Каталог статей

ПРОЕКТ КОНТУР

Жидкостный ракетный двигатель для разгона космический аппаратов в невесомости.

Документ составил и подготовил Дмитрий Витальевич Мельник, г.Тольятти, 2022 год.

В данном документе излагается способ и технические решения, предложенные для разгона в невесомости космических аппаратов, по средствам преобразования энергии ударного сгорания в импульс для движения комического аппарата. Предложенный вариант может позволить перемещаться между космическими объектами в пределах солнечной системы с минимальными затратами и загрязнением космического пространства.

Основной принцип работы двигателя: За основу в работу двигателя берется создание импульса тяги, за счет выброса направленной струи раскаленной массы газов, сгорающих в реакторе и сопле двигательной установке. Так как достать те или иные запасы топлива за пределами земли довольно сложная задача, в качестве топлива используется самый стабильный и распространённый вид топлива. В качестве такого выступает вода.

В данный момент ученые уже подтвердили наличии воды во всех уголках солнечной системы в той или иной форме, которая доступная для добычи и использования в качестве топлива для космических аппаратов. Для работы и поддержания движения достаточно наличии воды в топливном баке и источника энергии, например в качестве такого источника может выступать солнечные панели или ядерный реактор. Полученная энергия может быть использована полностью или частична для работы двигательной установки. Сразу отвечу на вопросы, которые уже могли возникнуть по поводу того, что вода как жидкость легко замерзает при температуре 0 и ниже, а в космическом пространстве очень холодно, температура может достигать до минус 127 градусов.

И имеет ярко выраженные перепады со временем. Хочу добавить, что для того, чтобы вода замерзла, она должна терять тепло, на земле тепло теряется через рассеивание через воздух. В космосе вакуум, там нет воздуха, а значит потери могут быть в сотни раз меньше, и не большая система подогрева может поддерживать воду всегда в жидком состоянии. Так же замечу, что для перемещений в невесомости не требуется много усилий и мощности ракетной установки, поэтому не большого запаса топлива в качестве воды, будет достаточно, чтобы разогнать космический аппарат для выхода на другие орбиты и скорости. Топливо может быть как доставлено на орбиту земли. Так и добыто в космосе, на луне, Марсе, астероидах, кометах.

Для использования топливо легко добыть и очистить, следует только растопить лунные льды, пропустить сквозь фильтр, и данное топливо можно использовать для движения космического аппарата. Сама двигательная установка делиться на несколько частей: Энергетическая установка. В качестве источника энергии может использовать энергия солнца или ядерный реактор на борту космического аппарата. Система подготовки топлива. Отдельный и важный узел, это система подготовки топлива к работе на борту аппарата. Само топливо генерируется на борту прямо перед использованием.

Процесс подготовки довольно прост и состоит из пары отдельных узлов. Первый этап — это поступление жидкости из топливного бака в реактор. Реактор из себя представляет электролизер, который использует центробежную силу, для удержания воды в нужном уровне, через центральную ось поступает новая порция топлива для разложения на водород и кислород. В электролизёре получаемая смесь газов водорода и кислорода, данная смесь имеет название гремучий газ. Далее гремучий газ попадает в узел разделения электролизера от установки, где не посредственно происходит дальнейшие сгорание газа для создания импульса. Данный узел действует как водный клапан. Только вместо воды используется другая жидкость, которая не чувствительна к гремучему газу, а также имеет низкую температуру замерзания. Для адекватной работы системы разделения газов используется так же центробежная сила для удержания жидкости по краям и подачи через нее гремучего газа, в центре клапана уже забирается газ, который поступает в систему впрыска топлива. Двигательная установка. Это большая часть установки, которая в себе совмещает множество узлов. Узел подачи топлива, система в которой топливная смесь сжимается перед впрыском и потом впрыскивается в турбину для сгорания.

Топливная смесь поступаем в камеру сгорания, внутри которой есть турбина, которая под действием сгорающих, быстро расширяющихся газов вращается. Механическая энергия вращения вала передается на генератор, для генерации дополнительной мощности для энергоустановки космического аппарата и компенсации частичных потерь энергии для работы двигателя. Далее отработанные раскаленные газы, поступают сопло, которое имеет изменяемую геометрию для контроля струи реактивных газов.

Для увеличения эффективности работы двигательной установки газ перед подачей в камеру сгорания может проходить через трубки охладительной системы блока с турбиной, и поступая в камеру сгорания уже с более высокой температурой. За счет, чего можно добиться частичного охлаждения камеры сгорания и выброса отработанного газа, и повысить КПД установки за счет полной и более быстрой реакции сгорания водорода и кислорода в камере сгорания.

Упрощенная схема строения установки двигателя: Схематический рисунок системы двигателя для космического аппарата. Дополнительные пояснения по схеме: Сопло должно иметь возможность менять поток выбрасываемых газов, для компенсации и оптимального расхода топлива. Корпус турбины и сопла, должны охлаждаться топливной смесью, которая идет камеру сгорания, компрессор используется для дозирования подачи топливной смеси и ее скорости.

Дабы контролировать мощность установки и удельный импульс системы. Запорный клапан состоит из двух частей корпуса и внутреннего вращающегося барабана за счет вращения внутри барабана создается давление, которое и служит как водный клапан, который разделяет топливные газы от электролизёра и компрессора. Из топливного бака, вода подается под давлением насосом или в бак устанавливается воздушный мешок, который наполняется воздухом, за счет чего выталкивает воду в сторону насоса. При электролизе из 1 моля воды получают один моль водорода и половину моля кислорода.

При комнатной температуре и давлении один моль любого газа соответствует примерно 24,5 литрам. Так, из одного литра жидкой воды можно получить около 1,36 кубометра молекулярного водорода и 0,68 кубометра молекулярного кислорода. В ходе реакции водорода с кислородом при стандартных условиях выделяется тепловая энергия (теплота) 483,64 кДж (агрегатное состояние воды – газ) или 571,66 кДж (агрегатное состояние воды – жидкость). Термохимическое уравнение этой реакции имеет следующий вид: 2Н2 (г) + О 2 (г) = 2Н2О (г) + 483,64 кДж; ΔH = -241,82 кДж/моль, 2Н2 (г) + О2 (г) = 2Н2О (ж) + 571,66 кДж; ΔH = -285,83 кДж/моль. Из уравнения реакции горения водорода 2H2+O2=2H2O видно, что две молекулы водорода соединяются с одной молекулой кислорода. В результате получаются две молекулы водяного пара. Это означает, что для сгорания одного киломоля водорода необходима половина киломоля кислорода и в результате реакции получается один киломоль воды.

При сгорании ν=m/Mв киломолей водорода получится столько же киломолей водяного пара (где Mв=2кг/кмоль). Поэтому при сгорании массы m водорода получается масса m1=νMп=18/2*m=9m водяного пара (где Mп=18кг/кмоль). Эта масса водяных паров вылетает из сопла двигателя за 1 с. Так как площадь выходного сопла двигателя известна, можно найти скорость v¯ газа, выходящего из сопла. За 1 с из сопла двигателя будет выброшен объем пара V=vS. Если плотность пара равна p, то масса этого объема пара будет равна m1=ρvS. Отсюда v=m1/ρS=9m/ρS Из уравнения Клапейрона-Менделеева pV=m1/Mп*RT (где R - газовая постоянная) находим неизвестную плотность пара: ρ=m1/V=pMп/RT Так как за время Δt из сопла ракеты выбрасывается масса пара miΔt с импульсом miΔt⋅v¯, то на газ действует сила F¯i=miΔt⋅v¯/Δt=m1v¯. Такая же по модулю сила, но направленная в противоположную сторону, действует на двигатель. Полная, сила, действующая на двигатель (сила тяги двигателя), равна сумме реактивной силы −F¯1 и силы статического давления F2=pS, т. е. F=m1v+pS≈ρv2S=81m2RTp/SMп.

Обычно сопла ракетных двигателей устроены так, что давление газа, выходящего из сопла, мало. Поэтому второй член в выражении для силы тяги двигателя мал по сравнению с первым и при расчетах им можно пренебречь.