Метод термоэмиссионного охлаждения центрального тела многокамерной двигательной установки

Язык труда и переводы:
УДК:
537.58
Дата публикации:
02 января 2022, 19:56
Категория:
Секция 07. Развитие космонавтики и фундаментальные проблемы газодинамики, горения и теплообмена
Авторы
Каун Юлия Владимировна
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Колычев Алексей Васильевич
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Аннотация:
Статья посвящена конструктивной реализации метода термоэмиссионной тепловой защиты применительно к центральному телу многокамерной двигательной установки. Метод относится к ракетно-космической технике, а именно к устройству двигательных установок. В процессе выполнения данной работы был достигнут определенный технический результат, который заключается в увеличении надежности многокамерной двигательной установки с центральным телом за счет его термоэмиссионного охлаждения. Рассмотрено применение рассматриваемого метода при охлаждении центральных тел двигательных любой формы, в том числе и осесимметричной с кольцевым соплом.
Ключевые слова:
термоэмиссионное охлаждение, энергодвигательная установка, аддитивные технологии, клиновоздушные реактивные двигатели
Основной текст труда

Исследуемое нововведение заключается в использовании метода термоэмиссионной тепловой защиты для снятия термических напряжений, которые препятствуют многоразовой работе сопла Aerospike в клиновоздушном реактивном двигателе. Aerospike — это привлекательное передовое сопло, которое можно использовать для улучшения характеристик гибридного ракетного двигателя. В отличие от классических сопел Лаваля, он обеспечивает лучшие характеристики, особенно на малых высотах. Однако, возникают некоторые проблемы, самая важная из которых – трудность в организации системы охлаждения. Одним из способов управления чрезмерным нагревом конструкционных частей сопла Aerospike является использование термоэмиссионной системы охлаждения.

Основной особенностью данной системы охлаждения является существенное снижение теплового воздействия на элементы конструкции (ЭК) высокоскоростных летательных аппаратов (ВЛА) при аэродинамическом нагреве за счет преобразования тепловой энергии нагрева ЭК в электрическую энергию на борту ВЛА [1–5]. Реализацию данного метода можно условно разделить на реализацию с внутренней эмиссией [1–5] и с внешней эмиссией. Данная работа посвящена конструктивной схеме многоэлементной термоэмиссионной системы охлаждения (ТЭСО) центрального тела клиновоздушного реактивного двигателя, методике ее расчета и численным оценкам параметров ее функционирования.

Для расчета многоэлементной ТЭСО разработана математическая модель методика расчета. Основной ее особенностью является тот факт, что термоэлектрическая эмиссия с характерным размером 1...10 мм генерируют токи порядка 4...40 А. Значит, при таких токах омические потери напряжения будут незначительными и ими можно пренебречь. Это существенно упрощает расчет такой многоэлементной ТЭСО, что позволяет использовать данную методику при расчете многоэлементной термоэмиссионной системы охлаждения элементов конструкции сложной трехмерной формы.

Известно, что ТЭСО может функционировать в режиме максимальной мощности и максимального КПД [4, 5]. При этом режим максимальной мощности характеризуется большим значением плотности тока эмиссии при более низких значениях напряжения по сравнению с режимом максимального КПД. Это означает, что тепловые потоки электронного охлаждения в режиме максимальной мощности будут выше, чем в режиме максимального КПД. То есть, при функционировании ТЭСО в режиме максимальной мощности при одной и той же максимальной температуре защищаемые элементы конструкции сопла двигателя Aerospike могу выдерживать большие нагрузки, что существенным образом оказывает влияние на износостойкость изделия в целом.

Термоэмиссионная система охлаждения центрального тела сопла многокамерной двигательной установки включает в себя центральное тело, состоящее из двух поверхностей (внутренней и внешней), на внутреннюю поверхность центрального тела нанесен термоэмисионный слой из материала с высокой термоэмиссией электронов при нагреве, при этом центральное тело с термоэмисионным слоем представляет собой катод, а на расстоянии от 10–4 до 1 см от катода через слой электроизоляции расположен анод, при этом катод и анод образуют полость, полость между катодом и анодом вакуумирована и герметизирована. Анод электрически последовательно через источник напряжения соединен с катодом, находясь при этом в тепловом контакте с каналами системы охлаждения, причем каналы охлаждения анода гидравлически связаны с окружающей средой.

При реализации исследуемого метода удается достичь технический результат, который заключается в увеличении надежности многокамерной двигательной установки с центральным телом за счет его термоэмиссионного охлаждения.

Рассматриваемый метод можно применять при охлаждении центральных тел двигательных любой формы, в том числе и осесимметричной с кольцевым соплом.

Грант
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации («Создание опережающего научно-технического задела в области разработки передовых технологий малых газотурбинных, ракетных и комбинированных двигателей сверхлегких ракет-носителей, малых космических аппаратов и беспилотных воздушных судов, обеспечивающих приоритетные позиции российских компаний на формируемых глобальных рынках будущего», FZWF-2020-0015).
Литература
  1. Bezverkhnii N.O., Bobashev S.V., Kolychev A.V. et al. Study of the effect of electron cooling: Overview of the current state // Tech Phys. 2019. Vol. 64. Pp. 287–292. DOI: 10.1134/S106378421903006X
  2. Kolychev A.V., Kernozhitskii V.A., Chernyshov M.V. Thermionic methods of cooling for thermostressed elements of advanced reusable launch vehicles // Russ. Aeronaut. 2019. Vol. 62. Pp. 669–674. DOI: 10.3103/S1068799819040184
  3. Emissive composite materials and methods for use thereof. Patent no.: US 10,197,323 B1 Date of Patent: Feb. 5, 2019 (от January 11, 2016).
  4. Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М.: Атомиздат, 1974. 288 с.
  5. Leonov S.B. Control of flow structure and ignition of hydrocarbon fuel in cavity and behind wallstep of supersonic duct by filamentary DC discharge // Final Project Technical Report AFRL-AFOSR-UK-TR-2010-0013. 2010.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.