УЗЕЛ ПОДАЧИ ТОПЛИВА В КАМЕРУ РАЗЛОЖЕНИЯ ОДНОКОМПОНЕНТНОГО ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ
FUEL SUPPLY UNIT TO DECOMPOSITION CHAMBER OF SINGLE-COMPONENT LIQUID ROCKET ENGINE OF LOW THRUST

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании однокомпонентных жидкостных ракетных двигателей, входящих в состав двигательных установок малой тяги спутников для решения задач орбитального маневрирования.
Одной из проблем, присущих однокомпонентным жидкостным двигателям с относительно малыми тягами, имеющими в своем составе осевую капиллярную трубку подачи топлива от управляющего клапана в камеру разложения, особенно при работе двигателя в импульсных режимах работы, является обеспечение тепловой устойчивости в функционировании капиллярной трубки из-за частичного или полного вскипание жидкого топлива в капиллярной трубке вследствие превышения поступающего теплового потока со стороны камеры разложения на капиллярную трубку над отводящим тепловым потоком по капиллярной трубке в сторону управляющего клапана (с учетом впрыскиваемого топлива). Образование паровой пробки от перегрева капиллярной трубки ведет к возрастанию гидравлического сопротивления по длине капиллярной трубки, соответствующем снижении расхода топлива и характеристик двигателя в целом. Снижение расхода топлива, в этом случае, дополнительно увеличивает поступающий тепловой поток по капиллярной трубке от камеры в сторону клапана двигателя, что ведет к дальнейшему перегреву капиллярной трубки и, соответственно, к нарушению работоспособности двигателя в целом. Наблюдается эффект «теплового запирания» узла подачи топлива в камеру разложения двигателя.
Известен электротермический газовый тяговый блок, включающий узел подачи топлива в камеру разложения, состоящий из управляющего клапана и капиллярной трубки, входной конец которой соединен с управляющим клапаном, а выходной конец закреплен в заглушке удлинительной трубки, камеру разложения и сопло. Удлинительная трубка соединена с диафрагмой со спицами для обеспечения отвода тепла от камеры разложения на опорный цилиндр двигателя и далее на управляющий клапан. Камера разложения с соплом и удлинительной трубкой закрыты теплоизолирующим материалом (Патент Великобритании GB № 2095336, МПК F02K 9/42, 1981 г.).
Известному двигателю присущи следующие недостатки:
- капиллярная трубка через заглушку введена в камеру разложения через относительно короткую по сравнению с длинами камеры разложения и самой капиллярной трубкой удлинительную трубку. Так как удлинительная трубка расположена под теплоизолирующим материалом камеры разложения со стороны ее выходной торцевой поверхности - это приводит к относительно высоким температурам в месте паяного соединения выходной части капиллярной трубки в заглушке. Для парирования перегрева выходной части капиллярной трубки и исключения частичного или полного вскипания жидкого топлива в капиллярной трубке отвод существенного теплового потока с удлинительной трубки (в итоге - с камеры разложения) на опорный цилиндр двигателя осуществляется за счет диафрагмы со спицами, вероятно, с относительно низким тепловым сопротивлением. Таким образом температура в месте крепления капиллярной трубки в заглушке понижается с (600-900)°С до около 300°С, что ведет к неэффективному использованию тепла камеры, выделившегося от разложения топлива, и, соответственно, к ухудшению характеристик двигателя в целом;
- существенно возрастают риски обеспечения работоспособности двигателя при работе двигателя с относительно малыми расходами топлива (тягами) и, тем более, в импульсных режимах работы, из-за вероятного перегрева выходной части капиллярной трубку и последующего появления эффекта «теплового запирания» в работе двигателя.
Известен двигатель для космического аппарата, работающий на гидразине, принятый за прототип, включающий узел подачи топлива в камеру разложения, содержащий управляющий клапан, опорную трубку, герметично соединяющую клапан и камеру разложения, и капиллярную трубку, по которой осуществляется подача топлива в камеру разложения. Капиллярная трубка соосно размещена в опорной трубке, причем ее входной конец закреплен на выходе управляющего клапана, а выходной конец находится на уровне или во входной части камеры разложения (Патент Великобритании GB № 1470664, МПК F02K 9/02, 1973 г.).
Известному двигателю присущи следующие недостатки:
- выходная часть капиллярной трубки находится на уровне или даже во входной части камеры разложения, где допускается либо контакт между капиллярной трубкой, изготовленной из материала, стойкого к азотированию в среде гидразина или его продуктов разложения, и опорной трубкой или камерой разложения, либо в этой зоне могут быть расположены элементы дополнительной механической опоры капиллярной трубкой на опорную трубку, если материал капиллярной трубки менее стоек к процессу азотирования. В этих случаях на выходной конец капиллярной трубки воздействуют большие тепловые потоки в сторону управляющего клапана как со стороны камеры разложения, так и по опорной трубке. При работе двигателя, особенно в импульсных режимах, такая накачка тепла в паузах между включениями двигателя в выходную часть капиллярной трубки возрастет настолько, что после очередной подачи топлива оно частично или полностью вскипит, образуя паровую пробку из вскипевшего гидразина в капиллярной трубке. Следствием этого будет существенное возрастания перепада давления на капиллярной трубке, снижение расхода и, как следствие, существенное ухудшение характеристик двигателя или даже его отказ. Возникнет явление «теплового запирания» узла подачи топлива в работе двигателя;
- существенно возрастают риски обеспечения работоспособности двигателя при работе двигателя с относительно малыми расходами топлива (тягами) и, тем более, в импульсных режимах работы, из-за вероятного перегрева выходной части капиллярной трубки и последующего появления эффекта «теплового запирания» в работе двигателя.
При создании изобретения решалась задача исключения эффекта «теплового запирания» в узле подачи топлива при функционировании двигателя с относительно малым расходом топлива и особенно в импульсных режимах работы, и, как следствие, обеспечения стабильности импульсов тяги, а также исключения критических по амплитуде забросов давления при включении двигателя.
Поставленная задача решена за счет того, что в известном узле подачи топлива в камеру разложения однокомпонентного жидкостного ракетного двигателя малой тяги, содержащего управляющий клапан, опорную трубку, герметично соединяющую управляющий клапан и камеру разложения, и соосно размещенную внутри опорной трубки капиллярную трубку, согласно изобретению капиллярная трубка закреплена консольно на выходе из управляющего клапана, расстояние от выходной торцевой поверхности капиллярной трубки до торцевой поверхности камеры разложения составляет (0,7-0,8) от длины опорной трубки от выходной части управляющего клапана до торцевой поверхности камеры разложения, а между капиллярной и опорной трубками с зазором установлен ограничитель радиального смещения.
Также поставленная задача решена за счет того, ограничитель радиального смещения выполнен в виде цилиндрической спирали из металлической проволоки с высоким тепловым сопротивлением, концы которой закреплены на капиллярной трубке, причем отношение расстояния от крайнего витка спирали проволоки, закрепленного на выходе капиллярной трубки, до входа в катализатор камеры разложения к длине спирали составляет не более 1,8.
Консольное закрепление капиллярной трубки на выходе из управляющего клапана на определенном расстоянии от ее выходной торцевой поверхности до камеры разложения позволяет обеспечить «разрыв» струи топлива от камеры разложения и исключить, таким образом, закипание топлива в капиллярной трубке и, соответственно, исключить возможность появления «теплового запирания» узла подачи топлива, ведущее к нарушению работоспособности двигателя.
Установка с зазором между опорной и капиллярной трубками ограничителя радиального смещения в виде спирали из металлической проволоки позволяет обеспечить соосность капиллярной и опорной трубок при механических и тепловых воздействиях, а также в процессе функционирования двигателя и, соответственно, исключить попадание впрыскиваемой струи топлива на внутреннюю стенку опорной трубки и, тем самым, исключить критические по амплитуде забросы давления при включении двигателя. При этом, при установке ограничителя радиального смещения обеспечивается тепловой поток от опорной трубки на капиллярную трубку не выше допускаемого во всех режимах функционирования двигателя.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид узла подачи топлива в камеру разложения однокомпонентного жидкостного ракетного двигателя малой тяги; на фиг. 2 - крайний (худший) случай допускаемого несоосного положения капиллярной трубки с ограничителем радиального смещения.
1
Узел подачи топлива в камеру разложения однокомпонентного жидкостного ракетного двигателя малой тяги содержит управляющий клапан 1, опорную трубку 2, герметично соединяющую клапан 1 с камерой разложения 3 с размещенным внутри нее катализатором 4, капиллярную трубку 5 и ограничитель радиального смещения 6 капиллярной трубки 5. Капиллярная трубка 5 соосно размещена внутри опорной трубки 2 и консольно закреплена на выходе управляющего клапана 1 посредством втулки 7. Расстояние «l» от выходной торцевой поверхности капиллярной трубки 5 до камеры разложения 3 подбирается из условия обеспечения работоспособности двигателя с относительно малыми тягами в эксплуатационных условиях его применения и на всех возможных режимах работы двигателя и составляет (0,7-0,8) от длины «L» опорной трубки 2 от выходной части управляющего клапана 1 до торцевой поверхности камеры разложения 3. Ограничитель радиального смещения 6 установлен с зазором между капиллярной 5 и опорной 2 трубками, обеспечивая их достаточную соосность, и выполнен в виде цилиндрической спирали из металлической проволоки, концы которой закреплены на капиллярной трубке 5 посредством сварки. Материал проволоки должен обладать относительно высоким тепловым сопротивлением для снижения теплопередачи от опорной трубки 2 на капиллярную трубку 5. Соотношения между размерами элементов узла подачи топлива, обеспечивающие гарантированное попадание струи топлива на катализатор камеры разложения, т.е. без попадания на опорную трубку, определяются упрощенными выражениями:
где D - диаметр (внутренний) опорной трубки;
1
d - диаметр проволоки спирали;
2
d - диаметр (наружный) капиллярной трубки;
3
d - диаметр (внутренний) капиллярной трубки;
δ - минимально допускаемый зазор между спиралью и внутренним диаметром опорной трубки по обеспечению необходимой соосности капиллярной трубки внутри опорной трубки при допустимом тепловом потоке на капиллярную трубку со стороны опорной трубки;
2
l - длина спирали;
3
l - расстояние от крайнего витка спирали проволоки на выходе капиллярной трубки до входа в катализатор камеры разложения.
Работа узла подачи топлива в двигатель осуществляется следующим образом. При необходимости, камера разложения 3 предварительно разогревается электронагревателем (на чертеже не показан), установленным на ее корпусе, до температуры надежного запуска двигателя. В момент запуска, при открытии управляющего клапана 1 жидкое топливо поступает в капиллярную трубку 5. На выходе из капиллярной трубки 5 поток топлива формируется в струю, которая пролетает внутри опорной трубки 2, не касаясь ее, и попадает непосредственно на входную поверхность катализатора 4 в камере разложения 3. При контакте впрыскиваемой струи топлива с катализатором 4 топливо начинает разлагаться с выделением большого количества теплоты в камере разложения 3. После выключения двигателя (при закрытии управляющего клапана 1) большая часть тепла от камеры разложения 3 кондуктивно поступает по опорной трубке 2 в сторону управляющего клапана 1. В случае отклонения капиллярной трубки 5 от оси в пределах допускаемого определенного диаметрального зазора между спиралью ограничителя 6 и внутренней стенкой опорной трубки 2 (см. фиг. 2) крайние витки спирали могут касаться внутренней стенки опорной трубки 2, при этом выходящая из капиллярной трубки 5 струя топлива гарантированно попадает на катализатор 4 в камере разложения 3. При радиальном смещении по какой-либо причине консольно закрепленной капиллярной трубки 5 с закрепленной на ней спиралью, выполненной с относительно большим шагом, касание витков спирали с внутренней поверхностью опорной трубки 2 будет либо в одной, либо максимум в двух точках крайних витков спирали. Причем это касание внутренней поверхности опорной трубки с витком спирали меньшего диаметра будет иметь минимально возможную площадь, практически на уровне точечного контакта. Тем самым, введение ограничителя радиального смещения в виде спирали, практически не увеличивает тепловой поток на капиллярную трубку 5 со стороны опорной трубки 2.
Экспериментальная отработка однокомпонентного жидкостного ракетного двигателя малой тяги с заявляемым узлом подачи топлива в камеру разложения показала высокую работоспособность с обеспечением стабильности импульсов тяги в импульсных режимах функционирования, в том числе при относительно малых тягах и без критических по амплитуде забросов давления при включениях двигателя.