Ракетный двигатель малой тяги (РДМТ) с многокаскадной камерой сгорания на газообразных водороде и кислороде
THRUSTER WITH MULTI-STAGE COMBUSTION CHAMBER AT GASEOUS HYDROGEN AND OXYGEN

Изобретение относится к области ракетных двигателей малой тяги, работающих на газообразных водороде и кислороде в космическом пространстве в качестве исполнительных органов систем управления объектов ракетно-космической техники.
http://www.mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=49826
Известен ракетный двигатель малой тяги (диссертация на соискание кандидата технических наук «Рабочие процессы в ракетном двигателе малой тяги на газообразных компонентах топлива кислород и метан» Чудиной Юлии Сергеевны, Московский авиационный институт. Москва, 2014, , стр. 51), в котором форкамера (иначе - предкамера) для воспламенения компонентов топлива образована уменьшенным проходным сечением центрального отверстия. Подвод компонентов топлива в область свечи зажигания отсутствует, воспламенение топлива происходит при попадании компонентов из камеры сгорания в разрядную полость свечи.
Недостатком является то, что в таком двигателе добиться высокой стабильности процесса воспламенения и высокой полноты сгорания топлива невозможно, учитывая малые объемы камеры сгорания (малые времена пребывания топлива в камере сгорания), так как компоненты топлива в газообразном состоянии за счет диффузии перемешиваются сравнительно медленно. Увеличение объема камеры сгорания нерационально из-за ухудшения динамических параметров двигателя, проблем обеспечения теплового состояния камеры и увеличения весовых параметров РДМТ.
Известен двигатель на газообразных водороде и кислороде для вспомогательных установок космической станции (Эппель М.А., Шеман Л., Беркман Д.К. «Двигатель на газообразных водороде и кислороде для вспомогательных установок космической станции». 1987). В этой работе проведено исследование воспламенения и охлаждения двигателей малой тяги. Подача водорода и кислорода организована с помощью шести струй, направленных радиально к оси двигателя.
Недостатком этого технического решения является неоптимальная по составу смесь водорода и кислорода, которую нужно воспламенять при работе двигателя, особенно в импульсном режиме, из-за неизбежного опережения подачи одного из компонентов и неэффективного перемешивания водорода и кислорода при горении.
Целью изобретения является создание надежного и стабильного воспламенения, процесса смешения и горения газообразных водорода и кислорода с предельной полнотой сгорания топлива в ракетных двигателях малой тяги и обеспечение допустимой температуры стенок камеры сгорания и сопла.
Цель достигается за счет того, что ракетный двигатель малой тяги с многокаскадной камерой сгорания на газообразных водороде и кислороде, состоящий из агрегата зажигания со встроенной свечой зажигания поверхностного разряда и разрядной полостью, камеры сгорания с каналами подачи водорода и кислорода и соплом, при этом камера сгорания состоит из нескольких ступеней, причем каждые две ступени формируют каскад, а все каналы подачи газообразных компонентов топлива выполнены тангенциально к образующим каждой ступени камеры сгорания с возможностью обеспечения чередования подачи водорода и кислорода, при этом между разрядной полостью и второй ступенью, параллельно оси камеры сгорания, установлены соединительные каналы с возможностью подачи через них предварительно смешанных кислорода и водорода.
Кроме того, камера сгорания образована двумя каскадами, первый каскад установлен с возможностью образования центральной области распределения компонентов топлива и формирования соотношения компонентов, близкого к стехиометрическому, и состоит из первой и второй ступеней, второй каскад установлен с возможностью образования периферийной и пристенной областей распределения соотношения компонентов и состоит из третьей и четвертой ступеней.
Кроме того, камера сгорания и сопло выполнены из жаростойкого и жаропрочного материала на основе графита.
Кроме того, для увеличения (уменьшения) тяги двигателя каскады устанавливают с возможностью изменения их количества в камере сгорания.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где схематично представлен двигатель малой тяги.
Двигатель содержит свечу зажигания поверхностного разряда 1, разрядную полость 2 свечи зажигания, диафрагму 3, каналы 4, соединяющие разрядную полость 2 свечи зажигания и ступень воспламенения устройства 5 (вторую ступень), первую ступень 6 двигателя с каналами 7 подачи водорода, вторую ступень 5 с каналами 8 подачи кислорода, третью ступень 9 с каналами 10 подачи водорода, четвертую ступень 11 с каналами 12 подачи кислорода и с каналами 13 для подачи кислорода в четвертую ступень 11 с целью охлаждения стенок камеры сгорания, образованной ступенями двигателя, и дозвуковой части сопла 14.
Работа двигателя осуществляется следующим образом.
Для подготовки необходимой по составу смеси водорода и кислорода к воспламенению топлива и для обеспечения допустимой температуры свечи зажигания 1 в две первые ступени 6 и 5 камеры сгорания, расположенные последовательно и диаметры которых соотносятся как 4:10, по касательной к стенке обеих ступеней камеры сгорания подают водород и кислород. Диаметр каждой последующей ступени больше предыдущей на 6 (±1…2) мм. Таким образом, в первой 6 и во второй 5 ступенях камеры сгорания образуются закрученные потоки, которые в совокупности с диаметрами каналов 7 и 8, подводящих водород и кислород, обеспечивают подачу водорода и кислорода в разрядную полость 2 через два канала 4, оси которых параллельны оси двигателя, под влиянием перепада давлений между осевой и периферийной областями закрученного потока, где воспламеняются от искры свечи зажигания 1.
С целью обеспечить предельно максимальную полноту сгорания топлива каскады (по две ступени горючего и окислителя камеры сгорания) формируют смещения и горение топлива в среде высокотурбулентного закрученного течения газообразного рабочего тела.
Подача водорода в третью ступень 9 камеры и кислорода в четвертую ступень камеры 11 (второй каскад смесеобразования) обеспечивает оптимальное значение коэффициента избытка окислителя.
С целью предельного увеличения полноты сгорания топлива камера сгорания и сопло выполнены из жаростойкого и жаропрочного материала на основе графита.