МНОГОКАМЕРНЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
MULTI-CHAMBER LIQUID ROCKET ENGINE

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в конструкциях многокамерных жидкостных ракетных двигателей, использующих в качестве охладителей камер жидкие криогенные компоненты топлива.
Многокамерные ЖРД нашли достаточно широкое применение в ракетной технике. К ним, например, относятся четырехкамерные ЖРД первой и второй ступеней РН «Союз ФГ», четырехкамерный ЖРД первой ступени РН «Энергия»; наиболее современный из них четырехкамерный ЖРД третьей ступени РН «Союз 2Б» принят за прототип изобретения. В качестве охладителя камер в этом двигателе используется горючее на основе керосин-нафтил. Преимущество четырехкамерных двигателей, выполненных по конструктивной схеме прототипа, особенно ощутимо проявляется на тех ступенях РН, где ЖРД комплектуются высотными соплами, имеющими для достижения высокого удельного импульса большие геометрические размеры, что в случае применения однокамерных двигателей приводит к увеличению строительной высоты ступени РН и, следовательно, ее массы, по сравнению со РН, на основе четырехкамерного ЖРД по прототипу. Кроме того, существенно упрощается конструкция ЖРД в части узлов, связанных со стабилизацией РН по тангажу, рысканью и крену, которая в случае четырехкамерного двигателя обеспечивается угловым отклонением каждой камеры в одной плоскости, тогда как в случае однокамерного двигателя при угловых отклонениях камеры в двух плоскостях обеспечивается стабилизация лишь по тангажу и рысканию; для стабилизации по крену необходимо использование дополнительных двигателей. В итоге массовые характеристики двигателей примерно равны: увеличение массы за счет большего числа камер многокамерного двигателя эквивалентно увеличению массы однокамерного двигателя за счет узла качания камеры в двухстепенном шарнирном подвесе с развязками гибкими трубопроводами в двух плоскостях качания камеры, большей массы сопла, из-за его размеров и конструктивных решений в обеспечение достаточной жесткости сопла, необходимой при высокой частоте его угловых отклонений (до 15 Гц) в процессе стабилизации.
Несмотря на указанные достоинства применению многокамерных ЖРД, использующих топлива на основе двух криогенных компонентах, таких, как жидкий кислород + жидкий метан и т.д., один из которых используется в качестве охладителя камер двигателя, препятствует фактор нестабильности течения криогенного охладителя, связанный с изменением его агрегатного состояния из-за теплоподвода в трактах охлаждения камер, и обусловленный наличием положительной обратной связи во взаимовлияниях гидродинамики процессов течения с изменением фазового состояния охладителя в трактах охлаждения камер при подаче в них охладителя из одного источника (насоса ТНА).
Физическая картина развития неустойчивости выглядит следующим образом. В отличие от охлаждения камер двигателя-прототипа, где фактор нестабильности присутствует лишь в незначительном виде, так как охладитель - жидкое горючее - нафтил присутствует в тракте охлаждения только в жидкой фазе с незначительным, не более чем на 12%, постепенным уменьшением его плотности за счет подогрева, в трактах охлаждения камер криогенным компонентом имеет место фазовый переход из жидкости в пар, когда плотность изменяется в несколько раз, на коротком отрезке тракта охлаждения, часть его охлаждается жидким охладителем, а оставшаяся часть, после газификации - паром. При этом потери давления при течении как жидкой, так и паровой фаз охладителя определяются формулой Бернулли:
где ξ - коэффициент сопротивления тракта;
G - расход охладителя;
Т - средняя температура на участке тракта;
ΔР - потери давления на участке тракта;
ρ - средняя плотность на участке тракта;
F - площадь проходного сечения тракта.
Из формулы Бернулли следует, что потери давления на участках тракта, охлаждаемых жидкой фазой охладителя с высокой плотностью существенно меньше потерь на аналогичных участках, охлаждаемых паровой фазой охладителя, со значительно меньшей плотностью; поэтому при случайном смещении зоны изменения фазы охладителя в тракте охлаждения одной из камер, например, в сторону увеличения охлаждаемого жидкостью участка тракта (с соответственным уменьшением участка, охлаждаемого паром) потери давления на всем тракте охлаждения этой камеры (т.е. его гидросопротивление) уменьшаются, вследствие чего расход охладителя увеличивается.
При этом зона изменения фазового состояния охладителя еще более сместится по потоку охладителя в тракте охлаждения с увеличением части тракта, охлаждаемой жидкостью, и уменьшением остальной части, охлаждаемой паром, гидросопротивление тракта будет и далее уменьшаться, что приведет к дальнейшему увеличению расхода охладителя через тракт этой камеры вплоть до стабилизации его при достижении равенства величины уменьшения перепада давлений на тракте из-за смещения зоны фазового перехода и величины возрастания перепада давления за счет роста расхода, после чего реализация положительной обратной связи в гидродинамике течения двухфазной жидкости в тракте при наличии теплоподвода в нее прекращается. При заданном системой регулирования многокамерного двигателя постоянном расходе через двигатель компонента топлива - охладителя камер с увеличением через тракт охлаждения одной из камер должны уменьшаться его расходы через тракты охлаждения остальных камер, что под воздействием положительной обратной связи приведет к увеличению гидросопротивлений трактов охлаждения этих камер с уменьшением расходов охладителя через них до момента стабилизации.
Таким образом, в многокамерном двигателе, камеры которого охлаждаются криогенным компонентом топлива, с изменением его фазового состояния в тракте, возможно самопроизвольное перераспределение расходов компонента топлива - охладителя между камерами с сопутствующим изменением соотношений расходов компонентов топлива и тяг камер, что может привести к нарушениям работоспособности камер, а также к появлению нарушающих работу системы стабилизации объекта в плоскостях тангажа и рыскания возмущающих моментов вследствие возникновения разнотяговости камер. Для компенсации этих возмущений необходимо увеличение эффективности исполнительных органов системы стабилизации и, следовательно, их массы.
Изобретение направлено на повышение работоспособности камер многокамерного двигателя, охлаждаемых жидким криогенным компонентом топлива и повышением энергомассовых характеристик ракетной ступени с многокамерным ЖРД на криогенных компонентах топлива. Результат обеспечивается тем, что в многокамерном ЖРД, включающем камеры сгорания, охлаждаемые криогенным компонентом топлива с изменением его фазового состояния в трактах охлаждения, турбонасосный агрегат, обеспечивающий подачу компонентов топлива к камерам, магистрали, подводящие компонент - охладитель с выхода насоса турбонасосного агрегата на входы в тракты охлаждения камер, в каждую подводящую охладитель к камере магистраль включен компенсатор отклонения расхода охладителя в виде подпружиненного дросселирующего элемента, изменяющего под воздействием скоростного напора потока охладителя и перепада давления на этом элементе площадь проходного сечения магистрали противоположно отклонению скоростного напора и перепада давления на дросселирующем элементе. При таком исполнении конструкции многокамерного ЖРД любые отклонения расхода охладителя через магистрали питания камер приводят к отклонению скоростного напора, действующего на расположенный в магистрали подпружиненный дросселирующий элемент, что при затяжке пружины, настроенной на номинальные значения скоростного напора и перепада давления, приведет к отклонению положения дросселирующего элемента и, соответственно, изменению площади проходного сечения магистрали направленному на изменение расхода через магистраль в сторону компенсации его начального отклонения, предотвращая, тем самым, смещение зоны фазового перехода криогенного охладителя в тракте охлаждения камеры и, следовательно, дальнейшее увеличение отклонения расхода, обусловленное наличием положительной обратной связи в процессе течения с фазовым переходом при наличии теплоподвода в тракте охлаждения камер. Исключения этого явления в тракте охлаждения одной из камер двигателя исключает перераспределение расходов компонента топлива - охладителя между камерами, что обеспечивает стабильность основных параметров камер и двигателя в целом.
На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого многокамерного (в данном случае четырехкамерного) ЖРД, в состав которого входят камеры 1(1), 1(2), 1(3), 1(4), охлаждаемые криогенными компонентами топлива, ТНА 2, насос которого подает криогенный компонент топлива - охладитель камер в тракты охлаждения через магистрали 3(1), 3(2), 3(3), 3(4) (магистрали другого компонента топлива и агрегаты ЖРД, не имеющие отношения к предполагаемому изобретению, на чертеже не представлены). В каждую магистраль 3(1), 3(2), 3(3), 3(4) встроен компенсатор отклонения расхода охладителя 4(1), 4(2), 4(3), 4(4) выполненный, например, в виде, воспринимающей скоростной напор потока охладителя заслонки 5 с пружиной 6, настроенной в номинальном положении на номинальные значения скоростного напора и перепада давления на заслонке 6. Во время работы многокамерного ЖРД при случайном увеличении расхода криогенного компонента топлива - охладителя через тракт охлаждения, например, камеры 1(1), скоростной напор и перепад давления, действующие в магистрали 3(1) на заслонку 5, номинальное положение которой определяется затяжкой пружин 6 увеличивается. При этом увеличивается сила, действующая на заслонку 5, что приводит к смещению заслонки 5 и растяжению пружин 6, сила которой при этом возрастает до уровня силы, действующей на заслонку 5, стабилизируя тем самым новое положение заслонки, на уменьшенной площади проходного сечения магистрали 3(1), с уменьшением расхода через магистраль 3(1) и тракт охлаждения камеры 1(1), компенсирующем начальное увеличение расхода, что предотвращает смещение зоны фазового перехода охладителя по потоку в тракте охлаждения с сопутствующим уменьшением гидросопротивления тракта охлаждения камеры 1(1) при одновременном уменьшении его расходов через тракты охлаждения остальных камер 1(2), 1(3), 1(4) с противоположным развитием процессов течения в трактах охлаждения этих камер. (уменьшение расхода - смещение зоны фазового перехода против потока - увеличение части тракта, охлаждаемого паром - увеличение гидросопротивления тракта - дальнейшее уменьшение расхода охладителя через тракт охлаждения и магистрали 3(2), 3(3), 3(4), чему, в свою очередь, препятствуют компенсаторы 4(2), 4(3), 4(4), увеличивающие, при уменьшении величин скоростных напоров и перепадов давлений на заслонках 5 в каждом из них за счет смещения заслонок 5 под действием пружин 6, площади проходных сечений магистралей 3(2), 3(3), 3(4).
Таким образом исключается перераспределение расходов компонента топлива - охладителя через тракты охлаждения в камере, что обеспечивает стабильность основных параметров камер и многокамерного двигателя. Расчетная оценка показывает, что включение компенсаторов в магистрали криогенного компонента топлива - охладителя камер, при обеспечении постоянства его расхода через многокамерный двигатель, стабилизирует отклонение соотношения расходов компонентов топлива через каждую камеру на уровне ± 0,2%, тягу камеры - на уровне ± 0,15%, тогда как при их отсутствии отклонения этих параметров могут достигать, за счет включения положительных обратных связей процессов течения криогенного охладителя с фазовым переходом в трактах охлаждения, величин, соответственно, 4% и 3%. Благодаря стабилизации этих параметров предложенное изобретение повышает живучесть и ресурс камер многокамерного ЖРД, использующего для их охлаждения криогенный компонент топлива с изменением фазового состояния в тракте охлаждения, а так же предотвращает рассогласование тяг камер, с возникновением их существенных разнотяговостей, что снижает нагрузку на систему стабилизации ракетной ступени, с многокамерным двигателем, улучшая, тем самым, ее энерго - массовые характеристики.