ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА РЕАКТИВНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
POWER PACK OF REACTION CONTROL SYSTEM OF FLIGHT VEHICLE

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть применено в конструкциях систем питания импульсных ракетных двигателей двигательных установок, использующих жидкие криогенные компоненты топлива и предназначенных для реактивных систем управления (РСУ) летательных аппаратов (ЛА).
Требуемые системой управления ЛА динамические характеристики управляющих импульсов тяги двигательных установок РСУ невозможно обеспечить при подаче в двигатели жидких криогенных компонентов топлива, так как это связано со значительной задержкой их воспламенения, обусловленной низкими температурами воспламеняемой смеси из-за низких температур компонентов и затрат тепла в начальной стадии процесса воспламенения на их испарение; приемлемая динамика импульсных двигателей может быть обеспечена лишь при использовании таких компонентов в газообразном состоянии.
Известна двигательная установка, использующая газообразные компоненты топлива с подачей их в двигатели из баллонов высокого давления (заявка на изобретение №2011143826/06 от 28.10.2011, по которой принято решение о выдаче патента на изобретение от 7.02.2013).
Особенностью такой двигательной установки (ДУ) является ее относительно большая масса вследствие больших объемов баллонов высокого давления, предназначенных для хранения газообразных компонентов топлива, что практически исключает ее использование при больших запасах топлива, характерных, например, для ДУ РСУ возвращаемых ракетных блоков.
Известна принятая за прототип предлагаемого изобретения ДУ РСУ такого возвращаемого блока - многоразового орбитального корабля (МОК) «Буран» (см. книгу Многоразовый орбитальный корабль «Буран», Москва, Машиностроение, 1995 г. раздел 5, стр.195…214).
В ДУ РСУ МОК «Буран», использующей криогенный компонент топлива - жидкий кислород - в качестве окислителя и в качестве горючего - керосин - предусмотрена система преобразования жидкого кислорода в газообразный посредством процессов сжигания части расхода кислорода с керосином в газогенераторе с испарением остального кислорода за счет образовавшегося в процессе горения тепла при общем соотношении расходов кислорода и керосина 70…100, что обеспечивает образование газообразных окислительных продуктов газогенерации с температурой, приемлемой для элементов конструкции (не более 800°C).
Горючее ДУ РСУ МОК «Буран» - керосин - содержит достаточный запас тепла, обеспечивающий в начальной стадии воспламенения высокую температуру смеси в камерах импульсных двигателей, которая инициирует высокую скорость предпламенных реакций в процессе воспламенения (кинетическая стадия реакции) и, следовательно, малую задержку воспламенения смеси, что допускает использование этого горючего в качестве компонента топлива импульсного двигателя.
В случае применения 2-х жидких криогенных компонентов топлива ДУ РСУ для уменьшения задержки воспламенения в камерах импульсных двигателей необходимо преобразование в газообразный компонент топлива импульсных двигателей не только жидкого криогенного окислителя, как в прототипе, но и жидкого криогенного горючего, только так возможно обеспечить приемлемые динамические характеристики импульсных двигателей такой ДУ РСУ.
Однако преобразование жидкого криогенного горючего в газообразное по способу прототипа (посредством газогенератора) в случае применения углеводородных горючих, таких как, например, метан, сопровождается выделением твердой фазы (сажи) в газообразных продуктах газогенерации при необходимых для получения низкотемпературного газообразного горючего низких соотношениях расходов жидких компонентов топлива в газогенераторе (для метана величина Кгг≤0,3). Образовавшаяся при газогенерации твердая фаза, накапливаясь в трактах питания двигателей газообразным горючим, может привести к существенным изменениям гидравлических характеристик трактов и, как следствие, отклонениям основных параметров двигателей, например соотношения расходов газообразных компонентов топлива в камере, потерям герметичности клапанов двигателей, нарушению охлаждения камер, и, в итоге, к нарушению работоспособности и даже разрушению материальной части, например к прогару камер двигателей. В целом возможность развития указанных негативных явлений существенно снижает надежность ДУ РСУ, реализующей преобразование жидкого криогенного углеводородного горючего в газообразный компонент топлива двигателей способом прототипа - газогенерацией, что является ее основным недостатком.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение надежности ДУ РСУ, использующих жидкие криогенные компоненты топлива, в том числе криогенное углеводородное горючее. Этот результат обеспечивается тем, что ДУ РСУ, включающая магистрали подачи жидких криогенных компонентов топлива, импульсные ракетные двигатели, использующие газообразные компоненты топлива, окислительный газогенератор-преобразователь жидкого криогенного окислителя в газообразный с заданной температурой, ресивер-накопитель газообразного окислителя для питания двигателей, содержит теплообменник-испаритель для преобразования жидкого криогенного горючего с нагревом его до заданной температуры, включенный теплопередающим трактом в магистраль на выходе газогенератора, теплопринимающим трактом - в магистраль подачи криогенного жидкого горючего, ресивер-накопитель газообразного горючего для питания импульсных двигателей, включенный в магистраль на выходе теплопринимающего тракта теплообменника; газожидкостный смеситель, включенный в магистраль между выходом теплопринимающего тракта теплообменника и входом в ресивер - накопитель газообразного окислителя, при этом жидкостный вход смесителя сообщен с магистралью подачи жидкого окислителя в газогенератор трубопроводом с установленной в нем регулирующей дроссельной шайбой (статическим дросселем).
Такое исполнение ДУ РСУ обеспечивает преобразование жидкого криогенного горючего в газообразное горючее посредством его испарения и последующего нагрева до заданной температуры в теплопринимающем тракте теплообменника за счет отбора тепла от горячего газа, вырабатываемого окислительным газогенератором, в результате чего получается свободное от примесей газообразное горючее, пригодное для питания двигателей.
При этом для уменьшения массы теплообменника в предлагаемой ДУ РСУ предусмотрено техническое решение, направленное на уменьшение потребной эффективной площади теплообмена за счет увеличения температурного напора между теплопередающим и теплопринимающим трактами теплообменника - введение перепуска части расхода окислителя в обвод газогенератора для уменьшения расхода жидкого окислителя в газогенератор с повышением температуры вырабатываемого газогенераторного окислительного газа до максимально допустимой для конструкции газогенератора и теплообменника величины, что обеспечивает максимальный температурный напор в теплообменнике и перемешивание расхода перепуска жидкого окислителя с расходом горячего окислительного газа после теплообменника в смесителе, обеспечивающее испарение жидкой фазы и выравнивание температуры компонентов смеси на уровне, допускающем использование газа на выходе смесителя в качестве горючего двигателей ДУ РСУ.
Сущность изобретения поясняется представленной на чертеже схемой ДУ РСУ.
В состав ДУ РСУ входят баки с магистралями подачи криогенных окислителя 1 и горючего 2, система наддува 3 баков, окислительный газогенератор-преобразователь 4 жидкого криогенного окислителя в газообразный окислитель с заданной температурой, запальное устройство 5 газогенератора 4, ресивер-накопитель 6 газообразного окислителя для подачи его в блоки двигателей 7, теплообменник-испаритель 8 - преобразователь жидкого криогенного горючего в газообразное горючее с заданной температурой, ресивер-накопитель 9 газообразного горючего для подачи его в блоки двигателей 7, газожидкостный смеситель 10 высокотемпературных окислительных продуктов сгорания с жидким криогенным окислителем, магистраль 11 подачи жидкого криогенного окислителя в смеситель 10 с установленной в ней регулирующей (настроечной) дроссельной шайбой 12.
При работе ДУ РСУ жидкие криогенные компоненты топлива под давлением газа, поступающего из системы наддува 3, подаются через магистрали 1, 2 из баков с открытыми клапанами в газогенератор 4, где большая часть расхода окислителя и небольшой расход горючего после воспламенения запальным устройством 5 сгорают при высоком соотношении расходов, образуя высокотемпературные окислительные продукты сгорания; при этом основная часть жидкого криогенного горючего поступает в теплообменник 8, где за счет теплопритока от окислительного высокотемпературного газа, поступающего из газогенератора 4 в теплообменник 8, испаряется и нагревается до заданной температуры при одновременном охлаждении окислительного газа в теплообменнике 8 за счет теплоотдачи. Часть жидкого криогенного окислителя через трубопровод 11 с расходом, регламентированным регулирующей шайбой 12, подается в смеситель 10, где, смешиваясь с окислительным газом, поступающим в смеситель 10 из теплопередающего тракта теплообменника 8, за счет теплосодержания окислительного газа испаряется и нагревается до заданной средней температуры смеси. Образовавшиеся газообразные компоненты топлива поступают в ресиверы 6, 9: газообразный окислитель - с выхода смесителя 10, газообразное горючее - с выхода теплопринимающего тракта теплообменника 8, где накапливаются и оттуда расходуются при включениях импульсных двигателей в блоках двигателей 7.
Использование предлагаемого изобретения позволит реализовать в виде работоспособных конструкций с достаточно высоким уровнем надежности ДУ РСУ, использующие жидкие криогенные компоненты топлива, в частности углеводородное горючее, которое в сочетании с жидким криогенным окислителем представляет собой эффективное топливо, обеспечивающее существенное повышение энергомассовых характеристик ДУ РСУ с импульсными двигателями. Так, ДУ РСУ на топливе жидкий метан-жидкий кислород может обеспечивать повышение эффективного удельного импульса ДУ РСУ на величину более 10% по сравнению с высококипящим топливом АТ+НДМГ и на величину более 4% по сравнению с топливом прототипа изобретения. Кроме того, топливо на основе криогенных компонентов жидкий кислород+жидкий метан является экологически чистым в отличие от экологически грязного высококипящего топлива и условно чистого топлива жидкий кислород+керосин.