Спосіб підвищення економічності роботи газореактивної двигунової установки на зрідженому газі

Винахід відноситься до газореактивних двигунових установок (ГРДУ), які використовують в якості робочого тіла зріджені гази, і призначених, в основному, для корекції орбіти та орієнтації космічних апаратів (КА) у просторі, а також можуть бути використані з цією метою і для останніх ступенів ракет та інших літальних апаратів. Для корекції орбіти і орієнтації КА в просторі поряд з іншими типами двигунових установок (ДУ) використовуються ГРДУ на стиснутих та зріджених газах, у тому числі на повітрі, азоті, аргоні, аміаку, фреоні [див., наприклад, книгу Н.М. Беляева, Е.И. Уварова "Расчёт и проектирование реактивных систем управления космических летательных аппаратов", Москва, Машиностроение, 1974, стор. 44]. У порівнянні з ДУ на стиснутих газах (повітрі, азоті, аргоні) ГРДУ на зріджених газах (аміаку, фреоні) мають кращі габаритно-масові характеристики за рахунок меншого тиску в балонах і більшій щільності рідини в порівнянні з газом. Для підвищення економічності роботи ГРДУ на зріджених газах вимагають великих витрат електроенергії на їхню газифікацію для виключення конденсації і на підвищення температури для збільшення питомого імпульсу тяги (мал.2.9 та 2.10 на стор.50). Тому ГРДУ з підігрівом газу знайшли обмежене застосування (стор.51, 52). Як зазначено на стор.50 газифікацію рідини роблять шляхом підведення до неї теплової енергії від електричного або радіоізотопного нагрівача, встановленого за регулятором тиску (мал.2.11 на стор.51). У книзі А.А. Куландина и др. "Энергетические системы космических аппаратов", Москва, Ма шиностроение, 1979, стор.233, для нагрівання робочого тіла, у тому числі газів, пропонується використання електричної енергії. Недоліком підігріву газів за допомогою електроенергії є її дефіцит на борту КА і необхідність використання потужних електронагрівачів. Традиційне технічне рішення стосовно підігріву дросельованого газу, незалежно від перебування його в балоні в стиснутому чи зрідженому стані, приведено у книзі Н.М. Беляева и др. "Реактивные системы управления космических летательных аппаратов", Москва, Машиностроение, 1979, стор.46 "...після регулятора тиску... нагрівається газ або за допомогою електронагрівального елемента, який живиться від спеціального джерела енергії, або за допомогою радіоізотопного джерела енергії " - прототип. Радіоізотопні нагрівачі використовують ядерне паливо, наприклад, плутоній і в зв'язку з радіаційним впливом на апаратуру КА і обслуговуючий персонал практичного застосування не знайшли. На стор.47 останнього джерела відзначено, що "реактивні системи з підігрівом робочого тіла набули обмеженого застосування головним чином через відсутність, як правило, на борту космічного літального апарата досить потужних джерел енергії". На підставі аналізу матеріалів, приведених в аналогах і прототипі можна зробити висновок, що недоліком відомих способів нагрівання дросельованого газу в ГРДУ є застосування нагрівачів, які споживають дефіцитну на борту КА електроенергію від потужних джерел. В основу винаходу "Спосіб підвищення економічності роботи газореактивної двигунової установки на зрідженому газі" поставлена задача виключити споживання електроенергії від потужних джерел КА для випару і підігріву дросельованого газу шляхом занурення нагрівача в зріджений газ, підігріву зрідженого газу в балоні перед стартом КА від наземного джерела електроенергії до температури, яка вища за температуру навколишнього середовища, але нижча ніж критична температура для даного газу, періодичного перемішування газу усередині балона при роботі ГРДУ, що дозволило забезпечити відбір тепла від зрідженого газу і виключити витрату дефіцитної на борту К А електроенергії від потужних джерел. Основна істотна ознака, відмінна від прототипу, полягає у тому, що дросельований газ підігрівають шляхом відбору теплової енергії від зрідженого газу за рахунок занурення в нього нагрівача. Теплообмін між нагрівачем і зрідженим газом дозволяє виключити споживання електричної енергії від бортових джерел КА. Це особливо важливо на початковому, найбільш інтенсивному етапі роботи ГРДУ, коли з її допомогою зупиняється обертальний рух КА і забезпечується його орієнтація та корекція орбіти, а панелі сонячних батарей не розкриті і електроенергія від них не надходить. Інша істотна ознака полягає у тому, що перед стартом КА зріджений газ у балоні підігрівають до температури, яка вища за температуру навколишнього середовища (близько 20°С), але не більш критичної температури (наприклад, для аміаку не більш 132°С). Передстартове підвищення температури зрідженого газу підвищує питомий імпульс тяги двигунів з відповідним зменшенням маси газу, який заправляється для здійснення тієї ж роботи. Третя істотна ознака полягає у тому, що в процесі роботи ГРДУ перемішують зріджений газ у балоні. Перемішування дозволяє виключити застійні зони газу в балоні, підвищити інтенсивність теплообміну газу з нагрівачем за рахунок видалення з його поверхні охолодженого газу і надходження теплих порцій газу. Таким чином, сполучення відомої істотної ознаки (підігрів дросельованого газу перед подачею в реактивні двигуни) і нових істотних ознак (відбір теплової енергії для підігріву дросельованого газу від зрідженого газу в балоні, передстартовий підігрів зрідженого газу від наземного джерела електроенергії, періодичне перемішування зрідженого газу в балоні в процесі роботи ГРДУ) забезпечує одержання технічного результату, який полягає у виключенні застосування для підігріву газу дефіцитної на борту КА електроенергії від потужних джерел. Суть винаходу пояснюється схемою ГРДУ. Типова ГРДУ на зрідженому газі містить: балон 1 зі зрідженим газом, заправний клапан 2, перевірочний клапан 3, пуско-відсічний клапан 4, регулятор тиску 5, нагрівач 6, колектор 7, реактивні двигуни 8, електронагрівач 9 підігріву зрідженого газу, датчик температури 10, датчики високого 11 і низького 12 тиску та трубопроводи 13, 14, 15. Практична реалізація способу здійснюється наступним шляхом. Для виключення споживання електроенергії від потужних джерел для випару і підігріву дросельованого в регуляторі 5 газу нагрівач 6 занурюють у зріджений газ, що знаходиться в балоні 1. Це дозволяє забезпечувати підігрів дросельованого газу перед його подачею в реактивні двигуни 8 шля хом відбору теплової енергії від зрідженого газу. Для інтенсифікації конвективного теплообміну між дросельованим і зрідженим газами використовують нагрівач 6 у виді оребреного трубопроводу з металу який має високу теплопровідність. Перед стартом КА балон 1 зі зрідженим газом нагрівають за допомогою електронагрівача 16, який підключають до наземного джерела електроенергії великої потужності. Зріджений газ нагрівають до температури, яка вища за температуру навколишнього середовища, але нижча ніж критична температура для даного газу. Наприклад, для аміаку ця температура, як зазначено вище, не повинна перевищувати 132°С. Підігрів зрідженого газу до більш високої температури, ніж у навколишнім середовищі, підвищує його тепломісткість з відповідним збільшенням температури дросельованого газу і питомого імпульсу тяги реактивних двигунів 8. У момент відділення КА від ракети по команді системи керування включають пуско-відсічний клапан 4 і в регуляторі 5 дроселюють зріджений газ до низького тиску, забезпечуючи тим самим необхідний рівень тяги реактивних двигунів 8. При дроселюванні у регуляторі 5 зріджений газ переходить у пароподібний стан зі зниженням температури до величини, обумовленої теплотою випару рідкої фази. Для підвищення температури дросельованого газу його подають через трубопровід 14 у нагрівач 6. У нагрівачі 6 підвищують температуру дросельованого газу шляхом конвективного відбору теплової енергії від зрідженого газу. У нагрівачі 6 дросельований газ нагрівають практично до передстартової температури зрідженого газу в балоні 1, з огляду на те, що різниця у щільностях цих газів складає кілька порядків. У процесі роботи ГРДУ інтенсифікують конвективний теплообмін між зрідженим і дросельованим газами шляхом періодичного перемішування газу в балоні 1, наприклад, за допомогою вентилятора 17. Періодичним перемішуванням зрідженого газу в балоні 1 вирівнюють його температуру, видаляють з поверхні нагрівача 6 охолоджений пристіночний шар і заміняють його на більш теплий шар. Після зупинки обертального руху КА, орієнтації КА і корекції його орбіти ГРДУ переходить в економічний режим роботи. В економічному режимі роботи з рідкими включеннями двигунів, необхідними тільки для підтримки орієнтованого стану КА, витрата енергії, яка відбирається від зрідженого газу в балоні 1 для випару і підігріву дросельованого газу, у кілька разів менша, ніж в інтенсивному. Тому зріджений газ у балоні підігрівають до необхідної температури періодичним включенням малопотужного електронагрівача 9, підключеного до системи бортового електропостачання КА. Таким чином, технічний результат пропонованого способу полягає в повному виключенні споживання електричної енергії великої потужності від бортових джерел КА на початковому, найбільш інтенсивному етапі роботи ГРДУ за рахунок відбору тепла від зрідженого газу в балоні для підігріву дросельованого газу перед подачею в реактивні двигуни. Проведені розрахунки показали, що, стосовно до аміачної ГРДУ з 4 двигунами тягою кожного 0,2Н, пропонований спосіб підігріву дросельованого газу шляхом відбору теплової енергії від зрідженого газу в балоні дозволяє виключити споживання електроенергії потужністю 1,2кВт від бортових джерел КА, а передстартовий підігрів зрідженого газу в балоні на 100°С дозволяє підвищити економічність роботи ГРДУ за рахунок збільшення питомого імпульсу тяги двигунів на 17% і за рахунок цього на таку ж величину зменшити масу газу, що заправляється в балон.