Патент на изобретение №2388923

(54) ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании безгенераторных жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, например кислороде и водороде. Жидкостный ракетный двигатель, содержащий тарельчатое сопло, кольцевую камеру со смесительной головкой, расположенную осесимметрично внутри сопла, коллекторы подвода горючего и окислителя, при этом камера сгорания выполнена с профилированной внутренней стенкой и расположена вдоль продольной оси камеры, внутри камеры сгорания установлен охлаждаемый цилиндр, один торец которого соединен со смесительной головкой, другой – с центральной частью сопла и вместе с профилированной внутренней стенкой камеры сгорания образует кольцевое критическое сечение, согласно изобретению наружная оболочка кольцевой камеры сгорания выполнена из нескольких частей, при этом, по крайней мере, одна часть наружной оболочки выполнена с возможностью радиального осесимметричного вращения вокруг продольной оси камеры жидкостного ракетного двигателя и кинематически связана с агрегатами питания, на ее внешней поверхности установлены лопатки для придания ей вращательного движения, а внутри охлаждаемого цилиндра, за смесительной головкой, осесимметрично установлен с возможностью качания во взаимно перпендикулярных плоскостях жидкостный ракетный двигатель с соплом Лаваля, при этом полость сопла этого двигателя открывается в полость тарельчатого сопла. Изобретение обеспечивает увеличение удельного импульса тяги и упрощение управления вектором тяги. 1 ил.

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании безгенераторных жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, например кислороде и водороде.

В настоящее время одной из основных проблем при создании жидкостных ракетных двигателей является получение высокого значения удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, в частности сопла. Одним из путей, позволяющих обеспечить достаточно высокое значение удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, является использование вместо обычных круглых сопел Лаваля кольцевых сопел. Отличие между соплом Лаваля и кольцевым состоит в том, что кольцевое сопло имеет форму критического сечения не круглую, а кольцевую. Кольцевые сопла позволяют увеличить площадь выходного сечения сопла и разместить часть агрегатов в центральной части, что приводит к уменьшению линейных размеров двигателя.

Известна принципиальная схема кольцевой камеры жидкостного ракетного двигателя, реализующая данный принцип (А.П.Васильев и др. “Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей”. Москва, “Высшая школа”, 1967 г., рис.X.186).

Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий кольцевую камеру со смесительной головкой, тарельчатым соплом внешнего расширения, профилированным центральным телом и кольцевым критическим сечением, агрегаты управления и агрегаты питания, включающие турбонасосный агрегат с турбиной, расположенные в полости профилированного центрального тела (М.В.Добровольский и др. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования”. Москва, “Высшая школа”, 1968 г., рис.2.32, стр.59).

Указанный двигатель работает следующим образом. Компоненты топлива подаются в смесительную головку, воспламеняются и истекают через кольцевое критическое сечение. В тарельчатом сопле внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя – контуром профилированного центрального тела.

Недостатками данного двигателя являются сложность пневмогидравлической схемы, недостаточно высокие массово-габаритные характеристики, а также то, что для изменения направления вектора тяги необходимо качать весь двигатель во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий тарельчатое сопло, в полость которого открываются сопла камер с соплом Лаваля. (А.П.Васильев и др. Под общей редакцией Кудрявцева В.М. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. М., Высшая школа, 1967, 670 стр., рис.Х22, стр.342).

В этом случае несколько камер с соплом Лаваля установлены вне тарельчатого сопла внутреннего расширения, а полости их сопел открываются в полость тарельчатого сопла, и, таким образом, истекающие потоки продуктов сгорания из круглых сопел расширяются по стенкам тарельчатого сопла. При качании одной из камер с соплом Лаваля струя продуктов сгорания взаимодействует и перемешивается с остальными струями, что снижает эффективность регулирования.

Недостатком данного двигателя является то, что для управления вектором тяги по крену и тангажу необходимо качать весь двигатель в карданном подвесе.

Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий тарельчатое сопло, кольцевую камеру со смесительной головкой, расположенную осесимметрично внутри сопла, коллекторы подвода горючего и окислителя, при этом камера сгорания выполнена с профилированной внутренней стенкой и расположена вдоль продольной оси камеры, внутри камеры сгорания установлен охлаждаемый цилиндр, один торец которого соединен со смесительной головкой, другой – с центральной частью сопла и вместе с профилированной внутренней стенкой камеры сгорания образует кольцевое критическое сечение (Патент РФ 2151318, МПК F02K-прототип).

В данном двигателе компоненты топлива подаются в смесительную головку, воспламеняются и поступают к кольцевому критическому сечению. В критическом сечении поток продуктов сгорания разворачивается на 180° и подается к срезу тарельчатого сопла. В тарельчатом сопле внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя – контуром камеры сгорания, которая выполнена в виде профилированного охлаждаемого цилиндра, состоящего из нескольких оболочек.

Для управления вектором тяги по крену и тангажу необходимо качать весь двигатель в карданном подвесе, что приводит к значительному усложнению узла подвески двигателя и ухудшению массово-габаритных характеристик.

Для подачи компонентов топлива в смесительную головку используется турбонасосный агрегат, турбина которого приводится во вращение струей газов, истекающих из газогенератора.

Основными недостатками данного двигателя являются значительные диаметральные размеры и сложность пневмогидравлической схемы, связанные с тем, что для подачи компонентов топлива в смесительную головку используется турбонасосный агрегат, турбина которого приводится во вращение струей газов, истекающих из газогенератора. Использование газогенератора приводит к необходимости организации трубопроводов подвода компонентов топлива в газогенератор, использованию специальной ступени в турбонасосном агрегате или специальных насосов для подачи компонентов топлива с повышенным давлением в смесительную головку газогенератора, что в конечном итоге приводит к увеличению массы и ухудшению массово-габаритных характеристик двигателя.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание жидкостного ракетного двигателя, конструкция которого позволяет обеспечить достаточно высокое значение удельного импульса тяги и упростить управление вектором тяги при движении летательного аппарата.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенном жидкостном ракетном двигателе, содержащем тарельчатое сопло, кольцевую камеру со смесительной головкой, расположенную осесимметрично внутри сопла, коллекторы подвода горючего и окислителя, при этом камера сгорания выполнена с профилированной внутренней стенкой и расположена вдоль продольной оси камеры, внутри камеры сгорания установлен охлаждаемый цилиндр, один торец которого соединен со смесительной головкой, другой – с центральной частью сопла и вместе с профилированной внутренней стенкой камеры сгорания образует кольцевое критическое сечение, согласно изобретению наружная стенка камеры сгорания выполнена состоящей из нескольких частей, при этом, по крайней мере, одна часть наружной стенки камеры сгорания выполнена с возможностью радиального осесимметричного вращения вокруг продольной оси камеры жидкостного ракетного двигателя и кинематически связана с агрегатами питания, на ее внешней поверхности установлены лопатки для придания ей вращательного движения, а внутри камеры сгорания, за смесительной головкой, осесимметрично установлен с возможностью качания во взаимно перпендикулярных плоскостях жидкостный ракетный двигатель с соплом Лаваля, при этом полость сопла этого двигателя открывается в полость тарельчатого сопла.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где показан осевой разрез предложенного двигателя.

Двигатель состоит из кольцевой камеры сгорания 1 со смесительной головкой 2 и тарельчатым соплом 3 внешнего расширения с кольцевым критическим сечением 4. Внутри кольцевой камеры 1, за смесительной головкой 2, осесимметрично установлен с возможностью качания во взаимно перпендикулярных плоскостях жидкостный ракетный двигатель 5 с соплом Лаваля.

Наружная оболочка кольцевой камеры сгорания 1 выполнена состоящей из нескольких частей – неподвижной 6 и подвижной 7, с возможностью радиального осесимметричного вращения вокруг продольной оси камеры жидкостного ракетного двигателя. На внешней поверхности подвижной части 7 установлены лопатки 8 для придания ей вращательного движения. Подвижная часть 7 наружной оболочки кинематически связана с агрегатами питания 9.

Предложенный двигатель работает следующим образом.

Двигатель с тарельчатым соплом неподвижно устанавливается на раму летательного аппарата.

Первоначальный запуск двигателя осуществляется путем подачи на лопатки 8 подвижной части 7 наружной оболочки камеры сгорания 3, играющей роль турбины турбонасосного агрегата, струи газов пирозапальника или газов из специального баллона для раскрутки турбины. Подвижная часть начинает вращаться и приводит в действие агрегаты питания 9.

Компоненты топлива подаются в смесительную головку 2, воспламеняются и поступают к кольцевому критическому сечению. В критическом сечении продукты сгорания разворачиваются на 180° и поступают к срезу тарельчатого сопла. В тарельчатом сопле внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя – контуром профилированного центрального тела, в данном случае – кольцевой камеры сгорания 1, имеющей цилиндрическую форму. Далее продукты сгорания со сверхзвуковой скоростью поступают к срезу тарельчатого сопла 3 и обтекают при этом лопатки 8, установленные на подвижной части 7 наружной оболочки камеры сгорания 3. Подвижная часть 7 начинает вращаться вокруг оси вращения и приводит во вращение агрегаты питания 9, которые подают компоненты топлива в смесительную головку 2.

Часть компонентов при помощи агрегатов питания подается в двигатель 5. Продукты сгорания компонентов топлива двигателя с соплом Лаваля также истекают по оси двигателя.

При необходимости изменения направления вектора тяги в одной из плоскостей изменяют положение двигателя 5 в карданном подвесе.

Использование предложенного технического решения позволит упростит пневмогидравлическую схему двигателя и улучшить его массово-габаритные характеристики.

Формула изобретения

Жидкостный ракетный двигатель, содержащий тарельчатое сопло, кольцевую камеру со смесительной головкой, расположенную осесимметрично внутри сопла, коллекторы подвода горючего и окислителя, при этом камера сгорания выполнена с профилированной внутренней стенкой и расположена вдоль продольной оси камеры, внутри камеры сгорания установлен охлаждаемый цилиндр, один торец которого соединен со смесительной головкой, другой – с центральной частью сопла и вместе с профилированной внутренней стенкой камеры сгорания образует кольцевое критическое сечение, отличающийся тем, что наружная оболочка кольцевой камеры сгорания выполнена из нескольких частей, при этом, по крайней мере, одна часть наружной оболочки выполнена с возможностью радиального осесимметричного вращения вокруг продольной оси камеры жидкостного ракетного двигателя и кинематически связана с агрегатами питания, на ее внешней поверхности установлены лопатки для придания ей вращательного движения, а внутри охлаждаемого цилиндра за смесительной головкой осесимметрично установлен с возможностью качания во взаимно перпендикулярных плоскостях жидкостный ракетный двигатель с соплом Лаваля, при этом полость сопла этого двигателя открывается в полость тарельчатого сопла.

РИСУНКИ