КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ЖРД) С НЕОХЛАЖДАЕМЫМ НАСАДКОМ
CHAMBER OF A LIQUID PROCESSOR ENGINE (LPE) WITH A UNCOOLED NOZZLE

В настоящее время к разрабатываемым жидкостным ракетным двигателям предъявляются предельно высокие требования по экономичности и массовым характеристикам.
Обеспечение высокой экономичности требует выполнение сверхзвуковой части сопла с высокой степенью расширения (отношение площади выходного сечения сопла к площади критического сечения) порядка ~250 и выше. В результате выходное сечение сопла может достигать двух и более метров.
3
Для улучшения массовых характеристик используются неохлаждаемые насадки из углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) и углерод-керамических композиционных материалов (УККМ). Они обладают высокими физико-механическими свойствами, низким удельным весом ~1,4÷1,7 г/см и способностью сохранять работоспособность при высоких температурах порядка 2000 К и выше.
Насадок из углерод-углеродного композиционного материала с большой степенью расширения используется в американском двигателе RL-10(принятый за прототип), величина выходного сечения сопла которого составляет ~2,2 м.
Получение уникальных физико-механических свойств насадком из УУКМ или УККМ больших размеров требует колоссальных материальных затрат.
Необходимо иметь дорогостоящее крупногабаритное оборудование и выполнить очень трудоемкую и затратную технологию изготовления:
- получение 2D или 3D-каркаса из плетеных углеродных волокон;
- обеспечение пропитки каркаса горячим пеком;
- выполнение карбонизации под давлением в газостате при Т≈530°С;
- выполнение графитизации при температуре 2000-2800°С в течение 15-20 часов, для чего требуются колоссальные затраты электроэнергии.
Кроме того, требуется большое количество механической, термической обработки и выполнение контрольных операций.
Из-за большой трудоемкости, длительности изготовления и колоссальных материальных затрат, сравнимых с изготовлением самого двигателя, крупногабаритные неохлаждаемые насадки не нашли применения в российских ЖРД.
Поставленная задача внедрения крупногабаритных насадков из УУКМ в ЖРД достигается тем, что камера жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) с неохлаждаемым насадком, содержащая охлаждаемую часть с каналами охлаждения и неохлаждаемый насадок из углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) или углерод-керамических композиционных материала (УУКМ), согласно изложению, насадок из УУКМ или УККМ выполнен из панелей, имеющих внутренний профиль камеры, соединенных по торцу между собой в замок с прокладкой из терморасширенного графита, а на наружных поверхностях панелей в упор с уступом установлены из УУКМ силовые бандажи, закрепленные между собой фланцевыми соединениями, и соединение панелей с охлаждаемой частью сопла обеспечивается разъемной накладкой с помощью сварки, согласно изложению:
- силовые бандажи представляют собой намотку нитей из углеродного волокна;
- по всей наружной поверхности панелей нанесен силовой слой углеродной нити.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемами, показанными на фиг.1, 2, 3, 4, 5.
На фиг.1 показана охлаждаемая часть камеры 1, соединенная с панелями насадка 2 с помощью накладки 4, где силовые бандажи 5 закрепляют панели.
На фиг.2 показана охлаждаемая часть камеры 1 и панели из УУКМ или УККМ 2, образующие неохлаждаемый насадок.
На фиг.3 показано соединение панелей 2 между собой в замок 6 с использованием прокладки из терморасширенного графита 7.
На фиг.4 показано фланцевое соединение 8 силовых бандажей 5, закрепляющих панели 2.
На фиг.5 показано изометрическое изображение панели 2 с ребрами для упора 9 бандажей 5, где 10 - канавка для укладки терморасширенного графита.
2
2
Камера работает следующим образом. По соответствующей команде компоненты топлива подаются в камеру, и происходит их воспламенение. Образуется процесс сгорания топлива. Продукты сгорания из камеры сгорания поступают в сверхзвуковую часть сопла. Пройдя охлаждаемую часть сопла, они обтекают неохлаждаемый насадок с давлением на стенках, как правило, на входе 0,5÷0,45 кгс/см и на выходе 0,2÷0,18 кгс/см.
При этом от действия распределенного давления на стенку насадка будет действовать общее усилие на силовые бандажи ~50÷56 т., которые без особых напряжений воспринимаются, например, 4 силовыми бандажами. По торцу панелей в замке с прокладкой из терморасширенного графита реализуется герметичность стыка, работоспособность которого обеспечивается наличием силовых бандажей.
Использование предложенного технического решения позволяет обеспечить предельно высокие энергетические и массовые характеристики при большом снижении трудоемкости изготовления, времени изготовления и уменьшении в 40-50 раз материальных затрат на изготовление сверхзвуковых насадков больших размеров.