СМЕСИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ОСОБО МАЛОЙ ТЯГИ
MIXING HEAD OF LIQUID-PROPELLANT ENGINE OF ESPECIALLY LOW THRUST

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к организации смесеобразования самовоспламеняющихся компонентов топлива в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя особо малой тяги.
Известна форсуночная головка жидкостного ракетного двигателя малой тяги (см. патент РФ №2390647), состоящая из корпуса головки с каналами подвода окислителя и горючего и смесительного элемента с двумя струйными форсунками, направленными на стенки смесительного элемента, выполненного в виде глухого отверстия, имеющего выход в расширяющуюся форкамеру.
Основным недостатком приведенной схемы смесеобразования является неполное перемешивание компонентов топлива, приводящее к разделению жидкой и газообразной фаз компонентов топлива, неравномерности распределения компонентов топлива по сечению камеры сгорания и увеличению приведенной длины камеры сгорания. Кроме того, для двигателей особо малой тяги из-за малых скоростей истечения компонентов топлива, не будет происходить дробление струй на капли, что существенно снизит качество смесеобразования.
Известна схема смесеобразования, примененная в смесительной головке ЖРД особо малой тяги (~50 Н) (см. патент РФ №2463469).
Смесительная головка состоит из смесительной камеры со струйными форсунками окислителя и горючего, расширяющейся к выходу форкамеры, каналов подвода окислителя и горючего, причем смесительная камера имеет постоянную площадь поперечного сечения, равную 1,0-1,2 суммарной площади поперечного сечения форсунок окислителя и горючего, и длиной, равной длине совместного пробега струй до окончания периода жидкофазной индукции топлива. Струйные форсунки выполнены с пересекающимися осями под углом 45-65°. Смесительная камера имеет цилиндрическую форму и переходит в коническую форкамеру, расширяющуюся к выходу.
Недостатком приведенной схемы смесеобразования применительно к ЖРД особо малой тяги является, как показали результаты проведенных исследований, невысокая полнота жидкофазного смешения компонентов топлива в смесительной камере из-за малых скоростей истечения из струйных форсунок, являющихся следствием малых расходов компонентов топлива, например, для двигателя тягой 0,5 H расход топлива не превышает 0,2 г/с.
При малых скоростях истечения струи окислителя и горючего не пронизывают друг друга, а, коснувшись, расходятся из-за явления сепарации, однако ограниченная площадь поперечного сечения смесительной камеры не позволяет развиться сепарации, но в результате все равно струи окислителя и горючего после столкновения продолжают движение в смесительной камере раздельно.
Начавшаяся химическая реакция в точке столкновения струй приводит к появлению тонкого слоя газофазных продуктов, окруженного с одной стороны жидким окислителем, с другой стороны - жидким горючим, т.е. имеем неполное перемешивание топлива в жидкой фазе, приводящее к низкой полноте сгорания. Как показали результаты исследований, достичь высокой полноты перемешивания не удается даже при больших значениях приведенной длины камеры сгорания.
Целью изобретения является получение высоких энергетических и динамических характеристик ЖРД особо малой тяги при удовлетворительном тепловом состоянии.
Указанная цель достигается тем, что в смесительной головке, состоящей из смесительной камеры с постоянной площадью поперечного сечения со струйными форсунками подачи компонентов топлива, расширяющейся к выходу форкамеры, каналов подвода окислителя и горючего, согласно изобретению каналы подвода окислителя и горючего перед струйными форсунками подачи компонентов топлива пересекаются между собой. Длина каналов от точки пересечения каналов подвода окислителя и горючего до выхода из смесительной камеры не превышает длины совместного пробега компонентов топлива до окончания периода жидкофазной индукции топлива.
Поперечные сечения форсунок подачи компонентов топлива больше поперечных сечений каналов подвода компонентов топлива. Площадь поперечного сечения смесительной камеры составляет 1,5-2,0 суммарной площади поперечных сечений форсунок подачи окислителя и горючего.
Предлагаемое решение поясняется чертежом. На приведенной фигуре показан продольный разрез головки. Смесительная головка состоит из корпуса 1, подводящих каналов окислителя 2, подводящих каналов горючего 3, струйных форсунок подачи компонентов топлива 4, смесительной камеры 5, форкамеры 6, заглушек 7. Позицией 8 обозначена зона пересечения каналов окислителя и горючего, а позициями 9 и 10 - зоны поворота потока компонентов топлива и перехода в форсунки компонентов топлива 4.
Предлагаемая смесительная головка работает следующим образом. Окислитель, пройдя через каналы подвода 2 до точки 8, сталкивается с горючим, поступающим по каналам 3, вступая в химическую реакцию с ним; при этом в промежутке между точками 8-9 и 8-10 образуются жидкофазные промежуточные продукты, из которых начинают выделяться газофазные промежуточные продукты. В точках 9, 10 после соударения с препятствием (заглушками 7) компоненты топлива меняют направление движения при входе в струйные форсунки подачи компонентов топлива 4. Соударение с препятствием способствует перемешиванию жидкофазных промежуточных продуктов и увеличению интенсивности выделения из них газофазных промежуточных продуктов, которое продолжается в струйных форсунках 4. Струйные форсунки 4 выполняются с увеличенными проходными сечениями для предотвращения запирания их выделяющимися газофазными промежуточными продуктами.
Из форсунок 4 предварительно подготовленная смесь из жидкофазных и газофазных промежуточных продуктов поступает в смесительную камеру 5, где происходит еще одно столкновение и перемешивание их и истечение в форкамеру 6. На выходе из смесительной камеры заканчивается период жидкофазной индукции топливной смеси, подготовленной к воспламенению и последующему сгоранию. Для исключения эффекта запирания в
смесительной камере ее сечение должно быть в 1,5-2,0 раза больше суммарного сечения форсунок компонентов топлива.
В заключение можно отметить, что однократное столкновение окислителя и горючего в жидкой фазе и двукратное столкновение компонентов топлива в виде жидкофазных и газофазных промежуточных продуктов обеспечивает практически полное завершение подготовительных процессов, получение высокой полноты сгорания топлива и, как следствие, - получение высоких энергетических и динамических характеристик и уменьшение приведенной длины камеры сгорания.