КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
LIQUID PROPELLANT ROCKET ENGINE CIRCULAR CHAMBER

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, преимущественно кислороде и водороде.
В настоящее время одной из основных проблем при создании жидкостных ракетных двигателей является получение высокого значения удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, в частности сопла. Одним из путей, позволяющих обеспечить достаточно высокое значение удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, является использование вместо обычных круглых сопел Лаваля кольцевых сопел. Отличие между соплом Лаваля и кольцевым состоит в том, что кольцевое сопло имеет форму критического сечения не круглую, а кольцевую. Кольцевые сопла позволяют увеличить площадь выходного сечения сопла и разместить часть агрегатов в центральной части, что приводит к уменьшению линейных размеров двигателя.
Известна принципиальная схема кольцевой камеры жидкостного ракетного двигателя, реализующая данный принцип (А.П. Васильев и др. ″Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей″, Москва, ″Высшая школа″, 1967 г., рис. X. 186).
Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий кольцевую камеру со смесительной головкой, тарельчатым соплом внешнего расширения, профилированным центральным телом и кольцевым критическим сечением, агрегаты управления и агрегаты питания, включающие турбонасосный агрегат с турбиной, расположенные в полости профилированного центрального тела (M.В. Добровольский и др. ″Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования″, Москва, ″Высшая школа″, 1968 г., рис. 2.32, стр. 59).
Указанный двигатель работает следующим образом. Компоненты топлива подаются в смесительную головку, воспламеняются и истекают через кольцевое критическое сечение. В тарельчатом сопле внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя - контуром профилированного центрального тела. Продукты сгорания со сверхзвуковой скоростью поступают к срезу тарельчатого сопла. Для подачи компонентов топлива в смесительную головку используется турбонасосный агрегат, турбина которого приводится во вращение струей газов, истекающих из газогенератора.
В данной кольцевой камере охладитель подается в тракты охлаждения тарельчатого сопла и профилированного центрального тела, образованные соответствующими внутренними оболочками, на внешней поверхности которых выполнены ребра, совместно с наружными оболочками образующие каналы тракта охлаждения, движется по пазам между ребрами и охлаждает, таким образом, рабочие поверхности профилированных оболочек. За счет соединения оболочек между собой только по вершинам ребер при увеличении давления в тракте охлаждения выше заданного предела не обеспечивается прочность и устойчивость внутренних оболочек, что ведет к потере работоспособности кольцевой камеры.
Известна кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя, содержащая кольцевую смесительную головку, регенеративно охлаждаемые кольцевую камеру сгорания с тарельчатым соплом внешнего расширения и профилированным центральным телом, образованными профилированными внутренней и наружной оболочками, скрепленными между собой по ребрам тракта охлаждения, при этом между ребрами тракта охлаждения выполнены полые перемычки, соединяющие вершины ребер между собой, при этом наружный профиль указанных перемычек соответствует профилю тракта охлаждения (патент РФ №2392477 - прототип).
Указанная камера работает следующим образом.
Компоненты топлива подаются в смесительную головку и из нее, через форсунки, в кольцевую камеру сгорания, где происходит их воспламенение. Компоненты топлива истекают через кольцевое критическое сечение и поступают во входную часть тарельчатого сопла. В тарельчатом сопле внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя - контуром профилированного центрального тела, и со сверхзвуковой скоростью поступают к срезу тарельчатого сопла.
Охладитель подается в тракт охлаждения, движется по каналам между ребрами и охлаждает огневую поверхность внутренней профилированной оболочки тарельчатого сопла. За счет соединения оболочек между собой не только по вершинам ребер, но и по дополнительным поверхностям полых перемычек происходит увеличение устойчивости и прочности внутренней оболочки.
Основными недостатками является недостаточно высокая устойчивость внутренней оболочки, обусловленная достаточно большими неподкрепленными участками тракта охлаждения, повышение сопротивления тракта за счет образования местных гидравлических сопротивлений в виде полых перемычек.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и создание кольцевой камеры ЖРД, конструкция которой позволяет повысить устойчивость внутренней оболочки и реализовать значительно большее давление в камере при минимальных габаритных размерах.
Поставленная задача достигается тем, что кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя, содержащая кольцевую смесительную головку, регенеративно охлаждаемые кольцевую камеру сгорания с тарельчатым соплом внешнего расширения и профилированным центральным телом, образованными профилированными внутренней и наружной оболочками, скрепленными между собой по ребрам тракта охлаждения, при этом между ребрами тракта охлаждения выполнены полые перемычки, соединяющие вершины ребер между собой, причем наружный профиль указанных перемычек соответствует профилю тракта охлаждения, согласно изобретению указанные перемычки соединяют между собой группы ребер с выполненными, между упомянутыми группами ребер, с каждой стороны каналами охлаждения в месте расположения перемычек, при этом соседние перемычки расположены со смещением относительно друг друга на величину, равную ширине канала охлаждения в месте их расположения, при этом ширина перемычек равна ширине канала охлаждения в месте расположения перемычек.
В варианте исполнения группы ребер содержат по три ребра. За счет соединения оболочек между собой не только по вершинам ребер, но и по дополнительным поверхностям полых перемычек происходит увеличение устойчивости и прочности внутренней оболочки. Размещение полых перемычек со смещением относительно друг друга позволяет уменьшить длину неподкрепленных участков тракта охлаждения и тем самым увеличить его устойчивость, а выполнение каналов, ширина которых равна ширине канала охлаждения в месте расположения перемычек, с каждой стороны группы ребер, позволит уменьшить гидравлическое сопротивление тракта. Кроме того, повышенная устойчивость и прочность внутренней оболочки позволяет увеличить давление в тракте охлаждения камеры и в самой камере, что, в конечном итоге, позволит повысить эффективность рабочего процесса.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный осевой разрез кольцевой камеры ЖРД, на фиг. 2 - поперечное сечение тракта охлаждения, на фиг. 3 - часть тракта охлаждения с перемычками в аксонометрии.
Кольцевая камера ЖРД содержит регенеративно охлаждаемую кольцевую камеру сгорания 1 со смесительной головкой 2, расположенной осесимметрично внутри тарельчатого сопла 3 внешнего расширения с кольцевым критическим сечением 4. Тракт охлаждения охлаждаемых частей тарельчатого сопла 3 образован внутренней оболочкой 5, на внешней поверхности которой профрезерованы ребра 6, образующие совместно с соответствующей наружной оболочкой 7 каналы охлаждения 8. Вершины ребер 6 соединены между собой при помощи полых перемычек 9 таким образом, что образуются группы ребер, по три ребра в каждой. Внутренняя оболочка 5 скреплена с наружной оболочкой 7 при помощи пайки по вершинам ребер 6 и полым перемычкам 9. Между группами ребер 3 выполнены каналы 10.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Компоненты топлива подаются в смесительную головку 2 и из нее через форсунки в кольцевую камеру сгорания 2, где происходит их воспламенение. Продукты сгорания расширяются в камере сгорания 2 и движутся к кольцевому критическому сечению 4, дойдя до которого разворачиваются в нем практически на 180° и поступают к срезу тарельчатого сопла 3.
Охладитель подается в тракт охлаждения, движется по каналам 8 между ребрами 6 и охлаждает огневую поверхность внутренней профилированной оболочки 5. За счет соединения оболочек между собой не только по вершинам ребер 6, но и по дополнительным поверхностям полых перемычек 9 происходит увеличение устойчивости и прочности внутренней оболочки 5. Наличие с обеих сторон полых перемычек 9 каналов 10 позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление тракта и улучшить условия работы перемычек за счет их более интенсивного охлаждения.
Повышенная устойчивость и прочность внутренней оболочки 5 позволяет увеличить давление в тракте охлаждения камеры и в самой камере, что, в конечном итоге, позволяет повысить эффективность рабочего процесса.
Использование предложенного технического решения позволит повысить устойчивость внутренней оболочки и повысить прочность кольцевой камеры в целом.