ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
LIQUID-PROPELLANT ENGINE

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), применяемых в ракетной технике, и также может быть использовано в агрегатах промышленной энергетики.
Известна смесительная головка с соосно-струйными форсунками, в которых две втулки, внешняя и средняя, образуют внешний кольцевой канал газообразного горючего, а средняя с внутренней образуют внутренний кольцевой канал жидкого окислителя (двухполостной смесительный элемент, US Patent, Now.11, 1986, №4621492).
Известная конструкция соосно-струйных форсунок обладает существенным недостатком, заключающимся в недостаточном массовом расходе компонентов топлива, приходящемся на одну форсунку.
Этот тип форсунок имеет одну поверхность контакта между внутренней кольцевой струей окислителя и внешней кольцевой струей горючего. Поэтому для обеспечения заданной величины поверхности контакта между окислителем и горючим, при которой достигается высокая полнота сгорания топлива, требуется увеличение количества форсунок.
Известен смесительный элемент для форсуночной головки камеры ЖРД, состоящий из внешней, средней и внутренней втулок, образующих кольцевые полости для подачи газообразного горючего и жидкого окислителя, при этом во внешней втулке со стороны подачи горючего параллельно оси смесительного элемента выполнены кольцевые пазы, разделенные перемычками, в которых перпендикулярно оси выполнены отверстия для подачи окислителя в кольцевой канал, выходящий в камеру сгорания, а во внешней втулке, обращенной к зоне горения, выполнена кольцевая полость горючего, при этом средняя и внутренняя втулки образуют второй дополнительный кольцевой канал подачи горючего в камеру, кроме того, внешняя и средняя втулки со стороны, противоположной зоне горения, установлены вплотную друг к другу (Патент РФ №2265748, МПК F02K 9/52).
Указанный смесительный элемент для форсуночной головки камеры ЖРД работает следующим образом.
Окислитель по штуцеру подается в коллектор головки, образованный корпусом и дефлектором. Из коллектора окислитель по пазам, охлаждая огневое днище, поступает в питающую полость, образованную корпусом, дефлектором и внешней втулкой смесительного элемента. Из питающей полости окислитель по отверстиям, просверленным в перемычках втулки, поступает в кольцевую полость форсунки, образованную втулками. Из кольцевого канала, образованного втулками, окислитель поступает в камеру.
Горючее в равных массовых расходах по кольцевым каналам, образованным втулками, внешнему и внутреннему кольцевому каналу, подается с высокой скоростью в камеру. Хорошее качество начального смесеобразования достигается за счет интенсивного разрушения низкоскоростной струи окислителя высокоскоростной струей горючего.
Основными недостатками указанной форсунки является наличие внутренней полости, по которой подается струя горючего. При такой подаче часть горючего высокоскоростной струи не успевает прореагировать с низкоскоростной струей окислителя, что приводит к ухудшению условий смесеобразования и, соответственно, потерям удельного импульса тяги.
Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру со смесительной головкой, включающей корпус, блок подачи окислителя, блок подачи горючего, огневое днище, коаксиальные соосно-струйные форсунки, расположенные в смесительной головке по концентрическим окружностям и образующие центральную и периферийную зоны и включающие полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость горючего с зоной горения, как минимум, один газогенератор, как минимум, один турбонасосный агрегат, агрегаты питания и регулирования (Гахун Г.Г. и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. М., Машиностроение, 1989 г., 420 стр. ЖРД SSME, стр.93-94 - прототип).
Указанный двигатель работает следующим образом.
Окислитель из полости блока подачи окислителя по каналам внутри форсунок поступает в камеру сгорания для дальнейшего использования.
Горючее из полости блока охлаждения огневого днища по втулкам форсунок подается в камеру сгорания. Генераторный газ из полости блока генераторного газа по каналам внутри форсунок поступает в камеру сгорания.
Основными недостатками данного ЖРД является недостаточно высокое значение полноты рабочего процесса, обусловленное несовершенством принятой системы смесеобразования.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание ЖРД, система организации смесеобразования которого позволит обеспечить повышенную полноту сгорания компонентов топлива при меньшем количестве смесительных элементов на смесительной головке.
Решение указанной задачи достигается тем, что в предложенном жидкостном ракетном двигателе, содержащем камеру со смесительной головкой, в которой установлены форсунки, состоящие из нескольких коаксиально установленных втулок, образующих кольцевые полости для подачи газообразного горючего и жидкого окислителя, установленные в смесительной головке по концентрическим окружностям и соединяющие полости блоков с полостью камеры сгорания, как минимум, один газогенератор, как минимум, один турбонасосный агрегат, агрегаты питания и регулирования, согласно изобретению кольцевые полости подачи компонентов со стороны полости камеры сгорания закрыты проставками, в которых выполнены отверстия для подачи компонентов топлива в зону горения, а со стороны, противоположной зоне горения, указанные полости закрыты профилированным днищем, внутренняя поверхность которого выполнена ступенчатой, при этом в днище выполнены радиальные и осевые каналы, соединяющие полости подачи компонентов топлива с соответствующими кольцевыми полостями.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показан предложенный двигатель, на фиг.2 показана смесительная головка ЖРД, на фиг.3 - выносной элемент в увеличенном масштабе.
Двигатель содержит камеру со смесительной головкой, состоящей из нескольких коаксиально установленных втулок 1-11, образующих кольцевые полости 12 и 13 горючего и окислителя соответственно. Кольцевые полости 12 и 13 подачи компонентов со стороны полости камеры сгорания закрыты проставками 14-24, в которых выполнены отверстия 25 и 26 для подачи компонентов топлива в зону горения. Со стороны, противоположной зоне горения, кольцевые полости 12 и 13 закрыты профилированным днищем 40, внутренняя поверхность 27 которого выполнена ступенчатой. В днище выполнены радиальные 28 и осевые каналы 29, 30. При помощи радиальных каналов 28 и осевых 29 кольцевые полости горючего 12 соединяются с полостью блока подачи горючего 31. При помощи осевых каналов 30 кольцевые полости окислителя 13 соединяются с полостью блока окислителя 32. Также в состав камеры входят профилированная регенеративно охлаждаемая цилиндрическая часть с критическим сечением и сопло.
В состав двигателя также входят один газогенератор 36, один турбонасосный агрегат 37, агрегаты питания и регулирования 38 и камера 39.
Предложенный двигатель работает следующим образом.
При помощи турбонасосного агрегата 37, приводимого в действие продуктами сгорания, получаемыми в газогенераторе 36, компоненты топлива подаются в смесительную головку, в полость блока горючего 31 и в полость блока окислителя 32.
Из полости блока горючего 31, при помощи радиальных каналов 28 и осевых 29, горючее поступает в кольцевые полости горючего 12 и, через отверстия 25, в камеру сгорания.
Из полости блока окислителя 32, при помощи осевых каналов 30, окислитель поступает в кольцевые полости окислителя 13 и далее, через отверстия 26, в камеру сгорания камеры 39.
В камере сгорания компоненты перемешиваются между собой, воспламеняются и сгорают, образуя при этом продукты сгорания, обладающие значительной кинетической энергией и высокой температурой. Для защиты внутренней стенки камеры от прогаров перед запуском ЖРД в тракт охлаждения профилированной регенеративно охлаждаемой цилиндрической части 33 и сопла 35 камеры 39 подают охладитель, например, горючее.
Подача компонентов из мелких отверстий 25 и 26, расположенных в виде концентрических поясов, дает возможность реализовать смесеобразование компонентов топлива при щелевой подаче, когда один предельно тонкий кольцевой цилиндрический слой компонента топлива взаимодействует с другим предельно тонким кольцевым цилиндрическим слоем компонента топлива. Такая подача, в конечном итоге, позволит уменьшить потери, связанные с несовершенством системы смесеобразования и за счет этого повысить удельный импульс тяги ЖРД.
Использование предложенного технического решения позволит обеспечить максимально возможную полноту сгорания различных видов топлив при меньшем количестве смесительных элементов на форсуночной головке.