Устройство лазерного воспламенения компонентов топлива в камере сгорания или газогенераторе жидкостного ракетного двигателя
APPARATUS FOR LASER IGNITION OF FUEL COMPONENTS IN A COMBUSTION CHAMBER OR GAS GENERATOR OF A LIQUID ROCKET ENGINE

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), и может быть использовано для многократного запуска камер сгорания или газогенераторов, работающих на жидких компонентах топлива.
Одной из основных проблем, возникающих при разработке камер сгорания и газогенераторов ЖРД, работающего на жидких несамовоспламеняющихся компонентах топлива, является создание системы зажигания, обеспечивающей их надежный запуск и имеющий минимальные размеры и вес.
Предшествующий уровень техники
Известен способ воспламенения компонентов топлива в ЖРД и устройство лазерного воспламенения для реализации этого способа, заключающегося в том, что в полости одной из форсунки многофорсуночной смесительной головки фокусированием одной или несколькими линзами лазерного луча осуществляется оптический пробой с воспламенением смеси компонентов топлива в этой полости форсунки и последующим воспламенением, всего расхода топлива, поступающего из смесительной головки, продуктами сгорания из форсунки (патент РФ №2580232, МПК: F02K 9/95 - прототип).
Основным недостатком данного способа воспламенения компонентов топлива является необходимость установки фокусирующего устройства в полости смесительной головки, заполненной оптически прозрачным компонентом топлива.
Другим недостатком является ненадежное крепление трубчатого узла фокусировки к наружному днищу смесительной головки (консольный вид крепления). Сильные вибрации, которые действуют при работе ЖРД, могут привести к поломке корпуса трубчатого узла фокусировки.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и обеспечение надежного воспламенения жидких несамовоспламеняющихся компонентов топлива в камере сгорания или газогенераторе ЖРД.
Раскрытие изобретения
Решение указанной задачи достигается тем, что устройство лазерного воспламенения компонентов топлива в камере сгорания или газогенераторе жидкостного ракетного двигателя включает в себя узел фокусировки лазерного излучения, выполненный в виде трубки с фланцем на одном конце и фокусирующей линзой на другом конце, причем устройство содержит цилиндрический корпус со сквозным осевым каналом, при этом с одной стороны корпуса выполнен фланец, а с другой стороны к корпусу прикреплена цилиндрическая камера смешения, причем трубка узла фокусировки вставлена в сквозной осевой канал цилиндрического корпуса и герметично соединена с ним, кроме того, в корпусе выполнены каналы подвода окислителя и горючего в камеру смешения, цилиндрический корпус вместе с узлом фокусировки с помощью фланцев прикреплены к наружному днищу смесительной головки, а камера смешения через пилоны, закрепленные на цилиндрической поверхности камеры смешения, прикреплена к огневому днищу смесительной головки, а фокусировка лазерного луча выполнена таким образом, что оптический пробой осуществляется в заполненной смесью компонентов топлива внутренней полости цилиндрической камеры смешения.
Другими отличиями являются:
- подвод окислителя в камеру смешения осуществляется через тангенциальные отверстия, выполненные на наружной поверхности корпуса устройства и через кольцевой канал;
- подвод горючего в камеру смешения осуществляется через радиальные отверстия, выполненные в патрубке, прикрепленному к наружной поверхности корпуса устройства через кольцевой канал, тангенциальные отверстия и кольцевой дополнительный канал.
Предлагаемая конструкция устройства лазерного воспламенения компонентов топлива в камере сгорания или газогенераторе ЖРД, за счет своих отличительных признаков, обеспечивает решение поставленной технической задачи - обеспечение надежного воспламенения жидких несамовоспламеняющихся компонентов топлива в камере сгорания или газогенераторе ЖРД.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный разрез газогенератора, на фиг. 2 - продольный разрез устройства.
Предлагаемое устройство может быть использовано в составе газогенератора ЖРД, имеющего следующую конструкцию.
Газогенератор состоит из смесительной головки 1 и корпус 2.
Смесительная головка 1 газогенератора состоит из форсунок 3, расположенных равномерно по концентрическим окружностям, огневого днища 4, среднего днища 5 и наружного днища 6.
Корпус 2 газогенератора состоит из охлаждаемой окислителем проставки 7, которая формирует полость камеры 8 и сферического коллектора 9. На оси смесительной головки 1 газогенератора установлено устройство лазерного воспламенения компонентов топлива в камере сгорания или газогенераторе ЖРД 10, содержащее цилиндрический корпус 11 с фланцем 12, и сквозной осевой канал 13. На торце корпуса 11 установлена цилиндрическая камера смешения 14. Устройство также содержит узел фокусирования лазерного излучения 15, выполненный в виде трубки 16 с фланцем 17, трубка которого вставлена в сквозной осевой канал 13 корпуса 11. На торцевой поверхности фланца 17 установлен лазер 18.
На внутренней поверхности камеры смешения 14 равномерно по окружности расположены тангенциальные отверстия 19, через которые осуществляется подвод окислителя в камеру смешения 14. В выходной части камеры смешения выполнены продольные пазы 20, находящиеся между пилонами 21. При этом между корпусом 11 и камерой смешения выполнен кольцевой канал 22, выходящий в камеру смешения 14.
На наружной поверхности корпуса 11 закреплен патрубок 23, в котором выполнены радиальные отверстия 24, через которые осуществляется подвод горючего в камеру смешения 14. При этом выход из отверстий 24 соединен с кольцевым каналом 25, который через тангенциальные отверстия 26 соединен с кольцевым дополнительным каналом 27, который соединен с камерой смешения 14.
Узел фокусировки лазерного излучения 15 содержит фокусирующую линзу 28, закрепленную на торце трубки 16. При этом фокус 29 линзы 28 расположен в объеме камеры смешения.
В предлагаемом устройстве корпус 11, узел фокусировки 15 через фланцы 12 и 17, герметично соединены с наружным днищем 6 смесительной головки 1 камеры 8.
Это позволяет исключить поломку узла фокусировки при высоких вибрациях и повысить надежность предлагаемого устройства. Кроме того, применение трубчатого фокусирующего узла на входе в камеру смешения позволяет защитить фокусирующую линзу от контакта с компонентами топлива, поступающие в камеру смешения.
Работа устройства
Горючее поступает в полость, образованную наружным днищем 6 и средним днищем 5 смесительной головки 1 и распределяется между форсунками 3 и устройством 10. Горючее поступает в устройство 10 через радиальные отверстия 24, кольцевой канал 25, тангенциальные отверстия 26 и затем направляется в дополнительный кольцевой канал 27, а из него горючее поступает в камеру смешения 14.
Окислитель поступает в коллектор 9 и распределяется между корпусом 2 и смесительной головкой 1 газогенератора.
Из полости смесительной головки, образованной средним днищем 5 и огневым днищем 4, окислитель поступает в форсунки 3 и устройство 10. Большая часть окислителя, поступающего в устройство направляется через продольные пазы 20 в камеру сгорания 8, оставшаяся часть окислителя - через тангенциальные отверстия 19 поступает в полость камеры смешения 14.
В полости камеры смешения 14 компоненты топлива смешиваются между собой. Лазерный луч, выходящий из лазера 18 и проходящий через узел фокусировки 15, фокусируется с помощью линзы 28, при этом фокус излучения 29, при этом фокус лазерного излучения находится в объеме камеры смешения. После этого включают лазер 18, в результате чего в камере смешения происходит оптический пробой с возникновением плазмы оптической искры, воспламеняющей топливную смесь. Образовавшиеся высокотемпературные продукты сгорания выходят из смесительной камеры и через продольные пазы вместе с кислородом поступают в камеру сгорания 8 газогенератора и производят воспламенение компонентов топлива в камере сгорания.
Промышленное применение
Предложенное техническое решение найдет применение в ЖРД, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах топлива, таких как жидкий кислород с керосином, и позволит обеспечить их надежное воспламенение в камере сгорания или газогенераторе ЖРД.