RU2586211C2 - Ракетный двигатель староверова - 4 /варианты/ - Google Patents
Ракетный двигатель староверова - 4 /варианты/ Download PDFInfo
- Publication number
- RU2586211C2 RU2586211C2 RU2012106397/06A RU2012106397A RU2586211C2 RU 2586211 C2 RU2586211 C2 RU 2586211C2 RU 2012106397/06 A RU2012106397/06 A RU 2012106397/06A RU 2012106397 A RU2012106397 A RU 2012106397A RU 2586211 C2 RU2586211 C2 RU 2586211C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- hydride
- combustion chamber
- engine
- rocket
- Prior art date
Links
Landscapes
- Solid Fuels And Fuel-Associated Substances (AREA)
- Feeding, Discharge, Calcimining, Fusing, And Gas-Generation Devices (AREA)
Abstract
Ракетный двигатель содержит камеру сгорания с соплом, в которую под давлением подается газообразный, или жидкий, или расплавленный гидрид и вода или антифриз на основе воды, или водяной пар. В камеру сгорания подается расплавленного гидрида бериллия 37,93±20% и воды 62,07±20%. В другом варианте ракетный двигатель содержит корпус с реактивным соплом. В корпусе находится гидрид или смесь гидридов и вещества или смесь веществ, содержащие воду в связанном состоянии. В качестве веществ, содержащих воду в связанном состоянии, используют квасцы, или силикагель, или буру, или сульфат магния, или хлорид кальция. Группа изобретений позволяет повысить удельный импульс ракетного двигателя. 2 н. и 3 з.п. ф-лы.
Description
Изобретение относится к ракетным двигателям жидкого и твердого топлива.
Известны ракетные двигатели, см. например мой «Бескорпусный двигатель с самоподачей», пат.№2431052. Все существующие химические ракетные двигатели используют принцип высокотемпературного нагрева газа или газо-пылевого рабочего тела (пыль - это твердые фракции разложившегося твердого ракетного топлива). Делается это для того, чтобы повысить скорость истечения рабочего тела из реактивного сопла. Эта скорость определяется во-первых, скоростью звука в газе и, во-вторых, степенью расширения газа в расширяющемся сверхзвуковом реактивном сопле и достигает в лучших двигателях 4000 м/сек. Причем детали двигателя работают в очень напряженном тепловом режиме, даже с учетом их охлаждения.
Между тем скорость звука в водороде даже при нормальных температуре и давлении 1330 м/сек. А если еще и немного повысить температуру водорода, то скорость звука в нем и скорость истечения его из сопла резко возрастут. Например, водород с температурой всего 650 градусов С (это ниже температуры его воспламенения) будет иметь скорость звука 2360 м/сек и сможет в реактивном сопле разогнаться сам и разогнать пылевые частицы до скорости около 4300 м/сек. То есть получится «холодный ракетный двигатель», в котором из-за адиабатического расширения газ на выходе из реактивного сопла может иметь приблизительно температуру окружающей среды.
На этом и основана идея данного изобретения. Цель изобретения - повышение скорости реактивной струи и удельного импульса ракетного двигателя. Для этого двигатель должен вырабатывать чистый водород и твердые вещества. Подходящей химической реакцией для этого может быть реакция гидридов с водой.
ВАРИАНТ 1. Жидкостный вариант. Данный двигатель содержит камеру сгорания (будем ее так называть, хотя процесса «сгорания» в ней не происходит) с соплом, в которую под давлением подается газообразный, или жидкий, или расплавленный гидрид и вода или антифриз на основе воды, или водяной пар.
Такими гидридами могут быть бораны, силаны, фосфины, германы, гидриды бериллия, лития, алюминия, двойные гидриды (лития-алюминия) или боргидриды.
Наилучшим экзотермическим эффектом обладает реакция с водой гидрида бериллия:
Пример 1. Работает двигатель так: в горячей камере сгорания компоненты смешиваются, и происходит реакция расплавленного гидрида бериллия с водой (разумеется, как и в обычном ЖРД, компоненты мелко распыляются и смешиваются):
ВеН2+Н2О=ВеО+2Н2+291,5 кДж/моль.
То есть удельный экзотермический эффект реакции 10,05 кДж/г, что выше, чем у большинства твердых ракетных топлив. Гидрид бериллия должен быть в расплавленном состоянии с температурой 220-245 градусов С (при 250 градусах С он разлагается).
Как видно из реакции, стехиометрическое соотношение компонентов должно быть 11,014:18,02, и при этом выделится 4,03 г/м водорода. Что в процентном соотношении составляет 37,93:62,07% и выделится 14,81% водорода от исходной массы реагирующих веществ. Из-за неполноты реакции и по другим причинам (особенно при применении антифриза) возможны отклонения в ту или другую сторону до 20%. В случае применения антифриза расчет следует вести с учетом возможного реагирования и других компонентов антифриза. Оптимальное соотношение подбирается опытным путем.
Примерные расчеты показывают, что температура реакции будет при постоянном давлении 3180 градусов С. Скорость звука в водороде составит 4560 м/сек. Скорость газо-пылевой реактивной струи составит около 8200 м/сек. Однако, слишком малое количество выделившегося водорода внушает сомнения - сможет ли он разогнать всю первоначальную массу до такой скорости. Проверочный расчет (без учета нагрева компонентов) по закону сохранения энергии показал, что максимальная скорость даже при 100% к.п.д. будет 4480 м/сек. Реально - еще меньше.
Но так как к.п.д. 100% не бывает, то из сказанного следует неожиданный вывод - данному двигателю не нужно расширяющееся сверхзвуковое сопло. Достаточно сужающегося. Желательно, с небольшой цилиндрической частью на выходе, чтобы лучше разогнать пылевые частицы. Отсутствие конфузора реактивного сопла значительно снизит вес двигателя и резко снизит его габариты.
Такой двигатель хорошо применим к плановым космическим запускам, так как необходимо аккуратно расплавить гидрид бериллия и поддерживать его в этом состоянии. Желательно также нагреть, а еще лучше - перегреть воду (все это тепло выделится в камере сгорания). Но при этом необходимо охлаждать (например, водяной рубашкой) полезную нагрузку. Воду в такой двигатель, естественно, надо подавать, пропустив предварительно через рубашку охлаждения двигателя, то есть в виде перегретого пара. Чтобы такой двигатель запустился, ему необходим начальный источник тепла. Им может быть установленная на пусковой установке горелка или пиротехническая шашка, которая направлена внутрь камеры сгорания. В течение некоторого времени она прогревает камеру, а затем, после подачи компонентов топлива (будем его так называть, хотя оно не «горит»), инициирует начало их реакции.
Более интересен вариант, в котором шашка быстрогорящего твердого ракетного топлива установлена в самой камере сгорания - по центру и/или на стенках ее. Такая шашка при правильном расчете ее мощности сразу начинает двигать ракету, прогревает камеру сгорания и в конце работы (примерно на 25-10% мощности) инициирует реакцию реагентов топлива. Возможно плавное замещение производительности шашки плавной подачей топлива в камеру сгорания. Время работы такой шашки невелико - секунды или даже доли секунды. Так как желательно прогреть стенки камеры сгорания, то, если шашек две - в центре и по краям камеры сгорания, то центральная шашка должна работать несколько дольше, чтобы прогреть стенки, открывшиеся после полного выгорания боковой шашки.
ВАРИАНТ 2. Твердотопливный вариант. Такой двигатель содержит корпус с реактивным соплом, в котором находится гидрид или смесь гидридов, и вещества или смесь веществ, содержащие воду в связанном состоянии. Например, квасцы, силикагели, бура, сульфат магния, хлорид кальция и т.п.
Желательное требование к таким веществам - как можно меньшая упругость водяных паров, чтобы не происходило постепенного реагирования гидрида с этими парами. Иначе это приведет к постепенной частичной потере энергии заряда, и может привести к самопроизвольному возгоранию. Поэтому срок хранения таких двигателей может оказаться небольшим, что может потребовать приготовления зарядов таких двигателей непосредственно перед употреблением.
Второе желательное требование к таким веществам - наибольший процент связанной воды от исходного веса.
Третье желательное требование к таким веществам - наибольшая мольная энтропия образования (наименьшее отрицательное число), приходящаяся на одну молекулу связанной воды. От этого зависит экзотермический эффект суммарной реакции.
В качестве гидридов могут быть использованы твердые гидриды - гидрид бериллия, боргидрид бериллия, алюмогидрид лития и т.п.
Пример 2. Возьмем в качестве вещества, содержащего связанную воду, сульфат магния, содержащий 7 молекул кристаллизационной воды, а в качестве гидрида - гидрид бериллия. При нагревании сульфат теряет воду, и гидрид бериллия реагирует с водой:
7ВеН2+MgSО4*7H2О=7ВеО+MgSО4+14Н2+1960 кДж.
То есть получим удельное энерговыделение 6,05 кДж/г и выделение водорода 8,7% от исходной массы. Эквивалентный показатель, равный произведению энерговыделения на долю выделившегося водорода, сравнительно низкий - 0,53. Расчетная температура реакции при постоянном объеме 500 градусов С. Скорость звука в таком водороде будет 2150 м/сек, скорость струи - 3880 м/сек. Проверочный расчет по закону сохранения энергии показал, что даже при 100% к.п.д. скорость не превысит 3620 м/сек.
Стехиометрическое соотношение компонентов: гидрида бериллия - 77,21, сульфата магния кристаллогидрата - 246,47. Или 23,85% и 76,15%.
Работает двигатель так: при нагревании до 150 градусов С сульфат магния теряет 6 молекул кристаллизационной воды, а при нагревании до 200 градусов С - всю воду. Вода вступает в экзотермическую реакцию с гидридом бериллия и экзотермически выделяется водород, который истекает из сопла.
ВАРИАНТ 3. Однако для реакции с гидридами можно использовать не только вещества, связывающие воду, но и вещества, выделяющие ее при своем разложении, например любое жидкое или твердое ракетное топливо. При этом, правда, чистого водорода не получится. Получится смесь водорода с азотом, углекислым газом и некоторыми другими примесями. Однако температура этой смеси получится достаточно высокой, и эффективность такого двигателя может оказаться выше, чем предыдущего, или чем традиционного окислительно-восстановительного.
Более того - если будет образовываться азот или его соединения, то его можно полезно использовать, если в качестве гидрида применить бораны, например диборан. В результате произойдет реакция образования нитрида бора, сопровождающаяся хорошим экзотермическим эффектом (мольная энтальпия образования нитрида бора - 252,6 кДж).
Двигатель по варианту 3 содержит камеру сгорания или корпус с соплом, работает на жидком или твердом ракетном топливе и отличается тем, что в камеру сгорания или в корпус твердотопливного ракетного двигателя дополнительно подается боран, или силан, или фосфин, или герман, или расплавленные гидриды, или же твердые гидриды дополнительно входят в состав твердого ракетного топлива.
Инициирующий пиротехнический заряд такого двигателя находится, как обычно у твердотопливных двигателей, внутри корпуса.
В результате горения обычного (окислительно-восстановительного) ракетного топлива и взаимодействия гидридов с образовавшейся водой получается газо-пылевая смесь, в которой скорость звука будет ниже, чем водороде, но выше, чем в обычных ракетных газах. Суммарный импульс такого двигателя может оказаться и выше чисто водородного двигателя, и выше окислительно-восстановительного двигателя (требуется серия экспериментов). Но, даже если импульс окажется примерно одинаковым, такой двигатель продолжает сохранять преимущество низкой температуры процесса, то есть будет иметь пониженную инфракрасную заметность и низкую тепловую напряженность конструкции двигателя, то есть ее малый вес и отсутствие охлаждения.
Стехиометрическое соотношение компонентов зависит от конкретного типа ракетного топлива и определяется экспериментально (при горении топлива количество выделившейся воды может отличаться от теоретического). Оптимальное соотношение может отличаться от стехиометрического.
Если двигатель по любому из вариантов работает не в вакууме, и если водород за соплом будет смешиваться с воздухом и гореть, то имеющиеся в нем пылевые частицы будут светиться, и инфракрасная заметность такого двигателя будет наоборот - несколько выше, чем у классического окислительно-восстановительного.
Claims (5)
1. Ракетный двигатель, содержащий камеру сгорания с соплом, в которую под давлением подается газообразный, или жидкий, или расплавленный гидрид и вода или антифриз на основе воды, или водяной пар, отличающийся тем, что в камеру сгорания подается расплавленного гидрида бериллия 37,93±20% и воды 62,07±20%.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в камеру сгорания направлена горелка или пиротехническая шашка, установленная на пусковой установке.
3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в центре и/или по краям камеры сгорания установлена шашка твердого ракетного топлива.
4. Ракетный двигатель, содержащий корпус с реактивным соплом, а в корпусе находится гидрид или смесь гидридов и вещества или смесь веществ, содержащие воду в связанном состоянии, отличающийся тем, что такими веществами являются квасцы, или силикагели, или бура, или сульфат магния, или хлорид кальция.
5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что содержит гидрида бериллия 23,85% и кристаллогидрата сульфата магния 76,15%.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012106397/06A RU2586211C2 (ru) | 2012-02-21 | 2012-02-21 | Ракетный двигатель староверова - 4 /варианты/ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012106397/06A RU2586211C2 (ru) | 2012-02-21 | 2012-02-21 | Ракетный двигатель староверова - 4 /варианты/ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012106397A RU2012106397A (ru) | 2013-08-27 |
RU2586211C2 true RU2586211C2 (ru) | 2016-06-10 |
Family
ID=49163544
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012106397/06A RU2586211C2 (ru) | 2012-02-21 | 2012-02-21 | Ракетный двигатель староверова - 4 /варианты/ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2586211C2 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4950460A (en) * | 1987-10-01 | 1990-08-21 | Dowty Maritime Systems Limited | Gas generating device |
RU2099565C1 (ru) * | 1996-03-20 | 1997-12-20 | Мосесов Сергей Кимович | Пароводяной ракетный двигатель (варианты) |
RU2137225C1 (ru) * | 1997-07-08 | 1999-09-10 | Государственное предприятие "Красная звезда" | Способ изготовления многокомпонентной радиационной защиты с гидридом лития |
RU2182163C2 (ru) * | 1995-06-07 | 2002-05-10 | Уильям К. Орр | Состав топлива |
RU2328519C2 (ru) * | 1994-05-31 | 2008-07-10 | Уильям К. Орр | Усовершенствованное сгорание в паровой фазе |
-
2012
- 2012-02-21 RU RU2012106397/06A patent/RU2586211C2/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4950460A (en) * | 1987-10-01 | 1990-08-21 | Dowty Maritime Systems Limited | Gas generating device |
RU2328519C2 (ru) * | 1994-05-31 | 2008-07-10 | Уильям К. Орр | Усовершенствованное сгорание в паровой фазе |
RU2182163C2 (ru) * | 1995-06-07 | 2002-05-10 | Уильям К. Орр | Состав топлива |
RU2099565C1 (ru) * | 1996-03-20 | 1997-12-20 | Мосесов Сергей Кимович | Пароводяной ракетный двигатель (варианты) |
RU2137225C1 (ru) * | 1997-07-08 | 1999-09-10 | Государственное предприятие "Красная звезда" | Способ изготовления многокомпонентной радиационной защиты с гидридом лития |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Справочник: Д.Ю. Гамбург и др., Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение, Москва, "Химия", 1989, стр. 94-95. Химическая знциклопедия, под ред. И.Л. Кнунянц, Москва: "Советская энциклопедия", 1988, том 1, стр. 183-184. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012106397A (ru) | 2013-08-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2488574C1 (ru) | Пороховой заряд к легкогазовому орудию или огнестрельному оружию (варианты) | |
AU2009226379A1 (en) | Hydrogen generator, ammonia combustion internal combustion engine, and fuel cell | |
RU2490244C1 (ru) | Пороховой заряд к легкогазовому орудию или огнестрельному оружию (варианты) | |
RU2586211C2 (ru) | Ракетный двигатель староверова - 4 /варианты/ | |
RU2586442C2 (ru) | Ракетный двигатель староверова - 5 /варианты/ | |
RU2570010C2 (ru) | Ракетное топливо староверова - 6 | |
Fang et al. | Energy-releasing properties of metal hydrides (MgH2, TiH2 and ZrH2) with molecular perovskite energetic material DAP-4 as a novel oxidant | |
RU2334916C1 (ru) | Газодинамический воспламенитель | |
Zhu et al. | Effects of aluminum on thermal decomposition of hexogen/ammonium perchlorate | |
RU2601820C1 (ru) | Ракетный двигатель староверова (варианты) | |
RU2482313C1 (ru) | Ракетный двигатель староверова - 3 (варианты) | |
RU2570913C2 (ru) | Ракетный двигатель староверова-6 /варианты/ | |
RU2570911C2 (ru) | Ракетный двигатель староверова - 2 /варианты/ | |
US1459482A (en) | Liquid-fuel burner | |
RU2544104C2 (ru) | Ракетный двигатель староверова (варианты) | |
RU2570910C2 (ru) | Ракетный двигатель староверова -9 /варианты/ | |
RU2485341C1 (ru) | Ракетный двигатель староверова - 7 | |
RU2582712C2 (ru) | Ракетное топливо /варианты/ | |
RU2686138C1 (ru) | Способ получения сильно перегретого пара и устройство детонационного парогенератора (варианты) | |
RU2500659C2 (ru) | Порох староверова - 2 | |
RU2446306C1 (ru) | Способ функционирования пульсирующего детонационного двигателя (варианты) | |
DESMET | Combustion and Conversion of Energy | |
RU2570444C1 (ru) | Ракетное топливо староверова - 19 /варианты/ | |
US525271A (en) | Detjtz | |
RU2570012C1 (ru) | Ракетное топливо староверова - 3 /варианты/ |