Способ организации рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя малой тяги
METHOD OF ORGANIZING WORKING PROCESS OF LIQUID ROCKET LOW-THRUST ENGINE

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а более конкретно к способам организации рабочего процесса в жидкостном ракетном двигателе малой тяги на самовоспламеняющихся компонентах топлива. Изобретение также может быть использовано в авиационно-космической технике и агрегатах промышленной энергетики.
Известен способ организации рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя пересекающимися струями горючего и окислителя, подаваемыми в камеру сгорания струйными форсунками (М.В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. - М.: Машиностроение, 1968, стр. 74). Под действием внешних и внутренних сил, в т.ч. механического воздействия друг на друга струи распадаются на капли окислителя и горючего, которые перемешивают и образуют топливную смесь. Смесь воспламеняют и сжигают в камере сгорания с образованием высокотемпературных продуктов, которые, истекая из газодинамического сопла ракетного двигателя, создают импульс тяги.
Недостатком известного способа организации рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя является неравномерное распределение капель горючего и окислителя в факеле распыла и в объеме камеры сгорания, а вследствие этого происходит разброс соотношений компонентов топлива как вдоль камеры сгорания, так и в ее поперечном сечении, что приводит к снижению эффективности процессов смесеобразования и горения топлива. Диапазон температур горения топливной смеси может быть широким - от температур газифицированных компонентов топлива до стехиометрического.
Причины недостатка известного способа организации рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя кроются в особенностях распиливания струйных форсунок: относительно большая дальнобойность струи (более 70 мм при диаметре отверстия форсунки ~ 0,2 мм), малый угол распыливания (10-15)°, специфическая тонкость (средний диаметр капель 200÷500 мкм, максимальный диаметр капель, в основном, определяется диаметром отверстия струйной форсунки) и однородность распыливания (крупные капли расположены по оси, а мелкие - на периферии факела распыла) (В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин. Теория ракетных двигателей. -3-е изд. - М: «Машиностроение», 1980, стр. 229, 239, 240).
В маршевом жидкостном ракетном двигателе большой тяги, где имеются условия для выполнения необходимого и достаточного количества струйных форсунок, отрицательное влияние особенностей их распыливания на эффективность процессов смесеобразования и горения нивелируется попарным пересечением струй одного компонента, пресечением струй обоих компонентов, ударом струй о стенки (смесительный экрана, отражатель) и повторным (неоднократным) пересечением факелов распыла пересекающихся струй в объеме камеры сгорания.
Недостаток известного способа организации рабочего процесса существенно проявляется при организации рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя малой тяги, в котором из-за малых расходов компонентов топлива и, соответственно, невозможности по технологическим и эксплуатационным причинам выполнения достаточного количества форсунок, сложно организовать эффективный рабочий процесс, например, одной парой струйных форсунок.
Коэффициент удельного импульса тяги жидкостного ракетного двигателя малой тяги на самовоспламеняющемся ракетном топливе "АТ-НДМГ" с известным способом организации рабочего процесса при номинальном уровне тяги 5,88 Н (0,60 кгс) не превышает 0,83. В то же время у современных жидкостных ракетных двигателей малой тяги с уровнем тяги 392 Н (40 кгс), у которых имеется возможность организации рабочего процесса необходимым количеством форсунок, коэффициент удельного импульса тяги составляет более 0,96
Несмотря на то, что пересекающиеся струи увеличивают угол распыливания до 60-100° и улучшают дробление капель, в рабочем процессе жидкостного ракетного двигателя малой тяги, организованном известным способом, образуются, в основном, три специфические области смесеобразования и, соответственно, три характерные зоны горения в камере сгорания.
Приосевая область смесеобразования формируется в результате перемешивания капель окислителя и горючего с примерно равным количеством движения, образования топливной смеси и направления ее по результирующему направлению вдоль оси камеры. Соответственно первая зона горения находится в приосевой области камеры сгорания.
Вторая зона смесеобразования организуется в результате перемешивания крупных капель окислителя и мелких капель горючего, не вступивших в жидкофазный контакт в приосевой области смесеобразования, и расположена в области распыливания окислителя потому, что крупные капли окислителя имеют большее количество движения и увлекают за собой более мелкие капли горючего с меньшим количеством движения. Поэтому результирующее направление движения такой топливной смеси ближе к направлению распыливания окислителя. Следовательно, вторая зона горения расположена в области распыливания окислителя.
Третья зона смесеобразования образуется в результате перемешивания крупных капель горючего и мелких капель окислителя, не вступивших в жидкофазный контакт в приосевой области смесеобразования, и расположена в области распыливания горючего потому, что крупные капли горючего имеют большее количество движения и увлекают за собой более мелкие капли окислителя с меньшим количеством движения. Поэтому результирующее направление движения такой топливной смеси ближе к направлению распыливания горючего. Следовательно, третья зона горения организуется в области факела распыла горючего.
Отечественные жидкостные ракетные двигатели малой тяги работают, в основном, на долгохранимом самовоспламеняющемся ракетном топливе "АТ-НДМГ" с соотношением компонентов топлива 1,85. В известном способе организации рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя малой тяги на этом топливе соотношение компонентов топлива в приосевой области смесеобразования находится на уровне 1,85, температура продуктов сгорания при этом соотношении составит 3001°К (Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. и др. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания, т. IV. - М.: АН СССР, ВИНИТИ, 1973. стр. 33-194).
Во второй области смесеобразования масса капель окислителя больше, чем масса капель горючего, соотношение компонентов топлива превышает 1,85. По мере дальнейшего движения капель в камере сгорания и выгорания горючего соотношение компонентов топлива увеличивается до стехиометрического и выше. Возможна реализации местного соотношения компонентов топлива на уровне 2,919, при котором температура продуктов сгорания повышается до максимального значения для данного топлива 3210°К, а далее с увеличением соотношения компонентов топлива температура продуктов сгорания снижается до температуры газифицированного окислителя.
В третьей области смесеобразования, где масса капель окислителя меньше, чем масса капель горючего, соотношение компонентов топлива менее 1,85. По мере дальнейшего движения капель в камере сгорания и выгорания окислителя соотношение компонентов топлива становится еще меньше, а температура продуктов сгорания падает до температуры самостоятельного разложения горючего (~743°К) и менее.
Эти недостатки частично, но не полностью устраняются в способе организации рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя малой тяги путем жидкофазного смешения при взаимодействии пленок компонентов топлива (Пути совершенствования рабочего процесса ЖРДМТ на самовоспламеняющихся компонентах топлива [Текст] / В.Е. Нигодюк, А.В. Сулинов // Вестник СГАУ. -2012. -№3 (34). - С. 104, рисунок 1).
В известном способе организации рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя малой тяги струи горючего и окислителя преобразуют в соответствующие пленки (пелены) путем соударения их под определенным углом со смесительными экранами (отражателями) клинового смесительного элемента, находящегося между струями и ориентированного ребром в камеру сгорания. Затем пелены стекают по смесительным экранам и взаимодействуют друг с другом на ребре клинового смесительного элемента. При механическом воздействии друг на друга пелены распадаются на капли окислителя и горючего, которые перемешивают и образуют топливную смесь. Смесь в камере сгорания воспламеняют и сжигают с образованием высокотемпературных продуктов, которые, истекая из газодинамического сопла ракетного двигателя, создают импульс тяги.
Преимущество известного способа организации рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя малой тяги заключаются в том, что пелены в связи с их низкой устойчивостью и малой толщиной по сравнению со струями имеют меньшую дальнобойность, лучшую тонкость и однородность распыливания. Толщина пелены на смесительных экранах (отражателях) клинового смесительного элемента так же, как толщина пелены центробежной форсунки может быть порядка (25-250) мкм (В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин. Теория ракетных двигателей. -3-е, изд. - М.: «Машиностроение», 1980, стр. 239), соответственно, средний диаметр капель может быть в диапазоне 25÷250 мкм, а максимальный диаметр капель - не более 250 мкм.
Недостатком известного способа организации рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя малой тяги, несмотря на то, что тонкость распыла его пелены приблизительно в два раза меньше, чем тонкость распыла струйной форсунки, является также, как в способе организации рабочего процесса пересекающимися струями, но в меньшей мере неравномерное распределение капель горючего и окислителя в факеле распыла и в объеме камеры сгорания при смесеобразовании, а вследствие этого меньший разброс соотношений компонентов топлива как вдоль камеры сгорания, так и в ее поперечном сечении, что приводит к снижению эффективности процессов смесеобразования и горения топлива. Диапазон температур горения топливной смеси также, как и в рабочем процессе с пересекающимися струями, может находиться в пределах от температур газифицированных компонентов топлива до стехиометрического.
Причины недостатка известного способа организации рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя малой тяги кроются в особенностях образования пелен горючего и окислителя на смесительных экранах и взаимодействия их друг с другом на ребре клинового смесительного элемента.
Толщины пелены в поперечном сечении (перпендикулярном направлению движения компонента топлива) и скорости движения компонента топлива по смесительному экрану клинового смесительного элемента неравномерные. В середине пелены скорость компонента топлива максимальная и равна приблизительно скорости истечения его из струйной форсунки, толщина пелены минимальная. По краям пелены скорость компонента топлива минимальная, толщина пелены максимальная. Имеется жгутование пелены по краям (Агеенко Ю.И. Исследование параметров смесеобразования и методический подход к расчетам и проектированию ЖРДМТ со струйно-центробежной схемой смешения компонентов AT и НДМГ на стенке камеры сгорания [Текст] // Вестник СГАУ. -2009. -№3 (19). - С. 173, рисунок 2). Из этого следует, что диаметры капель в середине пелены меньше, чем по краям.
Кроме того, из-за различий в физико-химических свойствах компонентов топлива ширина пелен окислителя и горючего на выходе из смесительных экранов могут быть разными, следовательно, части компонентов топлива, не встретившиеся на ребре, будут исключены из процессов смесеобразования и горения в виде чистых потерь.
Коэффициент удельного импульса тяги жидкостного ракетного двигателя малой тяги на самовоспламеняющемся ракетном топливе "АТ-НДМГ" с известным способом организации рабочего процесса при номинальном уровне тяги 2,94 Н (0,30 кгс) составляет не более 0,85.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков и организация более эффективного рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя малой тяги на самовоспламеняющихся компонентах топлива и повышение его коэффициента удельного импульса тяги.
Решение задачи заключается в том, что в способе организации рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя малой тяги, заключающемся в подаче самовоспламеняющихся компонентов топлива в камеру посредством струйных форсунок, получении пелен горючего и окислителя с последующим смесеобразованием и воспламенением в предкамере, сжиганием в камере сгорания, согласно изобретению струи компонентов топлива преобразуют в пелены под действием центробежных сил и направляют вдоль приосевой области предкамеры и камеры сгорания.
В предпочтительном варианте струи компонентов топлива преобразуют в пелены в вихревых камерах прямоугольного сечения. Кроме того, пелены горючего и окислителя на выходе из смесительных экранов имеют одинаковые толщину и ширину.
Предлагаемый способ организации рабочего процесса в камере жидкостного ракетного двигателя малой тяги схематически представлен на прилагаемых чертежах (фиг. 1-3).
На фиг. 1 приведена общая схема способа организации рабочего процесса в камере жидкостного ракетного двигателя малой тяги. На фиг. 2 схематически показаны методы преобразования струй компонентов топлива в пелены цилиндрическими экранами и подачи пелен в приосевую область предкамеры, процессы смесеобразования, воспламенения и горения в камере сгорания. На фиг. 3 представлена взаимосвязь пелен горючего и окислителя перед подачей их из цилиндрических экранов вдоль приосевой области предкамеры.
На чертежах приведена схема устройства для осуществления способа организации рабочего процесса.
Устройство включает камеру сгорания 1 с примыкающей к ней предкамерой 2, тангенциальный подвод 3 для получения струи окислителя 4, вихревую камеру 5 с прямоугольным сечением и цилиндрическим экраном 6. Струя окислителя преобразуется в пристеночный слой 7. Через тангенциальный подвод 8 горючее подают в виде струи 9 в вихревую камеру 10 на цилиндрический экран 11 с образованием пристеночного слоя 12. Плоские пелены 13 и 14 заданной ширины поступают в предкамеру 2 и встречаются в приосевой области 15. В зоне 16 образуется топливная смесь. Условная граница 17 отделяет ее от зоны воспламенения 18. Реакции процесса самовоспламенения заканчиваются на условной границе 19. В зоне 20 происходит горение компонентов топлива.
В предложенном способе организации рабочего процесса окислитель подают тангенциальными подводами 3 в виде струи 4 на цилиндрический экран 6. На цилиндрическом экране струю под действием центробежных сил преобразуют в пристеночный слой 7, который направляют далее в виде плоской пелены 13 определенной толщины вдоль приосевой области 15 предкамеры 2. Горючее подают тангенциальными подводами 8 в виде струи 9 на цилиндрический экран 11. На цилиндрическом экране струю под действием центробежных сил преобразуют в пристеночный слой 12, который направляют далее также в виде плоской пелены 14 определенной толщины вдоль приосевой области 15 предкамеры 2. После выхода из вихревых камер плоские пелены окислителя и горючего под действием внутренних и внешних сил распадаются на капли окислителя и горючего. Капли окислителя и горючего направляют по траекториям, определяемым их радиальными и осевыми скоростями, сталкивают в приосевой области 15, разбивают на более мелкие капли, перемешивают и в зоне 16 образуют топливную смесь. В результате жидкофазного контакта капель окислителя и горючего топливную смесь воспламеняют в зоне 18, ограниченной границами 17 и 19 периода самовоспламенения, и сжигают в объеме камеры сгорания 1 с образованием высокотемпературных продуктов сгорания, которые, истекая из газодинамического сопла жидкостного ракетного двигателя малой тяги, создают импульс тяги.
В предпочтительном варианте предложенного способа организации рабочего процесса окислитель подают тангенциальными подводами в виде струи в вихревую камеру 5 прямоугольного сечения. На цилиндрическом экране 6 вихревой камеры струю под действием центробежных сил преобразуют в пристеночный слой, который направляют далее в виде плоской пелены определенной толщины и ширины вдоль приосевой области предкамеры.
Горючее подают тангенциальными подводами в виде струи в вихревую камеру 10 также прямоугольного сечения. На цилиндрическом экране 11 струю под действием центробежных сил преобразуют в пристеночный слой, который направляют далее также в виде плоской пелены 14 определенной толщины и ширины вдоль приосевой области предкамеры. Кроме того, пелены горючего и окислителя на выходе из смесительных экранов могут быть одинаковой толщины и ширины.
При включении жидкостного ракетного двигателя малой тяги на самовоспламеняющихся компонентах топлива с предложенным способом организации рабочего процесса компоненты топлива поступают на входы в струйные форсунки, которые направляют их в виде струй на смесительные экраны. Под действием центробежных сил на цилиндрических смесительных экранах струи преобразуются в пристеночные слои горючего и окислителя. Пристеночные слои истекают из смесительных экранов вдоль приосевой области предкамеры в виде сплошных плоских пелен горючего и окислителя определенной толщины и ширины. После выхода из смесительных экранов плоские пелены окислителя и горючего под действием внутренних и внешних сил распадаются на капли окислителя и горючего, максимальные диаметры которых соответствуют толщинам соответствующих пелен. Капли окислителя и горючего направляют по траекториям, определяемым радиальными и осевыми скоростями пелен на выходе из смесительных экранов, сталкивают в приосевой области предкамеры, разбивают друг друга на более мелкие капли, перемешивают и образуют топливную смесь. Происходит жидкофазный контакт, воспламенение, горение компонентов топлива и формирование высокотемпературного ядра потока в приосевой области камере сгорания.
В предпочтительном варианте предложенного способа организации рабочего процесса горючее и окислитель из цилиндрических экранов вихревых камер направляют вдоль приосевой области предкамеры в виде плоских пелен определенной толщины и ширины, в т.ч. одинаковой толщины и ширины.
По мере движения непрореагировавших капель вдоль оси камеры сгорания продукты смесеобразования и неполного сгорания интенсифицируют процессы смесеобразования и горения в ядре потока до полного выгорания компонентов топлива, повышая полноту сгорания.
Прекращение рабочего процесса и останов жидкостного ракетного двигателя малой тяги производится отсечкой подачи компонентов топлива в камеру.
При повторном включении жидкостного ракетного двигателя малой тяги вышеописанный рабочий процесс повторяется вновь.
Наиболее успешно заявленный способ организации рабочего процесса может быть применен в жидкостных ракетных двигателях малой тяги на самовоспламеняющихся компонентах топлива с уровнем тяги менее 10 Н, где по технологическим и эксплуатационным причинам нет возможности выполнения необходимого и достаточного количества форсунок для создания эффективного рабочего процесса.