БЛОК РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МАЛОЙ ТЯГИ
LOW-THRUST ROCKET ENGINES UNIT

Изобретение относится к ракетным двигателям малой тяги, предназначенным для управления положением космических летательных аппаратов.
Известен блок ракетных двигателей двигательного отсека космического корабля «Аполлон» (см., например, file:///G:/lunnaya-programma-ssha-apollon-istoriya.html). Блок состоит из четырех двигателей, установленных на общий кронштейн, лежащих в одной плоскости и установленных под прямым углом друг к другу. Каждый двигатель имеет собственную смесительную головку и клапаны подачи топлива. В состав блока входят трубопроводы и арматура для подачи топлива на вход клапанов двигателей.
Недостатком конструкции блока двигателей являются большие габариты и наличие индивидуальных внешних магистралей подачи топлива к двигателям.
Известен блок двигателей для управления положением микроспутников в двигательной установке, работающей на компонентах топлива "перекись водорода, перекись водорода + керосин" (Progress Toward Hydrogen Peroxide Micropropulsion, John C. Whitehead, Michael D. Dittman, Arno G. Ledebuhr, Lawrence Livermore National Laboratory; 13th AIAA/USU Conference on Small Satellites, SSC99-XII-5). В известном решении двигатели расположены в плоскости, перпендикулярной оси двигательной установки, под углом 90° относительно друг друга. Двигатели предназначены для проведения операций по коррекции орбиты микроспутника и маневров при сближении с другими космическими аппаратами. Каждый из этих двигателей состоит из клапанов подачи компонентов топлива в двигатель, смесительной головки, камеры сгорания, сопла и кронштейна крепления к двигательной установке (к центральной мостовой конструкции). Этот блок отклоняющих двигателей является прототипом.
Недостатки этого решения те же, что и в аналоге, т.е. большие габариты и наличие индивидуальных внешних магистралей подачи топлива (сложные объемные конструкции системы подачи компонентов топлива, включая трубопроводы и электромагнитные клапаны).
Основная задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в уменьшении габаритов и массы блока двигателей и дополнительно - в упрощении сборки блока.
В предлагаемом техническом решении блок ракетных двигателей включает в себя смесительную головку, камеры сгорания с соплами (не менее двух), клапаны подачи компонентов топлива с запорными органами в виде седла с тарелью и силовым, например электромагнитным, приводом, смесительные элементы (форсунки) с входными каналами. Согласно изобретению в смесительной головке выполнены коллекторы подачи компонентов топлива в виде тупиковых углублений, при этом каждый из коллекторов подачи компонентов топлива соединен, с одной стороны, с системой хранения топлива, например, с топливными баками, а с другой стороны соединен системой каналов (отверстий) с соответствующей камерой сгорания через соответствующие клапаны подачи топлива и смесительные элементы (форсунки), причем запорные органы и система каналов выполнены непосредственно в смесительной головке.
Запорные органы клапанов подачи компонентов топлива могут быть выполнены в цилиндрических углублениях смесительной головки, а их входные каналы соединены с соответствующим коллектором подачи компонентов топлива, а выходные каналы соединены с входными каналами смесительных элементов, при этом седла запорных органов выполнены соосно цилиндрическим углублениям в их донной части, а тарели запорных органов установлены подвижно, с одной стороны, в цилиндрических углублениях смесительной головки, а с другой стороны в силовых приводах клапанов подачи топлива.
Камеры сгорания, силовые приводы клапанов подачи топлива и форсуночные элементы герметично соединены со смесительной головкой через разъемные либо неразъемные соединения.
В смесительной головке могут быть выполнены дополнительные каналы, соединяющие коллекторы подачи компонентов топлива через герметичные разъемные либо неразъемные соединения и трубопроводы с другими потребителями топлива, например двигателями системы стабилизации.
Предлагаемый блок ракетных двигателей приведен на фиг. 1, 2 и 3. На фиг. 1 приведен общий вид блока. На фиг. 2 - клапанный узел, а на фиг. 3 показаны коллекторы подачи компонентов топлива и форсунки.
Блок ракетных двигателей состоит из смесительной головки 1 камер сгорания 2 с соплами, клапанов подачи топлива 3 со штоком 4 (фиг. 2), седлом 5, тарелью 6 и силовым приводом 7 (на фиг. 2 для примера приведен электромагнитный привод), форсуночных элементов (форсунок) 8 (фиг. 3) с каналами 9, имеющими выход в камеру сгорания 2. В смесительной головке в виде тупиковых углублений выполнены коллекторы 11 подачи компонентов топлива. Количество коллекторов соответствует количеству компонентов топлива. Коллекторы соединены с одной стороны с системой хранения топлива, например топливными баками (на рисунке не показаны), а с другой стороны соединены системой каналов (отверстий) 13, 15 с соответствующей камерой сгорания через соответствующие клапаны подачи топлива и форсунки. При этом система каналов выполнена в смесительной головке. Запорные органы клапанов подачи топлива расположены в цилиндрических углублениях 14 (фиг. 2) смесительной головки. При этом входной канал 13 соединен с соответствующим коллектором, а выходные каналы 15 соединены с входными каналами 16 (фиг. 3) форсунок соответствующей камеры сгорания. Седла запорных органов выполнены соосно цилиндрическим углублениям в их донной части 17, а тарели запорных органов установлены подвижно с одной стороны в цилиндрических углублениях смесительной головки, а с другой стороны, через шток, связаны с силовыми приводами 7 клапанов подачи топлива.
Камеры сгорания, силовые приводы клапанов подачи топлива и форсунки герметично соединены со смесительной головкой через разъемные 18 либо неразъемные 19 соединения. В смесительной головке могут быть выполнены дополнительные каналы 20, соединяющие коллекторы через герметичные разъемные либо неразъемные соединения и трубопроводы (не показаны) с другими потребителями топлива, например двигателями стабилизации (не показаны).
Блок ракетных двигателей работает следующим образом. По команде от системы управления на включение конкретного двигателя подается напряжение на электромагнитные приводы 7 клапанов подачи топлива 3, тарель 6 открывает седло 5 и сообщает каналы 13 и 15 между собой. Компоненты топлива из системы хранения поступают в коллекторы 11 и систему каналов 12, 13, 15, 16, 9 в смесительной головке 1, далее через смесительные элементы (форсунки) 8 поступают в соответствующую камеру сгорания 2, где происходит их перемешивание и преобразование в процессе горения в высокотемпературный газ. Продукты сгорания, истекая через сопло, создают тягу двигателя. Двигатель выключается снятием напряжения с контактов электромагнитных приводов 7 клапанов подачи топлива 3, тарель 6 перекрывает седло 5, при этом каналы 13 и 15 разъединяются, тем самым перекрывая доступ компонентов в камеру сгорания 2. Продолжительность работы двигателя и пауз между его включениями регулируется системой управления.
Основными преимуществами предлагаемого изобретения являются:
- объединение смесительных головок в одну, это качество снижает массу всего блока ~ на 20%, кроме того, это решение в значительной степени снижает трудоемкость изготовления блока двигателей в целом;
- размещение коллекторов соединительных каналов, запорных органов и форсунок двигателей в смесительной головке исключает систему трубопроводной арматуры двигателей, что позволяет снизит трудоемкость, и повысит технологичность, надежность и живучесть конструкции в целом;
- закрепление камер сгорания, силовых приводов клапанов подачи топлива и форсунок на смесительной головке через герметичные соединения также снижает трудоемкость и позволяет производить переборку двигателя и устранение неисправностей в процессе изготовления и наземной эксплуатации блока ракетных двигателей;
- возможность использования каналов в смесительной головке в качестве части топливной магистрали для внешних потребителей, например двигателей стабилизации и ориентации.