Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к жидкостным ракетным двигателям малой тяги, в частности к конструкции камеры жидкостного ракетного двигателя малой тяги.
Полезная модель позволяет повысить эксплуатационные характеристики ракетного двигателя и длительность его непрерывной работы, а также уменьшить тепловое воздействие продуктов сгорания на внутреннюю стенку камеры двигателя.
Уровень техники
Техническая проблема
Время непрерывной работы жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) ограничено нагревом стенок его камеры высокотемпературным потоком испускаемых продуктов горения. Наиболее эффективно охлаждать горячую стенку подавая на нее один из топливных компонентов. Такой метод охлаждения называется регенеративным. Однако, для ЖРД малых тяг регенеративное охлаждение традиционно не применяется в связи со сложностью его технологической реализации – из-за малых значений расходов топливных компонентов, скорость охладителя в тракте может оказаться недостаточной для охлаждения стенок камеры.
Известные аналоги
Известен тракт охлаждения камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащий внутреннюю профилированную оболочку с выполненными в ней ребрами постоянной толщины, образующими каналы тракта охлаждения, имеющими трапецеидальный профиль переменной ширины со скругленными по радиусу углами, примыкающими к внутренней поверхности оболочки, профилированную наружную оболочку, установленную на внутренней и скрепленную с ней (М.В. Добровольский и др. "Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования", Москва, "Высшая школа", 1968 г., рис.4.26.г., стр.166-167).
Также известна внутренняя оболочка сопла камеры жидкостного ракетного двигателя по патенту RU № 194928 от 30.12.2019. Внутренняя оболочка сопла камеры жидкостного реактивного двигателя с выфрезерованными прямоугольными каналами охлаждающего тракта по наружной стороне, имеющая постоянную толщину огневой стенки и уменьшающуюся толщину оболочки сопла в сторону большего диаметра, для поддержания постоянной суммарной площади каналов охлаждающего тракта в любом сечении, отличающаяся тем, что каналы охлаждающего тракта выполнены по спирали вдоль поверхности сопла камеры жидкостного ракетного двигателя.
Однако для жидкостных ракетных двигателей малой тяги описанное решение не обеспечивает теплообмен требуемой интенсивности ввиду технологических ограничений на размер и форму каналов тракта регенеративного охлаждения.
Наиболее близким техническим решением является камера жидкостного ракетного двигателя по патенту RU № 2720596 от 08.11.2018. Камера жидкостного ракетного двигателя, состоящая из непроницаемой внешней стенки и непроницаемой внутренней стенки, камеры сгорания и сопла, отличающаяся тем, что между внешней стенкой и внутренней стенкой расположена пористая вставка, а камера представляет собой монолитную конструкцию, изготовленную аддитивным методом.
Недостатком указанного изобретения является крайне высокая степень перепада давления в тракте охлаждения, образованной пористой вставкой. Это влечет за собой повышенную нагрузку на систему подачи топлива двигателя и тем самым диктует возможность эффективного использования данного технического решения только для охладителя в газовой фазе.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности теплоотвода от внутренней стенки камеры и сопла ЖРД малой тяги и, как следствие, увеличение временного диапазона непрерывной работы ЖРД малой тяги.
Достижение технического результата состоит во внедрении между стенок тракта охлаждения, состоящего из винтовых каналов переменного проходного сечения в монолитную конструкцию камеры ЖРД малой тяги, состоящей из цилиндрической камеры сгорания, сопла Лаваля, внешней силовой оболочки, внутренней огневой стенки, коллекторов подвода и отвода охладителя.
Винтовые каналы тракта охлаждения выполнены параллельно и непрерывно вдоль всей внутренней стенки камеры ЖРД малой тяги. Локальное изменение размеров и формы проходного сечения каналов позволяет дополнительно интенсифицировать теплоотвод от внутренней стенки камеры на участках повышенной теплонапряженности, в частности в области критического сечения сопла Лаваля.
В сравнении с существующими аналогами предложенная конструкция обеспечивает наиболее эффективное охлаждение всей внутренней поверхности камеры ЖРД малой тяги, включающие в себя цилиндрический участок камеры сгорания и сопло Лаваля. Параметрами, определяющими эффективность теплоотвода, являются количество витков тракта и площадь их проходного сечения в каждом поперечном сечении камеры ЖРД.
Сущность полезной модели иллюстрируется чертежами фиг. 1-4, где
на фиг.1 - продольный осевой разрез камеры сгорания;
на фиг.2 - поперечный разрез камеры;
на фиг.3 - непрерывные винтовые каналы охлаждающего тракта;
на фиг.4 - изменение площади проходного сечения витка охлаждающего тракта в области критического сечения.
Осуществление полезной модели
Описанная конструкция формируется методом селективного лазерного плавления из металлического порошка. Возможно использование порошков хромоникелевых, кобальт-хромовых и бронзовых сплавов. Обязательно использование порошка с частицами достаточной сферичности, гранулометрического состава не более 150 мкм.
На фиг.5изображена изготовленная по технологии селективного лазерного плавления камера ЖРД малой тяги, конструкция которой полностью соответствует описываемой полезной модели.