковая катушка индуктивности. Криогенный отсек соединяется с трубой, через которую рабочее тело (хладагент) закачивается в камеру преобразований.1 Cryogenic compartments can be made of the same materials used in the manufacture of some cryogenic plants (e.g. steel). Inside the cryogenic compartment contains refrigerant (for example, liquid hydrogen), which is also a working fluid. A superconducting inductor is also located inside the cryogenic compartment. The cryogenic compartment is connected to a pipe through which the working fluid (refrigerant) is pumped into the transformation chamber.
2 СПИНЭ (сверхпроводящий индуктивный накопитель энергии). Может являться тороидальным соленоидом из сверхпроводящего материала (например, YBCO). СПИНЭ может замыкаться посредством сверхпроводящих электронных ключей и соединяться с помощью таких же ключей и инверторов либо только с помощью указанных ключей с нагревательным элементом.2 SPINE (superconducting inductive energy storage). It can be a toroidal solenoid made of a superconducting material (for example, YBCO). SPINE can be closed by means of superconducting electronic keys and connected using the same keys and inverters or only using the indicated keys with a heating element.
3 Электрические ключи, выполненные из сверхпроводящего материала (например, YBCO). Под действием электронного сигнала может происходить нагрев области ключа и происходит «размыкание» ключа, замыкавшего СПИНЭ, напротив, ключ, соединяющий СПИНЭ и нагревательный элемент, замыкается, тогда электрический ток уходит из контура СПИНЭ в нагревательный элемент.3 Electric keys made of superconducting material (e.g. YBCO). Under the influence of the electronic signal, the key region can be heated and the key that closes the SPINE "opens", on the contrary, the key connecting the SPINE and the heating element closes, then the electric current leaves the SPINE circuit to the heating element.
4 Инвертор может представлять собой в совокупности: программируемый прерыватель тока, соединенный последовательно со СПИНЭ, высокоточный диод, также соединенный последовательно со СПИНЭ, после прерывателя тока и конденсатор, соединенный параллельно с нагревательным элементом. Таким образом, прерыватель тока до его прерывания пропускает определенное количество зарядов, часть из которых заряжают конденсатор, а часть нагревают нагревательный элемент. Во время прерывания тока конденсатор разряжается, но его заряд попадает только на нагреватель, так как диод мешает заряду вернуться в СПИНЭ. Таким образом, настроив прерыватель тока определенным образом, можно получить постоянный и даже примерно одинаковый по силе ток на нагревательном элементе в течение времени разряда СПИНЭ.4 The inverter can be a combination of: a programmable current chopper connected in series with SPINE, a high-precision diode also connected in series with SPINE, after the current chopper and a capacitor connected in parallel with the heating element. Thus, the current chopper passes a certain number of charges before it is interrupted, some of which charge the capacitor, and some heat the heating element. During the interruption of the current, the capacitor discharges, but its charge falls only on the heater, since the diode prevents the charge from returning to the SPIN. Thus, by setting the current chopper in a certain way, it is possible to obtain a constant and even approximately equal in strength current on the heating element during the SPINE discharge time.
5 Труба для хладагента может иметь двойные стальные стенки, разделенные вакуумом. Труба соединяется с клапаном (либо клапанами) криогенных отсеков, через которые хладагент всасывается насосом внутри трубы и попадает через еще один клапан в камеру преобразования.5 The refrigerant pipe may have double steel walls separated by vacuum. The pipe is connected to the valve (or valves) of the cryogenic compartments, through which the refrigerant is absorbed by the pump inside the pipe and enters through the valve into the conversion chamber.
6 Клапаны внутри трубы для жидкого рабочего тела и между камерой преобразования и соплом могут быть выполнены из стали и напоминать аналогичные клапаны в ракетном двигателе, работающем на жидком кислороде и водороде.6 Valves inside the pipe for a liquid working fluid and between the conversion chamber and the nozzle can be made of steel and resemble similar valves in a rocket engine running on liquid oxygen and hydrogen.
7 Камера преобразования может быть изготовлена из стали с применением технологий изготовления емкостей автоклавов. Камера преобразования может быть соединена с трубой для хладагента. Внутри камеры преобразований расположен нагревательный элемент. Камера преобразования соединена с соплом.7 The conversion chamber can be made of steel using technologies for the production of autoclave containers. The conversion chamber may be connected to a refrigerant pipe. A heating element is located inside the conversion chamber. The conversion chamber is connected to the nozzle.
8 Нагревательный элемент может быть изготовлен из материала, значительно нагревающегося вследствие прохождения по нему электрического тока (например, из графита или вольфрама). Расположен внутри камеры преобразования. Соединен со СПИНЭ посредством стартовых электрических ключей либо указанных ключей и инверторов.8 The heating element can be made of a material that is significantly heated due to the passage of electric current through it (for example, graphite or tungsten). Located inside the conversion chamber. It is connected to SPINE by means of electric start keys or specified keys and inverters.
9 Сопло может быть изготовлено из стали, геометрически напоминает сопла химических ракетных двигателей для сверхзвуковых газовых струй. Соединено с нижней частью камеры преобразования.9 The nozzle can be made of steel, geometrically reminiscent of the nozzles of chemical rocket engines for supersonic gas jets. Connected to the bottom of the conversion chamber.
При старте каскадного сверхпроводникового ракетного двигателя электрический ключ, связывающий один из СПИНЭ с инвертором и нагревательным элементом замыкается, электрический ключ, замыкающий этот СПИНЭ размыкается, а и электрический ток из указанного СПИНЭ поступает в нагревательный элемент. Хладагент из дополнительного бака поступает через трубу и клапан в камеру преобразования, где происходит нагрев рабочего тела и образующийся горячий газ выбрасывается из сопла, создавая импульс для космического корабля или ракеты. В дальнейшем хладагент поступает в камеру преобразования уже из криогенного отсека с разрядившимся СПИНЭ и следующий СПИНЭ нагревает этот хладагент способом, подобным описанному выше.At the start of a cascade superconducting rocket engine, the electric key connecting one of the SPINEs to the inverter and the heating element closes, the electric key closing this SPINES opens, and the electric current from the specified SPINE enters the heating element. The refrigerant from the additional tank enters through the pipe and valve into the conversion chamber, where the working fluid is heated and the resulting hot gas is ejected from the nozzle, creating an impulse for the spacecraft or rocket. Subsequently, the refrigerant enters the conversion chamber from the cryogenic compartment with the discharged SPINE and the next SPINE heats this refrigerant in a manner similar to that described above.
Таким образом, полезная модель «Каскадный сверхпроводниковый ракетный двигатель» позволяет создать ракетный двигатель, который является достаточно простым в управлении, легким, экологическим, безопасным и дешевым в эксплуатации.Thus, the useful model “Cascade superconducting rocket engine” allows you to create a rocket engine that is quite easy to operate, lightweight, environmentally friendly, safe and cheap to operate.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016107591U RU175004U1 (en) | 2016-03-02 | 2016-03-02 | CASCADE SUPERCONDUCTOR ROCKET ENGINE |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016107591U RU175004U1 (en) | 2016-03-02 | 2016-03-02 | CASCADE SUPERCONDUCTOR ROCKET ENGINE |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU175004U1 true RU175004U1 (en) | 2017-11-15 |
Family
ID=60328835
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016107591U RU175004U1 (en) | 2016-03-02 | 2016-03-02 | CASCADE SUPERCONDUCTOR ROCKET ENGINE |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU175004U1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4169351A (en) * | 1976-10-25 | 1979-10-02 | The Secretary Of State For Defence In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom Of Great Britain And Northern Ireland | Electrothermal thruster |
US5395076A (en) * | 1993-03-19 | 1995-03-07 | Martin Marietta Corporation | Spacecraft velocity change maneuvers by variable arcjets |
RU2099573C1 (en) * | 1995-04-27 | 1997-12-20 | Исследовательский центр им.М.В.Келдыша | Electric arc rocket engine |
RU2186237C2 (en) * | 2000-05-15 | 2002-07-27 | Конструкторское бюро "Полет" ГУДП ГП Производственное объединение "Полет" | Method of and electrothermal microengine for creating reactive thrust |
RU2273757C2 (en) * | 2003-01-14 | 2006-04-10 | Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова | Steam-water driven rocket engine |
WO2006056710A1 (en) * | 2004-10-15 | 2006-06-01 | Astrium Sas | Resistojet |
-
2016
- 2016-03-02 RU RU2016107591U patent/RU175004U1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4169351A (en) * | 1976-10-25 | 1979-10-02 | The Secretary Of State For Defence In Her Britannic Majesty's Government Of The United Kingdom Of Great Britain And Northern Ireland | Electrothermal thruster |
US5395076A (en) * | 1993-03-19 | 1995-03-07 | Martin Marietta Corporation | Spacecraft velocity change maneuvers by variable arcjets |
RU2099573C1 (en) * | 1995-04-27 | 1997-12-20 | Исследовательский центр им.М.В.Келдыша | Electric arc rocket engine |
RU2186237C2 (en) * | 2000-05-15 | 2002-07-27 | Конструкторское бюро "Полет" ГУДП ГП Производственное объединение "Полет" | Method of and electrothermal microengine for creating reactive thrust |
RU2273757C2 (en) * | 2003-01-14 | 2006-04-10 | Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова | Steam-water driven rocket engine |
WO2006056710A1 (en) * | 2004-10-15 | 2006-06-01 | Astrium Sas | Resistojet |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10844808B2 (en) | Rocket engine systems with an independently regulated cooling system | |
US4754601A (en) | Self-refueling space propulsion system and operating method | |
US20170254296A1 (en) | Rocket Engine Bipropellant Supply System | |
Palacz | Nitrous oxide application for low-thrust and low-cost liquid rocket engine | |
Díaz et al. | Development of the VASIMR™ Engine, The | |
RU175004U1 (en) | CASCADE SUPERCONDUCTOR ROCKET ENGINE | |
Sforza | Electric power generation onboard hypersonic aircraft | |
McNab | Electromagnetic augmentation can reduce space launch costs | |
Jack | Theoretical performance of propellants suitable for electrothermal jet engines | |
EP1396631B1 (en) | Liquid rocket | |
EA018524B1 (en) | Method and system for feeding jet engines | |
Schneider et al. | Some aspects concerning the design of multistage earth orbit launchers using electromagnetic acceleration | |
US3242683A (en) | Production and storage of free radical and molecular hydrogen | |
RU173324U1 (en) | MEMBRANE ION ENGINE | |
Thakur et al. | A review of cryogenic rocket engine | |
Donahue | Crewed Mars Ascent Stages: Propellant Options, Configuration Alternatives and Performance Factors | |
Chen et al. | Study of long-term in-orbit pressure control of liquid krypton cryogenic storage tank | |
Sun et al. | Propulsion Technology | |
Turchi et al. | High-Energy Density Electromechanical Thruster Based on Stabilized Liner Compression of Plasma | |
RU2772596C1 (en) | Reusable hybrid krishtop launch vehicle (hlkv), hybrid power plants (hpp) for hlkv and method for functioning of hlkv with hpp (options) | |
Thapa | Evolution in Propellant of the Rocket Engine | |
Krishnan et al. | Propulsion System Classification | |
Pempie et al. | Multi purposes reusable LOX/CH4 bleed rocket engine | |
Cole et al. | Rocket-induced magnetohydrodynamic ejector-A single-stage-to-orbit advanced propulsion concept | |
Maisonneuve et al. | Green propellants perspectives for future missions |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20190303 |