Активный парус – альтернатива классической ракете.

Куватов В.Г. 17.12.2017г.

До настоящего времени, работа любых космических транспортных средств, всегда связана с расходованием массы этого самого транспортного средства. Ракета на старте должна иметь запас инертной массы, необходимой для ее старта и выхода в космос. После выхода подобного транспортного средства в космос, при достижении необходимой скорости, в баллистическом режиме, этот космический аппарат, фактически становится гонимым по воле гравитационных сил. Эти силы определяют время и траекторию на пути к достижению цели полета. Топливо, используемое для двигателей современных космических средств, должно обладать свойствами противоречивого характера, с одной стороны масса частиц сгоревшего топлива должна быть максимальной, для передачи космическому аппарату максимального механического импульса, с другой стороны необходимо сообщать этим сгоревшим частицам максимальную скорость. Существуют и многие другие, в том числе и технологические факторы, влияющие на свойства ракетного топлива, это естественно создает множество, трудно решаемых, проблем с его выбором. Можно разделить функции транспортного топлива на самостоятельные фракции. Инертная составляющая в функции рабочего тела совершенно самостоятельно выполняет свою работу, энергетическая составляющая так же будет независима от инертной. Это разделение дает возможность, более оптимального, подбора свойств этих составляющих, для повышения эффективности и технологичности работы двигательной установки. В качестве примера такого разделения можно привести работу паровой турбины. Рабочим телом, в подобной установке может быть ряд веществ, обладающих определенными технологическими свойствами. В качестве энергетической составляющей, может использоваться любая химическая реакция, обладающая эндотермическими свойствами, а также без проблем может использоваться электрическая и атомная энергия. При работе двигательной установки масса рабочего тела и его химические свойства не изменяются, масса второй составляющей изменяется незначительно с изменением химических свойств. Для паротурбинной установки, так же как и паровой машины, можно использовать любые виды топлива, начиная с дров и каменного угля до более современных - нефти и газа.

На рисунке показана технологическая цепочка процессов работы турбинного агрегата. Рабочее тело в виде жидкости нагревается в паровом котле. От нагревателя берется энергия для парообразования. Рабочее тело в виде пара вращает турбину. Использованный пар поступает в конденсатор. При охлаждении рабочее тело переходит в состояние жидкости и возвращается в паровой котел. В паротурбинной установке рабочее тело совершает кругооборот изменяя свое агрегатное состояние. В отличии от паровой турбины в ДВС рабочее тело выбрасывается в окружающее пространство. Рассмотрим более подробно работу пара в турбине. Пар через направляющие аппараты поступает на криволинейные лопатки закрепленные по окружности ротора и воздействуя на них, приводит ротор турбины во вращение. В лопаточном аппарате, паровой турбины, потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара,преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь, преобразуется в механическую работу — вращение вала турбины.

U – действующая сила набегающего потока газа. Равнодействующую сил давления, перпендикулярную плоскости лопатки, можно разложить на две составляющие: окружное усилие Fa, действующее в направлении вращения ротора и осевое усилие Fb, действующее по оси вала турбины. Крутящий момент на валу турбины создается окружным усилием Fa. Fbвоздействует на упорный подшипник, вала турбины, это воздействие передается на корпус турбины. Воздействие Fbна упорный подшипник вала проявляется и при заторможенном колесе турбины.

Рассмотрим более подробно взаимодействие потока частиц газа и корпуса прибора на другом примере.

На рисунке условно изображены две ракеты, стрелками показано движение газов из сопла. Ракета а, естественно будет двигаться вправо. У ракеты б, в кормовой части закреплено дополнительное устройство, выполняющее роль отражателя газовой струи выходящей из сопла. В какую сторону будет двигаться ракета? Элементарный расчет покажет, что эта ракета будет двигаться влево, т.е. задом наперед. Характер взаимодействия частиц сгоревшего топлива в сопловой части ракеты и отражателе различен. Сопло преобразует хаотичное движение массы быстрых частиц в направленный поток, механический импульс при этом равен суммарному импульсу уходящих из сопла частиц. На отражатель падает направленный поток частиц и при упругом характере их удара о поверхность отражателя, отражатель получит двойной импульс частиц падающего потока. Преобладающая сила, толкающая это устройство, направлена влево.

На рисунках в и г показан аналог турбинной установки, названный «Активный парус». Главным отличием этих двух систем является то, что действующим органом, в паровой турбине является лопатка, а в движителе «Активный парус» им является конструкционный элемент внутренней поверхности корпуса. Кроме этого то, что в паровой турбине является отдельными самостоятельными устройствами, как то: паровой котел, турбина, конденсатор, в движителе «Активный парус», это все является единым устройством, имеющим общий корпус. На рисунках показаны схематично два варианта, предлагаемого к рассмотрению, устройства. В нижней части корпуса находится рабочее тело в состоянии жидкости. При нагревании рабочее тело переходит в состояние газа-пара. Пар посредством сопел 2 направляется на участок корпуса напротив сопла, что аналогично участку лопатки заторможенного колеса турбины, передает этому участку свою кинетическую энергию, сообщая механический импульс корпусу аппарата. Подобное воздействие аналогично осевомувоздействию давления пара на лопатки турбины, которое воспринимается упорным подшипником. Охлаждаемый участок корпуса 3 выполняет роль конденсатора. Пар конденсируется на охлаждаемой поверхности и рабочее тело в состоянии жидкости возвращается к нагревателю. В варианте В сопло устройства, при работе, имеет импульс отдачи направленный против движения, подобно как в указанном выше примере б, в варианте Г , силы отдачи сопла уравновешены, этим увеличивается сила тяги аппарата. Важнейшим положительным фактором, является то, что двигатель «Активный парус» одновременно выполняет роль движителя транспортного средства. Движитель универсальный и работоспособен во всех средах. Актуально его применение в подводном транспорте, где реализуется его свойство - бесшумность и маневренность, а так же в космических аппаратах, поскольку у него не ограничен ресурс работы и способность сообщить космическому аппарату эффективное ускорение. В данном аппарате возможна утилизация всех компонентов образующихся в результате работы двигателя, в том числе и тепла, которое в показанном варианте, поглощается охладителем. В качестве рабочего тела можно применять обширный ряд веществ или соединений, в том числе и металлы, например ртуть, в этом отношении, имеет преобладающие физические свойства. В качестве нагревателя можно с успехом применить атомный реактор.

Использованная литература:

1. Яворский Б.М. и Дятлаф А.А. «Справочник по физике».

2. Куватов В.Г. «Заявка на изобретение № 2012120531 от 17.05.2012г.».

3. Гильзин К.А. «Ракетные двигатели».

4. Костюк А.Г. «Паровые и газовые турбины для электростанций».

5. http://technic.itizdat.ru/users/wigeorvgkuv@mail.ru

6. С.Чи «Тепловые трубы теория и практика»

7. Куватов В.Г. «Активный парус для Солнечной системы».