КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
LIQUID-PROPELLANT ENGINE CHAMBER

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива, и может быть использовано при разработке камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), особенно работающих на трехкомпонентном топливе.
На настоящем этапе развития космических транспортных средств сложилась ситуация, когда возможности по совершенствованию химических ракетных двигателей традиционных типов (на основе стационарных или медленно протекающих рабочих процессов) практически полностью исчерпаны и ограничены незначительным улучшением энерго-массовых характеристик, достигаемым, как правило, в ущерб надежности, безопасности и экологичности.
Для разработки в дальнейшем наиболее эффективных одноступенчатых систем выведения необходимо создание ЖРД нового поколения, работающих при использовании с жидким кислородом двух горючих - водорода и углеводородного горючего (УВГ), чаще всего, керосина. Основным преимуществом трехкомпонентных ЖРД по сравнению с двухкомпонентными кислородно-водородными двигателями является уменьшение потребных запасов водорода в 1,5…2 раза, что позволит сократить затраты на выведение полезной нагрузки. Это обеспечит также уменьшение "сухой" массы конструкции носителя. Проведенные исследования показали конкурентоспособность и значительную эффективность ЖРД, работающих на трехкомпонентном топливе (жидкий кислород - углеводородное горючее/керосин - жидкий водород).
Известна камера жидкостного ракетного двигателя, содержащая смесительную головку, включающую корпус, блок подачи окислителя, блок подачи водорода, огневое днище, коаксиальные соосно-струйные форсунки, включающие полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость горючего с зоной горения, расположенные в смесительной головке по концентрическим окружностям и образующие центральную и периферийную зоны, цилиндрическую часть камеры с критическим сечением, сопло (Гахун Г.Г. и др. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей, М., Машиностроение, 1989 г., 420 стр. Камера ЖРД SSME, стр.122-123 - прототип).
Указанная камера работает следующим образом.
Окислитель из полости блока подачи окислителя смесительной головки по каналам внутри форсунок поступает в камеру сгорания для дальнейшего использования. Горючее из полости блока охлаждения огневого днища подается в камеру сгорания. Генераторный газ из полости блока генераторного газа по каналам внутри форсунок поступает в поступает в камеру сгорания. В камере сгорания компоненты перешиваются, воспламеняются и сгорают.
Основными недостатками данной камеры является недостаточно высокое значение полноты рабочего процесса, обусловленное несовершенством принятой системы смесеобразования, а также невозможность применения указанной камеры для работы на трехкомпонентном топливе.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, применение которой позволит обеспечить повышенную экономичность рабочего процесса при работе смесительной головки камеры как в качестве трехкомпонентной, на компонентах топлива «кислород-керосин-водород», так и в качестве двухкомпонентной, на компонентах топлива «кислород-водород».
Решение указанной задачи достигается тем, что предложенная камера жидкостного ракетного двигателя, согласно изобретению, содержит регенеративно охлаждаемую камеру сгорания с критическим сечением и соплом, смесительную головку, включающую корпус, блок подачи окислителя, преимущественно, кислорода, блок подачи основного горючего, блок подачи дополнительного горючего, блок огневого днища, при этом в указанных блоках по концентрическим окружностям установлены коаксиальные соосно-струйные форсунки, образующие центральную и периферийную зоны, причем упомянутые коаксиальные соосно-струйные форсунки включают полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость первого горючего с зоной горения, при этом в наконечниках, как минимум, форсунок центральной зоны в выходной части имеются радиально расположенные пазы, выполненные в виде чередующихся выступов и впадин, причем радиально расположенные пазы выполнены таким образом, что периметр центральной части струи, ограниченный образующими лучей, составляет не более 3s, длина луча - 2,3…2,5s, где s - толщина луча, при этом число лучей равно трем, причем во втулке, между выступами наконечника, выполнены каналы, выходная часть которых открывается в полость, выполненную в корпусе втулки, а входная - соединяется с полостью дополнительного горючего, при этом указанная полость в корпусе втулки соединена тангенциальными каналами с кольцевой проточкой, выполненной на торце втулки и соединенной с зоной горения.
Сущность предложенного изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана камера ЖРД, на фиг.2 - смесительная головка камеры ЖРД, на фиг.3 - осевой разрез соосно-струйной форсунки, на фиг.4 - поперечный разрез выходной части соосно-струйной форсунки с трехлучевой выходной частью наконечника, на фиг.5 - поперечный разрез выходной части соосно-струйной форсунки с трехлучевой выходной частью наконечника в районе входа в каналы дополнительного горючего, на фиг.6 - вид на форсунку со стороны огневого днища.
Соосно-струйная форсунка смесительной головки предложенной камеры сгорания содержит полый наконечник 1, с осевым каналом 2 внутри него, соединяющим полость окислителя с полостью камеры сгорания. В выходной части наконечника выполнены радиально расположенные пазы, выполненные в виде чередующихся выступов 3 и впадин 4. На наконечник 1 с кольцевым зазором 5 установлена втулка 6, соединяющая полость между втулкой и наконечником с полостью камеры сгорания. Во втулке 6, между выступами 3 наконечника, выполнены каналы 7, выходная часть 8 которых открывается в зону горения, входная 9 - соединяется с полостью блока подачи керосина при помощи каналов 10, при этом наружный профиль каналов 7 эквидистантен профилю выходной части наконечника 1.
Форсунки установлены в корпусе смесительной головки, содержащей блок подачи окислителя 11, блок подачи основного горючего - водорода 12 (блок подачи водорода), блок подачи дополнительного горючего - керосина 13 (блок подачи керосина), огневое днище 14.
Камера также содержит регенеративно охлаждаемую камеру сгорания 15 с критическим сечением 16 и соплом 17.
Предложенная камера ЖРД работает следующим образом.
Из полости блока подачи окислителя 11 окислитель по осевому каналу 2 внутри наконечника 1 подается в камеру сгорания. В месте расположения радиальных впадин 4 струя окислителя принимает форму выходного сечения наконечника, в данном случае форму радиальных пазов 4, что приводит к изменению формы поперечного сечения струи и увеличению периметра контакта при неизменной площади сечения.
Изменение формы струи окислителя с круглой на трехлучевую звездообразную при неизменной площади выходного сечения улучшает условия разрушения струи, позволяет уменьшить характерный поперечный размер струи и длину нераспавшейся части струи. Кроме этого, контакт струи окислителя со струей горючего происходит по поверхности образовавшихся ребер, что приводит к его увеличению по сравнению с круглой струей на 30-45%. Следовательно, на выходе из наконечника струя окислителя более склонна к потере своей целостности и быстрее распадается, что позволяет улучшить условия перемешивания компонентов на всех режимах.
Водород из полости блока подачи водорода 12 по зазору 5 между наконечником 1 и втулкой 6 подается в зону горения.
На режиме первой ступени, через каналы 7, при помощи каналов 10 с входной частью 9 из полости блока подачи керосина 13 в камеру сгорания также подается керосин, который, соединяясь с водородом, увеличивает плотность горючего «водород-керосин», что приводит к повышению эффективности работы двигателя на режиме первой ступени.
За счет соединения полости 8 в корпусе втулки тангенциальными каналами 9 с кольцевой проточкой 10, выполненной на торце втулки и соединенной с зоной горения, керосин получает на выходе из полости кольцевой проточки 10 тангенциальную составляющую скорости и подается в камеру сгорания в виде вращающегося конуса/ов, что также приводит к улучшению смесеобразования при работе на режиме первой ступени.
Компоненты топлива поступают в полость камеры сгорания 15, воспламеняются и сгорают, образуя при этом продукты сгорания. Продукты сгорания движутся к критическому сечению 16, проходят через него и расширяются в сопле 17, создавая при этом тягу.
Охлаждение огневого днища 14 на всех режимах осуществляется водородом.
На режиме второй и последующих ступеней, подача керосина через каналы 7 отсекается, и камера ЖРД продолжает работать на компонентах «водород-кислород» с повышенной эффективностью за счет улучшенного смесеобразования.
Применение предложенной камеры в кислородно-водородных/керосиновых ЖРД позволит значительно упростить конструкцию смесительной головки камеры и повысить эффективность работы двигателя на трехкомпонентном топливе.