СПОСОБ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА В ЖИДКОСТНОМ РАКЕТНОМ ДВИГАТЕЛЕ И УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЭТОГО СПОСОБА
METHOD OF IGNITION OF FUEL COMPONENTS IN LIQUID ROCKET ENGINE AND LASER IGNITION DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД), и может быть использовано при разработке и создании ЖРД на несамовоспламеняющихся компонентах топлива, имеющих повышенные требования к энергомассовым характеристикам и надежности запуска, особенно для ЖРД с многократным включением в полете.
Одной из основных проблем при создании ЖРД, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах топлива, является обеспечение надежной работы системы воспламенения с одновременным обеспечением ее минимальной массы, а также минимальной стоимости отработки и изготовления.
Наиболее распространенными способами воспламенения компонентов топлива в существующих ЖРД являются:
- химический способ (использование пускового горючего, самовоспламеняющегося с окислителем);
- пиротехнический способ (использование высокотемпературных продуктов сгорания от автономного порохового запальника);
- электроплазменный способ (использование высокотемпературных продуктов сгорания компонентов топлива, образующихся в автономном электроплазменном запальнике).
Указанные выше способы воспламенения имеют ряд недостатков:
- повышенные требования к безопасности эксплуатации (для химического и пиротехнического способов);
- экологически «грязные» продукты сгорания (для химического и пиротехнического способов);
- сложная пневмогидравлическая схема (для химического и электроплазменного способов);
- необходимость перезарядки для проведения повторного включения (для химического и пиротехнического способов).
Известен также способ воспламенения компонентов топлива, при котором для их воспламенения используется энергия лазерного излучения.
Применение лазерного воспламенения компонентов топлива для запуска ракетных двигателей, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах топлива, имеет ряд преимуществ перед традиционными способами. Среди них в первую очередь можно отметить безопасность при использовании, а также простоту конструкции и соответственно более высокую надежность за счет упрощения пневмогидравлической схемы двигателя.
Известны способ лазерного воспламенения горючей смеси двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления (патент РФ №2436991, МПК F02P 23/04, опубл. 2011 г.). Способ лазерного зажигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания и система для его осуществления, заключающийся в том, что горючую смесь воспламеняют с помощью лазерного оптического разряда, для его интенсификации лазерный луч концентрируют на металлическую поверхность поршня двигателя.
Одним из недостатков указанного способа является наличие мишени, которой является поршень двигателя и поверхность которой подвергается эрозии под действием лазерного излучения. Для воспламенения компонентов топлива в ЖРД потребная мощность лазерного излучения существенно выше, чем в двигателе внутреннего сгорания, поэтому и интенсивность эрозии поверхности, на которую концентрируют лазерный луч, будет выше.
Известны способ лазерного воспламенения компонентов топлива в камере сгорания ракетного двигателя и устройство для его осуществления (патент РФ №2326263, МПК F02K 9/95, опубл. 2008 г. - прототип). Данный способ основан на раздельной и разновременной подаче пусковых порций компонентов топлива, подаче энергии и воспламенении смеси компонентов топлива с получением факела продуктов сгорания, воспламеняющего основной расход компонентов топлива, при этом воспламенение осуществляют путем фокусировки лазерной энергии в область оптического пробоя, причем подачу компонентов топлива и подачу лазерной энергии осуществляют таким образом, чтобы соотношение компонентов топлива в этой области было оптимальным для воспламенения.
Основными недостатками указанного способа воспламенения являются:
- малая величина пусковых расходов компонентов топлива и соответственно необходимость реализации на запуске ракетного двигателя промежуточной ступени, усложняющей конструкцию агрегатов, обеспечивающих запуск;
- подача топлива в область оптического пробоя при оптимальном для воспламенения соотношении компонентов требует специального автономного устройства для его обеспечениям и усложняет пневмогидравлическую схему двигателя.
Известны способ лазерного воспламенения горючей смеси двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления (патент РФ №2436991, МПК F02P 23/04, опубл. 2011 г. - прототип). В устройстве для реализации способа фокусирующая линза в верхней части через световод соединена с лазером, а со стороны цилиндра двигателя имеет упорную втулку с защитным окном, отделяющим оптическую систему от продуктов сгорания цилиндра двигателя.
Недостатком указанного выше устройства для углеводородных горючих (керосин, метан и т.п.) является то, что при воспламенении компонентов топлива на оптических элементах, выводящих лазерное излучение в камеру сгорания, оседают твердые частицы продуктов сгорания (копоть). Это затрудняет повторное воспламенение компонентов топлива в ЖРД многократного включения в одном полете.
Задачей изобретения является создание ЖРД, в котором воспламенение компонентов топлива осуществляется лазерной системой сначала в полости одной или нескольких форсунок смесительной головки, а далее во всем объеме камеры сгорания, что обеспечивает повышение надежности.
Поставленная задача достигается тем, что в предложенном способе воспламенения компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе, основанном на нагреве, газификации и воспламенении горючей смеси, путем подачи энергетического импульса от лазерного источника согласно изобретению фокусирование лазерного луча осуществляют одной или несколькими линзами таким образом, что оптический пробой осуществляют в заполненной смесью компонентов топлива полости, по крайней мере, одной форсунки многофорсуночной смесительной головки с воспламенением смеси компонентов топлива в полости этой форсунки и последующим воспламенением всего расхода топлива, выходящего из смесительной головки, продуктами сгорания из этой форсунки.
Кроме того, фокусирующее устройство располагают в полости смесительной головки, заполняемой при работе оптически прозрачным компонентом топлива.
Кроме того, в зоне пробоя обеспечивают оптимальный для осуществления воспламенения состав смеси как по расходу, так и по соотношению компонентов топлива за счет расходных и геометрических характеристик форсунок.
Указанный способ реализуется в устройстве лазерного воспламенения, содержащем лазер с узлом накачки, оптический световод, фокусирующую линзу, установленную в корпусе, согласно изобретению внутренняя полость корпуса с фокусирующей линзой соединена с полостью смесительной головки.
Кроме того, оптический световод закреплен в корпусе герметично.
Сущность изобретения иллюстрируется фигурой 1.
Система воспламенения для осуществления способа содержит узел накачки лазера (1), лазер (2), световод (3), по которому проходит лазерное излучение, и фокусирующее устройство, состоящее из корпуса (4) и одной или нескольких линз (5).
Корпус (4) с фокусирующей линзой (5) располагаются в полости (6) оптически прозрачного компонента топлива (А), что позволяет исключить контакт линзы с высокотемпературными продуктами сгорания, образующимися в камере сгорания (9) агрегата.
Полость корпуса (4) соединена с полостью (6) смесительной головки (7), например, с помощью отверстий (8) или пазов. Это позволяет исключить силовое воздействие на фокусирующую линзу от давления компонента топлива, поступающего в полость (6). При этом фокус (10) линзы (5) располагается в полости форсунки (11) в зоне, где реализуются наиболее оптимальные для воспламенения соотношение компонентов топлива и расходы оптически прозрачного (А) и второго (Б) компонентов топлива.
Использование предложенного технического решения позволит повысить надежность воспламенения компонентов топлива особенно для ЖРД многократного включения, а также улучшить массово-габаритные характеристики ЖРД и снизить стоимость отработки системы воспламенения за счет:
- исключения загрязнения поверхности фокусирующей линзы химическими элементами и соединениями, содержащимися в продуктах сгорания;
- использования менее мощных, а следовательно, менее габаритных и более легких лазерных устройств для воспламенения компонентов топлива, так как с помощью лазерного устройства происходит воспламенение малой части (проходящей через одну или несколько форсунок) общего расхода компонентов топлива. Основная часть топлива поджигается от продуктов сгорания, образующихся в отдельной форсунке;
- оптимизации характеристик топливной смеси в зоне воспламенения изменением расходных и геометрических характеристик форсунок;
- исключения воздействия на фокусирующую линзу высокотемпературных продуктов сгорания, образующихся в «горячих» агрегатах во время их работы. Таким образом, не требуется дополнительной защиты фокусирующей линзы от воздействия высокой температуры;
- исключения воздействия на фокусирующую линзу сил от давления компонента топлива, что позволяет использовать оптимальную линзу и упрощает ее заделку в корпусе;
- отработки системы воспламенения на модельной однофорсуночной установке.