ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ БЕЗ ДОЖИГАНИЯ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА

Жидкостный ракетный двигатель без дожигания генераторного газа
Область техники
Полезная модель относится к ракетной технике, в частности к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД) без дожигания генераторного газа, в которых камера сгорания работает по схеме «газ-жидкость».
Предшествующий уровень техники
Современные ЖРД с дожиганием генераторного газа практически исчерпали путь к дальнейшему совершенствованию. Предельно высокие давления (до 30 МПа) и температуры (порядка 3000°K) в камере сгорания (главные пути повышения удельного импульса), как следствие - сложнейшие конструкции агрегатов и средств автоматики (газогенераторы и т.д.), все это ведет к удорожанию разработки, испытаний и доводки ЖРД и, естественно увеличению стоимости.
Одна из концепций усовершенствования ракетных двигателей нового поколения - переход на схему без дожигания генераторного газа (открытой схемы) и восстановительный газогенератор. Эта схема менее энергонапряжена, проста и обладает рядом преимуществ: относительно низкое давление в камере сгорания, менее сложные агрегаты автоматики, более упрощенная отработка и эксплуатация. Недостатки этой схемы частично компенсируется вводом отработанного генераторного газа в сопло, там он дорасширяется, создавая дополнительную тягу.
Известен ЖРД без дожигания генераторного газа (ЖРД Мерлин 1, Мерлин 2, Коммерческой фирмы «Space Exploration Corporation", USA I) включающий в себя камеру, турбонасосную систему подачи компонентов топлива (жидкий кислород и керосин RP-1). На валу ТНА расположена турбина, насос горючего и насос окислителя. Привод турбины ТНА осуществляется восстановительным генераторным газом, вырабатываемым в двухкомпонентном газогенераторе путем сжигания в нем части компонентов топлива с избытком горючего. Генераторный газ проходит сначала через турбину ТНА, а затем поступает в теплообменник для подогрева гелия, поступающего из специального баллона, и идущего на наддува кислородного бака ракеты, а затем вводится в коллектор ввода в охлаждающий тракт камеры. Далее генераторный газ из тракта выбрасывается в атмосферу. Такое техническое решение является одним из отличительных признаков указанного двигателя.
Другим отличительным признаком является применение в смесительной головке камеры штыревой форсунки - новый способ смесеобразования.
Регулирование двигателя по тяге осуществляется регулятором тяги, установленным на магистрали подачи окислителя в газогенератор, а регулирование по соотношению компонентов - дросселем, установленный на магистрали горючего. Аналог предлагаемого изобретения.
Все эти конструктивные изменения дают на выходе для этих двигателей удельный импульс (282 с, 311 с. ) при тяге (67 тс, 74 тс) и давлений в камере сгорания 96,63 тс.
Известен кислородно-керосиновый ЖРД без дожигания генераторного газа, содержащий камеру двигателя, включающую в себя камеру сгорания, смесительную головку и сопло, турбонасосный агрегат, состоящий из турбины, насосов окислителя и горючего, восстановительный двухкомпонентный газогенератор (ЖГГ), газификатор, установленный между выходом из насоса окислителя и входом в смесительную головку камеры сгорания, включающий в себя две камеры смешения, при этом в первой камере происходит выработка высокотемпературного газа при сжигании керосина в жидком кислороде при стехиометрическом соотношении (α~~1), а во второй камере - газификация большей части жидкого кислорода за счет прямого контакта высокотемпературного газа с жидким кислородом. Кроме того, двигатель содержит системы регулирования, запуска и останова (см. патент RU №2459970, МКИ F02K 9/48, 2012 г.). Прототип предлагаемой модели.
Недостатки прототипа:
- применение восстановительного ЖГГ приводит к низкой полноте сгорания и отложениям углерода в соплах турбины и других местах тракта турбинного газа, снижающим ее КПД;
- применение химического зажигания для воспламенения кислородно-керосинового топлива - несамовоспламеняющихся компонентов топлива, приводит к усложнению двигателя;
- имеется резерв повышения энергетических характеристик двигателя за счет использования более эффективного горючего, чем керосин.
Раскрытие полезной модели
Задачей предлагаемой полезной модели является создание двигателя с более высокими энергетическими характеристиками, упрощенной системой зажигания компонентов в газогенераторе и камере двигателя.
Эта задача решена за счет того, что в жидкостном ракетном двигателе с дожиганием генераторного газа, содержащем камеру двигателя, турбонасосную систему подачи компонентов топлива, восстановительный двухкомпонентный газогенератор (ЖГГ), газификатор, бустерные насосные агрегаты, установленные на входе основных насосов горючего и окислителя, систему запуска двигателя, предназначенную для обеспечения воспламенения компонентов в газогенераторе, камере и газификаторе, и систему регулирования двигателя, отличающийся тем, что в схеме двигателя применены два турбонасосных агрегата: турбонасосный агрегат горючего и турбонасосный агрегат окислителя, причем в турбонасосном агрегате горючего установлен дополнительный насос второго горючего, предназначенного для питания ЖГГ, система запуска газификатора включает в себя ампулу с пусковым горючим, выход из которой соединен с камерой смешения газификатора, которая также соединена с выходом насоса жидкого кислорода, а также включает два лазерных устройства (ЛЗУ), установленных в камере сгорания двигателя и в ЖГГ, кроме того, в систему запуска входят две пиромембраны, установленные на входных магистралях двигателя горючего и окислителя, и пироклапан, установленный во входной магистрали дополнительного насоса второго горючего, при этом на основных магистралях двигателя установлены нормально-открытые пироклапаны, а в системе регулирования ЖГГ установлены регулятор тяги и регулятор соотношения компонентов, которые управляются одним электроприводом.
Технический результат состоит в достижении более высоких энергетических характеристик двигателя, в упрощении его системы запуска и зажигания.
Описание полезной модели
На фиг. представлена пневмогидравлическая схема жидкостного ракетного двигателя.
Как видно на фиг. ЖРД содержит камеру 1, включающую в себя камеру сгорания 2, смесительную головку 3 и сопло 4, два турбонасосных агрегата (ТНА): ТНА подачи горючего 5 и ТНА подачи окислителя 6, восстановительный двухкомпонентный газогенератор (ЖГГ) 7 и газификатор 8.
ТНА подачи горючего состоит из турбины 9 и двух насосов горючего - насоса основного горючего 10 и дополнительного насоса второго горючего 11.
ТНА подвода окислителя состоит из турбины 12 и насоса окислителя 13, на входе которого установлен бустерный турбонасосный агрегат (БТНА) 14.
На входе насоса горючего 10 установлен бустерный турбонасосный агрегат (БТНА) 15, турбина 16 которого питается основным горючим с выхода основного насоса горючего 10 через трубопровод 17.
На входе насоса окислителя 13 установлен бустерный турбонасосный агрегат (БТНА) 14, турбина 18 которого питается с выхода насоса окислителя 13 через трубопровод 19.
Питание ЖГГ по линии горючего осуществляется из дополнительного насоса 11 через трубопровод 20, в котором установлены регулятор соотношения компонентов 21 и нормально-открытый пироклапан 22. Выход из этого клапана соединен с полостью горючего 23 смесительной головки ЖГГ. Питание ЖГГ по линии окислителя осуществляется из насоса 13 через трубопровод 24 в котором установлены регулятор тяги 25, нормально-открытый пироклапан 26. Выход из этого клапана соединен с полостью окислителя 27 смесительной головки ЖГГ.
Регулятор тяги 25 предназначен для изменения расхода окислителя в тракте питания ЖГГ на запуске, останове, а также для поддержания требуемого значения величины расхода окислителя на установившихся режимах работы двигателя.
Регулятор соотношения компонентов 21, поддерживая заданное давление подачи горючего на входе в ЖГГ, или изменяет его в зависимости от давления окислителя, или регулирует расход горючего, и тем самым поддерживает соотношение компонентов в ЖГГ на заданном уровне. Регулятор тяги 25 и регулятор соотношения компонентов 21 управляются одним электроприводом 28.
Газификатор 8 предназначен для перевода работы камеры двигателя с жидкого окислителя на газообразный окислитель. Газификатор 8 установлен на линии питания камеры двигателя 1 окислителем между выходом из насоса 13 и полостью окислителя 29 смесительной головки 3 камеры сгорания 2.
Газификатор включает в себя две камеры смешения 30 и 31. Питание камеры смешения 30 горючим осуществляется из насоса 10 через трубопровод 32, ампулу с пусковым горючим 33 и нормально-открытый пироклапан 34. По линии жидкого кислорода питание газификатора осуществляется из насоса 13 через нормально-открытый пироклапан 35. В камеру смешения 31 подается высокотемпературный газ, полученный в первой камере смешения 30 и жидкий кислород из полости окислителя 36 газификатора 8. Питание камеры двигателя по линии горючего осуществляется из насоса 10 через трубопровод 37, в котором последовательно установлены дроссель соотношения компонентов 38, управляемый электроприводом 39 и нормально-открытый пироклапан 40. Выход из этого клапана соединен с коллектором 41 подвода горючего в охлаждающий тракт 42, который далее соединен с полостью горючего 43 смесительной головки 3 камеры 1.
Дроссель 38 обеспечивает изменение гидравлического сопротивления охлаждающего тракта горючего для регулирования в заданных пределах соотношения компонентов в камере двигателя.
Выход из ЖГГ соединен газоводом А с турбиной 9, а выход из этой турбины соединен с турбиной 12 через газовод Б.
Двигатель также содержит систему запуска, которая включает в себя пиромембраны 44 и 45, установленные на входных магистралях подачи основного горючего и окислителя, и пироклапан 46, установленный на входе дополнительного насоса горючего 11. В систему запуска входит также устройства для воспламенения компонентов в газификаторе -ампула с пусковым горючим 33, и лазерные зажигательные устройства (ЛЗУ) для воспламенения компонентов в ЖГГ и камере двигателя.
В систему останова двигателя входят нормально-открытые пироклапаны, установленные на магистралях подвода компонентов к основным агрегатам двигателя.
Работа двигателя
Запуск двигателя осуществляется по схеме «самопуска». После разрушения пиромембран 44 и 44 и открытия пироклапана 46 компоненты топлива из баков под воздействием гидростатического напора и давления наддува начинают заполнять полости насосов 10, 11 и 13 и магистрали, через которые компоненты поступают в ЖГГ 7, камеру двигателя 1 и газификатор 8.
Второе горючее из насоса 11 поступает в полость горючего 23 смесительной головки ЖГГ через регулятор соотношения компонентов 21 и нормально-открытый пироклапан 22. Жидкий кислород из насоса 13 поступает в полость окислителя 27 смесительной головки ЖГГ через регулятор тяги 25 и нормально-открытый пироклапан 26. В ЖГГ компоненты воспламеняются с помощью лазерных устройств (ЛЗУ), начинается процесс горения, и генераторный газ с выхода ЖГГ по газоводу А последовательно проходит сначала через турбину 9 ТНА горючего, а затем по газоводу Б через турбину 12 ТНА окислителя, и выбрасывается в окружающую среду. В результате начинается рост напоров насосов 10, 11 и 13, что ведет к дальнейшему повышению давления в ЖГГ, росту частоты вращения роторов двух ТНА 5 и 6 и напоров насосов 10, 11 и 13. Затем часть горючего с выхода насоса 10 через трубопровод 17 направляется на привод турбины 16 БТНА 15, и часть окислителя с выхода насоса 13 через трубопровод 19 направляется на привод турбины 18 БТНА 14. После срабатывания на турбинах 16 и 18 БТНА 14 и 15 окислитель поступает на вход насоса 13, а горючее на вход насоса 10.
Основное горючее из насоса 10 поступает в полость горючего 43 смесительной головки 3 камеры двигателя 1 через дроссель соотношения компонентов 38, нормально-открытый пироклапан 40, коллектор 41 и охлаждающий тракт 42. Жидкий кислород из насоса 13 поступает в полость окислителя 36 газификатора 8 через нормально-открытый пироклапан 35, а из него подается в камеры смешения 30 и 31. В камеру смешения 30 также подается горючее с выхода насоса 10, где компоненты воспламеняются с пусковым горючим, вытесняемое основным горючим и образовавшийся газ высокой температуры поступает в камеру смешения 31, в которой происходит газификация жидкого кислорода Затем газообразный кислород поступает в полость окислителя 29 смесительной головки 3. В камере сгорания 2 происходит воспламенение компонентов с помощью лазерных устройств, начинается подъем давления и двигатель выходит на режим предварительной тяги.
Перевод двигателя с одного режима работы на другой осуществляется путем подачи от системы управления серии команд на электропривод 39 дросселя соотношения компонентов 38 и привод 28 регулятора тяги 25 и регулятора соотношения компонентов 21 в ЖГГ. В результате чего увеличиваются проходные сечения регулятора тяги 25 и регулятора соотношения компонентов 21, и уменьшается гидравлическое сопротивление дросселя 38, и двигатель выходит на номинальный режим работы.
Останов двигателя осуществляется путем подачи команд на пирозапалы всех нормально-открытых пирокл аланов. После их срабатывания происходит перекрытие всех магистралей двигателя, подводящих топливо в ЖГГ, камеру и газификатор.
3
2ж
В двигателе основным горючим является керосин, вторым горючим - жидкий аммиак (NH), в качестве окислителя - жидкий кислород О.
Применение двух раздельных ТНА обеспечивает оптимальные условия работы ТНА окислителя и горючего.
3
3
2ж
2ж
Применение жидкого аммиака (NH) для питания ЖГГ позволяет увеличить энергетические характеристики турбонасосной системы и двигателя в целом, а также повысить надежность работы двигателя. Значение величины (RT)гг для двухкомпонентного топлива (NH+О) больше, чем у двухкомпонентного топлива (RГ+О), где R - газовая постоянная, а Т - температура восстановительного генераторного газа.
Использование пиромембран, пироклапана и нормально-открытых пироклапанов, а также лазерного зажигания компонентов в двигателе позволяет упростить систему запуска и останова двигателя.
Промышленное применение
Предлагаемая полезная модель найдет применение в ракетной технике, в частности в ЖРД без дожигания генераторного газа.