КАМЕРА СГОРАНИЯ ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ
LOW-THRUST LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINE COMBUSTION CHAMBER

Изобретение относится к ракетной технике, конкретнее - к средствам организации смесеобразования в жидкостных ракетных двигателях малой и особо малой тяги (0,3-0,5 Н) на самовоспламеняющихся компонентах топлива.
Известен ЖРДМТ с двухструйными смесительными элементами. В головках этих двигателей в качестве форсунок применяются капиллярные трубки (см. патент США №3285013), которые выполняют роль подводящих каналов от электроклапанов к струйным форсункам, одновременно выполняя роль струйных форсунок. В этом двигателе реализуется смешение окислителя и горючего в жидкой фазе. Недостатком известного двигателя является технологическая сложность обеспечения стабильности пересечения осей струйных форсунок смесительных элементов в одной точке, которая является главным условием получения более или менее высоких энергетических характеристик и их межэкземплярной стабильности, особенно для двигателей с небольшим числом смесительных элементов (два-три смесительных элемента).
Вторым недостатком известного решения является технологическая сложность применения его для двигателей особо малой тяги, поскольку схема смесеобразования предполагает наличие не менее двух пар смесительных элементов и рассчитана на уровни тяги около 5 Н.
В наиболее близком по сущности изобретении (см. патент РФ №2088782, заявка №93030931/06 от 17.06.93, F02К 9/52) приведена камера жидкостного ракетного двигателя, в которой заклапанные полости окислителя и горючего сообщены с отдельными полостями, расположенными в стенке камеры сгорания и (или) сопла. Указанные отдельные полости во время работы двигателя заполняются компонентами топлива, испаряются от воздействия тепла стенок камеры сгорания (сопла) или от тепла продуктов горения, а после отключения двигателя за счет избыточного давления вытесняют остатки компонентов топлива из заклапанных полостей в камеру сгорания.
Недостатком известного решения является отсутствие практической возможности его использования для смесеобразования в ЖРДМТ особо малой тяги и получения высоких энергетических характеристик.
Целью изобретения является получение высоких энергетических и динамических характеристик ЖРДМТ особо малой тяги при удовлетворительном тепловом состоянии.
Задача решается в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя многократного включения, которая содержит смесительную головку со струйными форсунками окислителя и горючего, сообщенными с заклапанными полостями, имеющими дополнительные полости в стенке камеры сгорания или в полости камеры сгорания путем выполнения дополнительной полости в виде петлеобразного канала, со струйной форсункой на выходе, направленной на поверхность клинового смесителя.
Петлеобразные каналы могут быть выполнены в виде капиллярных трубок, помещенных в полость камеры сгорания.
Клиновой смеситель может быть выполнен в виде конуса.
Предлагаемое решение поясняется чертежом. На приведенной фигуре показан продольный разрез камеры сгорания, состоящей из корпуса 1 смесительной головки, фланца 2, подводящих каналов окислителя 3, подводящих каналов горючего 4, петлеобразного канала окислителя 5 со струйной форсункой на конце, петлеобразного канала горючего 6 со струйной форсункой на конце, конического клина 7. На смесительной головке закреплена камера сгорания 8.
Петлеобразные каналы окислителя 5 и горючего 6 с форсунками окислителя и горючего имеют длину, достаточную для испарения компонентов топлива при непрерывной их подаче - это устанавливается расчетным путем и подтверждается экспериментально. Концы петель загнуты и направлены под углом ~60° к поверхности клина 7, выполненного в виде конуса.
Предлагаемая камера сгорания работает следующим образом.
Окислитель, пройдя через подводящие каналы 3, поступает в петлеобразный канал 5, заканчивающийся струйной форсункой, а затем - на коническую поверхность клина 7. Одновременно горючее, пройдя через подводящие каналы 4, поступает в петлеобразный канал 6, заканчивающийся струйной форсункой, а затем - на коническую поверхность клина 7, где сталкивается с окислителем. В начале запуска двигателя (доли секунды) на клине реализуется жидкофазное смешение компонентов топлива, присущее для клиновых смесительных элементов, в камере сгорания развивается процесс горения; окислитель и горючее, находящиеся в петлеобразных каналах 5 и 6, разогревшись от тепла горячих газов в камере сгорания, мгновенно испаряются (ввиду очень малых расходов окислителя и горючего, составляющих ~0,06÷0,1 г/с, и тонких стенок капиллярных трубок, составляющих ~0,1 мм; на испарение требуется незначительное количество тепла), и дальнейший процесс смешения компонентов топлива происходит в паровой фазе при высоких скоростях истечения испаренных компонентов. Поскольку поверхности испарившихся окислителя и горючего при прочих равных условиях значительно превосходят поверхности этих же компонентов топлива в жидкой фазе, взаимодействие их в паровой фазе происходит значительно интенсивнее, что способствует повышению полноты сгорания и, соответственно, - повышению экономичности и улучшению динамических характеристик двигателя.
Предлагаемое техническое решение позволит получить для двигателей особо малой тяги камеру сгорания, обеспечивающую высокую полноту сгорания топлива и, как следствие, получение высоких энергетических и динамических характеристик.
Путем подбора длины петлеобразных каналов окислителя 5 и горючего 6 и углов наклона соответствующих струйных форсунок к поверхности клина, можно регулировать величины указанных характеристик и приведенную длину камеры сгорания.
Высокие скорости паров в капиллярных трубках петлеобразных каналов 5, 6 позволяют быстро опорожнять заклапанные полости после останова двигателя, что исключает коксование форсунок горючего и выпадение в осадок солей в форсунках окислителя, тем самым значительно повышая надежность работы двигателя.
Исключение коксования форсунок горючего и выпадения в осадок солей в форсунках окислителя можно добиться также увеличением диаметров проходных сечений капиллярных петлеобразных каналов 5, 6 до 0,25 мм, что приведет к незначительному снижению скоростей паров на выходе из струйных форсунок без ущерба для характеристик двигателя.
Быстрое опорожнение заклапанных полостей двигателя позволяет значительно уменьшить импульс последействия, который является одной из важнейших характеристик двигателей малых и особо малых тяг.
Несмотря на высокую интенсивность процесса смесеобразования, предлагаемое техническое решение позволяет получить удовлетворительное тепловое состояние двигателя при использовании камеры сгорания и сопла, выполненных из жаропрочных материалов с жаростойким покрытием.