Смесительная головка жидкостного ракетного двигателя малой тяги
MIXING HEAD OF LOW-THRUST LIQUID-FUEL ROCKET ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к средствам организации смесеобразования в жидкостных ракетных двигателях малой тяги и особо малой тяги (0,3-0,5 Н) на самовоспламеняющихся компонентах топлива.
Известен струйный смесительный элемент со сталкивающимися струями окислителя и горючего (Волков Е.Б., Головков Л.Г., Сырицын Т.А., «Жидкостные ракетные двигатели», М. Воениздат, 1970, стр. 42, рис. 1.4., а). Такие смесительные элементы применяются на двигателях больших и средних тяг. Большие скорости истечения компонентов топлива из форсунок гарантируют глубокое проникновение одной жидкости в другую, большое количество смесительных элементов - равномерность распределения по сечению камеры и заданное их соотношение. В двигателях малой тяги такие смесительные элементы неэффективны из-за малых скоростей струй (3…5 м/с) и не обеспечивают необходимое соотношение компонентов топлива по сечению камеры сгорания.
Известна смесительная головка (см. патент РФ №2463469), состоящая из расширяющейся к выходу форкамеры и смесительной камеры со струйными форсунками окислителя и горючего, каналов подвода окислителя и горючего. Форкамера на участке подвода струйных форсунок имеет смесительную камеру с постоянной площадью поперечного сечения, равной 1,0-1,2 суммарной площади поперечных сечений форсунок и длиной, равной длине пробега совместной струи до окончания периода жидкофазной индукции топлива. В предпочтительном варианте исполнения смесительная головка имеет струйные форсунки с пересекающимися под углом 45-65° осями.
Смесительная камера имеет цилиндрическую форму и сопряжена с конической форкамерой, расширяющейся к выходу.
Недостатком такой схемы смесеобразования является отсутствие возможности получения высокой степени перемешивания топлива в смесительной камере, в форкамере и далее - в камере, в результате чего трудно обеспечить высокую полноту сгорания в камере и высокие энергетические характеристики двигателя. Причина этого кроется в том, что для двигателей малой и особо малой тяги характерными являются малые расходы компонентов топлива (доходящие до десятых и сотых долей грамма в секунду), что в свою очередь являются причиной низких скоростей истечения из форсунок струй окислителя и горючего (например, скорости истечения струй окислителя и горючего для двигателей тягой ~0,5 Н составляют ~3-5 м/с).
Работы, проводимые на двигателях тягой до 0,5 Н показали, что полнота смешения топлива (и полнота сгорания) находятся на низком уровне и практически мало зависят от угла столкновения струй.
При столкновении струй окислителя и горючего в смесительной камере не происходит взаимное проникновение струй друг в друга; струи вступают в химическую реакцию по границе соприкосновения с образованием жидкофазных и газофазных промежуточных продуктов и проскальзывают друг относительно друга за счет разности скоростей, образуя слой смешения толщиной от нескольких микрон до нескольких десятков микрон (это зависит от скоростей сталкивающихся струй). Вокруг слоя смешения по камере смешения продолжают движение в направлении к форкамере неперемешанные окислитель и горючее, которые, прогревшись от тепла, выделяющегося из химически реагирующего слоя смешения, испаряются и самостоятельно продолжают движение в виде паровых слоев, слабо перемешиваясь с продуктами реакции, что приводит к потере топлива, выбрасываемого непрореагировавшим, через сопло. Подтверждением являются результаты отработки ЖРД особо малой тяги (~0,5 Н) с различными приведенными длинами камеры, отличавшимися друг от друга ~ на 50%; экономичность двигателя при этом возрастала незначительно.
Задачей изобретения является создание смесительной головки, способной обеспечить высокие энергетические и динамические характеристики ЖРД особо малой тяги.
Задача решается конструкцией смесительной головки, состоящей из корпуса, струйных форсунок окислителя и горючего с пересекающимися струями, смесительной камеры с постоянной площадью поперечного сечения, переходящей в зоне завершения жидкофазной индукции в расширяющуюся к выходу форкамеру. Согласно изобретению в расширяющейся части форкамеры между выходом из смесительной камеры и выходом из предкамеры выполнен кольцевой буртик.
Кроме того, предкамера может быть выполнена в виде конической полости, в которой закреплен насадок представляющий собой тонкостенный усеченный конус, у вершины которого сформирован кольцевой буртик, обращенный в сторону оси конуса.
Предлагаемое решение поясняется чертежами, представленными на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 показан продольный разрез головки, на фиг. 2 - чертеж насадка. Смесительная головка состоит из корпуса 1, подводящего канала окислителя 2, подводящего канала горючего 3, струйной форсунки окислителя 4, струйной форсунки горючего 5, смесительной камеры 6, форкамеры 7, насадка 8 с кольцевым буртиком 9. Площадь поперечного сечения смесительной камеры 6 подбирается из условия обеспечения площади ее, равной примерно 1,2-1,7 суммарной площади поперечных сечений струйных форсунок окислителя и горючего, а длина смесительной камеры, выполненной в виде цилиндрического канала, подбирается таким образом, чтобы время пребывания компонентов топлива на этом участке при совместном движении перемешивающихся струй примерно соответствовало времени завершения периода жидкофазной индукции для применяемого топлива.
-4
Период жидкофазной индукции для различных самовоспламеняющихся топлив различен. Например, для пары азотный тетраоксид + несимметричный диметилгидразин составляет ~1⋅10 с (см. Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета №3 (19), 2009, стр. 316 "Исследование закономерностей жидкофазного взаимодействия компонентов СЖРТ").
Подбор длины смесительной камеры указанным способом исключает запирание при прохождении через нее перемешанных окислителя и горючего. Форкамера выполнена расширяющейся к выходу и также не допускает запирания ее при выделении из продуктов взаимодействия газофазных промежуточных продуктов и последующем резком повышении давления.
Предлагаемая смесительная головка работает следующим образом. Окислитель, пройдя через подводящий канал 2, поступает в струйную форсунку окислителя 4 и далее - в смесительную камеру 6. Горючее, пройдя через подводящий канал 3, поступает в струйную форсунку 5, а затем - в смесительную камеру 6, где сталкивается с окислителем. Поступившие в смесительную камеру 6 окислитель и горючее сталкиваются и перемешиваются по линии соприкосновения (столкновение окислителя и горючего неминуемо, поскольку площадь поперечного сечения смесительной камеры подбирается чуть большей суммы площадей поперечных сечений струйных форсунок окислителя 4 и горючего 5). Подбор длины смесительной камеры 6 предполагает прохождение химических реакций в жидкой фазе с образованием жидкофазных промежуточных продуктов с выделением небольшого количества тепла, поэтому в ней исключаются повышение давления и запирание. Далее жидкофазные промежуточные продукты поступают из смесительной камеры 6 в форкамеру 7, где начинается активное выделение газофазных промежуточных продуктов, сопровождающееся повышением температуры и давления; накопление газофазных промежуточных продуктов приводит к воспламенению их и образованию продуктов неполного сгорания.
Здесь следует отметить тот факт, что в смесительной камере 6 происходит неполное смешение окислителя и горючего и, как было отмечено выше, только по линии соприкосновения сталкивающихся струй, поэтому остается большая доля неперемешанных окислителя и горючего, которые, частично испарившись, продолжают движение к форкамере 7; при этом образовавшиеся пары продолжают движение обособленно в виде струек тока, не вступая в химическое взаимодействие с промежуточными жидкофазными продуктами. И так продолжается до столкновения с препятствием, установленным в форкамере 7 - насадком 8 с буртиком 9. Столкнувшись с буртиком 9, неперемешанные окислитель и горючее резко меняют направление движения к оси смесительной головки, где вынуждены перемешаться с промежуточными жидкофазными и выделившимися из них газофазными промежуточными продуктами. Подбором расстояния l от смесительной камеры 6 до буртика 9 и диаметра d проходного сечения буртика 9 можно в широких пределах регулировать полноту смешения топлива и, что чрезвычайно важно, регулировать тепловое состояние двигателя.
Предлагаемое техническое решение позволяет существенно повысить полноту смешения и полноту сгорания топлива и, как следствие, повысить экономичность и улучшить динамические характеристики ЖРД особо малой тяги.