RU2538374C1

RU2538374C1 - Electro-thermal microengine

Info

Publication number: RU2538374C1
Application number: RU2013141200/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Николаевич Блинов; Виктор Владимирович Шалай; Валерий Владимирович Косицын; Виктор Иванович Рубан; Елена Викторовна Ходорева
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2015-01-10

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: gassed fuel supply system is implemented as a spiral pipeline located on the microengine housing and contacting it in the heating element zone. The inlet branch pipe of the pipeline is fitted with assemblies of jointing with the gassed fuel supply system, and the outlet branch pipe through the pressure decrease and measurement system is connected to the gas pipe of the microengine. The electro-thermal microengine allows to increase thermal characteristics up to 30, that is equivalent to increase of its specific propulsive burn by 25-30.

EFFECT: improvement of thermal characteristics.

3 dwg

Description

Изобретение относится к космической технике, а именно к электротермическим микродвигателям, входящим в состав двигательных установок микротяги, устанавливаемых на малые космические аппараты для решения задач орбитального маневрирования.The invention relates to space technology, in particular to electrothermal micromotors that are part of the microtractive propulsion systems mounted on small spacecraft to solve problems of orbital maneuvering.

Современный уровень развития космической техники характеризуется тенденцией к созданию малых космических аппаратов различного назначения (научных, связных, дистанционного зондирования Земли, навигационных, гидрометеорологических и др.) и увеличению количества их запусков. Для решения задач орбитального маневрирования в состав малых космических аппаратов вводятся двигательные установки микротяги, в которых реактивная тяга создается электротермическими микродвигателями. Тяга таких микродвигателей составляет 0.01-0.05 Н (1-5 гс).The current level of development of space technology is characterized by a tendency to create small spacecraft for various purposes (scientific, communications, Earth remote sensing, navigation, hydrometeorological, etc.) and an increase in the number of launches. To solve the problems of orbital maneuvering, small propulsion systems are used to introduce microprobe propulsion systems in which jet propulsion is created by electrothermal micromotors. The thrust of such micromotors is 0.01-0.05 N (1-5 gs).

В настоящее время как в России, так и за рубежом создано немало образцов двигателей микротяги, среди которых электротермические (электронагревательные) микродвигатели являются наиболее простыми и отработанными.At present, both in Russia and abroad, many models of microtractive engines have been created, among which electrothermal (electric heating) micromotors are the simplest and most developed.

Создание реактивной микротяги в электротермических микродвигателях осуществляется посредством подвода электрической мощности к нагревательному элементу, размещенному в микродвигателе, прокачиванием рабочего тела (газа) вдоль «горячих» поверхностей микродвигателя, на которых происходит испарение и нагрев рабочего тела и выброс нагретого газа через реактивное сопло (сопло Лаваля).The creation of reactive microtractors in electrothermal micromotors is carried out by supplying electric power to a heating element located in the micromotor by pumping the working fluid (gas) along the “hot” surfaces of the micromotor, on which the working fluid is evaporated and heated and heated gas is ejected through the jet nozzle (Laval nozzle )

Эффективность микродвигателя в первую очередь определяется величиной удельного импульса тяги, которая напрямую зависит от величины потребляемой электрической мощности, используемой для нагрева газообразного топлива на входе в реактивное сопло. Для малых космических аппаратов выделяемая для двигательной установки микротяги электрическая мощность весьма ограничена (например, до 100 Вт для малых космических аппаратов массой до 120-400 кг), что ставит задачу оптимального распределения мощности между энергопотребляющими системами двигательной установки для улучшения ее проектных параметров и габаритно-массовых и стоимостных характеристик малых космических аппаратов. Особенно ограничена потребляемая мощность для двигательных установок с электротермическими микродвигателями, входящих в состав наноспутников массой до 10 кг (не более 9-10 Вт).The micromotor efficiency is primarily determined by the specific thrust impulse, which directly depends on the amount of consumed electric power used to heat gaseous fuel at the inlet of the jet nozzle. For small spacecraft, the electric power allocated to the propulsion system for microtrack is very limited (for example, up to 100 W for small spacecraft weighing up to 120-400 kg), which sets the task of optimal power distribution between energy-consuming systems of the propulsion system to improve its design parameters and overall mass and cost characteristics of small spacecraft. Power consumption is especially limited for propulsion systems with electrothermal micromotors that are part of nanosatellites weighing up to 10 kg (no more than 9-10 W).

Как правило, при использовании жидкого топлива для микродвигателя (например, жидкого аммиака), оно предварительно газифицируется путем нагрева подводом электрической мощности, затем снижается его давление и топливо подается в микродвигатель для окончательного разогрева.As a rule, when using liquid fuel for a micromotor (for example, liquid ammonia), it is pre-gasified by heating with an electric power supply, then its pressure is reduced and the fuel is supplied to the micromotor for final heating.

Известен электротермический микродвигатель (патент РФ №2332583, МПК F02K 9/68, опубл. 27.08.2008), содержащий цилиндрический газовод с коническим соплом, размещенный внутри цилиндрического корпуса, систему подачи в газовод газифицированного топлива, электрические нагревательные элементы для нагрева топлива. Система подачи газифицированного топлива (например, жидкого аммиака) содержит автономный испаритель, входящий в состав двигательной установки.Known electrothermal micromotor (RF patent No. 2332583, IPC F02K 9/68, publ. 08/27/2008) containing a cylindrical gas duct with a conical nozzle located inside the cylindrical body, a gas supply system for gasified fuel, electric heating elements for heating the fuel. The gasified fuel supply system (for example, liquid ammonia) contains an autonomous evaporator, which is part of the propulsion system.

Недостатком такого микродвигателя является то, что на предварительную газификацию топлива, которое в газообразном состоянии поступает сначала в понижающий регулятор давления, а затем в микродвигатель, тратится до 50% всей выделяемой на газификацию топлива в составе малого космического аппарата электрической мощности.The disadvantage of such a micromotor is that up to 50% of all the electric power allocated to gasification in a small spacecraft is spent on the preliminary gasification of fuel, which in the gaseous state first enters the pressure reducing regulator, and then into the micromotor.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является электротермический микродвигатель по патенту РФ №2442011 (МПК F02K 9/68, опубл. 27.08.2008), взятый за прототип.The closest technical solution to the claimed is an electrothermal micromotor according to the patent of the Russian Federation No. 2442011 (IPC F02K 9/68, publ. 27.08.2008), taken as a prototype.

Данный микродвигатель содержит цилиндрический газовод с профилированным соплом, размещенный внутри цилиндрического корпуса, систему подачи в газовод газифицированного топлива, электрические нагревательные элементы для нагрева топлива. Система подачи газифицированного топлива (например, жидкого аммиака) также содержит автономный испаритель, входящий в состав двигательной установки.This micromotor contains a cylindrical gas duct with a profiled nozzle located inside the cylindrical body, a system for supplying gasified fuel to the gas duct, electric heating elements for heating the fuel. The gasified fuel supply system (for example, liquid ammonia) also contains a self-contained evaporator, which is part of the propulsion system.

Задача увеличения удельного импульса тяги данного микродвигателя лишь частично решена установкой профилированного сопла. Удельный импульс тяги микродвигателя снижается за счет того, что на предварительную газификацию топлива требуется значительное энергопотребление.The task of increasing the specific thrust impulse of this micromotor is only partially solved by installing a profiled nozzle. The specific impulse of the micromotor thrust is reduced due to the fact that significant energy consumption is required for the preliminary gasification of the fuel.

Другим путем увеличения удельного импульса тяги микродвигателя, газификация топлива в котором осуществляется в испарителе и самом микродвигателе, является совершенствование системы подачи газифицированного топлива в части повышения эффективности самого процесса предварительной газификации в испарителе, например, выполнением его двухзаходным (см., например, Блинов В.Н., Зубарев С.И., Шалай В.В. Математическая модель теплового режима работы испарителя электротермического микродвигателя коррекции космического аппарата // Омский научный вестник. - 2011. - Вып.1. - С.84-87).Another way to increase the specific thrust impulse of a micromotor, the gasification of fuel in which is carried out in the evaporator and in the micromotor itself, is to improve the gasified fuel supply system in terms of increasing the efficiency of the preliminary gasification process in the evaporator, for example, by performing its two-way operation (see, for example, Blinov V. N., Zubarev S.I., Shalai VV Mathematical model of the thermal regime of the evaporator of the electrothermal micromotor correction of the spacecraft // Omsk Scientific Bulletin. - 2011. - Issue 1. - P.84-87).

Однако и в данном случае на предварительную газификацию топлива в двухзаходном испарителе тратится 30 Вт, а на окончательную газификацию в самом микродвигателе - 60 Вт, что также является недостатком, снижающим удельный импульс тяги микродвигателя или увеличивающим общее энергопотребление системы «испаритель + микродвигатель». Испытания образцов двигательных установок показали, что при таком распределении мощности температура предварительной газификации топлива в испарителе составляет 100°C, а температура окончательной газификации топлива, определяющая удельный импульс тяги микродвигателя, - до 700-750°C.However, in this case, 30 W is spent on preliminary gasification of fuel in a two-way evaporator, and 60 W on the final gasification in the micromotor itself, which is also a drawback that reduces the specific impulse of the micromotor traction or increases the overall energy consumption of the “evaporator + micromotor” system. Tests of samples of propulsion systems showed that with this power distribution, the temperature of preliminary gasification of fuel in the evaporator is 100 ° C, and the temperature of final gasification of fuel, which determines the specific impulse of micromotor thrust, is up to 700-750 ° C.

Совершенствование процесса предварительной газификации топлива в испарителе при сохранении энергопотребления является неэффективным способом увеличения удельного импульса тяги микродвигателя.Improving the process of pre-gasification of fuel in the evaporator while maintaining energy consumption is an inefficient way to increase the specific impulse of the micromotor thrust.

В этой связи техническим результатом изобретения является увеличение удельного импульса тяги микродвигателя путем увеличения потребляемой мощности при окончательной газификации топлива в микродвигателе за счет снижения потребляемой мощности предварительной газификации топлива.In this regard, the technical result of the invention is to increase the specific impulse of the micromotor thrust by increasing the power consumption during final gasification of the fuel in the micromotor by reducing the power consumption of the preliminary gasification of the fuel.

Указанный технический результат достигается тем, что в электротермическом микродвигателе, содержащем цилиндрическую камеру, расположенные в ней газовод с соплом, электрический нагревательный элемент и систему подачи в газовод газифицированного топлива, согласно заявляемому изобретению система подачи газифицированного топлива выполнена в виде спирального трубопровода, расположенного на цилиндрической камере микродвигателя и контактирующего с ней в зоне нагревательного элемента, входной патрубок трубопровода снабжен узлами стыковки с системой подачи жидкого газифицируемого топлива, а выходной патрубок через систему понижения и замера давления соединен с газоводом микродвигателя.The specified technical result is achieved in that in an electrothermal micromotor containing a cylindrical chamber, a gas duct with a nozzle located therein, an electric heating element and a gasified fuel supply system, according to the claimed invention, the gasified fuel supply system is made in the form of a spiral pipe located on a cylindrical chamber micromotor and in contact with it in the area of the heating element, the inlet pipe is equipped with joints ki system supplying liquid fuel to be gasified and an outlet through the pressure reduction and the measuring system is coupled with gazovodom micromotor.

Заявляемый микродвигатель поясняется чертежом, на котором показано:The inventive micromotor is illustrated in the drawing, which shows:

- на фиг. 1 - общий вид микродвигателя в сборе с разрезом;- in FIG. 1 is a General view of the micromotor assembly with a cut;

- на фиг. 2 - общий вид микродвигателя в сборе (вид А на фиг. 1);- in FIG. 2 is a general view of the micromotor assembly (view A in FIG. 1);

- на фиг. 3 - объемный общий вид микродвигателя в сборе.- in FIG. 3 - volumetric general view of the micromotor assembly.

Микродвигатель содержит цилиндрическую камеру 1 и контактирующую с ней цилиндрическую гильзу 2, на наружной поверхности которой выполнены двухзаходные винтовые каналы для прохода газообразного топлива и сопло 3, установленное с торца цилиндрической камеры 1. Торцы камеры 1, гильзы 2 соединены между собой и с соплом 3 так, что внутренние поверхности сопла и гильзы образуют газовод микродвигателя.The micromotor contains a cylindrical chamber 1 and a cylindrical sleeve 2 in contact with it, on the outer surface of which two-way screw channels for the passage of gaseous fuel are made and a nozzle 3 mounted from the end of the cylindrical chamber 1. The ends of the chamber 1, the sleeves 2 are connected to each other and to the nozzle 3 so that the inner surface of the nozzle and the sleeve form the gas duct of the micromotor.

Внутрь гильзы 2 вставлен цилиндрический нагревательный элемент 4 через пружину 5, витки которой контактируют с поверхностью нагревательного элемента 4 и внутренней поверхностью гильзы 2, образуя винтовые каналы для прохода газообразного топлива. При этом одна часть нагревательного элемента 4 расположена внутри гильзы 2, а другая часть, представляющая собой токовыводы, расположена за пределами гильзы 2.A cylindrical heating element 4 is inserted inside the sleeve 2 through a spring 5, the turns of which are in contact with the surface of the heating element 4 and the inner surface of the sleeve 2, forming helical channels for the passage of gaseous fuel. In this case, one part of the heating element 4 is located inside the sleeve 2, and the other part, which is a current output, is located outside the sleeve 2.

Микродвигатель закреплен на силовом элементе 6 при помощи фланца 7; герметично соединенного с цилиндрической камерой 1. Нагревательный элемент 4 содержит фланец 8, при помощи которого он герметично закреплен на фланце 7 микродвигателя.The micromotor is mounted on the power element 6 using the flange 7; hermetically connected to the cylindrical chamber 1. The heating element 4 comprises a flange 8, by means of which it is hermetically mounted on the flange 7 of the micromotor.

Камера 1, фланец 7 и выступающая часть нагревательного элемента 4 образуют наружный корпус микродвигателя.The chamber 1, the flange 7 and the protruding part of the heating element 4 form the outer casing of the micromotor.

Система подачи газифицированного топлива выполнена в виде спирального трубопровода 9, расположенного на корпусе микродвигателя и контактирующего с ним в зоне нагревательных элементов. В приведенном варианте конструктивного исполнения микродвигателя спиральный трубопровод 9, в котором осуществляется газификация топлива (аммиака), размещен на выступающей части нагревательного элемента 4.The gasified fuel supply system is made in the form of a spiral pipe 9 located on the micromotor housing and in contact with it in the area of the heating elements. In the above embodiment of the micromotor design, the spiral pipe 9, in which the gasification of fuel (ammonia) is carried out, is located on the protruding part of the heating element 4.

Спиральный трубопровод 9 содержит входной патрубок 10, который снабжен узлами стыковки с системой подачи жидкого газифицируемого топлива (не показан). Выходной трубопровод 11 спирального трубопровода 9 соединен с системой понижения и замера давления газообразного топлива 12 (например, дроссель и датчик давления), из которой выходит трубопровод 13, соединенный с фланцем 7, внутри которого выполнена проточка, подводящая газообразное топливо в винтообразную полость между камерой 1 и гильзой 2.The spiral pipe 9 contains an inlet pipe 10, which is equipped with nodes docking with a system for supplying liquid gasified fuel (not shown). The output pipe 11 of the spiral pipe 9 is connected to a system for lowering and measuring the pressure of the gaseous fuel 12 (for example, a throttle and a pressure sensor), from which there is a pipe 13 connected to the flange 7, inside which a groove is introduced, which supplies the gaseous fuel into the screw cavity between the chamber 1 and sleeve 2.

Часть корпуса микродвигателя со стороны сопла 3 на длине расположения нагревательного элемента 4 закрыта теплозащитным кожухом 14, в котором расположена теплоизоляция 15. Спиральный трубопровод 9 закрыт защитным кожухом 16.A part of the micromotor housing from the nozzle side 3 is closed by a heat-shielding casing 14 along the length of the heating element 4, in which thermal insulation 15 is located. The spiral pipe 9 is closed by a protective casing 16.

Работа электротермического микродвигателя осуществляется следующим образом.The operation of the electrothermal micromotor is as follows.

На нагревательный элемент 4 подается напряжение, и осуществляется предварительный разогрев конструкции. При этом разогревается и часть нагревательного элемента, на котором расположен спиральный трубопровод 9. Время разогрева конструкции определяется из условия прогрева спирального трубопровода 9 до температуры, необходимой для газификации топлива. Затем в спиральный трубопровод 9 через входной патрубок 10 подается газифицируемое топливо в жидком состоянии из топливного бака двигательной установки (например, аммиак), которое под действием температуры газифицируется. Проходя через систему понижения и замера давления 12, обеспечиваются заданные параметры газообразного топлива по давлению. Далее топливо через трубопровод 13, фланец 7 подается в полость между камерой 1 и гильзой 2, совершает путь от фланца 7 к соплу 3 и обратно по выполненным двухзаходным винтовым каналам, поступает в полость газовода, образованного внутренними поверхностями гильзы 2 и сопла 3, и выбрасывается через сопло, обеспечивая тягу и удельный импульс тяги микродвигателя.Voltage is applied to the heating element 4, and the structure is preheated. At the same time, part of the heating element, on which the spiral pipe 9 is located, is also heated. The heating time of the structure is determined from the condition of heating the spiral pipe 9 to the temperature necessary for gasification of fuel. Then, gasified fuel in liquid state is supplied to the spiral pipe 9 through the inlet 10 from the fuel tank of the propulsion system (for example, ammonia), which is gasified by temperature. Passing through the system of lowering and measuring pressure 12, the set parameters of gaseous fuel in pressure are provided. Further, the fuel through the pipe 13, the flange 7 is fed into the cavity between the chamber 1 and the sleeve 2, travels from the flange 7 to the nozzle 3 and back through the made two-way screw channels, enters the cavity of the gas duct formed by the inner surfaces of the sleeve 2 and the nozzle 3, and is discharged through the nozzle, providing traction and specific impulse of traction of the micromotor.

Сравнительные испытания опытного образца заявляемого электротермического микродвигателя в вакууме, предназначенного для использования в составе наноспутника, и микродвигателя по прототипу показали:Comparative tests of a prototype of the inventive electrothermal micromotor in vacuum, intended for use in the composition of the nanosatellite, and the micromotor of the prototype showed:

- при потребляемой мощности 9 Вт и использовании в качестве рабочего тела азота температура нагревательного элемента заявляемого микродвигателя составила 360°C;- with a power consumption of 9 W and using nitrogen as a working fluid, the temperature of the heating element of the inventive micromotor was 360 ° C;

- для электротермического микродвигателя по прототипу, когда нагрев микродвигателя осуществлялся мощностью 6 Вт, а 3 Вт тратились на нагрев газа в испарителе, температура нагревательного элемента микродвигателя составила 275°C.- for the electrothermal micromotor according to the prototype, when the micromotor was heated with a power of 6 W, and 3 W was spent on heating the gas in the evaporator, the temperature of the micromotor heating element was 275 ° C.

Таким образом, заявляемый электротермический микродвигатель по сравнению с микродвигателем по прототипу, за счет совмещения конструкции испарителя и конструкции микродвигателя и использования суммарной мощности испарителя и микродвигателя на нагрев электротермического микродвигателя (окончательную газификацию топлива), позволяет повысить тепловые характеристики микродвигателя до 30%, что соответствует увеличению его удельного импульса тяги на 25-30%.Thus, the claimed electrothermal micromotor compared to the micromotor according to the prototype, by combining the design of the evaporator and the micromotor design and using the total power of the evaporator and micromotor to heat the electrothermal micromotor (final gasification of fuel), it allows to increase the thermal characteristics of the micromotor up to 30%, which corresponds to an increase its specific impulse of traction by 25-30%.

Claims

An electrothermal micromotor containing a cylindrical chamber, a gas duct with a nozzle located therein, an electric heating element and a gasified fuel supply system, characterized in that the gasified fuel supply system is made in the form of a spiral pipe located on the cylindrical chamber of the micromotor and in contact with it in the zone heating element, the inlet pipe of the pipeline is equipped with nodes docking with a system for supplying liquid gasified fuel, and the output pa tubes through a system of lowering and measuring pressure is connected to the gas duct of the micromotor.