МНОГОКАМЕРНЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ БЕЗ ДОЖИГАНИЯ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА

Область техники
Полезная модель относится к области ракетной техники и, в частности, к многокамерным жидкостным ракетным двигателям (ЖРД), работающим на земле и в пустоте в составе ракетного блока.
Предшествующий уровень техники
В ряде случаев для расширения возможностей применения серийно изготавливаемых ЖРД, возникает необходимость в увеличении их номинальной тяги, которое обеспечивалось бы либо без каких-либо конструктивных переделок (увеличением расхода компонентов топлива с одновременным ростом давления в камере сгорания), либо при их возможно меньшем числе.
В качестве вариантов для увеличения массы полезного груза РН «Союз» рассматривается возможность повышения рабочих характеристик маршевого двигателя ЖРД 14Д22 (см. кн. Г.Г. Гахун, В.В. Володин и др. «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей», М, Маш., 1989., с. 81-82, рис. 5.1).
Двигатель ЖРД 14Д22 - многокамерный без дожигания генераторного газа. Он состоит из четырех камер сгорания, одного турбонасосного агрегата (ТНА), газогенератора, комплекта агрегатов автоматики и деталей общей сборки.
Топливо двухкомпонентное (окислитель - кислород, горючее - керосин).
Для привода турбины ТНА используются продукты разложения перекиси водорода.
Регулирование двигателя по тяге осуществляется путем изменения расхода перекиси водорода, подаваемой в газогенератор.
Регулирование соотношения компонентов осуществляется путем изменения гидравлического сопротивления дросселя горючего.
Камера двигателя включает цилиндрическую камеру сгорания со смесительной головкой и сопло.
2
2
a
Тяга двигателя на земле - 76 тс, в пустоте - 96 тс, давление в камерах сгорания - 52 кгс/см, давление на срезе сопла p=0,33 кгс/см, степень расширения сопла по давлению - 150.
Недостатком этого двигателя является то, что он имеет низкое давление в камере сгорания, небольшую степень расширения сопла и, соответственно, низкий удельный импульс тяги, как на земле, так и в пустоте (двигатель начинает работать на земле, а затем в пустоте -двигатель 1-ой и 2-ой ступени).
Известно, что для увеличения удельного импульса двигателя на земле, достаточно повысить давление газов в камере сгорания.
Однако при этом удельный импульс двигателя в пустоте практически не возрастает. Повышение удельного импульса в пустоте можно осуществить за счет увеличения геометрической степени расширения сопла. Однако при этом увеличивается длина и диаметр его выходного сечения, что не всегда реализуемо на практике из-за ограниченных габаритов двигательного отсека РН «Союз».
Задачей полезной модели является повышение удельного импульса ЖРД при работе, как на земле, так и в пустоте.
Эта задача решена за счет того, что в многокамерном двигателе без дожигания генераторного газа, включающем камеры, каждая из которых имеет камеру сгорания и сопло, турбонасосный агрегат, газогенератор, комплект агрегатов автоматики и детали общей сборки, при этом на срезе сопел камер установлены насадки с изломом контура, а во входной магистрали горючего установлен смеситель, из которого в горючее впрыскивается раствор сополимера высших альфа олефинов, причем смеситель соединен с бачком, заполненным указанным раствором сополимера, обеспечивая при работе двигателя повышение давления газов в камере сгорания без увеличения мощности ТНА.
Перечень чертежей
На фиг. 1 приведена принципиальная схема ЖРД, на фиг. 2 приведен фрагмент увеличенного сечения магистрали горючего со смесителем, на фиг. 3 приведена принципиальная схема ракетной двигательной установки.
Пример реализации изобретения
ЖРД (фиг. 1) содержит камеру 1, турбонасосный агрегат 2, насос окислителя 3, насос горючего 4 и турбину 5. Камера включает камеру сгорания 6, смесительную головку 7, сопло 8 и насадок с изломом контура 9. Двигатель также содержит топливные магистрали горючего 10 и окислителя 11. Магистраль горючего 10 соединена с насосом горючего 4, выход из которого через тракт регенеративного охлаждения камеры соединен со смесительной головкой 7 камеры сгорания 6. Магистраль окислителя 11 соединена с насосом окислителя 3, выход из которого соединен со смесительной головкой 7. Двигатель включает также дополнительный бачок 12, который заполнен раствором сополимера высших альфа олефинов. Выход из дополнительного бачка 12 через пускоотсечной клапан 13 соединен со смесителем 14 (фиг. 2), установленным во входной магистрали горючего 10. Соединение смесителя 14 с магистралью горючего 10 осуществляется посредством трубопровода 15.
Другим вариантом выполнения данного технического решения является конструкция, когда все сопла камер двигателя охвачены общим насадком с изломом контура.
Применение насадка позволяет увеличить удельный импульс тяги двигателя в пустоте, а использование системы впрыска раствора полимерной присадки во входную магистраль горючего позволяет повысить давление газов в камере сгорания без увеличения мощности турбонасосного агрегата, что обеспечивает повышение удельного импульса тяги на земле.
Работа устройства
При старте ракеты-носителя с Земли и полете ее в плотных слоях атмосферы внешнее давление превышает внутреннее в насадке. При этом происходит принудительный отрыв потока газа от внутренней стенки насадка. Из-за отрыва потока газа в насадке давление газа на его внутреннюю стенку становится практически равным наружному давлению. В результате насадок как бы отключается, и сопло работает близко к режиму, на которое оно расчитано.
При полете в верхних слоях атмосферы и снижении внешнего давления скачок уплотнения уходит с кромки сопла и садится на срез высотного насадка. С этого момента высотный насадок включается в работу и сопло с указанным насадком с изломом контура работает полностью.
Расчеты показывают, что присоединение насадка с изломом контура к штатному соплу увеличивает его удельный импульс в пустоте на 1,5% (5 сек). Введение в горючее раствора полимерной присадки, позволяющее увеличить давление в камерах сгорания и, соответственно, на срезах штатных сопел двигателя ЖРД 14Д22, на 3%, приводит к повышению удельного импульса на Земле на 2 сек.
Промышленное применение
Полезная модель найдет применение в ракетной технике при модернизации кислородно-керосиновых двигателей ЖРД 14Д22. Это применение позволяет повысить полезную нагрузку РН «Союз», выводимую на околоземную орбиту.