ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ МАЛОЙ ТЯГИ
LOW-THRUST LIQUID-PROPELLANT ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в конструкции, в частности жидкостных ракетных двигателей малой тяги (ЖРДМТ).
ЖРДМТ в настоящее время применяются в большинстве космических аппаратов, кораблях и разгонных блоках ракет носителей в качестве исполнительных органов системы управления. В связи с этим в последнее время существенно возрастают требования к ЖРДМТ по ресурсу, надежности работы и энергетическим показателям.
УД
Для выполнения всех этих требований необходимо решение задачи по обеспечению приемлемого теплового состояния ЖРДМТ - запаса по температуре стенки камеры сгорания (особенно в районе критического сечения), неперегреве смесительной головки и агрегатов ЖРДМТ и недопущения вскипания компонентов топлива. При этом требуется реализовать его высокую экономичность (J≥2950 м/с).
Для решения этой задачи требуется обеспечение участия максимального количества топлива в процессе охлаждения камеры.
Известны технические решения, в которых для обеспечения эффективного охлаждения смешение компонентов осуществляется на начальном участке стенки камеры сгорания. Фирма «Bölkow Gesellschaft» из ФРГ имеет патент США №3169368 на однофорсуночную головку ЖРДМТ с 2-компонентной центробежной форсункой. Техническое решение, заявленное фирмой «ThiokolChemicalCarp» в патенте №3382677 США, предусматривает подачу компонента «Г» через тангенциальные отверстия, либо через струйные с закруткой на стенку, и подачу компонента «О» из центрального канала через радиальные струйные форсунки на отражательное кольцо. Оба этих решения не обеспечивают достаточного охлаждения стенок камеры сгорания вследствие возникновения колебаний в камере сгорания, срыва потока (в первом техническом решении), разрушения и затормаживания текущей пленки (во втором техническом решении), что ограничивает длительность непрерывных и импульсных пусков.
Известно техническое решение, заявленное фирмой ФРГ «Bölkow Gesellschaft», патент в США №3546883, во Франции №1578093, в Англии №1229628. Окислитель из кольцевого коллектора истекает через струйные форсунки под углом на цилиндрическую поверхность камеры сгорания. На растекающиеся пленки окислителя падает создаваемая конусом распыла осевой центробежной форсунки пленка горючего. От места контакта пленки текут вместе, осуществляя процесс жидкофазного смешения компонентов и одновременно участвуя в охлаждении камеры сгорания. За счет большой составляющей осевой скорости пленок компонентов обеспечивается эффективный теплосъем корневой части камеры сгорания. Но испытания опытных образцов, выполненных по указанной выше конструкции, выявили, что при длительных включениях в импульсном режиме, а также при длительных включениях на компонентах с температурой, близкой к верхнему пределу, заданному техническим заданием, наблюдается значительный рост температуры смесительной головки, что приводит к падению расхода окислителя и соответственно надежности двигателя.
Известный ЖРДМТ на самовоспламеняющемся двухкомпонентном топливе, взятый за прототип изобретения (см. патент на изобретение №2527825), содержит неохлаждаемую камеру сгорания, смесительную головку с внутренним днищем, осевой центробежной форсункой, периферийным поясом струйных форсунок и кольцевым коническим дефлектором между ними, причем срез центробежной форсунки углублен от выходной кромки образующей поверхности дефлектора в сторону периферийного пояса струйных форсунок, при этом коническая поверхность дефлектора в своей корневой части плавно переходит в цилиндрическую поверхность, соосную с дефлектором и плавно переходящую в обратный конус, острая кромка образующей которого ограничена цилиндрической поверхностью диаметром, меньшим диаметра расположения периферийного пояса струйных форсунок. Согласно этому решению окислитель через струйные форсунки попадает на конический дефлектор, на котором струя преобразуется в первичную пленку, стекающую с кромки дефлектора, и, попадая на внутреннюю стенку камеры сгорания, преобразуется в пленку вторичного растекания. Таким образом, струи окислителя преобразовываются в пленки, покрывающие практически всю окружность стенки камеры сгорания. Горючее через осевую центробежную форсунку в виде пленки конуса распыла попадает также на стенку камеры сгорания, где происходит соприкосновение самовоспламеняющихся компонентов топлива, совместное их течение по стенке камеры с взаимным их проникновением и жидкофазным смешением с образованием продуктов сгорания. Таким образом, практически все топливо: окислитель и горючее - попадает на стенку камеры сгорания и участвует в ее охлаждении и снятии значительной части теплового потока, направленного по стенке камеры сгорания от критического сечения в сторону смесительной головки. Установка дефлектора позволяет существенно снизить тепловой поток в головку от излучения продуктов горения в камере сгорания, поскольку кольцевой дефлектор закрывает значительную часть днища головки, а сам охлаждается окислителем.
Недостаток решения по прототипу заключается в следующем. В ЖРДМТ тягой более 200 H, выполненном по прототипу, значительно увеличивается диаметр и длина камеры сгорания, и соответственно длина пролета пленки факела распыла центробежной форсунки до стенки камеры сгорания, поэтому для сокращения габаритов ЖРДМТ необходимо значительно увеличить углубление среза центробежной форсунки от выходной кромки образующей поверхности дефлектора в сторону периферийного пояса струйных форсунок. При значительном углублении (более 12 мм) среза центробежной форсунки от выходной кромки образующей поверхности дефлектора в сторону периферийного пояса струйных форсунок и большой длине пролета (более 20 мм) пленки факела распыла центробежной форсунки расстояние между кромкой дефлектора и пленкой факела распыла центробежной форсунки становится небольшим, порядка нескольких миллиметров. Поэтому в полости под внутренней поверхностью дефлектора и внутренним днищем смесительной головки, ограниченной пленкой факела распыла центробежной форсунки, вследствие эффекта эжекции возникает разряжение давления по отношению к давлению в камере сгорания. Возникающий перепад давления воздействует на пленку факела распыла центробежной форсунки, что приводит к увеличению угла факела распыла. Пленка факела распыла начинает попадать на внутреннюю поверхность дефлектора. Часть горючего отражается от дефлектора, часть - стекает с внутренней поверхности дефлектора. В итоге попадающее на стенку горючее в виде разорвавшейся пленки факела распыла центробежной форсунки с нерасчетным углом падения на стенку камеры сгорания распадается на капли, при этом значительно теряя скорость. Ухудшается процесс жидкофазного смешения. В результате всего этого, во-первых, ухудшается охлаждение камеры сгорания, а во-вторых, уменьшается стабильность работы и ухудшаются энергетические параметры ЖРДМТ.
Изобретение направлено на повышение стабильности работы ЖРДМТ и, следовательно, улучшение его параметров при повышении размерности двигателя.
Этот технический результат достигается тем, что в известном ЖРДМТ на двухкомпонентном топливе, содержащем неохлаждаемую камеру сгорания, смесительную головку с внутренним днищем, осевой центробежной форсункой, периферийным поясом струйных форсунок и кольцевым коническим дефлектором между ними, при этом срез центробежной форсунки углублен от выходной кромки образующей поверхности дефлектора в сторону периферийного пояса струйных форсунок, в отличие от прототипа выполнены каналы, сообщающие между собой полость камеры сгорания над наружной поверхностью дефлектора и полость под внутренней поверхностью дефлектора и внутренним днищем смесительной головки.
При таком исполнении в полостях над наружной поверхностью дефлектора и под внутренней поверхностью дефлектора и внутренним днищем смесительной головки давления выравниваются, что полностью исключает возможность возникновения эффекта эжекции, и, следовательно, возникновения разряжения в полости под внутренней поверхностью дефлектора и внутренним днищем смесительной головки, ограниченной пленкой факела распыла центробежной форсунки. Поэтому перепад давления на пленке факела распыла не возникает и факел распыла не отклоняется от первоначального расчетно-проектного положения.
На чертеже Фиг. 1 показан пример исполнения ЖРДМТ по изобретению. На Фиг. 2 приведен выносной элемент А (см. Фиг. 1). На Фиг. 3 представлен факел распыла осевой центробежной форсунки в смесительной головке, выполненной по прототипу. На Фиг. 4 - факел распыла центробежной форсунки в смесительной головке, выполненной по изобретению. На Фиг. 5 показана регистрация давления в камере сгорания и на входе в двигатель, осуществляемая высокодинамичными датчиками давления в течение длительной огневой работы экспериментального ЖРДМТ, выполненного по заявленному техническому решению.
ЖРДМТ содержит неохлаждаемую камеру 1, смесительную головку с внутренним днищем 2, осевую центробежную форсунку 3, периферийный пояс струйных форсунок 4, кольцевой конический дефлектор 5 между ними. Срез 6 центробежной форсунки углублен от выходной кромки 7 образующей поверхности дефлектора в сторону периферийного пояса струйных форсунок 4. В отличие от прототипа полость камеры сгорания 8 над наружной поверхностью 9 дефлектора и полость 10 под внутренней поверхностью 11 дефлектора и внутренним днищем смесительной головки сообщены между собой каналами 12. Пунктиром 13 показана разорвавшаяся пленка факела распыла центробежной форсунки с нерасчетным углом падения на стенку камеры сгорания, возникающая в прототипе в результате действия перепада давления. Факел распыла 14 центробежной форсунки соответствует первоначальному расчетно-проектному положению.
В отличие от прототипа давление в полости 10 под внутренней поверхностью 11 дефлектора и внутренним днищем смесительной головки, ограниченной пленкой факела распыла 14 центробежной форсунки за счет сообщающихся каналов 12, соответствует давлению в полости камеры сгорания 8 над наружной поверхностью 9 дефлектора и соответственно давлению в камере сгорания под пленкой факела распыла 14 центробежной форсунки. Давление с обеих сторон пленки факела распыла 14 центробежной форсунки одинаковое, значит на факел распыла не оказывается никаких воздействий. Поэтому факел распыла центробежной форсунки устойчив, пленка факела распыла долетает до стенки камеры сгорания, не теряя скорости и заданного угла падения, где встречается с пленкой окислителя. Дальше они текут вдоль стенки камеры сгорания вместе, осуществляя жидкофазное смешение компонентов по всему периметру камеры и одновременно участвуя в ее охлаждении. Протекающий процесс жидкофазного смешения близок к оптимальному. Соответственно повышаются энергетические характеристики двигателя, а также осуществляется надежное охлаждение камеры сгорания и смесительной головки. Благодаря расположению каналов 12 в корневой части дефлектора 5 попадание растекающейся части первичной пленки окислителя по наружной поверхности 9 дефлектора в полость 10 под внутренней поверхностью 11 дефлектора не происходит. Кроме этого, наличие каналов позволяет значительно увеличивать углубление среза 6 центробежной форсунки от выходной кромки 7 образующей поверхности дефлектора в сторону периферийного пояса струйных форсунок 4, а это позволяет уменьшить габариты и массу ЖРДМТ.
Выполненные по заявленному изобретению опытные образцы ЖРДМТ тягой 400 проходили испытания на предприятии - заявителе. Были проведены сравнительные проливки смесительной головки, изготовленной по прототипу, и смесительной головки, изготовленной по изобретению. Результаты проливок приведены на Фиг. 3 и Фиг. 4. По фотографиям видно, что факел распыла центробежной форсунки, изготовленной по изобретению, более устойчив. Проведенные огневые испытания показали стабильную и устойчивую работу ЖРДМТ, выполненных по изобретению, без забросов в камере сгорания. Небольшие колебания давления в камере сгорания после пуска вызваны колебаниями давлений компонентов на входе в двигатель после открытия быстродействующих клапанов (см. Фиг. 5). Величина удельного импульса повысилась на 70-100 м/с (7-10 с). Температура стенки камеры сгорания не превышала 1200°C (при допустимой 1800°C), температура на смесительной головке и агрегатах ЖРДМТ - не более 35°C. Таким образом, заявленное изобретение позволяет повысить стабильность и устойчивость работы ЖРДМТ без колебаний и забросов давления в камере сгорания и обеспечить высокий удельный импульс, а также эффективное охлаждение камеры сгорания и смесительной головки ЖРДМТ.