Ампула с пусковым горючим для зажигания компонентов топлива жидкостного ракетного двигателя
AMPOULE WITH STARTING FUEL FOR IGNITION OF FUEL COMPONENTS OF LIQUID FUEL ROCKET ENGINE

Изобретение относится к области ракетной техники и, в частности, к устройствам химического зажигания компонентов топлива ЖРД.
К настоящему времени разработаны и применяются в эксплуатации много различных схем зажигания несамовоспламеняющихся компонентов. Например, получили широкое применение химическое, пиротехническое, электроискровое зажигания. Кроме того, проводятся работы по использованию лазерного зажигания компонентов.
Известна ампула с пусковым горючим для зажигания компонентов топлива ЖРД, содержащая корпус, со входом и выходом, два мембранных узла, мембраны которых герметично закреплены по периферии в корпусе со стороны входа и выхода, (кн. "Конструкция и проектирование ЖРД" под ред. Г.Г. Гахуна. М.: Машиностроение, 1989, с. 75, рис. 4.5). В известной конструкции ампулы применены мембранные узлы с мембранами свободного прорыва.
В данном техническом решении мембрана рвется под действием давления среды, а отгибание мембраны (открытие проходного сечения) осуществляется перепадом давления на ней, который определяется, в частности, расходом жидкости. Если расход жидкости и, соответственно, перепад давления на мембране малы, то мембрана, во-первых, может прорваться только частично, а, во-вторых, может отогнуться на произвольную величину.
Недостатком этого устройства является то, что оно содержит пусковой бачок, газовый аккумулятор давления, агрегаты автоматики, что усложняет систему запуска двигателя и схему двигателя в целом.
Известен блок химического зажигания (кн. "Конструкция и проектирование ЖРД" под ред. Г.Г. Гахуна. М.: Машиностроение, 1989, с. 89), который содержит предкамеру, заполненную газообразным кислородом, пусковой бачок со штатным горючим, гильзу с мембранами свободного прорыва и агрегаты автоматики.
При запуске двигателя происходит разрыв мембран гильзы и пусковое горючее подается в предкамеру. В результате этого в предкамере происходит самовоспламенение газообразного кислорода с пусковым горючим и образование очага горения. Образовавшиеся продукты сгорания высокой температуры поступают в форсунку, установленную на смесительной головке и воспламеняют горючее и окислитель, поступившие туда ранее.
Такая система зажигания работает вполне надежно. По этой схеме запускался двигатель F-1 ракеты-носителя «Сатурн-5» (США).
Однако для запуска такой системы требуется высокое давление горючего для разрыва мембран ампулы.
Из источника (патент RU №2159353, МПК F02K 9/95, 2000 г.) известна ампула с пусковым горючим для зажигания несамовоспламеняющихся компонентов топлива, содержащая корпус с входным и выходным каналами. Внутри корпуса размещены мембранные узлы с мембранами свободного прорыва. При том мембраны герметично соединены с корпусу с возможностью их разрыва. В конструкцию ампулы входят средства для заправки корпуса пусковым горючим, поршень, являющийся частью мембраны и средство для заправки и фиксации подвижной части мембран после их разрыва. Прототип изобретения.
Для разрыва мембран требуется высокое давление штатного горючего порядка 30÷40 МПа, подаваемого из пускового бачка, рассчитанного на это давление.
Система запуска с такой ампулой, обладая всеми положительными характеристиками, тем не менее может быть улучшена за счет исключения из схемы пускового бачка, газового аккумулятора давления, сложной системы управления, включающей большое количество агрегатов автоматики.
Раскрытие изобретение
Задачей изобретения является создание новой конструкции ампулы, в которой разрыв мембран осуществляется с помощью пиропривода, срабатывающего от пиротехнического заряда, а выдавливание пускового горючего из ампулы происходит штатным горючим с давлением, равным давлению гиростатического столба в баке и давлению наддува газа.
Эта задача решена за счет того, что ампула с пусковым горючим для зажигания компонентов топлива ЖРД содержит силовой цилиндр, заполненный пусковым горючим, два мембранных узла с входным и выходным каналами, мембраны которых выполнены с кольцевой утоненной перемычкой, и которые закреплены герметично со стороны входа и выхода силового цилиндра, кроме того, ампула имеет средства для разрыва мембран, для заправки силового цилиндра пусковым горючим и средства для фиксации подвижных элементов мембран после их разрыва, при этом каждый из мембранных узлов включает в себя корпус, с одной стороны которого закреплена мембрана, а с другой стороны - установлена заглушка, внутри корпуса установлен пиропривод, состоящий из цилиндрической направляющей и поршня со штоком, а с тыльной стороны мембраны прикреплен цилиндрический хвостовик, который соединен со штоком, кроме того, надпоршневая полость через отверстие в корпусе соединена с полостью штуцера, в которой установлен пиротехнический заряд, причем диаметр поршня больше диаметра срезываемой части мембраны, а соединение полости силового цилиндра с входным и выходным каналами осуществляется через кольцевой зазор, образующийся при разрыве мембраны и ее последующем перемещении.
Другими отличиями являются:
- средство для заправки цилиндра пусковым горючим состоит из заправочного и сливного штуцеров, внутри которых установлены герметизирующие заглушки;
- средство для фиксации поршня включает в себя разрезное пружинящее кольцо, вставленное в кольцевую канавку, выполненную на поршне пиропривода, и проточку, выполненную в цилиндрической направляющей пиропривода, диаметр которой больше диаметра поршня;
- в конструкцию ампулы введен дополнительный фиксатор поршня, который включает в себя конус на тыльной стороне поршня и конусное отверстие, выполненное в заглушке мембранного узла;
- внутри силового цилиндра со стороны входа и выхода установлены перфорированные решетки.
Технический результат состоит в упрощении системы запуска двигателя за счет исключения из нее газового аккумулятора давления пускового бачка с высоким давлением и сокращения количества агрегатов автоматики.
Перечень чертежей
На фиг. предложена схема продольного сечения ампулы.
Пример осуществления изобретения
Ампула (фиг. 1) содержит силовой цилиндр 1, заполненный пусковым горючим 2, два мембранных узла 3 и 4 с входным и выходным каналами 5 и 6, при этом мембранный узел 3 соединен с магистралью подвода штатного горючего, а мембранный узел 4 соединен с трубопроводом, подводящим пусковое горючее в смесительную головку газогенератора или в объем камеры сгорания (не показано). Так как мембранные узлы имеют одинаковую конструкцию, то в описании будет частично оцифрован мембранный узел 4. Каждый из них включает в себя корпус 7, с одной стороны которого закреплена мембрана 8 с кольцевой утоненной перемычкой 9, а с другой стороны - установлена заглушка 10. Внутри корпуса 7 установлен пиропривод, состоящий из цилиндрической направляющей 11, поршня 12 со штоком 13. К тыльной стороне мембраны прикреплен цилиндрический хвостовик 14, который соединен со штоком 13. Диаметр поршня больше диаметра штока. Надпоршневая полость 15 через отверстие 16 в корпусе соединена с полостью 17 штуцера 18. Полость 17 предназначена для размещения в ней пиротехнического заряда (не показан). На внешней поверхности штока выполнены две кольцевые канавки, в которые вставлены уплотнительные кольца 19. Эти кольца предотвращают попадание твердых частиц, образующихся при срабатывании пиротехнического заряда, из надпоршневой полости 15 в выходной канал 6 мембранного узла 4. Соединение полости силового цилиндра 1 с входным и выходным каналами 5 и 6 осуществляется через кольцевой зазор 20, образующийся при разрыве мембран 8 и их последующем движении. Внутри силового цилиндра 1 со стороны входа и выхода установлены перфорированные решетки 21 и 22, обеспечивающие равный проток пускового горючего по всему сечению силовой оболочки.
Для заправки ампулы пусковым горючим на внешней поверхности силового цилиндра 1 установлены два штуцера - заправочный 23 и сливной 24, внутри которых установлены герметизирующие заглушки 25 и 26.
В конструкцию ампулы входят также два фиксатора поршня - пружинный 27 и фиксатор типа «конус по конусу» 28. Пружинный фиксатор 27 включает в себя разрезное пружинящее кольцо 29, вставленное в кольцевую канавку, выполненную на поршне 12 пиропривода и проточку 30, выполненную в цилиндрической направляющей 11 пиропривода, диаметр которой больше диаметра поршня. В результате чего при перемещении поршня 12 кольцо 29, разжимаясь, попадает в проточку 30, и происходит стопорение поршня 12.
В конструкцию ампулы введен дополнительный фиксатор поршня 12, который включает в себя конус 31, расположенный на тыльной стороне поршня 12, и конусное отверстие 32, выполненное в заглушке 10. При перемещении поршня конус 31 входит в конусное отверстие 32 и стопорится за счет сил трения.
Применение двух фиксаторов позволяет после разрыва мембран надежно фиксировать поршень и не допустить его обратного перемещения.
Устройство работает следующим образом
Перед запуском двигателя во входном мембранном узле осуществляют подрыв пиротехнического заряда, находящегося в полости 17 штуцера 18, и за счет действия сжатого газа от продуктов сгорания на неразгруженную площадь поршня создается сила, приводящая к движению поршня 12 и прорыв мембраны 8 в мембранном узле 3. В результате чего штатное горючее из бака под давлением, равным давлению гидростатического столба и давлением наддува в баке, поступает в канал 5 мембранного узла 3, далее поступает в кольцевой зазор 20 и далее в силовой цилиндр 1 через перфорированную решетку 21 до соприкосновения с пусковым горючим.
При запуске двигателя подается команда на подрыв пиротехнического заряда, находящегося в полости 17 штуцера 18, выходного мембранного узла 4. Под действием пороховых газов происходит движение поршня 12 и прорыв мембраны 8, и штатное горючее, находясь под давлением, равным давлению на входе в силовой цилиндр 1, выдавливает пусковое горючее из ампулы в трубопровод, а из него в смесительную головку газогенератора или огневой объем камеры двигателя. После перемещения поршня 12 в крайнее положение происходит его фиксация с помощью пружинного фиксатора 27 и фиксатора типа «конус по конусу» 28.
Применение пиропривода для разрыва мембран позволяет существенно упростить систему запуска двигателя и снизить его стоимость.
Промышленное применение
Наиболее успешно заявленная ампула может быть использована в магистрали одного из компонентов топлива на входе в смесительную головку камеры сгорания или газогенератора для химического зажигания компонентов топлива.