ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
LIQUID ROCKET ENGINE

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к камерам жидкостных ракетных двигателей и входящим в них устройствам и деталям, и может быть использовано при создании высокоэкономичных ЖРД для перспективных средств выведения.
Известна смесительная головка камеры ЖРД SSME, содержащая корпус, в котором установлено 600 форсунок, расположенных 13-ю концентрическими рядами. Форсунки выполнены в виде двойных коаксиальных трубок и являются двухкомпонентными. Смесительная головка также содержит форсунки, которые выступают из огневого днища, образуя антипульсационные перегородки в виде кольца с 5 расходящимися лучами от центра к периферии лучами. (Энциклопедия "Космонавтика", гл. ред. В.П. Глушко, М., 1985, стр. 382).
Недостатком указанной головки является то, что конструкция антипульсационных перегородок применима для смесительных головок с расположением форсунок по концентрическим окружностям. Данная конструкция неприемлема для шахматного расположения форсунок, которое имеет место в ряде смесительных головок современных ЖРД ("Конструирование и проектирование жидкостных ракетных двигателей"/ Под общей редакцией Г.Г. Гахуна. М.: Машиностроение, 1989 г., стр. 130, рис. 7, 5).
Известна камера ЖРД РД-107, работающая на жидком кислороде и керосине. В смесительной головке камеры ЖРД РД-107 по концентрическим окружностям установлены двухкомпонентные форсунки. На периферии смесительной головки равномерно по двум концентрическим окружностям установлены штифты (Альбом конструкций ЖРД, часть 3, составленный под руководством В.П. Глушко, Военное издательство Минобороны СССР. М., 1969, стр. 36, фиг. 52). Смесительная головка имеет огневое, среднее и наружное днища.
Недостаток этой головки в том, что в камерах с такой смесительной головкой возможна высокочастотная неустойчивость рабочего процесса.
Известна смесительная головка камеры ЖРД РД-111 (см. вышеуказанный «Альбом конструкций ЖРД», стр. 155, фиг. 379), содержащая форсунки для подачи компонентов топлива, установленные в наружном, среднем и огневом днищах. Днища скреплены между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой. Форсунки горючего и окислителя выполнены однокомпонентными и расположены в шахматном порядке в огневом днище с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям. На периферии смесительной головки расположены равномерно по окружностям штифты.
Недостатком указанной головки является то, что в нем возможна в отдельных экземплярах камер высокочастотная неустойчивость рабочего процесса, особенно в условиях форсированных режимов.
Известна смесительная головка камеры ЖРД, содержащая наружное, среднее и огневое днища, скрепленные между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой, форсунки горючего и окислителя выполнены однокомпонентными и расположены в шахматном порядке в огневом днище с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям, штифты расположены на окружности в периферийной зоне смесительной головки, при этом расположенные на сторонах квадрата в центральной части смесительной головки форсунки, а также форсунки, находящиеся для каждой из сторон квадрата на двух лучах, протяженных от стороны квадрата к периферии, выполнены выступающими в огневую полость камеры за огневое днище, образуя антипульсационные перегородки, при этом каждая периферийная выступающая относительно огневого днища форсунка является форсункой горючего и расположена в местах пересечения окружности штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок (патент РФ №2205973, МПК:F02K 9/52, F02K 9/62).
Основными недостатками данной смесительной головки является недостаточно высокая экономичность рабочего процесса, связанная со следующими факторами.
Достаточно большая часть форсунок, используемых для образования антипульсационных перегородок, работает в нерасчетном режиме из-за того, что указанные форсунки имеют длину больше, чем остальные, и их зона смесеобразования и горения отнесена дальше в камеру сгорания. Это приводит к неравномерности распределения компонентов по сечению головки, различной расходонапряженности, и, как следствие, потерям удельного импульса тяги.
Имеют место потери, связанные с неравномерностью, вызванной различием шагов между форсунками при переходе от шахматного расположения форсунок к их расположению по концентрическим окружностям.
Расположение штифтов в смесительной головке между форсунками и стенкой камеры ведет к росту диаметральных размеров камеры, ее массы и массы двигателя в целом.
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 с высоким качеством смесеобразования, которое бы обеспечивало высокий удельный импульс ЖРД.
Решение указанной задачи достигается тем, что предложенный жидкостный ракетный двигатель, согласно изобретению, содержит как минимум один турбонасосный агрегат, как минимум один газогенератор, агрегаты питания и регулирования, камеру со смесительной головкой, содержащей наружное, среднее и огневое днища, скрепленные между собой форсунками, штифтами, пайкой и сваркой, при этом форсунки горючего и окислителя расположены в шахматном порядке в огневом днище с переходом в периферийной зоне головки к расположению по окружностям, а штифты расположены на окружности в периферийной зоне смесительной головки, при этом расположенные на сторонах квадрата в центральной части смесительной головки форсунки, а также форсунки, находящиеся для каждой из сторон квадрата на двух лучах, протяженных от квадрата к периферии, выполнены выступающими в огневую полость камеры за огневое днище, образуя антипульсационные перегородки, при этом каждая периферийная выступающая относительно огневого днища форсунка является форсункой горючего и расположена в местах пересечения окружности расположения штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок, при этом лучи являются продолжением сторон квадрата и соединяют его вершины с периферийной зоной смесительной головки, а в каждом штифте выполнено, как минимум три канала, соединяющих полость камеры сгорания с полостью, образованной средним и огневым днищами, причем выходная часть указанных каналов расположена параллельно оси камеры сгорания.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на на фиг. 1 - показан общий вид предложенного ЖРД, на фиг. 2 - выносной элемент А продольный разрез смесительной головки, на фиг. 3 - вид Б - вид смесительной головки спереди, на фиг. 4 - продольный разрез двухкомпонентной форсунки, образующей антипульсационные перегородки.
Смесительная головка камеры предложенного ЖРД содержит наружное 1, среднее 2 и огневое 3 днища, скрепленные между собой форсунками 4 горючего и форсунками 5 окислителя, штифтами 6. Расстояние между днищами и объемы межфорсуночных полостей определяются размерами форсунок 4 и 5.
Форсунки горючего 4 и окислителя 5 выполнены однокомпонентными и расположены в шахматном порядке в огневом днище 3 с переходом в периферийной зоне головки 7 к расположению по окружностям. Штифты 6 расположены на окружности в периферийной зоне 7 смесительной головки. Форсунки 8, расположенные на сторонах квадрата 9 в центральной части 10 смесительной головки, а также форсунки 11, находящиеся для каждой из сторон квадрата 9 на двух лучах 12, протяженных от квадрата к периферии, выполнены выступающими в огневую полость камеры за огневое днище 3, образуя антипульсационные перегородки 13. Каждая периферийная выступающая относительно огневого днища 3 форсунка 8 является форсункой горючего и расположена в местах пересечения окружности расположения штифтов с указанными лучами расположения выступающих форсунок. Указанные лучи 12 являются продолжением сторон квадрата 9 и соединяют его вершины с периферийной зоной 7 смесительной головки. В каждом штифте 6 выполнено как минимум три канала 14, соединяющих полость камеры сгорания с полостью, образованной средним 2 и огневым 3 днищами, причем выходная часть указанных каналов 15 расположена параллельно оси камеры сгорания.
Камера предложенного ЖРД включает в себя регенеративно охлаждаемую профилированную цилиндрическую часть 16 с критическим сечением 17 и соплом 18.
В состав предложенного ЖРД также входят один турбонасосный агрегат 19, один газогенератор 20, агрегаты питания и регулирования 21.
Предложенный ЖРД работает следующим образом.
Турбонасосный агрегат 19 приводится в действие продуктами сгорания компонентов топлива, получаемыми в газогенераторе 20. При помощи турбонасосного агрегата компоненты топлива подаются в соответствующие полости смесительной головки. Управление работой агрегатов ЖРД, в частности, турбонасосного агрегата 19 и газогенератора 20, осуществляется при помощи агрегатов питания и регулирования 21.
Поступившие в смесительную головку компоненты топлива далее распределяются следующим образом. Окислитель из полости окислителя по форсункам окислителя 5 поступает в камеру сгорания. Горючее из полости горючего по форсункам горючего 4 поступает в камеру сгорания, где перемешивается с окислителем, воспламеняется и сгорает.
При горении, на режиме запуска, могут возникать высокочастотные колебания, ведущие к неустойчивости процесса горения, связанные с нестационарностью переходных режимов запуска. Для предотвращения возможности появления таких процессов, поверхность огневого днища 3, при помощи квадрата 9 и лучей 12, состоящих из выступающих форсунок 8 и 11, и образующих антипульсационные перегородки 13, разделена на несколько изолированных друг от друга зон, что препятствует распространению колебаний из одной зоны в другую. В этом случае, при возникновении колебаний в одной зоне они не распространяются далее по всему огневому днищу и затухают.
Для обеспечения требуемого качества смесеобразования и защиты огневых стенок камеры от прогаров часть расхода горючего подается через каналы 14 штифтов 6, которые в этом случае играют роль однокомпонентных форсунок.
Компоненты топлива из форсунок поступают в полость профилированной цилиндрической части 16, воспламеняются и сгорают. Продукты сгорания компонентов топлива поступают к критическому сечению 17, проходят через него и расширяются в сопле 18, создавая при этом тягу. Выполнение форсунок, образующих антипульсационные перегородки, двухкомпонентными, позволит улучшить качество смесеобразования, за счет обеспечения подачи горючего и окислителя в одной плоскости.
Использование предложенного технического решения позволит создать надежную и устойчиво работающую смесительную головку ЖРД при высоком качестве смесеобразования, которое обеспечит высокий удельный импульс ЖРД.