ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
LIQUID FUEL ROCKET MOTOR

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям - ЖРД, работающим на трех компонентах топлива; окислителе и двух горючих, и направлено на улучшение удельных характеристик и снижение затрат на запуск ракеты, на которой он установлен и на значительное улучшение ее многих характеристик: дальности полета и т.д. Наиболее оптимальный вариант - использование в качестве окислителя жидкого кислорода: первого горючего - керосина, второго горючего - жидкого водорода.
Известен жидкостный ракетный двигатель по патенту РФ на изобретение №2095607, предназначенный для использования в составе космических разгонных блоков, ступеней ракетоносителей и как маршевый двигатель космических аппаратов, включает в себя камеру сгорания с регенеративным трактом охлаждения, насосы подачи компонентов - горючего и окислителя с турбиной на одном валу, в который введен конденсатор. Выход конденсатора по линии хладагента соединен с входом в камеру сгорания и с входом в тракт регенеративного охлаждения камеры сгорания. Выход из конденсатора по линии теплоносителя соединен с входом в насос одного из компонентов. Выход из насоса того же компонента сообщен с входом конденсатора по линии хладагента. Второй вход конденсатора сообщен с выходом турбины. Выход насоса другого компонента сообщен с входом в камеру сгорания. Недостатком двигателя является ухудшение кавитационных свойств насоса при перепуске конденсата.
Известны способ работы ЖРД и жидкостный ракетный двигатель по патенту РФ на изобретение №2187684. Способ работы жидкостного ракетного двигателя заключается в подаче компонентов топлива в камеру сгорания двигателя, газификации одного из компонентов в тракте охлаждения камеры сгорания, подводе его на турбину турбонасосного агрегата с последующим сбросом в форсуночную головку камеры сгорания. Часть расхода одного из компонентов топлива направляют в камеру сгорания, а оставшуюся часть газифицируют и направляют на турбины турбонасосных агрегатов. Отработанный на турбинах газообразный компонент смешивают с жидким компонентом, поступающим в двигатель при давлении, превышающем давление насыщенных паров получаемой смеси. Жидкостной ракетный двигатель содержит камеру сгорания с трактом регенеративного охлаждения, насосы подачи компонентов топлива и турбину. Двигатель содержит установленные последовательно перед насосом подачи одного из компонентов топлива основного турбонасосного агрегата насос бустерного турбонасосного агрегата и смеситель. Выход насоса основного турбонасосного агрегата соединен как с форсуночной головкой камеры сгорания, так и с трактом регенеративного охлаждения камеры сгорания. Тракт регенеративного охлаждения, в свою очередь, связан с турбинами основного и бустерного турбонасосных агрегатов, выходы которых соединены со смесителем.
Недостатком этой схемы является то, что тепловой энергии, снимаемой при охлаждении камеры сгорания, может оказаться недостаточно для привода турбонасосного агрегата двигателя очень большой мощности.
Известен ЖРД по патенту РФ на изобретение №2190114, МПК 7 F02K 9/48, опубл. 27.09.2002 г. Этот ЖРД включает в себя камеру сгорания с трактом регенеративного охлаждения, турбонасосный агрегат ТНА с насосами окислителя и горючего, выходные магистрали которых соединены с головкой камеры сгорания, основную турбину и контур привода основной турбины. В контур привода основной турбины входят последовательно соединенные между собой насос горючего и тракт регенеративного охлаждения камеры сгорания, соединенный с входом в основную турбину. Выход из турбины ТНА соединен с входом второй ступени насоса горючего.
Этот двигатель имеет существенный недостаток. Перепуск подогретого в тракте регенеративного охлаждения камеры сгорания горючего на вход во вторую ступень насоса горючего приведет к его кавитации. Большинство ЖРД используют такие компоненты топлива, что расход окислителя почти всегда больше расхода горючего. Следовательно, для мощных ЖРД, имеющих большую тягу и большое давление в камере сгорания эта схема не приемлема, т.к. расхода горючего будет недостаточно для охлаждения камеры сгорания и привода основной турбины.
Кроме того, не проработана система запуска ЖРД, система воспламенения компонентов топлива и система выключения ЖРД и его очистки от остатков горючего в тракте регенеративного охлаждения камеры сгорания.
Известен жидкостный ракетный двигатель по патенту РФ на изобретение №2232915, опубл. 10.09.2003 г., который содержит камеру турбонасосный агрегат, газогенератор, систему запуска, средства для зажигания компонентов топлива и топливные магистрали. Выход насоса окислителя соединен с входом в газогенератор. Выход первой ступени насоса горючего соединен с каналами регенеративного охлаждения камеры и со смесительной головкой. Выход второй ступени насоса горючего соединен с регулятором расхода с электроприводом. Другой вход регулятора соединен с пусковым бачком со штатным горючим. Выход из регулятора соединен с газогенератором. Выход из газогенератора соединен с входом в турбину турбонасосного агрегата, выход из которой соединен со смесительной головкой. Регулятор расхода снабжен гидроприводом предварительной ступени, который через кавитирующий жиклер и гидрореле соединен с пусковым бачком со штатным горючим. Гидрореле соединено со второй ступенью насоса горючего. Дроссель, установленный на выходе первой ступени насоса горючего, выполнен совместно с управляемым клапаном предварительной ступени.
Недостатком является сложная пневмогидравлическая схема двигателя, наличие большого числа клапанов и регуляторов и обвязывающих трубопроводов и как следствие большой вес и низкая надежность и проблемы при запуске и выключении двигателя.
Известен ЖРД по патенту РФ №2302547, опубл. 10.07.2007 г. Этот ЖРД содержит камеру сгорания с соплом, газогенератор и турбонасосный агрегат, содержащий насосы окислителя, горючего и пусковую турбину, также он содержит баллон воздуха высокого давления, подсоединенный через клапан к пусковой турбине и запальные устройства на камере сгорания и газогенераторе.
Недостатки этой конструкции следующие.
1. Форсирование ЖРД увеличением давления в камере сгорания ограничено давлением 200…250 атм. Дальнейшее увеличение давления потребует увеличения мощности турбины ТНА до сотен тыс. кВт, что теоретически возможно путем увеличения температуры газа перед турбиной ТНА, но не осуществимо из-за снижения прочности и ресурса деталей ротора турбины.
2. В ТНА одновременно используются горючее и окислитель очень высокого давления, при их взаимодействии возможны самовоспламенение, взрыв и разрушение ТНА.
3. ЖРД допускает только одноразовое включение в полете
4. Недостаточно эффективен контроль работы ЖРД и сложности в управлении вектором тяги.
Многоразовое включение применяется на маломощных ЖРД последней ступени ракет-носителей. Использовать аналогичные системы воспламенения топлива на первых ступенях проблематично т.к. требует иметь мощный источник энергии для запуска ЖРД (раскрутки ротора ТНА и запальников) из-за больших расходов окислителя и горючего, часто имеющих низкую температуру (для криогенных компонентов топлива).
Задачей создания изобретения является улучшение удельных характеристик ЖРД, повышение его надежности и уменьшение затрат на запуск ракет.
Решение указанных задач достигнуто в жидкостном ракетном двигателе, содержащем турбонасосный агрегат, содержащий, в свою очередь, установленные на валу турбину, насосы окислителя и горючего, и камеру сгорания, имеющую цилиндрическую часть с форсунками окислителя и горючего и сопло с главным коллектором горючего и системой регенеративного охлаждения, тем, что согласно изобретению турбонасосный агрегат и камера сгорания установлены соосно, камера сгорания выполнена двухзонной и содержит первую кольцевую зону с кольцевым форсуночным блоком и верхним коллектором горючего и вторую зону с центральным форсуночным блоком, имеющим дополнительные форсунки горючего, а турбина установлена между первой и второй зонами камеры сгорания. Выход из насоса окислителя соединен трубопроводом, содержащим клапана окислителя с камерой сгорания. Выход из насоса горючего может быть соединен трубопроводами с главным и верхним коллекторами горючего. Турбина может быть выполнена состоящей из соплового аппарата, рабочего колеса и спрямляющего аппарата с полостью внутри него, центральный форсуночный блок выполнен пустотелым и его полость соединена осевыми отверстиями через полость внутри спрямляющего аппарата с зазором регенеративного охлаждения сопла и второй зоны камеры сгорания.
Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг.1 и 2, где
- на фиг.1 приведена схема ЖРД,
- на фиг.2 приведена конструкция камеры сгорания.
Жидкостный ракетный двигатель - ЖРД (фиг.1 и 2) содержит камеру 1 с камерой сгорания 2 с соплом 3, турбонасосный агрегат ТНА 4.
Камера 1 и ТНА 4 установлены соосно и последовательно.
Камера сгорания 2 (фиг.1 и 2) содержит цилиндрическую часть 5. Сопло 3 содержит сужающуюся часть 6, расширяющуюся часть 7 и главный коллектор горючего 8 в нижней части. Камера сгорания 2 выполнена двухзонной и содержит первую и вторую зоны 9 и 10 соответственно. Первая зона 9 имеет верхний коллектор горючего 11.
ТНА 4 содержит последовательно установленные на одном валу 12 снизу вверх: турбину 13, насос окислителя 14, насос горючего 15. Особенностью ТНА 4 является то, что турбина 13 установлена в камере сгорания 2, точнее вверху ее цилиндрической части 5 между первой и второй зонами соответственно 9 и 10. При этом первая зона 9 камеры сгорания 2 выполнена кольцевой и содержит кольцевую головку 16 и кольцевой форсуночный блок 17. Кольцевой форсуночный блок 17 имеет форсунки окислителя 18 и горючего 19.
Во второй зоне 10 камеры сгорания 2 выполнен центральный форсуночный блок 20 с полостью 21 и в нем установлены дополнительные форсунки горючего 22.
Турбина 13 содержит сопловой аппарат 23, рабочее колесо 24, диск 25 и спрямляющий аппарат 26. Спрямляющий аппарат 26 выполнен с полостью 27 и отверстиями 28 и 29 для сообщения с трактом регенеративного охлаждения 30 и полостью 21.
ТНА 4 имеет три опоры 31…33 и уплотнение 34 (фиг.2).
Как сужающаяся часть 6, так и расширяющаяся часть 7 сопла 3 выполнены с возможностью регенеративного охлаждения (фиг.1 и 2) и содержат две стенки; внутреннюю стенку 35 и наружную стенку 36 с трактом регенеративного охлаждения 30 между ними для прохождения охлаждающего горючего и охлаждения сопла. Тракт регенеративного охлаждения 30 сообщается с полостью 37 главного коллектора горючего 8. Внутри камеры сгорания 1 (фиг.1 и 2) выполнены верхняя плита 38 и нижняя плита 39 с зазором (полостью) между ними 40. Выше верхней плиты 38 выполнена полость 41. Внутри кольцевой головки 16 камеры сгорания 3, как упоминалось ранее, установлены форсунки окислителя 18 и форсунки горючего 19. Форсунки окислителя 18 сообщают полость 41 с внутренней полостью 42 камеры сгорания 2. Форсунки горючего 19 сообщают полость 40 с внутренней полостью 42. На кольцевой головке 16 камеры сгорания 2 установлены запальные устройства 43. К кольцевой головке 16 камеры сгорания 2 присоединены несколькими трубопроводами 44, содержащими клапаны окислителя 45, кольцевая головка 16 камеры сгорания 2 и насос окислителя 14 промежуточным корпусом 46.
К главному коллектору горючего 8 присоединен трубопровод 47 с клапаном 48. Другой конец трубопровода 47 соединен с выходом из насоса горючего 15.
Верхний коллектор 11 трубопроводом 49, содержащим регулятор расхода 50 и клапан 51, также соединен с выходом из насоса горючего 15. Дополнительный насос горючего отсутствует. Это упрощает конструкцию ЖРД и уменьшает его вес. Согласование гидравлических сопротивлений тракта регенеративного охлаждения 30 и небольшого по величине тракта охлаждения первой зоны 9 камеры сгорания 2 приводит к тому, что большая часть расхода горючего идет через дополнительные форсунки горючего 22, так как они осуществляют его впрыск во вторую зону 10 со значительно более низким давлением, чем давление в первой зоне 9. Это объясняется потерей давления в турбине 13.
Опоры 31 и 32 установлены в промежуточном корпусе 46, который выполнен между ТНА 4 и камерой сгорания 2 и содержит защитную втулку 52, выполненную внутри первой зоны 9 камеры сгорания 2. Внутри защитной втулки 52 проходит вал 12, уплотненный относительно центрального форсуночного блока 20 уплотнением 53 (фиг.2).
Двигатель содержит систему продувки с баллоном 54 с инертным газом, трубопроводом 55 и клапаном 56. Трубопровод 55 соединен с главным коллектором горючего 8.
Запуск ЖРД осуществляется следующим образом.
Открывают клапаны окислителя 45 и клапаны 48 и 51.
Окислитель и горючее поступают в камеру сгорания 2, точнее - в ее первую зону 9, где воспламеняются запальными устройствами 43 и сгорают при относительно низких температурах 500…700°С. Через дополнительные форсунки горючего 22 большая часть расхода горючего поступает во вторую зону, где сгорает при температуре от 3500 до 4000°С, обеспечивающей максимальную удельную тягу ЖРД.
Регулирование режима работы ЖРД осуществляется регулятором расхода 50. При этом изменяются расход продуктов сгорания через турбину 13 и температура продуктов сгорания на входе в нее.
Выключение ЖРД выполняется в обратном порядке. После закрытия всех клапанов окислителя 45 и горючего 48 и 51 открывают клапан продувки 56, и инертный газ из баллона 54 по трубопроводу 55 поступает в главный коллектор горючего 8, продувая камеру сгорания 2 двигателя для очистки от остатков горючего.
Применение изобретения позволит:
Уменьшить поперечные габариты ЖРД за счет размещения камеры сгорания и ТНА последовательно в одну линию вдоль одной общей оси.
Уменьшить вес двигателя за счет отсутствия газогенератора и дополнительного насоса горючего. Функцию газогенератора выполняет первая зона камеры сгорания.
Упростить схему двигателя за счет уменьшения количества трубопроводов.
Уменьшить вредное взаимное влияние горячих и холодных (работающих на криогенных компонентах топлива) узлов и агрегатов.