RU2152530C1

RU2152530C1 - Controllable thrust gas jet engine

Info

Publication number: RU2152530C1
Application number: RU96116590A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Виноградов; В.М. Мурашко; А.Г. Нятин
Original assignee: Опытное конструкторское бюро "Факел"
Priority date: 1996-08-13
Filing date: 1996-08-13
Publication date: 2000-07-10

Abstract

FIELD: space vehicles; gas jet control systems and systems providing microgravitation in orbital modules. SUBSTANCE: engine has gas duct with control valve, jet, heating chamber and nozzle. Heat exchanger is connected to jet from control valve side. With gas passing through critical section of jet, on condition that dimensions of critical sections of jet and nozzle, their flow factors and heat physical characteristics of gas before jet nozzle comply with dependence protected by invention, feed-back coupling between gas temperature and its flow rate through nozzle is eliminated. Controllable jet can be used to provide adjustment of engine to nominal parameters and enlarge control range. Thrust control is provided by changing heat power delivered to gas through heating chamber. EFFECT: increased depth and accuracy of thrust control on compressed gas, increased reliability. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано в газореактивных системах управления космического аппарата, а также в системах обеспечения микрогравитации технологических орбитальных модулей. The invention relates to the field of space technology and can be used in gas reactive control systems of a spacecraft, as well as in microgravity support systems for technological orbital modules.

Известна газореактивная система, которая обеспечивает постоянное управляющее усилие при многократных включениях системы. Система состоит из баллонов хранения сжатого газа, регулятора давления газа, подводящего трубопровода, коллектора низкого давления и газореактивных микровигателей (с. 46-47 в кн.: Беляев Н.М., Уваров Е.И. Расчет и проектирование реактивных систем управления космических летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1974). Регулирование тяги в этой системе осуществляется изменением давления газа регулятором давления. Сжатый газ под высоким давлением хранится на борту в баллоне. Перед включением системы в работу производится подача газа из баллона к регулятору давления газа. В регуляторе давления происходит редуцирование высокого давления газа до заданной величины и поддержание этой величины в определенных пределах. В зависимости от величины точность поддержания давления не превышает 50% от номинального значения. Поддержание постоянного давления газа после регулятора обеспечивает получение постоянной величины управляющего усилия в системе. Редуцированный газ низкого давления по подводящему трубопроводу поступает к коллектору низкого давления, а оттуда подводится к газореактивным двигателям. Подобная система обеспечивает работу двигателей с постоянной тягой, и она используется в системах ориентации при многократных включениях. Known gas-reactive system, which provides a constant control force during repeated switching on the system. The system consists of compressed gas storage cylinders, a gas pressure regulator, a supply pipe, a low pressure manifold, and gas reactive micro-engines (pp. 46-47 in the book: Belyaev NM, Uvarov EI Calculation and design of reactive spacecraft control systems apparatuses. - M.: Mechanical Engineering, 1974). Traction control in this system is carried out by changing the gas pressure by the pressure regulator. Compressed gas under high pressure is stored on board in a cylinder. Before turning on the system, gas is supplied from the cylinder to the gas pressure regulator. In the pressure regulator, the high gas pressure is reduced to a predetermined value and this value is maintained within certain limits. Depending on the value, the accuracy of pressure maintenance does not exceed 50% of the nominal value. Maintaining a constant gas pressure after the regulator provides a constant value of the control force in the system. Reduced low-pressure gas through the inlet pipe enters the low-pressure manifold, and from there it is supplied to gas-jet engines. A similar system ensures the operation of engines with constant thrust, and it is used in orientation systems with multiple starts.

Известен газореактивный двигатель на сжатом газе (с. 49-52 в кн.: Беляев Н. М., Уваров Е.И. Расчет и проектирование реактивных систем управления космических летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1974), содержащий подводящий трубопровод с клапанами и теплообменник с соплом. Регулирование тяги в этом двигателе производится изменением давления газа перед соплом двигателя. Known gas jet engine for compressed gas (p. 49-52 in the book: Belyaev N. M., Uvarov E.I. Calculation and design of reactive control systems for spacecraft. - M .: Mechanical Engineering, 1974), containing a supply pipe with valves and heat exchanger with nozzle. Traction control in this engine is made by changing the gas pressure in front of the engine nozzle.

Однако регулирование тяги двигателя требует регулирования давления газа в подводящем трубопроводе для того, чтобы обеспечить соответствие величины давления газа перед клапанами требуемой величине давления перед соплом двигателя, причем точность регулирования ограничена диапазоном чувствительности используемых для этих целей регуляторов давления. However, regulation of engine thrust requires regulation of the gas pressure in the supply pipe in order to ensure that the gas pressure in front of the valves matches the required pressure in front of the engine nozzle, and the control accuracy is limited by the sensitivity range of the pressure regulators used for these purposes.

Известен микродвигатель (патент США N 3603093), принятый за прототип, содержащий линию подачи рабочего газа с механическим регулятором давления и клапанами, теплообменник с блоком регулирования мощности и сопло. Основным элементом теплообменника является пористая вставка, выполненная из материала с большим коэффициентом теплового расширения. Настройка двигателя на заданный диапазон регулирования осуществляется соответствующим подбором материала вставки и его пористости. Регулирование тяги в этом двигателе основано на изменении расхода газа перед соплом. Расход газа изменяет подвод к пористой вставке тепловую мощность в определенном диапазоне регулирования. При тепловом воздействии поры указанной вставки меняют свой эффективный диаметр в соответствии с ее температурой, благодаря чему регулируется массовый расход газа через двигатель. Known micromotor (US patent N 3603093), adopted as a prototype, containing a working gas supply line with a mechanical pressure regulator and valves, a heat exchanger with a power control unit and a nozzle. The main element of the heat exchanger is a porous insert made of a material with a large coefficient of thermal expansion. The engine is tuned to a predetermined control range by appropriate selection of the insert material and its porosity. The throttle control in this engine is based on a change in gas flow in front of the nozzle. The gas flow rate changes the heat input to the porous insert in a certain control range. When exposed to heat, the pores of the indicated insert change their effective diameter in accordance with its temperature, due to which the mass flow of gas through the engine is regulated.

Однако регулирование тяги путем изменения массового расхода газа при изменении проходного сечения пор под действием теплового расширения материала не позволяет обеспечить точную и глубокую регулировку тяги, так как не существует точного закона теплового расширения пористого материала. Наличие регулятора давления в подводящем трубопроводе двигателя, необходимое для обеспечения низкого уровня массового расхода, при котором возможна работа пористой вставки как ограничителя расхода, существенно ограничивает точность регулирования тяги и снижает надежность двигателя. However, the regulation of traction by changing the mass flow rate of gas when changing the flow cross section of pores under the influence of thermal expansion of the material does not allow for accurate and deep adjustment of traction, since there is no exact law of thermal expansion of the porous material. The presence of a pressure regulator in the engine inlet pipe, necessary to ensure a low level of mass flow rate at which the porous insert can be used as a flow limiter, significantly limits the accuracy of thrust control and reduces the reliability of the engine.

При создании изобретения решались задачи повышения глубины и точности регулирования тяги, а также повышения надежности двигателя. When creating the invention, the tasks of increasing the depth and accuracy of traction control, as well as improving the reliability of the engine, were solved.

Поставленные задачи решены за счет того, что в известном двигателе, содержащем газовый тракт с управляющим клапаном, нагревную камеру и сопло, на входе в нагревную камеру установлен жиклер с критическим сечением, причем размеры критических сечений жиклера и сопла, их коэффициенты расхода и теплофизические характеристики газа перед жиклером и соплом связаны между собой зависимостью:

где

отношение критических сечений жиклера и сопла;

отношение коэффициентов расхода жиклера и сопла;

отношение минимально возможной температуры газа перед жиклером к максимально возможной температуре газа перед соплом;
k - показатель адиабаты газа, используемого в двигателе.The tasks are solved due to the fact that in the known engine containing a gas path with a control valve, a heating chamber and a nozzle, a nozzle with a critical section is installed at the inlet of the heating chamber, moreover, the dimensions of the critical sections of the nozzle and nozzle, their flow coefficients and thermal characteristics of the gas in front of the nozzle and nozzle are interconnected by the relationship:

Where

the ratio of the critical sections of the nozzle and nozzle;

ratio of nozzle and nozzle flow rates;

the ratio of the minimum possible gas temperature in front of the nozzle to the maximum possible gas temperature in front of the nozzle;
k is the adiabatic index of the gas used in the engine.

Установка жиклера с критическим сечением на входе в нагревную камеру позволяет устранить необходимость механического регулирования давления газа в газовом тракте для получения требуемой величины давления газа перед соплом двигателя с целью обеспечения заданного уровня тяги двигателя. Заданный уровень тяги двигателя обеспечивается предварительным подбором критических сечений и коэффициентов расхода жиклера и сопла, а также регулировкой температур газа перед жиклером и соплом в соответствии с вышеприведенной зависимостью. При увеличении температуры удельный импульс тяги двигателя возрастает, поскольку критическая скорость истечения газа зависит от его температуры. Независимость массового расхода газа от его температуры обеспечивается подачей газа в нагревную камеру через критическое сечение жиклера. Тяга двигателя линейно возрастает при увеличении удельного импульса тяги при постоянном расходе. Поскольку для заявленного двигателя известен точный закон изменения тяги, то обеспечивается точное и глубокое регулирование тяги. The installation of a nozzle with a critical cross section at the entrance to the heating chamber eliminates the need for mechanical control of the gas pressure in the gas path to obtain the required gas pressure in front of the engine nozzle in order to provide a given level of engine thrust. A predetermined level of engine thrust is provided by a preliminary selection of critical sections and flow rates of the nozzle and nozzle, as well as by adjusting the gas temperature in front of the nozzle and nozzle in accordance with the above dependence. With increasing temperature, the specific impulse of engine thrust increases, since the critical rate of gas outflow depends on its temperature. The independence of the gas mass flow rate from its temperature is ensured by supplying gas to the heating chamber through the critical section of the nozzle. The engine thrust increases linearly with increasing specific thrust momentum at a constant flow rate. Since the exact law of change in traction is known for the claimed engine, precise and deep regulation of traction is ensured.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 изображена принципиальная схема газореактивного двигателя с регулируемой тягой по п. 1 формулы изобретения, на фиг. 2 - схема двигателя по п. 2 формулы изобретения, на фиг. 3 - схема двигателя по п. 3 формулы изобретения. The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 is a schematic diagram of an adjustable thrust gas engine according to claim 1, and FIG. 2 is a schematic diagram of an engine according to claim 2, FIG. 3 is a diagram of an engine according to claim 3 of the claims.

Двигатель (фиг. 1) содержит газовый тракт 1, управляющий клапан 2, жиклер 3, нагревную камеру 4, сопло 5. The engine (Fig. 1) contains a gas path 1, a control valve 2, a jet 3, a heating chamber 4, a nozzle 5.

Жиклер двигателя может быть выполнен регулируемым (фиг. 2) На входе в жиклер может быть установлен теплообменник 6 (фиг. 3). The engine nozzle can be made adjustable (Fig. 2). At the inlet of the nozzle, a heat exchanger 6 can be installed (Fig. 3).

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

Сжатый газ по газовому тракту 1 через управляющий клапан 2 поступает в жиклер 3, нагревную камеру 4, нагревается и выбрасывается через сопло 6, создавая реактивную тягу. Compressed gas through the gas path 1 through the control valve 2 enters the nozzle 3, the heating chamber 4, is heated and ejected through the nozzle 6, creating a jet thrust.

При прохождении через критическое сечение жиклера 3 скорость течения газа, при условии связи размеров критических сечений жиклера 3 и сопла 5, их коэффициентов расхода и теплофизических характеристик газа перед жиклером и соплом зависимостью, приведенной в формуле изобретения, возрастает до местной скорости звука, т.е. достигает критического значения, и, следовательно, ликвидируется обратная связь между температурой газа и его расходом через сопло. When passing through the critical section of the nozzle 3, the gas flow rate, provided that the dimensions of the critical sections of the nozzle 3 and nozzle 5 are connected, their flow coefficients and the thermophysical characteristics of the gas in front of the nozzle and nozzle, the dependence given in the claims increases to the local speed of sound, i.e. . reaches a critical value, and, therefore, the feedback between the temperature of the gas and its flow rate through the nozzle is eliminated.

Регулирование тяги двигателя осуществляется соответствующим изменением подводимой к газу через нагревную камеру 4 тепловой мощности. Regulation of engine thrust is carried out by a corresponding change in the heat input to the gas through the heating chamber 4.

В случае использования регулируемого жиклера принцип работы заявляемого двигателя аналогичен описанному выше, за исключением того, что настройка двигателя на номинальные параметры и переход на другое газообразное рабочее тело в этом случае будет происходить подстройкой параметров жиклера. При этом требования к точности изготовления сопла двигателя и, следовательно, стоимость производства могут быть снижены. In the case of using an adjustable nozzle, the principle of operation of the inventive engine is similar to that described above, except that the engine is tuned to the rated parameters and the transition to another gaseous working fluid in this case will occur by adjusting the nozzle parameters. In this case, the requirements for precision manufacturing of the engine nozzle and, consequently, the cost of production can be reduced.

В случае необходимости расширения диапазона регулирования на входе в жиклер устанавливают теплообменник 6. После прохождения теплообменника температура газа перед жиклером изменяется. При этом диапазон регулирования двигателя увеличивается за счет изменения соотношения температур газа перед жиклером и соплом 5 двигателя. If it is necessary to expand the control range, a heat exchanger is installed at the inlet of the nozzle 6. After passing through the heat exchanger, the gas temperature in front of the nozzle changes. In this case, the control range of the engine increases due to changes in the ratio of gas temperatures in front of the jet and nozzle 5 of the engine.

Причем, поскольку нагревная камера и газовый тракт газодинамически развязаны, то изменение температуры газа приводит только к изменению его удельной тяги. Так как тепловая мощность прямо пропорциональна температуре, а удельная тяга - корню квадратному из температуры, то обеспечивается значительное увеличение точности регулирования тяги, что необходимо для решения задач высокоточного управления положением космического аппарата и обеспечения условий микрогравитации в космических технологических модулях. Moreover, since the heating chamber and the gas path are gasdynamically decoupled, a change in gas temperature only leads to a change in its specific thrust. Since the thermal power is directly proportional to the temperature, and the specific thrust to the square root of the temperature, a significant increase in the thrust control accuracy is provided, which is necessary to solve the problems of high-precision control of the position of the spacecraft and to provide microgravity conditions in space technological modules.

Claims

1. A gas jet engine with adjustable thrust, comprising a gas path with a control valve, a heating chamber and a nozzle, characterized in that a nozzle with a critical section is installed at the inlet of the heating chamber, the dimensions of the critical sections of the nozzle and nozzle, their flow coefficients and thermophysical characteristics of the gas in front of the nozzle and nozzle are interconnected

Where

the ratio of the critical sections of the nozzle and nozzle;

ratio of nozzle and nozzle flow rates;

the ratio of the minimum possible gas temperature in front of the nozzle to the maximum possible gas temperature in front of the nozzle;
to is the adiabatic index of the gas used in the engine.

2. An adjustable thrust gas engine according to claim 1, characterized in that the jet is adjustable.

3. The adjustable thrust gas engine according to claim 1, characterized in that a heat exchanger is installed at the inlet of the nozzle.