ОДНОКОМПОНЕНТНЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ МАЛОЙ ТЯГИ И СПОСОБ ЕГО ЗАПУСКА Российский патент 1997 года по МПК F02K9/42 

Изобретение относится к области космической техники, а именно к двигателям системы ориентации, стабилизации и коррекции космических аппаратов.

Известен двигатель малой тяги на монотопливе (патент США N 4288962), содержащий цилиндрическую камеру с размещенным внутри нее каталитическим пакетом из платиновой сетки и сопло. Каталитический пакет подогревается спиральным электронагревателем, расположенным снаружи корпуса камеры. Впрыск топлива в камеру осуществляется через центробежную форсунку, расположенную в донышке камеры. Особенностью двигателя является наличие предельного расхода топлива, определяемого предельной нагрузкой на катализатор. Сечение камеры разложения подбирается таким, чтобы обеспечивалось полное разложение топлива для максимального рабочего расхода топлива.

Недостаток данного двигателя связан с тем, что наличие каталитического пакета, заполняющего внутреннее пространство камеры, накладывает ограничение на повышение величины тяги двигателя. При увеличении номинальной тяги двигателя необходимо увеличивать сечение камеры разложения для сохранения номинальной нагрузки на каталитический пакет. В этом случае увеличивается объем камеры и масса каталитического пакета вырастает до недопустимых размеров.

Известен электротермический реактор (патент США N 3956885), применяющийся в качестве ракетного двигателя, работающего на гидразине. Двигатель содержит камеру разложения, образованную стенками корпуса и донышком, источник тепла, расположенный внутри камеры, топливные форсунки, сопло. Источник тепла выполнен в виде кабельного нагревателя, закрепленного на цилиндрическом сердечнике, расположенном по оси корпуса. Форсунки могут быть выполнены в отверстиях, сделанных в донышке камеры, или в отверстиях, сделанных в стенке корпуса таким образом, что ось отверстий направлена по касательной к стенке. Реактор работает следующим образом. В камеру разложения, предварительно разогретую нагревателем до уровня температуры разложения топлива, осуществляется осевой или тангенциальный впрыск топлива. Разложение топлива происходит в объеме камеры и нагрузка на сечение (расходонапряженность камеры) может быть увеличена по сравнению с двигателем, снаряженным каталитическим пакетом, что приводит к уменьшению удельной массы камеры.

Однако данная конструкция электротермического двигателя также имеет верхний предел расходонапряженности, связанный со "смывом" тепла из головки камеры при повышенном расходе топлива. Обратные токи горячих газов обеспечивают подвод тепла до определенного предела расходонапряженности, после чего происходит залив камеры.

При создании изобретения решались задачи повышения расходонапряженности камеры разложения двигателя, а также обеспечение надежности запуска двигателя.

Поставленные задачи решены за счет того, что в известном двигателе, содержащем камеру термического разложения топлива с расположенными внутри нее устройством разогрева камеры, форсунками впрыска топлива и сопло, согласно изобретению, форсунки впрыска топлива размещены последовательно вдоль тока газов, причем каждая последующая форсунка расположена в зоне фронта разложения топлива, подаваемого предыдущей форсункой.

Задача обеспечения надежности запуска двигателя решена за счет того, что в известном способе запуска, включающем подачу топлива через форсунки в предварительно разогретую камору разложения, подачу топлива в каждую последующую форсунку осуществляют с задержкой, определяемой временем, необходимым для инициации процесса разложения топлива, подаваемого через предыдущую форсунку.

Расположение форсунок впрыска внутри камеры разложения последовательно вдоль потока газов разложения и определенная последовательность подачи топлива через эти форсунки позволяют достичь повышения расходонапряженности двигателя и обеспечить надежность его запуска.

На фиг.1 изображен продольный разрез двигателя; на фиг.2 поперечный разрез камеры разложения двигателя.

Двигатель содержит камеру разложения 1, внутри которой по оси размещен намотанный на стакан 2 спиральный нагреватель 3, и сопло 4. Центробежные форсунки впрыска топлива 5, 6, 7 размещены в объеме камеры ярусами первый ярус форсунок 5 располагается непосредственно у донышка камеры, второй ярус форсунок 6 смещен вниз по потоку относительно первого яруса, третий ярус форсунок 7 смещен вниз по потоку относительно второго яруса.

Трубопроводы подачи топлива 8 от коллектора-регулятора 9 через отверстия в донышке камеры подведены автономно к каждой форсунке.

Запуск двигателя осуществляется следующим образом.

Двигатель предварительно переводится в режим постоянной готовности путем подачи на нагреватель 3 напряжения термостабилизации, при этом камера 1 двигателя и внутрикамерные элементы разогреваются до температуры, при которой возможна успешная инициация разложения топлива, подаваемого через форсунки 5 первого яруса. При подаче команды на включение двигателя топливо подается через коллектор-регулятор 9 только на первый ярус форсунок 5 и впрыскивается в головку камеры. Капли топлива нагреваются при взаимодействии с внутрикамерными элементами, испаряются и пары топлива после прогрева начинают разлагаться. Процесс разложения происходит лавинообразно из-за влияния тепла, выделяющегося при разложения топлива, что приводит к образованию фронта разложения зоны с резким изменением температуры и состава газа.

На форсунки 6 второго яруса топливо подается из коллектора-регулятора 9 через промежуток времени, необходимый для формирования фронта разложения топлива, впрыснутого через форсунки 5 первого яруса. Топливо, подаваемое форсунками 6 второго яруса, распыляется в непосредственной близости от уже сформировавшегося фронта, и тепло, выделившееся во фронте, облегчает разогрев и разложение топлива, впрыснутого через форсунки 6 второго яруса. Таким же образом осуществляется подача топлива через форсунки 7 третьего яруса, но задержка подачи топлива в этом случае определяется временем, необходимым для формирования фронта разложения топлива, подаваемого форсунками 6 второго яруса. Каскадное расположение форсунок позволяет более эффективно использовать тепло, выселяемое при разложении, на прогрев новых порций топлива, что приводит к увеличению верхнего предела расходонапряженности камеры.

Использование: в области космической техники, а именно в двигателях системы ориентации, стабилизации и коррекции космических аппаратов. Цель: повышение расходонапряженности камеры разложения двигателя, а такте повышение надежности запуска двигателя. Сущность патента: двигатель содержит камеру разложения 1, внутри которой по оси размещен намотанный на стакан 2 спиральный нагреватель 3, и сопло 4. Центробежные форсунки впрыска топлива 5, 6, 7 размещены в объеме камеры ярусами. Трубопроводы подачи топлива 8 от коллектора-регулятора 9 через отверстия в донышке камеры подведены автономно к каждой форсунке. При запуске двигатель разогревается нагревателем до температуры, при которой возможна успешная инициация разложения топлива, подаваемого через форсунки первого яруса. Топливо подается через коллектор-регулятор только на первый ярус форсунок и впрыскивается в головку камеры. На форсунки второго яруса топливо подается из коллектора-регулятора через промежуток времени, необходимый для формирования фронта разложения топлива, впрыснутого через форсунки первого яруса. Тепло, выделившееся во фронте, облегчает разогрев и разложение топлива, впрыснутого через форсунки второго яруса. Таким же образом осуществляется подача топлива через форсунки третьего яруса, но задержка подачи топлива в этом случае определяется временем, необходимым для формирования фронта разложения топлива, подаваемого форсунками второго яруса. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Однокомпонентный жидкостный ракетный двигатель малой тяги, содержащий камеру термического разложения топлива с расположенными внутри нее устройством разогрева камеры и форсунками впрыска топлива и сопло, отличающийся тем, что форсунки впрыска топлива размещены последовательно вдоль потока газов, причем каждая последующая форсунка расположена в конце зоны разложения топлива, подаваемого предыдущей форсункой. 2. Способ запуска однокомпонентного жидкостного ракетного двигателя малой тяги, включающий подачу топлива через форсунки в предварительно разогретую камеру разложения, отличающийся тем, что подачу топлива в каждую последующую форсунку осуществляют с задержкой, определяемой временем, необходимым для инициации процесса разложения топлива, подаваемого через предыдущую форсунку.