КАМЕРА РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ

Полезная модель относится к ракетно-космической технике и может быть использована для разработки ракетных двигателей малой тяги (РДМТ), работающих на несамовоспламеняющихся газообразных либо газожидкостных компонентах топлива, с многократным включением РДМТ в земных условиях и в вакууме. Полезная модель может быть использована в авиационной технике, а также различных технологических устройствах и агрегатах, использующих сжигание газообразного или газожидкостного топлива.
Известна конструкция жидкостного ракетного двигателя, работающего на несамовоспламеняющемся топливе [1]. Устройство включает камеру сгорания, предкамеру и раздельные линии подачи компонентов топлива в камеру сгорания и предкамеру. Для воспламенения топлива в предкамере установлена электроискровая свеча.
Недостатком такого устройства с раздельной подачей компонентов топлива в предкамеру и камеру сгорания РДМТ является сложность обеспечения требуемого соотношения компонентов в предкамере из-за малых расходов этих компонентов. Кроме того, в случае РДМТ на газожидкостных топливах, при многократных включениях вследствие попадания на свечу крупных капель жидкого компонента топлива, свеча загрязняется продуктами неполного сгорания топлива в предкамере. К недостаткам устройства следует также отнести наличие двух магистралей подачи каждого компонента топлива в двигатель.
Известен ракетный двигатель малой тяги, работающий на несамовоспламеняющихся газообразном окислителе и жидком горючем. РДМТ содержит камеру сгорания с соплом и смесительной головкой, предкамеру с воспламенительным устройством, трубопроводы подвода компонентов топлива [2]. Смесительная головка такого РДМТ включает в себя линию подачи окислителя и линию подачи горючего, соединенных в тангенциальных каналах, сообщающихся с полостью закрутки топливной смеси, которая с одой стороны сообщается с камерой сгорания, с другой стороны - через осевой канал с предкамерой, линии подвода горючего и окислителя в тангенциальные каналы снабжены кольцевыми коллекторами с питающими их каналами, причем в линии подачи окислителя кольцевой коллектор снабжен по меньшей мере одним каналом подачи окислителя в предкамеру, а в линии горючего коллектор сообщен с каналами подачи горючего в тангенциальные каналы.
Недостатком такого устройства является влияние на рабочий процесс в предкамере схемы подачи компонентов топлива в камеру сгорания, что значительно усложняет отработку двигателей.
Кроме того, неконтролируемый расход горючего и низкая полнота его сгорания в предкамере в случае использования в качестве горючего углеводорода (например, керосина), вызовет интенсивное сажеобразование с отложением сажи на стенках предкамеры, на свече и на стенках газового тракта от предкамеры до камеры сгорания, что будет негативно влиять на процессы теплообмена продуктов сгорания со стенками конструкции и даже на геометрию проточной части.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является обеспечение надежного многократного запуска и работы РДМТ на несамовоспламеняющих-ся газообразных либо газожидкостных компонентах топлива, при малых размерах конструкции двигателя.
Для решения этой задачи предлагается устройство - камера ракетного двигателя малой тяги.
Камера ракетного двигателя малой тяги содержит камеру сгорания с соплом и смесительной головкой, предкамеру с воспламенительным устройством, представляющим собой электроискровую свечу, магистрали подвода компонентов топлива к смесительной головке. Смесительная головка включает в себя линии подачи горючего и окислителя и форсунки, осуществляющие смешение компонентов топлива в непосредственной близости к смесительной головке и поступление смеси в камеру сгорания. Воспламенительное устройство представляет собой электроискровую свечу с удлиненным центральным высоковольтным электродом, расположенным в газовом тракте, соединяющем камеру сгорания и предкамеру. Предкамера снабжена, по меньшей мере, одним каналом подачи газообразного компонента топлива.
Для повышения устойчивости электрического разряда острая кромка центрального электрода лежит в одной плоскости с острой кромкой выхода канала, соединяющего камеру сгорания и предкамеру.
Технический результат достигается генерацией жгута низкотемпературной плазмы (~800°С) за счет ионизации газообразного компонента топлива, поступающего из предкамеры в основную камеру при прохождении в момент электрического разряда через зазор между удлиненным центральным электродом и каналом, соединяющим основную камеру сгорания с предкамерой. Плазменный жгут, выдуваемый в камеру сгорания, осуществляет воспламенение топливной смеси и запуск РДМТ. В дальнейшем, после запуска РДМТ, происходит снятие электрического напряжения со свечи, и газообразный компонент топлива, поступающий из предкамеры, обдувает свечу, защищая ее от высокотемпературного воздействия продуктов сгорания.
Суть полезной модели поясняется представленной на чертеже конструктивной схемой камеры РДМТ.
Камера РДМТ включает камеру сгорания 1 с соплом 2, смесительную головку 3 с магистралями 4 и 5 подвода окислителя и горючего с коллекторами 6 и 7 подвода компонентов топлива к форсункам окислителя 8 и горючего 9, которые могут быть струйными, центробежными, одно- и двухкомпонентными, в зависимости от применяемых компонентов топлива, уровня тяги и полноты сгорания топлива. Электроискровая свеча 10 выполнена с удлиненным центральным положительным электродом 11, расположенным в канале 12. Газообразный компонент топлива по каналу 13 подводится в предкамеру 14. Канал 12 сообщает предкамеру 14 с полостью камеры сгорания 1. Предкамера 14 предназначена для выравнивания потока газообразного компонента, но она может отсутствовать, а канал 13 может выходить непосредственно в кольцевой канал 12.
При запуске РДМТ включается подача горючего и окислителя по каналам 4 и 5, через коллекторы 6 и 7, топливные форсунки 8 и 9 в камеру сгорания 1 и газообразного компонента топлива по каналу 13 в предкамеру 14 с одновременной подачей электрического напряжения на свечу. Газообразный компонент топлива, подаваемый через канал 13, при прохождении через кольцевой канал 12 в момент электрического разряда ионизируется, образуя жгут низкотемпературной плазмы, который выдувается в камеру сгорания и обеспечивает воспламенение топливной смеси. В дальнейшем, после запуска РДМТ, со свечи 10 снимается электрическое напряжение, и газообразный компонент, проходя через канал 12, защищая свечу от воздействия высокотемпературных продуктов сгорания, поступает в камеру сгорания, где участвует в процессе горения. Размещение острых кромок электрода 11 в одной плоскости с острыми кромками выходной части канала 12 увеличивает концентрацию заряженных частиц на этих кромках и повышает надежность электроискрового разряда и, следовательно, воспламенения топливной смеси в камере сгорания.
Заявленное техническое решение дает следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- существенное уменьшение вероятности попадания на воспламенительное устройство капель жидкого горючего и, соответственно, достижение лучших условий для воспламенения смеси, большей надежности запуска двигателя и повышения живучести свечи.
- упрощение процесса запуска, т.к. не требуется изменение порядка подачи компонентов топлива в процессе запуска двигателя
- снижение массы конструкции двигателя за счет уменьшения количества трубопроводов и клапанов управления подачей топлива в двигатель.
Источники информации:
1. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей/Под редакцией Г.Г.Гахуна. М.: Машиностоение - 1989, стр.77, рис.4.7
2. Пат. №2348828, опубл. 10.03.2009 г.