Камера ракетного двигателя малой тяги (рдмт), работающего на двухкомпонентном несамовоспламеняющемся газообразном топливе (варианты)

Камера ракетного двигателя малой тяги (рдмт), работающего на двухкомпонентном несамовоспламеняющемся газообразном топливе (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Группа изобретений относится к ракетно-космической технике и может быть использована для разработки конструкций ракетных двигателей малой тяги (РДМТ), использующих двухкомпонентные несамовоспламеняющиеся газообразные топлива. Областями применения таких РДМТ являются системы управления средств межорбитальной транспортировки, орбитальных пилотируемых космических станций и космических аппаратов. Группа изобретений может быть использована также в авиационной технике и в агрегатах промышленной энергетики.

Известна конструкция ЖРД, работающего на несамовоспламеняющемся двухкомпонентном топливе [1]. Устройство включает основную камеру сгорания с соплом и смесительной головкой, предкамеру и раздельные линии подачи каждого из компонентов топлива в камеру сгорания и в предкамеру. Для воспламенения топлива в предкамере установлена электроискровая свеча. В результате воспламенения пусковой порции топлива в предкамере процесс горения распространяется в камеру сгорания и двигатель запускается.

Недостатком конструкции является использование для поступления компонентов топлива в двигатель двух линий подачи для каждого компонента, что в условиях применения в РДМТ, для которых одним из основных отличительных от ЖРД свойств является многократность включений в условиях эксплуатации, требует наличия как минимум четырех электроклапанов для осуществления циклов подачи компонентов топлива в камеру сгорания и в предкамеру.

Известна конструкция жидкостного ракетного двигателя малой тяги [2], включающая основную камеру сгорания с соплом и смесительной головкой, предкамеру с воспламенительным устройством и линии подачи компонентов топлива. Подача газообразного окислителя осуществляется от одного трубопровода с разделением расхода во внутренних полостях смесительной головки для одновременной подачи в предкамеру и в камеру сгорания. Подача горючего в предкамеру и в камеру сгорания осуществляется по отдельным подводящим трубопроводам.

Такой конструкции двигателя по существу свойственен тот же недостаток, что и предыдущей конструкции, проявляемый в наличии трех линий подачи компонентов топлива, что усложняет и утяжеляет конструкцию. К недостаткам такого варианта устройства следует отнести также необходимость изменения в процессе работы двигателя последовательности подачи горючего, при которой первоначально горючее подается в предкамеру, после воспламенения топлива в предкамере и распространения процесса горения в камеру сгорания подача горючего в предкамеру прекращается и весь расход горючего поступает в камеру сгорания.

Известна конструкция РДМТ, работающего на двухкомпонентном газообразном несамовоспламеняющемся топливе кислород-водород [3], включающая камеру сгорания с соплом и смесительной головкой, предкамеру с воспламенителем, подводящие трубопроводы. В устройстве осуществляется постоянная, в течение всего времени работы двигателя, подача всего расхода окислителя (кислорода) и небольшой части расхода горючего (водорода) в расположенную на оси двигателя предкамеру, в которой осуществляется воспламенение топлива, и подача большей части расхода горючего в камеру сгорания. Для воспламенения топлива используется электроискровая свеча.

Недостатком данного устройства, принятого за прототип, является конструкция узла распределения расходов компонентов топлива между предкамерой и камерой сгорания, в результате чего через предкамеру пропускают значительный расход топлива, что приводит к большой скорости течения воспламеняемой газовой смеси. Практика показывает, что при такой организации подачи топлива надежный многократный запуск двигателя может быть обеспечен при использовании топливной композиции кислород-водород с умеренной, на уровне атмосферной, температурой компонентов топлива и достаточной мощности воспламенителя. Применение электроискровой свечи для реализации надежного многократного воспламенения топлива сопряжено с относительно большими массовыми затратами на свечу и преобразователь низкого напряжения питания в высоковольтные разряды, а также с необходимостью использования специальных фильтров для защиты системы энергоснабжения (СЭС) объекта от возмущений, генерируемых разрядами при работе воспламенителя. Масса применяемых на практике электроискровых агрегатов зажигания, включающих свечу и преобразователь постоянного низкого напряжения (обычно 27 В) в высоковольтные разряды (несколько киловольт), с учетом массы защитного фильтра составляет ~ 1,5…2,0 кг, что может превосходить массу всех остальных элементов конструкции двигателя. Использование для управления одним объектом значительного количества таких двигателей (на практике от 8 до 40), каждый из которых оснащен таким воспламенителем, приводит к чрезмерному и нерациональному увеличению массы всей двигательной установки.

При использовании других горючих, например метана, при той же расходонапряженности в предкамере надежность воспламенения существенно понижается.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение надежного многократного запуска и работы РДМТ, использующего несамовоспламеняющиеся двухкомпонентные газообразные топливные композиции при минимальных массовых затратах.

В предлагаемых конструкциях уменьшение массы двигателя достигается использованием для воспламенения топлива в предкамере легких низковольтных калильных или лазерных свечей, а также минимального количества клапанов (двух) подачи компонентов топлива в двигатель.

Заявляемое техническое решение основано на применении:

- воспламенения пусковой порции топлива в предкамере при ограниченном расходе поступающих в нее компонентов топлива;

- маломощного экономичного воспламенителя теплового типа (калильного или лазерного);

- постоянного, в период запуска и работы двигателя, поступления малого расхода окислителя в предкамеру;

- поступления при запуске двигателя малого расхода горючего в предкамеру под действием небольшого градиента давлений между полостями смесительной головки и предкамеры и прекращения поступления горючего в предкамеру после воспламенения топлива, вызванного изменением направления градиента давления в этих полостях.

Для решения поставленной задачи предлагается два варианта конструктивного решения камеры РДМТ.

Оба варианта камеры ракетного двигателя малой тяги (РДМТ), работающего на двухкомпонентном несамовоспламеняющемся газообразном топливе, содержат камеру сгорания с соплом и смесительной головкой, предкамеру с воспламенителем, подводящие трубопроводы подачи компонентов топлива. В обоих вариантах конструкции смесительная головка включает в себя линии подачи горючего и окислителя, соединенные с соответствующими трубопроводами подачи компонентов.

При этом в первом варианте конструкции линия подачи окислителя представляет собой радиальный канал, переходящий в кольцевой коллектор, сообщающийся с каналами-форсунками подачи окислителя в камеру сгорания. Кольцевой коллектор также сообщается одним или несколькими продольными каналами подачи малой части расхода окислителя с предкамерой. Линия подачи горючего представляет собой радиальный канал, переходящий в кольцевой коллектор, сообщающийся с каналами-форсунками подачи горючего в камеру сгорания и каналами с расположенной на оси камеры ракетного двигателя малой тяги промежуточной полостью. Промежуточная полость, с одной стороны, сообщается посредством осевого канала с предкамерой и, с другой стороны, посредством осевого канала-форсунки - с камерой сгорания.

Конструкция камеры ракетного двигателя малой тяги по второму варианту отличается тем, что линия подачи окислителя представляет собой осевой канал-форсунку, соединенный одним концом с трубопроводом подачи окислителя, другим концом сообщается с камерой сгорания и посредством одного или нескольких радиальных отверстий в стенке канала-форсунки - с полостью предкамеры. Линия подачи горючего так же, как и в первом варианте конструкции, представляет собой радиальный канал, переходящий в кольцевой коллектор, сообщающийся с каналами-форсунками подачи горючего в камеру сгорания, но при этом кольцевой коллектор сообщается каналами с расположенной с внешней стороны от канала-форсунки окислителя кольцевой промежуточной полостью, которая, с одной стороны, сообщается кольцевым каналом-форсункой с камерой сгорания и, с другой стороны, по крайней мере одним продольным каналом - с предкамерой.

При этом как в первом, так и во втором вариантах конструкции РДМТ канал-форсунка, соединяющий промежуточную полость с камерой сгорания, может иметь участок сужения за счет кольцевого выступа на внешней стенке канала. Кроме того, во втором варианте конструкции РДМТ осевой канал-форсунка подачи окислителя в камеру сгорания может также иметь сужение кольцевым выступом.

Технический результат достигается организацией поступления при запуске двигателя части расхода горючего из промежуточной полости в предкамеру под действием образовавшегося в период запуска перепада давлений и поступлением небольшого расхода окислителя в предкамеру из коллектора через продольные каналы (первый вариант) или радиальные отверстия (второй вариант), в результате чего в предкамере образуется готовая к воспламенению газовая смесь, которая воспламеняется от энергии воспламенителя, процесс горения распространяется через канал (осевой в первом варианте изобретения или продольный во втором варианте), далее через промежуточную полость и каналы-форсунки (осевой в первом варианте или кольцевой во втором варианте) в камеру сгорания. После чего за счет продолжающегося поступления в предкамеру окислителя давление в ней становится больше, чем давление в промежуточной полости, вследствие чего прекращается поступление горючего в предкамеру и процесс горения в ней. Дальнейшую работу двигателя обеспечивает процесс горения в камере сгорания, а предкамера и воспламенитель находятся в среде протекающего небольшого расхода окислителя с температурой, не оказывающей отрицательного влияния на их работоспособность.

Перепад давлений между промежуточной полостью и полостью предкамеры в период запуска двигателя достигается за счет более высокого темпа роста давления в промежуточной полости по отношению к темпу роста давления в предкамере.

Реализация необходимых условий для поступления при запуске двигателя обоих компонентов топлива в предкамеру достигается при определенных соотношениях между величинами следующих конструктивных параметров: объемы основных полостей (камеры сгорания, промежуточной полости и предкамеры), проходные сечения сообщающих их между собой и с топливными коллекторами каналов.

Суть этого положения поясняется с помощью пневмосхемы камеры РДМТ, изображенной на фиг.1. Данная схема отображает оба варианта конструкции заявляемого устройства. Основные элементы схемы имеют следующие обозначения:

КО - коллектор окислителя

КГ - коллектор горючего

ПК - предкамера

ПП - промежуточная полость

КС - камера сгорания

I - канал, сообщающий промежуточную полость с предкамерой

II - канал-форсунка, сообщающий промежуточную полость с камерой сгорания

Г1 - канал-форсунка подачи горючего в камеру сгорания

Г2 - канал для подачи горючего в промежуточную полость.

Исходя из расчетных и экспериментальных данных в заявляемых конструкциях основными факторами, определяющими поступление в период запуска двигателя обоих компонентов топлива в предкамеру, являются соотношение между площадями сечений канала I и канала-форсунки II, а также доля расхода горючего в промежуточную полость от общего расхода горючего. При характерных для РДМТ параметрах: тяга 10…400 Н, давление в камере сгорания 0,2…1,0 МПа, давление компонентов топлива на входе 0,5…2,0 МПа, коэффициент избытка окислителя 0,3…1,0, при конструктивных параметрах: отношение объема предкамеры и объема промежуточной полости к объему камеры сгорания менее 20% и 10% соответственно, а также при доле расхода окислителя в предкамеру от общего расхода окислителя менее 10%, для достижения надежного воспламенения в предкамере газообразного топлива, включающего в качестве окислителя кислород, а в качестве горючего практически любой горючий газ (водород, метан, пропан и т.д.) с температурой компонентов топлива в диапазоне 220…330 К необходимо выполнение условия

где F₁ - площадь сечения канала I;

F_II - площадь сечения канала-форсунки II;

F_Г1 - площадь сечения канала Г1;

F_Г2 - площадь сечения канала Г2.

Суть изобретений поясняется чертежами на фиг.2 и фиг.3.

На фиг.2 показан вариант 1 заявляемой конструкции камеры РДМТ.

Камера РДМТ включает камеру сгорания 1 с соплом 2, предкамеру 3 с воспламенителем 4, подводящий трубопровод 5 подачи в камеру окислителя и подводящий трубопровод 6 подачи в камеру горючего, смесительную головку 7, включающую линию подачи окислителя, состоящую из радиального канала 8, кольцевого коллектора 9, каналов-форсунок 10 подачи окислителя в камеру сгорания 1 и по меньшей мере одного продольного канала 11 подачи окислителя в предкамеру 3, и линию подачи горючего, состоящую из радиального канала 12, кольцевого коллектора 13, каналов-форсунок 14, каналов 15, промежуточной полости 16, сообщающейся каналом 17 с полостью предкамеры и каналом-форсункой 18 с камерой сгорания 1.

Рассмотрим работу этого устройства.

До запуска во всех полостях камеры двигателя давление одинаковое и равно давлению окружающей среды, как правило, вакуумному.

При запуске двигателя компоненты топлива подаются одновременно окислитель по трубопроводу 5 и горючее по трубопроводу 6. Окислитель по каналу 8 поступает в кольцевой коллектор 9, из которого основная часть его расхода через каналы-форсунки 10 поступает в камеру сгорания 1 и небольшая часть расхода окислителя через продольный канал 11 поступает в предкамеру 3. Горючее через радиальный канал 12 поступает в кольцевой коллектор 13, из которого часть расхода горючего через каналы-форсунки 14 поступает в камеру сгорания 1, остальной расход горючего через каналы 15 поступает в промежуточную полость 16. Одновременно с подачей компонентов топлива в камеру или заранее включается воспламенитель 4. Горючее за счет более высокого темпа роста давления в промежуточной полости 16 по отношению к темпу роста давления в предкамере 3 поступает через осевой канал 17 в предкамеру.

По мере поступления в предкамеру горючего и окислителя образуется смесь в необходимом для воспламенения соотношении, которая воспламеняется от энергии воспламенителя 4.

Высокотемпературные продукты сгорания топлива в предкамере истекают через осевой канал 17, промежуточную полость 16 и канал-форсунку 18 в камеру сгорания 1, в результате чего процесс горения распространяется в камеру сгорания и двигатель запускается.

По мере работы двигателя окислитель, поступающий по продольному каналу 11 в предкамеру 3, создает в ней давление, большее, чем давление в промежуточной полости 16, и горючее перестает поступать в предкамеру, в результате процесс горения в предкамере прекращается.

Суть варианта 2 изобретения поясняется на фиг.3.

Вариант 2 устройства отличается от варианта 1 тем, что для подачи окислителя в камеру РДМТ используется ориентированный по оси камеры двигателя трубопровод 19, в камеру сгорания окислитель поступает по осевому каналу 20 и в предкамеру - через одно или несколько радиальных отверстий 21 в стенке осевого канала 20, а промежуточная полость 22 кольцевой формы сообщается, с одной стороны, с предкамерой 3 одним или несколькими продольными каналами 23, смещенными относительно оси камеры РДМТ на расстояние, превышающее радиус наружной стенки осевого канала 20, и, с другой стороны, сообщается посредством кольцевого канала-форсунки 24 с камерой сгорания 1.

Порядок работы РДМТ реализуется предложенным вариантом 2 устройства в той же последовательности действий, что и в варианте 1 устройства.

Анализ уровня техники на соответствие заявленных решений условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень» показал следующее.

Использование для многократного запуска и длительной работы РДМТ известных конструктивных решений и способов организации процесса запуска двигателя с инициированием процесса горения в предкамере требует применения воспламенителей, сохраняющих работоспособность при длительном воздействии высокотемпературных продуктов сгорания, что ограничивает их выбор, ужесточает требования к ним и снижает надежность их работы.

В заявляемых устройствах обеспечивается малый расход каждого из компонентов топлива и плавное изменение их соотношения в предкамере с реализацией условий достижения оптимального для воспламенения состава смеси, что позволяет реализовать надежный многократный запуск РДМТ при минимальных энергетических и массовых затратах на воспламенение топлива.

При характерных для РДМТ уровнях тяг и расходах компонентов топлива, таких как кислород, с горючими, такими как водород или метан, для запуска достаточная мощность свечи составляет около 3,2 Вт и 5,4 Вт соответственно. Этот результат подтверждается экспериментальными работами на стендах ФГУП «Центр Келдыша» с использованием в качестве воспламенителя малогабаритной калильной свечи.

Таким образом, заявляемые технические решения удовлетворяют условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

Источники информации

1. Конструкции и проектирование жидкостных ракетных двигателей. / Под ред. Г.Г.Гахуна. М.: Машиностроение, 1989 (с.77, рис.4.7).

2. Жидкостный ракетный двигатель малой тяги и способ запуска жидкостного ракетного двигателя малой тяги. Патент Российской Федерации №2183761 от 11.05.2000.

3. Appel M.A., Schoeman L., Berkman D.K. Oxygen/Hydrogen Thrusters for the Space Station Auxilary Propulsion Systems. JANNAF Propulsion Conference, 1984, p.29-37.

1. Камера ракетного двигателя малой тяги (РДМТ), работающего на двухкомпонентном несамовоспламеняющемся газообразном топливе, содержит камеру сгорания с соплом и смесительной головкой, предкамеру с воспламенителем, трубопроводы подвода компонентов топлива, отличающаяся тем, что смесительная головка включает в себя линию подачи окислителя, представляющую собой соединенный с трубопроводом подачи радиальный канал, переходящий в кольцевой коллектор, сообщающийся с каналами-форсунками подачи окислителя в камеру сгорания и с одним или несколькими продольными каналами подачи меньшей части расхода окислителя в предкамеру, линию подачи горючего, представляющую собой соединенный с трубопроводом радиальный канал, переходящий в кольцевой коллектор, сообщающийся с каналами-форсунками подачи горючего в камеру сгорания и каналами с расположенной на оси камеры ракетного двигателя малой тяги промежуточной полостью, сообщающейся, с одной стороны, осевым каналом с предкамерой и, с другой стороны, сообщающейся осевым каналом-форсункой с камерой сгорания.

2. Камера ракетного двигателя малой тяги по п.1, отличающаяся тем, что участок канала форсунки, соединяющего промежуточную полость с камерой сгорания, имеет сужение кольцевым выступом, выполненным на внешней стенке канала-форсунки.

3. Камера ракетного двигателя малой тяги (РДМТ), работающего на двухкомпонентном несамовоспламеняющемся газообразном топливе, содержит камеру сгорания с соплом и смесительной головкой, предкамеру с воспламенителем, трубопроводы подвода компонентов топлива, отличающаяся тем, что смесительная головка включает в себя линию подачи окислителя, представляющую собой осевой канал-форсунку, соединенный одним концом с трубопроводом подачи окислителя и другим концом сообщающийся с камерой сгорания, и посредством одного или нескольких радиальных отверстий в стенке канала-форсунки, с полостью предкамеры, линию подачи горючего, представляющую собой радиальный канал, соединенный с трубопроводом подачи горючего, переходящий в кольцевой коллектор, сообщающийся с каналами-форсунками подачи горючего в камеру сгорания и каналами с расположенной с внешней стороны от канала-форсунки окислителя кольцевой промежуточной полостью, которая, с одной стороны, сообщается кольцевым каналом-форсункой с камерой сгорания и, с другой стороны, сообщается одним или несколькими продольными каналами с предкамерой.

4. Камера ракетного двигателя малой тяги по п.3, отличающаяся тем, что участок канала-форсунки, соединяющего промежуточную полость с камерой сгорания, имеет сужение кольцевым выступом, выполненным на внешней стенке канала-форсунки.

5. Камера ракетного двигателя малой тяги по п.3, отличающаяся тем, что участок осевого канала-форсунки подачи окислителя в камеру сгорания имеет сужение кольцевым выступом.