ОДНОКОМПОНЕНТНЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ МАЛОЙ ТЯГИ

Полезная модель относится к космической технике и может быть использована 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 малой тяги, в которых используется гранулированный катализатор, является образование пустот между гранулами катализатора, возникающими в результате разрушения и эрозии гранул в процессе их трения между собой при механических воздействиях, а также при функционировании двигателя (особенно при его включениях при пониженных температурах камеры разложения). Образование пустот между гранулами в каталитическом пакете ведет к развитию повышенных колебаний давления в камере разложения, что, в свою очередь, ведет к еще большему разрушению катализатора и снижению в целом ресурсоспособности двигателя. При наличии подвижности гранул и при последующих механических воздействиях также происходит дальнейшее их разрушение за счет взаимного перемещения и трения между ними. Данная проблема в известных двигателях решена за счет постоянного поджатия пакета с катализатором цилиндрической пружиной.
Известен однокомпонентный жидкостный ракетный двигатель, содержащий инжектор, камеру разложения топлива с размещенными внутри нее гранулированным пакетом катализатора и цилиндрической пружиной, и сопло, ось которого перпендикулярна оси двигателя. Пакет катализатора с двух сторон ограничен сетками, причем сетка, установленная на выходе из каталитического пакета, имеет упругие свойства и по периферии закреплена на стенке камеры разложения. Цилиндрическая пружина в состоянии поджатия вставлена в приосевой области камеры разложения между сеткой на выходе и торцевой поверхностью камеры разложения. При выработке катализатора цилиндрическая пружина поджимает сетку на выходе в направлении входа (Патент Японии JPH 1182171, МПК F02K 9/68, 1999 г.).
Известному двигателю присущи следующие недостатки:
- при осевой подаче топлива основное разрушение катализатора происходит в приосевой области каталитического пакета, соответственно, частицы разрушенных гранул в большей мере в центральной приосевой области закупоривают пространство между гранулами, повышая перепад давления на каталитическом пакете. Локальное приложение усилия цилиндрической пружиной с противоположной стороны создает неравномерное давление на выходную поверхность каталитического пакета и, тем самым, усугубляет закупорку центральной приосевой области каталитического пакета, снижая характеристики двигателя и его ресурсоспособность;
- усилие пружины приложено к сетке на выходе локально, а поэтому неравномерно -максимально в центральной приосевой области каталитического пакета и минимально в периферийной (пристеночной) области и, тем самым, еще до огневого применения центральная приосевая область каталитического пакета подвергается повышенным нагрузкам, что может привести к повышенной разрушаемости катализатора в приосевой области каталитического пакета. Наложение внешних механических воздействий по оси камеры, например, при выведении космического аппарата на орбиту, может усилить процесс разрушения катализатора в приосевой области каталитического пакета еще до огневого применения двигателя;
- компоновочное решение двигателя с боковым расположением сопла относительно камеры разложения и с цилиндрической пружиной, размещенной в приосевой области камеры разложения, когда один ее конец упирается в выходную торцевую поверхность камеры, как правило, имеет ограниченное применение и целом может сказываться на характеристиках двигателя.
Известен однокомпонентный жидкостный ракетный двигатель, принятый за прототип, содержащий инжектор, камеру разложения топлива с размещенным внутри нее гранулированным пакетом катализатора, ограниченным с двух сторон платиновыми сетками, и цилиндрической пружиной, выполненной из вольфрамовой проволоки с родиевым покрытием, и сопло. Сетка на выходе потока из каталитического пакета прикреплена к опорному кольцу, имеющему возможность перемещения в осевом направлении. Цилиндрическая пружина расположена в сжатом состоянии между сеткой на выходе и соплом (Патентная заявка Японии JP 2010174649, МПК F02K 9/68, 2010 г.).
Известному двигателю присущи следующие недостатки:
- локальное приложение усилия цилиндрической пружиной в периферийной зоне каталитического пакета на опору несущего опорного кольца с прикрепленной к нему выходной сеткой при не абсолютной жесткости самой этой сетки создает неравномерное давление на выходную поверхность каталитического пакета - повышенное в периферийной зоне и пониженное в приосевой. Тем самым, увеличиваются риски повышенного разрушения гранул катализатора в периферийной зоне каталитического пакета, соответствующего увеличения перепада давления в этой зоне из-за закупорки пространства между гранулами и, соответственно, снижения эффективности функционирования этой зоны, что влечет за собой снижение ресурсоспособности двигателя в целом;
- предусмотренный в соответствии с уравнением в описании конструкции двигателя диапазон изменения диаметра пружины допускает уменьшение ее диаметра до 50% от диаметра сетки на выходе, что, при условии опоры пружины на опорное кольцо, влечет за собой увеличение ширины опорного кольца. Тем самым может существенно экранироваться выход газов от разложения топлива в периферийной зоне каталитического пакета, что будет снижать эффективность работы каталитического пакета и двигателя в целом.
Как аналогу, так и прототипу присущи следующие недостатки:
- вследствие того, что цилиндрическая пружина находится в изменяющемся по температуре и направлению потоке высокотемпературного газа, может быть искажение параметров потока, например, из-за изменения свойств самой пружины или при ее перемещении в камере при механических воздействиях на двигатель. То есть, может оказываться влияние на стабильность течения потока газов на входе в сопло и параметры двигателя в целом;
- увеличенный объем камеры из-за необходимости размещения цилиндрической пружины относительно большой длины, что ухудшает динамические характеристики двигателя.
При создании изобретения решалась задача повышения эффективности разложения топлива и связанного с этим повышения расходонапряженности камеры разложения и ресурсоспособности двигателя в целом.
Поставленная задача решена за счет того, что в известном однокомпонентном жидкостном ракетном двигателе малой тяги, содержащем камеру разложения топлива с расположенными в ней по оси инжектором, каталитическим пакетом с гранулированным катализатором, ограниченным сеткой на входе, и упругим элементом, расположенным между каталитическим пакетом и соплом и обеспечивающим постоянное поджатие каталитического пакета, и сопло, согласно полезной модели, упругий элемент выполнен из тугоплавкой не отожженной проволоки с каталитическими свойствами, предварительно свитой в спираль и пространственно сформированной в цилиндрический брикет с порозностью (65-85) %.
Выполнение упругого элемента из тугоплавкой не отожженной проволоки с каталитическими свойствами, предварительно свитой в спираль и пространственно сформированной в цилиндрический брикет с порозностью (65-85) %, позволяет:
- обеспечить равномерное и постоянное поджатие всех гранул по всей выходной поверхности и каталитического пакета в целом и, соответственно, повысить эффективность разложения топлива и связанную с этим ресурсоспособность двигателя;
- за счет каталитических свойств материала брикета дополнительно повысить эффективность разложения топлива и, соответственно, повысить расходонапряженность камеры разложения и ресурсоспособность двигателя в целом;
- эффективно выполнять роль выходной сетки по удержанию гранул каталитического пакета;
- существенно уменьшить длину выходной части камеры разложения после каталитического пакета за счет применения брикета с относительно малой высотой по сравнению, например, с длиной цилиндрической пружины, что улучшает габаритно-массовые характеристики двигателя в целом.
Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 показан общий вид однокомпонентного жидкостного ракетного двигателя малой тяги; на фиг. 2 - фотография брикета (вид сверху); на фиг. 3 - фотография брикета (вид сбоку).
Однокомпонентный жидкостный ракетный двигатель малой тяги содержит трубку подачи топлива 1, инжектор 2 в днище камеры разложения 3, сопло 4. В камере разложения топлива 3 размещен каталитический пакет, состоящий из гранулированного катализатора 5, и упругий брикет 6 из пористого тугоплавкого металлического материала, установленного в поджатом состоянии между катализатором 5 и входом в сопло 4. Брикет 6 образован из предварительно свитой в спираль и пространственно сформированной в цилиндр не отожженной катализаторной проволоки, например, из молибден-рениевого сплава, с обеспечением соотношения диаметра проволоки к внутреннему диаметру спирали на уровне (0,25-0,3) и порозностью порядка (65-85) %. Относительно высокая порозность обеспечивает брикету 6 упругие свойства и, соответственно, гранулы катализатора 5 находятся в постоянном и одинаково равномерном поджатии в направлении к сетке 7 во входной части камеры разложения. Сетка 7 обеспечивает распределение топлива по всему объему гранулированного катализатора и исключает попадание гранул катализатора 5 во входное отверстие инжектора 2.
Однокомпонентный жидкостный ракетный двигатель малой тяги работает следующим образом:
Предварительно, при необходимости, камера разложения 3 разогревается электронагревателем (на чертеже не показан), установленным на ее корпусе, до температуры надежного запуска двигателя. В момент запуска, после подачи топлива через инжектор 2, жидкое топливо поступает в пакет катализатора 5, где при контакте с поверхностью гранулированного катализатора топливо начинает разлагаться. Далее в брикете 6 происходит дополнительное разложение топлива и продукты разложения, истекая через сопло 4, создают тягу двигателя. Как при изготовлении, так и при эксплуатации двигателя, благодаря воздействию упругого брикета 6, происходит постоянное и равномерное поджатие гранул катализатора 5 по всей выходной поверхности каталитического пакета и, соответственно, по всему объему пакета в целом, таким образом исключая образование в нем пустот между гранулами катализатора 5, которые возникают в результате их разрушения и эрозии.
Заявленная полезная модель жидкостного ракетного двигателя малой тяги успешно прошла цикл наземных испытаний и подтвердила ее повышенную ресурсоспособность двигателя и повышенную расходонапряженность камеры разложения.