РАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F02K9/42 B64D37/14 

Изобретение относится к области ракетной техники, конкретно к ракетным двигательным установкам (РДУ) жидкого топлива с утопленным в баке двигателем.

Известна РДУ, включающая бортовые баки для жидких топливных компонентов с газом наддува, двигатель с утопленной в одном из баков тяговой камерой, расходные трубопроводы, заправочные клапаны [1]
Поскольку тяговая камера расположена в хвостовой (нижней) части летательного аппарата (ЛА), а выработка топлива при полете ЛА начинается с передней (верхней) части баков, то в известном устройстве РДУ баковое пространство вокруг тяговой камеры опорожняется от жидкого топливного компонента в последнюю очередь, и в течение длительного времени работающая камера РДУ находится в контакте с топливной средой, которая интенсивно воспринимает теплоту от нагретой конструкции двигателя. В результате этого температура остающейся в баке жидкости все больше повышается и может превысить допустимый эксплуатационный предел, что приведет к аварийному исходу полета. В принципе аварию можно предотвратить тепловым экранированием тяговой камеры, но тогда пришлось бы считаться с увеличением конструкционной массы РДУ в ущерб полезному грузу ЛА.

Настоящее изобретение решает техническую задачу обеспечения эксплуатационного диапазона температур жидкого топлива для РДУ с утопленной в бортовом баке тяговой камерой на протяжении всего полета ЛА. С применением изобретения связывается технический результат, состоящий в повышении надежности РДУ без ощутимого утяжеления ее конструкции.

Решение указанной технической задачи обеспечивается тем, что в РДУ, включающей бортовые баки для жидких топливных компонентов с газом наддува, двигатель с утопленной в одном из баков тяговой камерой, расходные трубопроводы, заправочные клапаны, согласно изобретению бак с утопленной тяговой камерой снабжен средствами опережающей выработки топливного компонента из пространства вокруг тяговой камеры, включающими смонтированный вокруг тяговой камеры ограждающий ее кессон, который разделяет баковое пространство на внутреннюю и внешнюю секции, сообщающиеся в районе уровня забора топлива, причем верхнее пространство кессонной полости сообщается с источником наддува бака. В частном случае предлагаемого решения пространство внизу кессонной полости соединено посредством трубопровода наддува с пространством вверху внешней секции бака.

Существо изобретения поясняется чертежом, где схематично показана предлагаемая РДУ. Она содержит бортовые баки 1 для жидкого окислителя и 2 - для жидкого горючего с промежуточным (смежным) днищем 3. Нижняя часть бака 2 совмещена с двигательным отсеком и в ней утоплена тяговая камера 4, вокруг которой смонтирован ограждающий ее кессон (колпак) 5. Он разделяет бак горючего 2 на внешнюю секцию 2а и внутреннюю 2б, сообщающиеся через кромку 5а (нижний край) кессона в районе уровня забора топлива. Верхнее пространство кессонной полости посредством трубопровода 6 сообщается с источником наддува бака; нижнее пространство через трубопровод 7 с концами 7а и 7б соединено с пространством вверху внешней баковой секции 2а. Топливные баки снабжены заправочными клапанами 8 и 9, а камера снабжена пуско-отсечными клапанами 10 и 11, которые установлены в расходных магистралях окислителя 12 и горючего 13, соответственно подсоединенных заборными концами к нижнему пространству соответствующих баков. Сообщающий баки упомянутый трубопровод 7 расположен нижним концом 7б над кромкой 5а кессона и входом в трубопровод 13.

РДУ функционирует следующим образом. После доставки РДУ в составе ЛА на стартовую позицию и вертикальной установки ЛА, производят заправку баков жидкими топливными компонентами. Бак 1 заправляют через клапан 8 окислителем (например, сжиженным кислородом) до уровня I I, бак 2 заправляют через клапан 9 горючим (например, сжиженным метаном) до уровней II II (практически полностью) и III III. Для приведения РДУ в действие бак 1 и кессон 5 наддувают газом (например, гелием) под давлением через предусмотренные для этого клапаны (на чертеже не показаны) и открывают клапаны 10 и 11. Вследствие этих операций жидкие окислитель и горючее поступают из баков по трубопроводам 12 и 13 в рабочие тракты тяговой камеры 4 и, взаимодействуя в зоне горения, создают реактивную силу, обеспечивающую старт ЛА.

В полете происходит постепенная выработка окислителя из бака 1 и горючего из кессонной полости 2б с понижением уровней жидкости относительно первоначального положения и освобождением тяговой камеры от жидкости, с заполнением пространства вокруг камеры газом наддува. После опускания уровня горючего до нижнего конца 7б трубопровода 7 газ наддува поступает по нему во внешнюю баковую секцию 2а над уровнем жидкости II II, что приводит к переключению тяговой камеры на питание горючим из указанной секции; окислитель по-прежнему поступает в камеру из бака 1 по трубопроводу 12. Выключение РДУ производят после израсходования топлива путем перекрытия клапанов 10, 11.

Отметим, что наличие трубопровода наддува 7 для описанной РДУ не является обязательным. При отсутствии его переключение тяговой камеры на питание горючим из другой секции бака может осуществляться по временной программе полета ЛА либо при опускании первоначального уровня омывающей камеру жидкости до определенного положения, где расположены датчики уровня для выдачи сигнала на переключение питания. Так что трубопровод наддува 7 является частным признаком для предлагаемой РДУ: он обеспечивает автоматическое переключение тяговой камеры на питание горючим из другой баковой секции.

Из приведенного описания явствует, что при работе РДУ с утопленной в баке тяговой камерой через нее согласно изобретению расходуется в первую очередь топливный компонент (горючее), непосредственно омывающий конструкцию двигателя, с заполнением освобождающегося пространства газом наддува, после чего расходуется оставшаяся масса топливного компонента из другой части (секции) бака. Первая порция топлива вырабатывается, когда конструкция двигателя еще не прогрета, и по мере достижения установившегося температурного режима конструкция отделяется от топливной массы в баке теплоизолирующей газовой прослойкой. Благодаря этому на протяжении всей работы РДУ температура жидкого топлива в баках выдерживается в заданном эксплуатационном диапазоне, и, следовательно, технический результат от применения изобретения состоит в повышении надежности функционирования РДУ. В наибольшей степени указанный технический результат проявляется в РДУ, использующих криогенное топливо, такое, например, как жидкий кислородный окислитель в сочетании с жидким метановым горючим.

Приведенное выше описание не исчерпывает всех конкретных устройств РДУ в пределах существа изобретения. В частности, кессон может охватывать, наряду с тяговой камерой, другие "горячие" агрегаты и узлы двигателя; РДУ может содержать один или несколько двигателей, причем как с вытеснительной, так и с насосной подачей топлива. В последнем случае изобретение позволяет предотвратить кавитацию топливных насосов, неизбежную при перегреве ракетного топлива (можно говорить также о снижении массы конструкции РДУ относительно той, которая получилась бы при проектировании РДУ на работу в условиях перегретого топлива). Очевидно, что все упомянутые и другие возможные частности не меняют существа изобретения.

Наиболее целесообразной областью применения изобретения являются РДУ криогенного топлива с утопленным в баке двигателем, предназначенные для космических ракет-носителей.

Использование: область ракетной техники. Сущность изобретения: ракетная двигательная установка включает баки с утопленной тяговой камерой, вокруг которой смонтирован ограждающий ее кессон. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ракетная двигательная установка, включающая бортовые баки для жидких топливных компонентов с газом наддува, двигатель с утопленной в одном из баков тяговой камерой, расходные трубопроводы, заправочные клапаны, отличающаяся тем, что бак с утопленной тяговой камерой снабжен средствами опережающей выработки топливного компонента из пространства вокруг тяговой камеры, включающими смонтированный вокруг тяговой камеры ограждающий ее кессон, который разделяет баковое пространство на внутреннюю и внешнюю секции, сообщающиеся в районе уровня забора топлива, причем верхнее пространство кессонной полости сообщается с источником наддува бака. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что пространство внизу кессонной полости соединено посредством трубопровода наддува с пространством вверху внешней секции бака.