ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ЖИДКОСТНОЙ РАКЕТЫ
LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к созданию ракет-носителей (РН) и разгонных ракетных блоков (РБ) с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД). Известно, что основными составляющими жидкостной ракеты или разгонного блока являются топливные баки (окислителя и горючего), ЖРД, силовые элементы и система управления. Исходя из задачи минимизации массы топливных баков, при использовании насосной системы подачи топлива, давление в них назначают минимальным - обычно на уровне 0,15-0,35 МПа. Такого уровня давления недостаточно для бескавитационной работы высокооборотных лопастных насосов ЖРД, что заставляет разработчиков двигателей применять специальные низкооборотные дополнительные насосы, устанавливаемые между баком и основным насосом двигателя. Напор, создаваемый таким предвключенным насосом, составляет небольшую величину, необходимую лишь для обеспечения нормальной (бескавитационной) работы основного насоса (обычно 0,3-1,5 МПа). Конструктивное исполнение такого преднасоса может быть разным, вплоть до снабжения его индивидуальным турбоприводом и оформления его совместно с турбиной (газовой или гидравлической) в автономный конструктивно обособленный агрегат, называемый бустерным турбонасосным агрегатом (БТНА). БТНА может размещаться непосредственно на раме двигателя, а может размещаться на любом участке топливного трубопровода от бака до двигателя. По такой схеме работает множество ЖРД, например американский двигатель «Эроджет» тягой 182 т (Иностранные авиационные и ракетные двигатели, 1971 г, ЦИАМ, стр.473). Такое же техническое решение заложено в конструкцию двигателя SSME (см. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1989, с.225).
Предельным случаем является размещение БТНА непосредственно на выходной горловине бака. В этом случае максимально реализуются следующие преимущества:
- уменьшается в 1,5-2 раза диаметр топливного трубопровода на всем участке от бака до двигателя. Это дает возможность снизить массу топливной системы и облегчить прокладку трубопровода по борту ракеты и в двигательном отсеке;
- появляется дополнительная возможность снижения давления в топливном баке на величину гидравлического сопротивления топливного трубопровода;
- для криогенного компонента топлива облегчается процесс захолаживания конструкции двигателя (конструктивные элементы БТНА захолаживаются автоматически при заправке бака компонентом топлива).
- улучшается динамика топливного трубопровода за счет воздействия на нее большого перепада давления между входом и выходом, что важно для этапа запуска двигателя и других переходных процессов.
Питание турбины БТНА традиционно осуществляется от систем двигателя либо генераторным газом, отбираемым от систем двигателя (в случае использования газовой турбины в БТНА), либо высоконапорным жидким компонентом топлива, отбираемым из занасосной магистрали двигателя (в случае использования гидравлической турбины в БТНА). Отвод рабочего тела после турбины осуществляется, как правило, в окружающую среду через сопла (если рабочее тело - газ), либо в магистраль с низким давлением (в основном, когда рабочим телом является жидкость). Примером известной реализации двигательной установки, принятой за прототип, является двигательная установка разгонного блока "ДМ" с двигателем 11Д58М, в которой БТНА горючего и окислителя размещены непосредственно в днищах одноименных баков, а газовые турбины этих БТНА последовательно питаются высокотемпературным газом высокого давления, отобранным после газогенератора (перед турбиной основного ТНА) двигателя. Выброс отработанного газа на турбинах БТНА в этом блоке осуществляется в окружающую среду через сопла крена (см. С.П.Уманский. Ракеты-носители, космодромы. М.: Рестарт+, 2001, с.46, 88).
Недостатками примененного в прототипе конструкторского решения являются:
- наличие протяженных коммуникаций подвода рабочего тела турбины от двигателя к БТНА, которые увеличивают массу двигательной установки;
- конструктивный отрыв БТНА от двигателя затрудняет экспериментальную отработку системы "БТНА-двигатель" из-за необходимости имитации стендовыми средствами объектовых условий размещения БТНА при обеспечении газодинамической связи газогенератора двигателя и турбины БТНА;
- полная невозможность совместной экспериментальной отработки БТНА и отдельного двигателя в случае использования в составе двигательной установки нескольких автономных двигателей;
- затруднена реализация синхронного запуска БТНА и двигателя из-за большой протяженности трубопровода подвода рабочего тела к турбине от двигателя;
- газ после турбины БТНА, выбрасываемый в окружающую среду, используется в полезных целях лишь частично (только лишь на создание тягового усилия в соплах крена), в то время как его энергетический запас может быть достаточным и для наддува топливного бака.
Целью предлагаемого изобретения является разработка такой конструкции ракетного блока, которая была бы лишена упомянутых недостатков и имела бы преимущества за счет:
- исключения протяженного трубопровода подвода рабочего тела к турбине БТНА от двигателя;
- обеспечения возможности независимой автономной отработки как БТНА, так и двигателя;
- сведения на нет значимости вопроса обеспечения синхронного запуска БТНА и двигателя, поскольку запуск БТНА может осуществляться с опережением запуска двигателя;
- обеспечения использования газа, отработанного в турбине БТНА, для наддува топливного бака;
Указанная цель достигается тем, что двигательная установка жидкостной ракеты включает топливный бак, жидкостный ракетный двигатель, бустерный турбонасосный агрегат с турбиной, баллон со сжатым газом, трубопроводы с запорной и управляющей арматурой, при этом установка снабжена (как минимум, по одному конструктивному элементу) дополнительной емкостью высокого давления для компонента топлива, газогенератором для выработки рабочего тела турбины БТНА путем сжигания в нем компонентов топлива, причем газовая «подушка» дополнительной емкости высокого давления соединена трубопроводом с баллоном сжатого газа, жидкостная часть этой емкости соединена с форсунками газогенератора, выход газогенератора соединен со входом в турбину БТНА, а выхлопной патрубок турбины соединен с газовой «подушкой» топливного бака и/или с окружающей средой.
Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется схемой, приведенной на фиг.1, где:
1 - бак окислителя;
2 - бак горючего;
3 - жидкостный ракетный двигатель;
4 - турбины БТНА;
5 - дополнительная емкость окислителя высокого давления;
6 - дополнительная емкость горючего высокого давления;
7 - баллоны со сжатым газом;
8, 9 - топливные трубопроводы;
10 - газогенератор, работающий с избытком окислителя;
11 - газогенератор, работающий с избытком горючего;
12 - трубопроводы наддува топливных баков;
13 - выбросы отработанных на турбинах газов в окружающую среду;
14 - клапаны подачи газа высокого давления для наддува емкостей 5, 6;
15 - клапаны подачи компонентов топлива в газогенераторы 10 и 11;
16 - насосы БТНА;
17 - клапаны пусковые.
Предлагаемая двигательная установка работает следующим образом. Перед пуском РН топливные баки окислителя и горючего 1 и 2 и дополнительные емкости 5 и 6 заправляются компонентами топлива до клапанов 15 и 17, которые в исходном состоянии закрыты. Насосы 16 БТНА при этом заполняются компонентами топлива. Баллоны 7 заполняются сжатым газом (как правило, гелием или азотом) до клапанов 14. Клапаны 14 закрыты. По команде "запуск" клапаны 14 открываются, и создается давление в дополнительных емкостях 5 и 6. Затем открываются клапаны 15, чем обеспечивается поступление компонентов топлива в газогенераторы 10 и 11, в которых начинается процесс горения, и происходит их запуск. Одновременно с запуском газогенераторов происходит раскрутка БТНА и наддув топливных баков выхлопными газами турбины. В процессе или после выхода на рабочий режим БТНА открываются пусковые клапаны 17, и компоненты топлива поступают в двигатель под давлением, создаваемым работающим БТНА.
Выключение двигательной установки осуществляется выключением двигателя и закрытием клапанов 15 и 14.
Предполагаемое изобретение за счет установки дополнительных емкостей высокого давления и газогенераторов для выработки рабочих тел турбин БТНА непосредственно в районе размещения последних позволяет реализовать компоновочную схему двигательной установки с уменьшенными диаметрами топливных трубопроводов с минимальной протяженностью трубопроводов подвода рабочего тела к турбинам БТНА, свести на нет проблему синхронизации запуска БТНА и двигателя (благодаря возможности независимого опережающего запуска газогенератора и БТНА), проводить экспериментальную отработку БТНА на автономном стенде независимо от отработки двигателя.