КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО ПО БЕЗГАЗОГЕНЕРАТОРНОЙ СХЕМЕ (ВАРИАНТЫ)
CHAMBER OF LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINE OPERATING ON GAS-FREE GENERATOR CIRCUIT (EMBODIMENTS)

Жидкостный ракетный двигатель, работающий по безгазогенераторной схеме, имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с двигателями, работающими по газогенераторной схеме.
К числу таких преимуществ относятся:
- более простая пневмогидравлическая схема из-за отсутствия газогенератора;
- уменьшенная масса двигателя;
- обеспечение надежного поджига компонентов топлива в условиях вакуума;
- повышенная надежность работы двигателя за счет улучшения условий работы турбины (значительного снижения пиковых нагрузок).
Основным недостатком двигателя с безгазогенераторной схемой является невозможность создания двигателей с большой тягой.
Все существующие в настоящее время в эксплуатации или находящиеся в стадии разработки двигатели, работающие по безгазогенераторной схеме (RL-10,США; МВ60, Япония - США; Vinci -ЕС; РД0146 и РД0146Д, Россия; РД0126 «Ястреб», Россия) LE - 5А и Hipex - Япония) имеют тягу не более 15 тс.
Ограничение величины тяги связано с невозможностью получения интенсивного нагрева всей массы горючего до высокой температуры и реализации необходимой мощности на турбине.
На двигателе РД0126 «Ястреб» тягой 4 тс, описанном в ББК 39.62 УДК629.78 Н34 (на стр. 64-69) «Разработка и испытания уникальной камеры жидкостного ракетного двигателя РД0126 «Ястреб» с разворотом потока в сопле на 180°» для повышения интенсивного нагрева горючего камера сгорания была расположена в полости сверхзвукового сопла и разворот сверхзвукового потока в сопле на 180° проводился при истечении звукового потока через узкое кольцевое критическое сечение. Изложенное конструкторское решение позволяет увеличить нагрев горючего за счет расположения камеры внутри сверхзвукового сопла и увеличения поверхности сопла при ограниченной длине камеры.
Но основным недостатком данной конструкции является невозможность надежного охлаждения кольцевого критического сечения, расположенного на большом диаметре и имеющего небольшую ширину ~1÷2,5 мм. Кроме того в процессе изготовления и огневых испытаниях появляются большие неравномерные силовые и термические нагрузки, которые изменяют форму критического сечения, что нарушает нормальную работу двигателя.
Известна конструкция камеры описанная в патенте RU 2 610 624 С1, в которой для набора дополнительного тепла в полости камеры сгорания установлены теплообменные элементы, выполненные в виде трубок Фильда, в которых тракт охлаждения соединен с полостями смесительной головки (аналог).
Недостатком данной конструкции является невозможность существенного нагрева компонента топлива из-за незначительной поверхности теплообмена и как следствие реализации необходимого перепада на турбине. Известна конструкция теплообменной системы с канальной пластиной, описанной в патенте RU 2 575 954. В описанной конструкции поточная пластина имеет две зеркальные друг относительно друга пластины, имеющие изогнутую форму и которые закрыты наружными рубашками (аналог).
2
Недостатком данной конструкции является: отсутствие частых связей зеркальных пластин с наружными рубашками, что не позволяет реализовать высокие давления в трактах порядка 200÷400 кг/см - отсутствие частых связей зеркальных пластин с наружными рубашками не позволяют увеличить на 8-10% передачу тепла через стенку к охладителю (что имеет место в оребренном тракте охлаждения), что в целом снижает выходные энергетические характеристики конструкции.
Известна конструкция цилиндрического пластинчатого теплообменника, описанная в патенте RU 2 364 812, которая используется для подогрева или охлаждения жидких или газообразных сред (аналог).
Цилиндрический пластинчатый теплообменник содержит теплообменную матрицу из набора гофрированных пластин заключенных в общей цилиндрической рубашке.
Недостатком данной конструкции является: невозможность реализовать высоких давлений, температуры и расходов рабочих тел;
- наличие большого гидравлического сопротивления в гофрированной пластине.
Указанные недостатки не позволяют реализовать высокие энергетические характеристики конструкции.
В конструкции японского двигателя Hipex (принятого за прототип) для дополнительного набора тепла в полости камеры сгорания установлен специальный теплообменник, выполненный из внутренней оболочки с прямоугольными фрезерованными каналами и внешней оболочкой, которые соединяются диффузионной пайкой (Шляхов В.И., Овчинникова С.В. ЖРД безгенераторной схемы для межорбитальных буксиров. Обзор по материалам зарубежной печати за 1980-1990 гг. №30. Центр научно-технической информации «Поиск» ГОНТИ-8, 1991, стр. 54-56).
Данная конструкция не позволяет реализовать в камере тягу порядка 30÷35 тс, т.к. нет возможности существенного набора тепла из-за:
- ограниченной величины теплообменной поверхности;
- неработоспособности теплообмена при высокой температуре из-за наличия паяного соединения.
Перечисленные недостатки устраняются, предлагаемы изобретением, которое решает техническую задачу более интенсивного нагрева горючего существенно большей массы за счет существенно увеличенной поверхности теплообмена и более высокой температуры, что позволяет реализовать на турбине увеличенный перепад и обеспечить, таким образом, существенное увеличение тяги двигателя.
Поставленная задача решается тем, что камера жидкостного ракетного двигателя, работающего по безгазогенераторной схеме (варианты), содержащая корпус камеры, смесительную головку, состоящую из периферийной и центральной частей, наружное днище, магистрали подвода горючего и окислителя и расположенный в полости камеры теплообменник, согласно изложению:
- каналы охлаждения в теплообменнике выполнены с двухсторонним расположением, а на наружной и (или) внутренней поверхности теплообменника выполнены интенсификаторы теплообмена, например, в виде ребер или канавок;
- камера жидкостного ракетного двигателя, работающего по безгазогенераторной схеме (варианты), содержащая корпус камеры, смесительную головку, состоящую из периферийной и центральной частей, наружное днище, магистрали подвода горючего и окислителя и расположенный в полости камеры теплообменник, согласно изложению, теплообменник хотя бы в одной плоскости сечения состоит не менее чем из двух сегментов, а на наружной и (или) внутренней поверхности теплообменника выполнены интенсификаторы теплообмена, например, в виде ребер или канавок;
- камера жидкостного ракетного двигателя, согласно изложению, коллектор входа и (или) выхода теплообменника, закрепленного на наружном днище и пилонах корпуса головки, расположены вне полости камеры, а на наружной и (или) внутренней поверхности теплообменника выполнены интенсификаторы теплообмена, например, в виде ребер или канавок.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемами показанными на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3.
Камера жидкостного ракетного двигателя, работающего по безгазогенераторной схеме (фиг. 1) включает в себя:
- наружное днище 1, корпус камеры 2 и смесительную головку 3, состоящую из периферийной части 4 и центральной части 5, магистрали подвода 7, 8, 9 и магистрали отвода 10;
- кольцевое центральное тело 11 с двухсторонним расположением каналов охлаждения 12 в полости головки 3 и полости камеры сгорания 13 состоящие из двух частей;
- магистраль подвода охладителя 15 в кольцевое центральное тело и магистраль 16 отвода охладителя из центрального тела.
На фиг. 2 показан поперечный разрез камеры в районе смесительной головки, где:
- смесительная головка 3, состоящая из периферийной части 4 с форсунками 17 и центральной части 5 с форсунками 18 соединенные пилонами 6;
- части кольцевого центрального тела 14 с двухсторонним расположением каналов охлаждения 12.
На фиг. 3 показан поперечный разрез кольцевого центрального тела, расположенного в полости наружного днища 1, где
- кольцевое центральное тело 11 с двухсторонним расположением каналов охлаждения 12 и интенсификаторов 19.
Камера жидкостного ракетного двигателя работает следующим образом.
По соответствующим командам подается горючее из подводных магистралей 7 и 15 на поступление в тракты охлаждения корпуса камеры 2 и кольцевого центрального тела 11. В соответствии с циклограммой работы двигателя из подводной магистрали 8 горюче поступает в периферийную часть 4 головки с форсунками 17 по пилонам 6 в центральную часть головки 5 с форсунками 18, а из подводных магистралей 9 окислитель поступает в полости наружного днища и затем в периферийную и центральную части 4 и 5 смесительной головки 3. По команде в камере осуществляется поджиг и сгорание компонентов топлива и в камере происходит процесс горения компонентов топлива.
В результате сгорания компонентов топлива увеличенная масса горючего находящегося в тракте охлаждения камеры 2 и трактах охлаждения 12 кольцевого центрального тела 11 нагревается до расчетного значения и поступает в выходные магистрали 10 и 16. В дальнейшем эта увеличенная масса горючего с повышенным теплосодержанием поступает на лопатки турбины. Использование теплообменника с каналами охлаждения, выполненные с двухсторонним расположением, а на наружной и (или) внутренней поверхности теплообменника использование интенсификаторов теплообмена, например, в виде ребер или канавок, снижает гидравлическое сопротивление каналов охлаждения теплообменника, примерно, в четыре раза при сохранении площади теплообмена, повышает эффективность теплообмена, что дополнительно увеличивает мощность турбины жидкостного ракетного двигателя, работающего по безгазогенераторной схеме, и соответственно давление в камере, что повышает удельный импульс тяги ракетного двигателя.
Использование теплообменника, состоящего хотя бы в одной полости сечения из не менее чем двух сегментов, а на наружной и (или) внутренней поверхности теплообменника интенсификаторов теплообмена, например, в виде ребер или канавок позволяет повысить эффективность теплообмена, что повышает мощность на турбине и организовать переток компонентов топлива в полостях смесительной головки из переферийной в центральную часть без необходимости организации дополнительных коллекторов для подвода топлива в центральных частях смесительной головки, что снижает массу конструкции.
Использование теплообменника, закрепленного на наружном днище и пилонах корпуса головки, у которого коллектор входа и (или) выхода расположены вне полости камеры, а на наружной и (или) внутренней поверхности теплообменника выполнены интенсификаторы теплообмена, например, в виде ребер или канавок упрощает конструкцию коллекторов подвода и отвода охладителя, делает возможным организацию параллельного распределения охладителя между трактом охлаждения камеры и теплообменника, что снижает общее гидравлическое сопротивление, повышает эффективность теплообмена, что дополнительно увеличивает мощность турбины жидкостного ракетного двигателя, работающего по безгазогенераторной схеме, и, соответственно, давление в камере, что повышает удельный импульс тяги жидкостного ракетного двигателя.
Предложенные технические решения позволяют обеспечить значительное увеличение тяги до 30÷35 тс ракетного двигателя, работающего по безгазогенераторной схеме.