ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
LIQUID-PROPELLANT ENGINE

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании безгенераторных жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, например 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 (М.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.
Недостатками данного двигателя является сложность пневмогидравлической схемы и недостаточно высокие массово-габаритные характеристики.
Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий тарельчатое сопло, кольцевую камеру со смесительной головкой, расположенную осесимметрично внутри сопла, коллекторы подвода горючего и окислителя, при этом камера сгорания выполнена с профилированной внутренней стенкой и расположена вдоль продольной оси камеры, внутри камеры сгорания установлен охлаждаемый цилиндр, один торец которого соединен со смесительной головкой, другой - с центральной частью сопла и вместе с профилированной внутренней стенкой камеры сгорания образует кольцевое критическое сечение (Патент РФ №2151318, МПК F02K - прототип).
В данном двигателе компоненты топлива подаются в смесительную головку, воспламеняются и поступают к кольцевому критическому сечению. В критическом сечении поток продуктов сгорания разворачивается на 180° и подается к срезу тарельчатого сопла. В тарельчатом сопле внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя - контуром камеры сгорания, которая выполнена в виде профилированного охлаждаемого цилиндра, состоящего из нескольких оболочек.
Основными недостатками данной двигателя являются значительные диаметральные размеры и сложность пневмогидравлической схемы, связанные с тем, что для подачи компонентов топлива в смесительную головку используется турбонасосный агрегат, турбина которого приводится во вращение струей газов, истекающих из газогенератора. Использование газогенератора приводит к необходимости организации трубопроводов подвода компонентов топлива в газогенератор, использованию специальной ступени в турбонасосном агрегате или специальных насосов для подачи компонентов топлива с повышенным давлением в смесительную головку газогенератора, что в конечном итоге приводит к увеличению массы и ухудшению массово-габаритных характеристик двигателя.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание жидкостного ракетного двигателя, конструкция которого позволяет обеспечить достаточно высокое значение удельного импульса тяги, упростить пневмогидравлическую схему и реализовать значительно большее давление в камере при минимальных габаритных размерах.
Поставленная задача достигается тем, что в предложенном жидкостном ракетном двигателе, содержащем тарельчатое сопло, кольцевую камеру сгорания со смесительной головкой, расположенную осесимметрично внутри сопла, коллекторы подвода горючего и окислителя, при этом камера сгорания выполнена с профилированной внутренней стенкой и расположена вдоль продольной оси камеры, внутри камеры сгорания установлен охлаждаемый цилиндр, один торец которого соединен со смесительной головкой, другой - с центральной частью сопла и вместе с профилированной внутренней стенкой камеры сгорания образует кольцевое критическое сечение, согласно изобретению камера сгорания выполнена состоящей из нескольких частей, при этом, по крайней мере, одна часть наружной стенки кольцевой камеры сгорания выполнена с возможностью радиального осесимметричного вращения вокруг продольной оси камеры жидкостного ракетного двигателя и кинематически связана с агрегатами питания, на ее внешней поверхности установлены лопатки для придания ей вращательного движения, а в выходной зоне неподвижной части, примыкающей к подвижной, выполнены каналы, соединенные с системой подачи горючего и открывающиеся на профилированную поверхность неподвижной части.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где показан осевой разрез предложенного двигателя.
Жидкостный ракетный двигатель 1 содержит тарельчатое сопло 2 и кольцевую камеру сгорания 3 со смесительной головкой 4, расположенную осесимметрично внутри тарельчатого сопла 2. Наружная стенка камеры сгорания 3 выполнена состоящей из нескольких частей - неподвижной 5 и подвижной 6, с возможностью радиального осесимметричного вращения вокруг продольной оси камеры жидкостного ракетного двигателя. На внешней поверхности подвижной части 6 установлены лопатки 7 для придания ей вращательного движения. Подвижная часть 6 наружной стенки кинематически связана с агрегатами питания 8. В выходной зоне неподвижной части 5, примыкающей к подвижной части 6, выполнены каналы 9, соединенные с системой подачи горючего и открывающиеся на профилированную поверхность неподвижной части 5.
Предложенный двигатель работает следующим образом.
Первоначальный запуск двигателя осуществляется путем подачи на лопатки 7 подвижной части 6 наружной стенки камеры сгорания 3, играющей роль турбины турбонасосного агрегата, струи газов пирозапальника или газов из специального баллона для раскрутки турбины. Подвижная часть начинает вращаться и приводит в действие агрегаты питания 8.
Компоненты топлива подаются в смесительную головку 4, воспламеняются и поступают к кольцевому критическому сечению. В критическом сечении продукты сгорания разворачиваются на 180° и поступают к срезу тарельчатого сопла. В тарельчатом сопле внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя - контуром профилированного центрального тела, в данном случае - кольцевой камеры сгорания 3, имеющей цилиндрическую форму. Далее продукты сгорания со сверхзвуковой скоростью поступают к срезу тарельчатого сопла 2 и обтекают при этом лопатки 7, установленные на подвижной части 6 наружной стенки камеры сгорания 3. Подвижная часть 6 начинает вращаться вокруг оси вращения и приводит во вращение агрегаты питания 8, которые подают компоненты топлива в смесительную головку 2.
Продукты сгорания, попадающие на лопатки 7 подвижной части 6 наружной стенки камеры сгорания 3, имеют достаточно высокую температуру, что сказывается на работоспособности лопаток и сокращении срока их службы. Для снижения температуры продуктов сгорания, поступающих на лопатки 7, через каналы 9, соединенные с системой подачи горючего и открывающиеся на профилированную поверхность неподвижной части 5, подается часть расхода горючего, имеющего значительно более низкую температуру, чем температура продуктов сгорания. Подача горючего приводит к уменьшению температуры продуктов сгорания, что позволяет повысить долговечность лопаток 7 и улучшить условия их работы.
Использование предложенного технического решения позволит упростить пневмогидравлическую схему двигателя и улучшить его массово-габаритные характеристики.