Двухзонный газогенератор с лазерным зажиганием компонентов топлива
TWO-ZONE GAS GENERATOR WITH THE FUEL COMPONENTS LASER IGNITION

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к области ракетного двигателестроения и, в частности, к двухзонным газогенераторам с лазерным зажиганием компонентов топлива.
Предшествующий уровень техники
Концепция развития жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) как двигателя многократного включения в полете определяет необходимость создания надежного способа зажигания компонентов топлива как химического, но не использующего третьего компонента, конструктивно более простого, имеющего низкие массовые характеристики и обеспечивающего многократное включение в полете практически без ограничений. В этом плане наиболее предпочтительным является направление по разработке лазерных зажигательных устройств, использующих энергию лазера для поджига компонентов топлива непосредственно в камере сгорания или газогенераторе, не требующих дополнительных систем подвода компонентов и позволяющих многократное включение в полете.
Проведенные экспериментальные испытания по лазерному зажиганию компонентов топлива с инициацией в полости камеры сгорания показали возможность воспламенения компонентов топлива с помощью лазера в условиях, приближенных к параметрам запуска натурных камер и газогенераторов.
Например, известен газогенератор ЖРД с лазерным устройством, содержащий корпус с охлаждающим трактом, смесительную головку с форсунками окислителя и горючего, закрепленными между наружным и огневым днищами, патрубки подвода компонентов и источник лазерного излучения с узлом ввода и фокусировки. При этом узел ввода и фокусировки излучения выполнен таким образом, что он обеспечивает фокусировку лазерного излучения на элемент внутренней поверхности камеры сгорания газогенератора или на мишени, размещенные внутри камеры (см. патент RU №2468240, МПК F02K 9/95, 2012 г.).
Использование указанного изобретения позволяет:
- упростить систему зажигания:
- обеспечить многократность зажигания.
Однако такое лазерное зажигание топливной смеси применялось в газогенераторе или камере сгорания, в которых на выходе из огневого днища эта смесь имела массовое соотношение компонентов топлива Km ~2,6.
Известен также газогенератор ЖРД с лазерным устройством, содержащий корпус с охлаждающим трактом, смесительную головку с форсунками окислителя и горючего, закрепленными между наружным и внутренним днищами, патрубки подвода окислителя и горючего, патрубок для вывода генераторного газа и источник лазерного излучения с узлом ввода и фокусировки, который выполнен в виде штуцера, во внутренней полости которого установлен лазер, фокусирующая линза и защитное стекло. Штуцер вставлен в отверстие корпуса в таком месте, чтобы луч лазера, выходящий из него, был сфокусирован в зоне обратных токов в точке оптического пробоя и вблизи внутренней огневой стенки, в которой установлен штуцер и вблизи огневого днища, (см. патент RU №2555021, МПК F02K 9/95 2015 г.).
Применение газогенератора с таким лазерным устройством обеспечивает надежное и многократное зажигание топливной смеси, состоящей из жидкого кислорода и керосина.
Однако такое техническое решение вряд ли подойдет для зажигания компонентов топлива в газогенераторах двухзонного типа.
В этих газогенераторах топливная смесь, выходящая из форсунок огневого днища, имеет массовое соотношение компонентов топлива Km ~50. Поэтому поджечь такую топливную смесь лазерным лучом, сфокусированным вблизи огневого днища, представляет собой сложную задачу.
Известен двухзонный газогенератор ЖРД с химическим зажиганием компонентов топлива, содержащий силовую оболочку с патрубками подвода окислителя и горючего и патрубок для вывода генераторного газа, внутри которой и коаксиально с ней установлена камера сгорания, включающая в себя охлаждаемый корпус, смесительную головку, состоящую из наружного и огневого днищ, между которыми образована полость подвода окислителя, набор смесительных модулей, причем каждый из смесительных модулей состоит из основной камеры смешения и дополнительной камеры смешения, при этом в основной камере смешения вырабатывается генераторный газ при массовом соотношении компонентов топлива Km ~12÷20, а в дополнительной камере смешения осуществляется дожигание горючего при соотношении Km ~50. Эти камеры расположены на одной оси, при этом торец основной камеры смешения утоплен на небольшую глубину в кольцевой канал дополнительной камеры смешения, а кольцевой канал является каналом огневого днища, причем смесительные модули расположены равномерно по концентрическим окружностям смесительной головки, (см. патент RU №2159351, МПК F02K 9/62, 2000 г.).
Недостатком этого изобретения является то, что применение химического зажигания не позволяет использовать газогенератор для многократного запуска.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является обеспечение зажигания компонентов топлива в двухзонных газогенераторах с помощью источников лазерного излучения.
Эта задача решена за счет того, что двухзонный газогенератор с лазерным зажиганием компонентов топлива содержит силовую оболочку с патрубками подвода окислителя и горючего и патрубок для вывода генераторного газа, внутри которой и коаксиально с ней установлена камера сгорания, включающая в себя охлаждаемый корпус, смесительную головку, состоящую из наружного и огневого днищ, между которыми образована полость подвода окислителя, набор смесительных модулей и источник лазерного излучения с узлом ввода и фокусировки, причем каждый из смесительных модулей состоит из основной камеры смешения и дополнительной камеры смешения, при этом в основной камере смешения вырабатывается генераторный газ при массовом соотношении компонентов топлива Km ~12÷20, а в дополнительной камере осуществляется сжигание компонентов топлива при массовом соотношении компонентов топлива Km ~50, эти камеры расположены на одной оси, при этом торец основной камеры смешения утоплен на небольшую глубину в кольцевой канал дополнительной камеры смешения, а кольцевой канал является каналом огневого днища, причем смесительные модули расположены равномерно по концентрическим окружностям смесительной головки, при этом узел ввода и фиксации лазерного излучения выполнен в виде цилиндра, один конец которого герметично закреплен на боковой поверхности корпуса камеры сгорания, а другой конец - вставлен в отверстие силовой оболочки и герметично соединен с ней, при этом внутри цилиндра установлены источник лазерного излучения, фокусирующая линза и защитное стекло, и узел ввода установлен на корпусе в таком месте, чтобы лазерное излучение было сфокусировано в полости дополнительной камеры смешения вблизи торца основной камеры смешения, смесительного модуля, расположенного в последнем периферийном ряду, кроме того, для фокусировки лазерного излучения в указанном месте в корпусе камеры сгорания выполнено сквозное отверстие, а в кольцевом канале смесительного модуля выполнена прорезь на всю длину этого канала и шириной равной его диаметру.
Кроме того, по цилиндрической поверхности корпуса камеры могут быть установлены несколько узлов ввода источников лазерного излучения.
Технический результат состоит в том, что достигнуто воспламенение компонентов топлива в двухзонном газогенераторе в месте соединения основной камеры смешения с дополнительной.
Перечень чертежей
На фиг. 1 представлено продольное сечение двухзонного газогенератора.
На фиг. 2 представлен фрагмент А на фиг. 1.
На фиг. 3 представлено поперечное сечение Б-Б на фиг. 2.
Описание
Газогенератор (фиг. 1) содержит силовую оболочку 1 с патрубками подвода окислителя 2 и горючего 3 и патрубок 4 для вывода генераторного газа. Внутри этой оболочки и коаксиально с ней размещена камера сгорания 5. Камера сгорания включает в себя охлаждаемый корпус 6, смесительную головку 7, состоящую из наружного 8 и огневого 9 днищ, между которыми образована полость подвода окислителя 10, набор смесительных модулей 11 и узел ввода и фокусировки лазерного излучения 12. Каждый из смесительных модулей (фиг. 2) состоит из основной камеры смешения 13 и дополнительной камеры смешения 14. При этом в основной камере смешения вырабатывается генераторный газ при массовом соотношении компонентов топлива Km ~12÷20, а в дополнительной камере осуществляется сжигание компонентов топлива при массовом соотношении компонентов топлива Km ~50. Эти камеры расположены на одной оси, при этом торец 15 основной камеры смешения 13 утоплен на небольшую глубину в кольцевой канал 16 дополнительной камеры смешения 14, причем кольцевой канал 16 расположен в огневом днище 9. Смесительные модули расположены равномерно по концентрическим окружностям. Узел ввода и фокусировки лазерного излучения 12 (фиг. 2, фиг. 3) выполнен в виде цилиндра 17, один конец которого герметично закреплен на боковой поверхности корпуса 6 камеры сгорания 5, а другой конец - вставлен в отверстие 18 силовой оболочки 1 и герметично соединен с ней. Внутри цилиндра 17 установлены источник лазерного излучения 19, фокусирующая линза 20 и защитное стекло 21. Этот узел установлен на корпусе 6 в таком месте, чтобы лазерное излучение было сфокусировано в полости дополнительной камеры смешения 14 вблизи торца 15 основной камеры смешения 13, одного из смесительных модулей 11, расположенного в последнем периферийном ряду. Для фокусировки лазерного излучения в указанном месте в корпусе 6 камеры сгорания выполнено сквозное отверстие 22, а в кольцевом канале 16 выполнена прорезь 23 на всю длину кольцевого канала и шириной равной диаметру этого канала.
Работа газогенератора
При запуске газогенератора горючее - керосин из патрубка 3 поступает в основную камеру смешения 13. Окислитель – жидкий кислород из патрубка 2 поступает в полость 10, а из нее вводится в камеру 13. В момент выхода топливной смеси в дополнительную камеру смешения 14 включают лазерный источник 12, при этом луч лазера входит в прорезь 23 и фокусируется в полости дополнительной камеры смешения 14, в которой происходит оптический пробой и зажигание компонентов топлива по всему объему газогенератора.
Выполнение прорези в кольцевом канале 16 огневого днища 9 позволило исключить образование керосиновой пленки на внутренней поверхности канала 16 и предотвратить «обеднение» топливной смеси в центре канала 16.
Правильность этого технического решения  была подтверждена экспериментально.
Это является основным отличием предлагаемого изобретения.
Промышленное применение
Предлагаемое изобретение может найти применение в ракетных двигателях для надежного и многократного воспламенения топливной смеси в камере двухзонных газогенераторов.