Стендовый жидкостный ракетный двигатель с непрерывной спиновой детонацией
STAND LIQUID ROCKET ENGINE WITH CONTINUOUS SPIN DETONATION

Область техники
Изобретение относится к стендовым ЖРД, работающих в режиме непрерывной детонации на топливной смеси, состоящей из газообразного кислорода и керосина.
Предшествующий уровень техники
На сегодняшний день известна основная схема организации детонационного горения: в детонационных волнах, непрерывно циркулирующих в тангенциальном направлении поперек кольцевой камеры сгорания (спиновая детонация). Однако до сих пор нет экспериментальных данных, подтверждающих эффективность этого способа. Прямого сравнения измеренных тяговых характеристик реактивных двигателей с импульсной детонацией и с непрерывным горением не производили из-за того, что испытания длились не более одной секунды.
Проведенные патентные исследования по ЖРД со спиновым детонационным горением выявили три иностранных изобретений и одно Российское техническое решение, которые относятся к рассматриваемой теме.
Так, например, в изобретении US №3240010, 1966 г. детонационная камера сгорания образована между кольцевой смесительной головкой и заглушкой, вставленной в корпус двигателя. Кольцевая камера сгорания содержит смесительную головку, в которой выполнены две пары кольцевых струйных форсунок. Двигатель также содержит инициатор детонации, через заслонку подает топливную смесь в кольцевую камеру сгорания.
В изобретении US №3336754, 1967 г. корпус двигателя выполнен в виде кольцевой или эллипсообразной формы, который с одной стороны закрыт диском, а с другой закрыт кольцевой оболочкой, в которой выполнена кольцевая камера сгорания, образованная двумя кольцевыми вкладышами, в которых выполнены струйные форсунки окислителя и горючего. Выход продуктов сгорания из той кольцевой камеры создает тягу двигателя. В кольцевой камере создается непрерывная детонационная волна за счет ввода продуктов сгорания из инициатора детонации.
Известен стендовый ЖРД со спиновым детонационным режимом горения (патент US №8544280, 01.10.2013 г. МПК F02K 5/02 - 7/02), включающий в себя кольцевую камеру сгорания, в которой с одной стороны присоединена смесительная головка, а с другой - реактивное сопло. Кольцевая камера сгорания образована двумя соосными цилиндрами с образованием кольцевого зазора между ними. Смесительная головка состоит из кольцевого канала, через который со стороны входа двигателя подается горючее, и элемента, обеспечивающего закручивание потока газообразного окислителя - крыльчатка, вентилятора или лопаточное устройство. Между кольцевой камерой сгорания и смесительной головкой установлено кольцо, сужающее зазор между цилиндрами таким образом, чтобы предотвратить проскок детонационной волны из кольцевой камеры сгорания в смесительную камеру при работе двигателя. Реактивное сопло образуется коническим центрирующим телом, присоединенным к другому торцу внешнего цилиндра. Кольцевая камера сгорания имеет каналы, через которые осуществляется замер давления и температуры топливной смеси внутри камеры сгорания, и канал для ввода электрода для зажигания смеси.
Известен также Российский стендовый ракетный двигатель (Доклады Академии Наук, 2014 г., том 459, №6, с. 711-716, «Экспериментальное доказательство энергоэффективности термодинамического цикла Зельдовича», авт.Фролов С.М. и др.), включающий в себя кольцевую камеру сгорания, к которой с одной стороны присоединена смесительная головка, а с другой - реактивное сопло. Кольцевая камера сгорания образована двумя соосными цилиндрами с образованием кольцевого зазора между ними. Смесительная головка состоит из тонкого диска с заостренной кромкой, присоединенного к торцу внутреннего цилиндра камеры сгорания, так, что между кромкой и внешней стенкой камеры сгорания был кольцевой зазор шириной 1 мм, и 72 радиальных мелких отверстий во внешней стенке камеры сгорания, расположенных в одном поперечном сечении на осевом расстоянии 0,5 мм вниз по течению. Кислород попадает в камеру сгорания в осевом направлении через кольцевой зазор смесительной головки, а водород через указанные радиальные отверстия. Реактивное сопло образовано коническим центральным телом с углом при вершине 50°, присоединенным к другому торцу внутреннего цилиндра. Вблизи выходного сечения внешнего цилиндра с зазором расположен электрод, обеспечивающий зажигание топливной смеси. Ввиду больших тепловых нагрузок корпус камеры сгорания охлаждается водой и изготовлен из меди. Прототип.
2
Однако известное техническое решение не обеспечивает требуемого ресурса работы камеры сгорания при давлении более 2 кгс/см и продолжительности огневого испытания более 2 сек.
Раскрытие изобретения
2
Задача изобретения состоит в создании ЖРД, работающего в режиме непрерывной спиновой детонации при достаточно высоких давлениях в камере сгорания (от 16 кгс/см и более).
Эта задача решена за счет того, что в стендовом ЖРД с непрерывной спиновой детонацией, включающем в себя кольцевую камеру сгорания, к которой с одной стороны присоединена смесительная головка, а с другой - реактивное сопло, кольцевая камера сгорания образована двумя соосными цилиндрами с образованием кольцевого зазора между ними,
- смесительная головка установлена вдоль оси двигателя и выполнена из кольцевого огневого днища, в котором по середине выполнена кольцевая щелевая форсунка подвода окислителя, по обе стороны от которой выполнены радиальные струйные форсунки подачи горючего, оси которых направлены под острым углом к щелевой форсунке, а выход из смесительной головки соединен с кольцевой детонационной камерой;
- наружный корпус кольцевой камеры состоит из наружной силовой стенки, выполненной из высокопрочного сплава и внутренней оребренной стенки, выполненной из высокотеплопроводного сплава, соединенных между собой пайкой;
- в корпусе кольцевой камеры выполнены три отверстия, герметично проходящие через обе его стенки, одно для подвода горючей смеси из инициатора детонационного горения в кольцевую камеру детонационного горения, другие два для регистрации давления в кольцевой камере;
- внутренний корпус двигателя состоит из наружной гладкой стенки, выполненной из высокотеплопроводного сплава, внутренней оребренной стенки - из прочного теплопроводного сплава, соединенных между собой пайкой.
Другими отличиями является то, что:
- что инициатор детонационного горения выполнен в виде камеры, имеющей штуцера подвода окислителя и горючего и выводной канал подачи продуктов сгорания в кольцевую камеру, а также свечу зажигания;
- значение острых углов, по которым наклонены оси стройных форсунок, лежат в пределах 40°-50°;
- наружная силовая оболочка наружного корпуса выполнена из сплава ВНС-16, а внутренняя огневая стенка выполнена из меди или медного сплава БрХ08;
- наружная оболочка внутреннего корпуса выполнена из меди или медного сплава БрХ08, а внутренняя оболочка этого корпуса выполнена из сплава 273;
- корпус инициатора детонационного горения выполнен из стали ЭП-202;
- окислитель представляет собой воздух;
- окислитель представляет собой газообразный кислород;
- горючее представляет собой жидкий керосин.
Перечень чертежей
На фиг. 1 представлено продольное сечение предлагаемого двигателя; на фиг. 2 представлен фрагмент сечения смесительной головки.
Описание изобретения
Двигатель включает в себя (фиг. 1) смесительную головку 1, наружный корпус 2, внутренний корпус 3, инициатор детонации 4, магистраль подвода окислителя 5, магистраль подвода горючего 6, магистраль подвода охлаждающей жидкости в наружный корпус 7, магистраль отвода охлаждающей жидкости 8, магистраль подвода охлаждающей жидкости во внутренний корпус 9, магистраль отвода охлаждающей жидкости из внутреннего корпуса 10 и узел крепления 11.
Камера (фиг. 1) состоит из камеры сгорания 12 и сопла 13.
Камера сгорания представляет собой кольцевой канал, образованный наружным и внутренним корпусами 2.
Сопло представляет собой профилированный контур, образованный наружным и внутренним корпусами.
Смесительная головка 1 (фиг. 2) состоит из огневого днища 14, в котором выполнены кольцевой канал 15 и множество отверстий 16 с обеих сторон кольцевого канала щелевой форсунки, направленных под острым углом 40…50° в сторону кольцевого канала, и корпуса 17, выполненного из высокопрочного материала.
Наружный корпус 2 состоит из наружной оболочки 18, выполненной из высокопрочного сплава, например, ВНС-16 и внутренней оребренной стенки 19, выполненной из высокотеплопроводного сплава, например, меди или медного сплава БрХ08, соединенных между собой методом пайки. В корпусе выполнены три отверстия, проходящие через обе стенки, 20 - для подачи горючей смеси из инициатора в камеру сгорания и 21 - для двух датчиков давления, регистрирующих процесс и величины давления в камере сгорания 12.
Внутренний корпус 3 состоит из гладкой оболочки 23, выполненной из высокотеплопроводного сплава, например, из меди или медного сплава БрХ08, и оребренной оболочки 22, выполненной из прочного теплопроводного сплава, например, сплава 273, соединенных между собой методом пайки.
Инициатор детонационного горения 4 состоит из камеры сгорания 24, двух штуцеров подвода горючего 25, двух штуцеров подвода окислителя 26, канала подвода продуктов сгорания 27 в камеру сгорания демонстрационного образца и свечи зажигания 28. Корпус камеры сгорания инициатора 29 выполнен из стали ЭП-202 неохлаждаемым; вблизи торца свечи 28 выполнены перпендикулярно оси камеры два отверстия 30 для впрыска горючего и два отверстия для впрыска окислителя.
Магистрали подвода компонентов топлива, подвода и отвода охлаждающей жидкости, например, воды, выполнены таким образом, что соединение со стендовыми магистралями выполнены разъемными, при этом подвод и отвод охлаждающей жидкости для внутреннего корпуса выполнены в виде двух коаксиально расположенных труб.
Узел крепления 11 представляет собой диск, в котором выполнены шесть отверстий, используемых для крепления к стендовой раме.
Конструктивное исполнение трактов охлаждения камеры сгорания в сочетании с использованием высокотеплопроводных и высокопрочных сплавов позволяет обеспечить работоспособность камеры сгорания при повышенных значениях энергетических характеристик двигателя по сравнению с известными. Представленная схема смесеобразования позволяет сократить период смешения компонентов, что способствует возникновению устойчивого горения с детонационными волнами.
Работа двигателя
Вначале подается жидкость в охлаждающие тракты наружного 2 и внутреннего 3 корпусов.
Для охлаждения наружного корпуса вода через штуцеры 7 и коллектор 34 поступает в охлаждающий тракт и, пройдя его, через коллектор 35 и штуцеры 8 отводится в стендовые емкости.
Для охлаждения внутреннего корпуса вода через четыре штуцера 9, тракт 36 и отверстия 37 поступает в охлаждающий тракт, и пройдя его, через тракты 38, 39 и четыре штуцера 10 отводится в стендовые емкости.
Газообразный кислород (воздух) с температурой окружающей среды из стендовой магистрали поступает через четыре штуцера 5 в коллектор 32, из которого через кольцевую щель 15 (смотри фиг. 2), поступает в кольцевую камеру сгорания 12; одновременно кислород через два штуцера 26 поступает в камеру сгорания 24 инициатора.
Керосин через два штуцера 6 поступает в коллектор 33 и далее через отверстия 16 (смотри фиг. 2) диаметром 0,35 мм впрыскивается в кольцевую камеру сгорания 12, где происходит смешение с поступившем кислородом; одновременно керосин через два штуцера 25 поступает в камеру сгорания инициатора.
Для поджига смеси кислорода с керосином в инициаторе применяется свеча 28.
Кислород впрыскивается в камеру сгорания 24 инициатора через 2 отверстия, керосин - впрыскивается через 2 отверстия перпендикулярно оси камеры инициатора, где происходит смешение поступивших компонентов.
Для поджига смеси в камере 24 инициатора используется специальная электрическая свеча.
Продукты сгорания из инициатора через отверстие 20 поступают в кольцевую камеру сгорания 12 и воспламеняют находящуюся там смесь кислорода с керосином и, соответственно, инициируют спиновую детонационную волну. После возникновения детонационной волны, расход керосина через инициатор отключается, через инициатор продолжает поступать в кольцевую камеру сгорания 12 только кислород.
2
Выполнение кольцевой камеры сгорания из двух коаксиально расположенных достаточно прочных охлаждаемых корпусов позволяет поднять давление продуктов сгорания в камере до 16 кгс/см и выше и увеличить продолжительность огневого испытания до 30 секунд и более.
Выполнение смесительной головки в виде кольцевого огневого днища с выполнением в нем кольцевой щелевой форсунки подвода окислителя, по обе стороны от которой выполнены радиальные струйные форсунки подачи горючего, позволяет получить требуемое смешение компонентов в непосредственной близости у огневого днища, что обеспечивает "плавность" запуска двигателя.
Промышленное применение
Предлагаемая конструкция двигателя позволяет проводить отработку процесса горения с детонационными волнами в широком диапазоне параметров работы двигателя с последующим использованием результатов отработки для создания промышленных образцов.