RU2511877C2 - Fluid-gas jet engine - Google Patents

Fluid-gas jet engine Download PDF

Info

Publication number
RU2511877C2
RU2511877C2 RU2012122822/06A RU2012122822A RU2511877C2 RU 2511877 C2 RU2511877 C2 RU 2511877C2 RU 2012122822/06 A RU2012122822/06 A RU 2012122822/06A RU 2012122822 A RU2012122822 A RU 2012122822A RU 2511877 C2 RU2511877 C2 RU 2511877C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
engine
working fluid
chamber
tank
fluid
Prior art date
Application number
RU2012122822/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012122822A (en
Inventor
Александр Андреевич Протопопов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" filed Critical Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority to RU2012122822/06A priority Critical patent/RU2511877C2/en
Publication of RU2012122822A publication Critical patent/RU2012122822A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2511877C2 publication Critical patent/RU2511877C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
  • Jet Pumps And Other Pumps (AREA)

Abstract

FIELD: transport.
SUBSTANCE: invention relates to aerospace engineering and may be used in clustered rocket bodies as a correction engine. Proposed engine comprises tank filled with working fluid and having the bore in cover, chamber and jet nozzle. Working fluid phase splitter is arranged inside the engine chamber, at tank outlet. Control valve with spring and electromagnet is arranged downstream of said splitter. This engine incorporates the device to heat working fluid in area adjoining the tank outlet. Fluid-gas engine generates jet thrust by outflow of water steam formed at gas vaporisation from liquid phase.
EFFECT: thrust adjustment, lower power consumption, non-polluting working fluid.
2 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение предназначено для использования в ракетно-космической технике в качестве корректирующей двигательной установки (КДУ) космического аппарата (КА).The present invention is intended for use in rocket and space technology as a corrective propulsion system (KDU) of a spacecraft (SC).

Известен жидкостный реактивный двигатель с дополнительным электромагнитным разгоном рабочего тела, содержащий источник электрической энергии, кольцевую камеру сгорания, смесительную головку, тарельчатое сопло и накопитель энергии с коммутирующим устройством (Патент Российской Федерации № 2374481 по МПК: F02K99/00, 2008 г.). Этот двигатель имеет такие недостатки, как относительно высокая цена тяги, наличие двух баков для хранения топлива и окислителя. Для нормальной работы такого двигателя необходимо дозированная подача компонентов.Known liquid jet engine with additional electromagnetic acceleration of the working fluid containing a source of electrical energy, an annular combustion chamber, a mixing head, a disk nozzle and an energy storage device with a switching device (Patent of the Russian Federation No. 2374481 for IPC: F02K99 / 00, 2008). This engine has such disadvantages as a relatively high traction price, the presence of two tanks for storing fuel and an oxidizer. For the normal operation of such an engine, a metered supply of components is necessary.

Известен жидкостно-газовый реактивный двигатель (ЖГРД), содержащий бак, заполненный жидким рабочим телом, с выходным отверстием в крышке, камеру и реактивное сопло, после выходного отверстия установлена капиллярная трубка, за которой находится полость двигателя, из нее рабочее тело поступает в сопло (Вопросы электромеханики. Т.109. 2009 г. В.П.Ходненко, А.В.Хромов (ФГУП «НПП ВНИИЭМ») Корректирующие двигательные установки для малого космического аппарата.). Этот двигатель выбран в качестве прототипа. В качестве топлива данного двигателя применяется гидразин.Known liquid-gas jet engine (GGRD), containing a tank filled with a liquid working fluid, with an outlet in the lid, a chamber and a jet nozzle, after the outlet is installed a capillary tube, behind which is the engine cavity, from which the working fluid enters the nozzle ( Issues of Electromechanics. V. 109. 2009. V. Khodnenko, A. Khromov (FSUE NPP VNIIEM) Corrective propulsion systems for a small spacecraft.). This engine is selected as a prototype. Hydrazine is used as the fuel of this engine.

Этот двигатель имеет более низкую цену тяги, один бак с жидким рабочим телом. Но у данного двигателя есть ряд других недостатков - невозможность регулирования в широких пределах тягу двигателя из-за особенностей применяемого топлива, относительно большое энергопотребление из-за необходимости осуществлять нагрев полости двигателя для осуществления термокаталитической реакции, а также есть такой недостаток, как токсичность применяемого топлива.This engine has a lower traction price, one tank with a liquid working fluid. But this engine has a number of other disadvantages - the inability to regulate engine thrust over a wide range due to the characteristics of the fuel used, the relatively high energy consumption due to the need to heat the engine cavity to carry out a thermocatalytic reaction, and there is also a drawback such as the toxicity of the fuel used.

Техническим результатом заявленного изобретения является получение возможности регулирования тяги двигателя в широких пределах, снижение энергопотребления двигателя и применение экологически чистого рабочего тела.The technical result of the claimed invention is to obtain the ability to control engine thrust in a wide range, reducing engine power consumption and the use of environmentally friendly working fluid.

Технический результат достигается тем, что в жидкостно-газовый реактивный двигатель, содержащий бак, заполненный жидким рабочим телом, с выходным отверстием в крышке, камеру и реактивное сопло, согласно изобретению введен регулировочный клапан с электромагнитом и пружиной, установленный в камере на выходе из бака после разделителя фаз рабочего тела, а в качестве рабочего тела используют воду.The technical result is achieved by the fact that in the liquid-gas jet engine containing a tank filled with a liquid working fluid, with an outlet in the lid, a chamber and a jet nozzle, according to the invention, a control valve with an electromagnet and a spring installed in the chamber at the outlet of the tank after phase separator of the working fluid, and water is used as the working fluid.

При этом рабочую камеру предлагается снабдить устройством подогрева области, прилегающей к выходному отверстию бака.At the same time, it is proposed to equip the working chamber with a device for heating the area adjacent to the outlet of the tank.

В предлагаемом техническом решении для создания тяги используется явление парообразования, а не термокаталитическая реакция, как в прототипе.In the proposed technical solution to create traction, the phenomenon of vaporization is used, and not the thermocatalytic reaction, as in the prototype.

На чертеже изображен пример конкретного выполнения заявленного реактивного двигателя.The drawing shows an example of a specific implementation of the claimed jet engine.

Жидкостно-газовый реактивный двигатель состоит из бака 1, регулировочного клапана 2 с электромагнитом 3 и пружиной 4, установленного в камере 5 на выходе из бака 1 после разделителя фаз 6 рабочего тела, и сопла 7, установленного после камеры 5 и корпуса клапана 8.A liquid-gas jet engine consists of a tank 1, a control valve 2 with an electromagnet 3 and a spring 4 installed in the chamber 5 at the outlet of the tank 1 after the phase separator 6 of the working fluid, and a nozzle 7 installed after the chamber 5 and the valve body 8.

Суть работы двигателя состоит в том, что рабочая жидкость из бака 1 испаряется и, пройдя по капиллярам разделителя фаз 6, поступает в камеру 5, откуда в случае поступления сигнала на электромагнит 3 пар через клапан 2 по каналам в корпусе клапана 8 поступает в сопло 7. В отсутствие сигнала на электромагните 3 пружина 4 обеспечивает поджатие клапана (автоматическое выключение двигателя). Так как давления в области перед соплом превышает давление за бортом, то возникает реактивная тяга. Двигатель может работать, пока не испариться вся жидкость в баке 1. Благодаря клапану осуществляется регулирование двигателя вплоть до полного выключения с возможностью неоднократных включений. Преимуществами данного двигателя является его низкое энергопотребление, нетоксичность топлива, невзрывоопасность, регулирование в широком диапазоне. В случае кристаллизации рабочего тела происходит падение удельного импульса и тяги, но работоспособность сохраняется, в отличие от термокаталитического двигателя. Согласно формуле (А.А.Дорофеев. Основы теории тепловых ракетных двигателей (Общая теория ракетных двигателей) МГТУ им. Н.Э.Баумана Москва 1999 г.):The essence of the engine is that the working fluid from the tank 1 evaporates and, passing through the capillaries of the phase separator 6, enters the chamber 5, from where, in the case of a signal to the electromagnet 3, the steam passes through the valve 2 through the channels 2 into the nozzle 7 . In the absence of a signal on electromagnet 3, spring 4 provides valve preload (automatic engine shutdown). Since the pressure in the area in front of the nozzle exceeds the pressure overboard, a jet thrust occurs. The engine can work until all the liquid in the tank 1 has evaporated. Thanks to the valve, the engine is regulated until it is completely turned off with the possibility of repeated starts. The advantages of this engine are its low power consumption, non-toxic fuel, non-explosive, regulation in a wide range. In the case of crystallization of the working fluid, the specific impulse and thrust drop, but operability is preserved, in contrast to the thermocatalytic engine. According to the formula (A.A. Dorofeev. Fundamentals of the theory of thermal rocket engines (General theory of rocket engines) MSTU named after NE Bauman Moscow 1999):

W max = 2 k k 1 R T [ 1 ]

Figure 00000001
W max = 2 k k - one R T [ one ]
Figure 00000001

где Wmax - скорость истечения газа через сопло Лаваля в вакууме при оптимальном профиле сопла, k - показатель адиабаты водяного пара, R - газовая постоянная водяного пара, T - абсолютная температура в камере. При температуре T=273 K, Wmax достигает 1065 м/с. При диаметре клапана d=10 мм и максимальной высоте подъема x=2.5 мм площадь цилиндрической щели в клапане при его максимальном подъеме составит:where Wmax is the gas flow rate through the Laval nozzle in vacuum at the optimal nozzle profile, k is the adiabatic index of water vapor, R is the gas constant of water vapor, T is the absolute temperature in the chamber. At a temperature of T = 273 K, Wmax reaches 1065 m / s. With a valve diameter of d = 10 mm and a maximum lift height x = 2.5 mm, the area of the cylindrical gap in the valve at its maximum lift will be:

f=xdπ=7.85×10-5 м2 f = xdπ = 7.85 × 10 -5 m 2

При температуре в 273 K давление насыщенных паров воды составляет примерно Рнп=600 Па, при этом плотность газа (если считать газ идеальным) составит:At a temperature of 273 K, the pressure of saturated water vapor is approximately Рнп = 600 Pa, while the gas density (if we consider the gas ideal) will be:

ρ г = M r V m × P н п Р о

Figure 00000002
ρ g = M r V m × P n P R about
Figure 00000002

где Mr - молярная масса воды, Vm - молярный объем газа при н.у., Ро - давление газа при н.у. Таким образом, ρг=4.82*10-3 кг/м3. Примем, что гидравлические потери давления на клапане примерно равны давлению насыщенных потерь, тогда массовый расход через клапан составит:where Mr is the molar mass of water, Vm is the molar volume of gas at n.o., Po is the gas pressure at n.o. Thus, ρg = 4.82 * 10 -3 kg / m 3 . We assume that the hydraulic pressure loss on the valve is approximately equal to the pressure of saturated losses, then the mass flow through the valve will be:

Q = μ × f × ρ г × 2 × Р н п ρ г = 1.133 × 10 4 к г с

Figure 00000003
Q = μ × f × ρ g × 2 × R n P ρ g = 1.133 × 10 - four to g from
Figure 00000003

Тогда тяга двигателя составит:Then the engine thrust will be:

F=Q×Wmax=120 мН,F = Q × Wmax = 120 mN,

что превышает тягу по сравнению с прототипом. Из формулы [1] следует, что чем выше температура, тем выше скорость истечения и как следствие выше импульс и тяга двигателя. Таким образом, при наличии больших доступных мощностей становится целесообразным установить устройство подогрева непосредственно в камеру, в область, прилегающую к выходному отверстию бака, для повышения импульса двигателя.which exceeds traction compared to the prototype. From the formula [1] it follows that the higher the temperature, the higher the flow rate and, as a consequence, the higher the impulse and thrust of the engine. Thus, in the presence of large available capacities, it becomes advisable to install the heating device directly in the chamber, in the area adjacent to the outlet of the tank, to increase the engine momentum.

ЛитератураLiterature

1. Патент Российской Федерации N 2374481, МПК F02K 99/00, 2008 г.1. Patent of the Russian Federation N 2374481, IPC F02K 99/00, 2008

2. Вопросы электромеханики Т.109. 2009 г. В.П.Ходненко, А.В.Хромов (ФГУП «НПП ВНИИЭМ») Корректирующие двигательные установки для малого космического аппарата, с.30-31 (прототип).2. Questions of electromechanics T.109. 2009 V.P. Khodnenko, A.V. Khromov (FSUE NPP VNIIEM) Corrective propulsion systems for a small spacecraft, p.30-31 (prototype).

3. А.А.Дорофеев. Основы теории тепловых ракетных двигателей (Общая теория ракетных двигателей) МГТУ им. Н.Э.Баумана Москва 1999 г.3. A.A. Dorofeev. Fundamentals of the theory of thermal rocket engines (General theory of rocket engines) MSTU. N.E.Bauman Moscow 1999

Claims (2)

1. Жидкостно-газовый реактивный двигатель, содержащий бак, заполненный жидким рабочим телом, с выходным отверстием в крышке, камеру и реактивное сопло, отличающийся тем, что в него введен регулировочный клапан с электромагнитом и пружиной, установленный в камере на выходе из бака после разделителя фаз рабочего тела, а в качестве рабочего тела используют воду.1. A liquid-gas jet engine containing a tank filled with a liquid working fluid, with an outlet in the lid, a chamber and a jet nozzle, characterized in that a control valve with an electromagnet and a spring is installed in it, installed in the chamber at the outlet of the tank after the separator phases of the working fluid, and water is used as the working fluid. 2. Жидкостно-газовый реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что камера снабжена устройством подогрева рабочего тела в области, прилегающей к выходному отверстию бака. 2. The liquid-gas jet engine according to claim 1, characterized in that the chamber is equipped with a device for heating the working fluid in the area adjacent to the outlet of the tank.
RU2012122822/06A 2012-06-01 2012-06-01 Fluid-gas jet engine RU2511877C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012122822/06A RU2511877C2 (en) 2012-06-01 2012-06-01 Fluid-gas jet engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012122822/06A RU2511877C2 (en) 2012-06-01 2012-06-01 Fluid-gas jet engine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012122822A RU2012122822A (en) 2013-12-10
RU2511877C2 true RU2511877C2 (en) 2014-04-10

Family

ID=49682706

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012122822/06A RU2511877C2 (en) 2012-06-01 2012-06-01 Fluid-gas jet engine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2511877C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2584211C2 (en) * 2014-09-16 2016-05-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Capillary storage system and withdrawal of fluid in rocket engine of space object (2 versions)
CN112078831A (en) * 2020-09-17 2020-12-15 兰州空间技术物理研究所 Mu N thruster based on flowmeter and use method

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0612918B1 (en) * 1993-02-23 1997-07-30 Daimler-Benz Aerospace Aktiengesellschaft Thruster
RU2117176C1 (en) * 1996-05-20 1998-08-10 Мосесов Сергей Кимович Steam-and-water rocket engine (versions)
RU2152530C1 (en) * 1996-08-13 2000-07-10 Опытное конструкторское бюро "Факел" Controllable thrust gas jet engine
JP2004156476A (en) * 2002-11-05 2004-06-03 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Thruster
RU2374481C1 (en) * 2008-10-06 2009-11-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Liquid-propellant rocket engine with additional electromagnetic acceleration of working body
US7757476B2 (en) * 2003-07-22 2010-07-20 The Aerospace Corporation Catalytically activated transient decomposition propulsion system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0612918B1 (en) * 1993-02-23 1997-07-30 Daimler-Benz Aerospace Aktiengesellschaft Thruster
RU2117176C1 (en) * 1996-05-20 1998-08-10 Мосесов Сергей Кимович Steam-and-water rocket engine (versions)
RU2152530C1 (en) * 1996-08-13 2000-07-10 Опытное конструкторское бюро "Факел" Controllable thrust gas jet engine
JP2004156476A (en) * 2002-11-05 2004-06-03 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Thruster
US7757476B2 (en) * 2003-07-22 2010-07-20 The Aerospace Corporation Catalytically activated transient decomposition propulsion system
RU2374481C1 (en) * 2008-10-06 2009-11-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского Liquid-propellant rocket engine with additional electromagnetic acceleration of working body

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2584211C2 (en) * 2014-09-16 2016-05-20 Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" Capillary storage system and withdrawal of fluid in rocket engine of space object (2 versions)
CN112078831A (en) * 2020-09-17 2020-12-15 兰州空间技术物理研究所 Mu N thruster based on flowmeter and use method

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012122822A (en) 2013-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cen et al. Performance evaluation and flow visualization of a MEMS based vaporizing liquid micro-thruster
US7784269B1 (en) System and method for cooling rocket engines
Katsumi et al. HAN-based green propellant, application, and its combustion mechanism
US20130196273A1 (en) Thermal Pressurant
RU185128U1 (en) Unmanned underwater vehicle with once-through steam nuclear power plant
JP6586657B2 (en) Steam injection system
RU2511877C2 (en) Fluid-gas jet engine
EP2366626B1 (en) Liquid propellant tank and vapor jet emitting device including same
JP2009214695A (en) Liquid fuel storage container and vapor injection system with liquid fuel storage container
US5440886A (en) Method of gas generation and plant for effecting same
Gao et al. A review of the vaporizing liquid microthruster technology
An et al. Preliminary flight test of hydrogen peroxide retro-propulsion module
EP2761159B1 (en) Propulsion system
Trushlyakov et al. Investigation of heat and mass transfer process in the closed volume with different types of impact on liquid
JP2009274505A (en) Propellant tank pressure regulation system
Burges et al. Evaluation of a dual-fluid cold-gas thruster concept
JP2004044480A (en) Two liquid type engine and rocket mounted with the two liquid type engine
JP2017180461A (en) Injection system
Kawanami et al. Development of non-combustible rocket engine by using explosive boiling of liquid nitrogen
RU40081U1 (en) Pulsing detonation single-chamber rocket engine
RU2538190C1 (en) Power pack of reaction control system of flight vehicle
RU2726214C1 (en) Method of lowering detachable part of rocket carrier stage and device for implementation thereof
Kakami et al. Design and experiments of a HAN-based monopropellant thruster using arc-discharge assisted combustion
RU2286924C2 (en) Rocket pod engine plant
Kakami et al. One Newton thruster by plasma-assisted combustion of HAN-based monopropellant

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160602