ПАРОВОДЯНОЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК F02K9/00 

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть применено в экологически чистых пароводяных ракетных двигателях для решения задач, связанных с регулированием реактивной тяги таких двигателей.

Известен ракетный двигатель, содержащий заполненную перегретой водой камеру с сопловым блоком [1]. В центре камеры двигателя размещен твердотопливный газогенератор, по оси которого пропущена труба газовода, сообщенного с камерой двигателя. При работе газогенератора образуются высокотемпературные продукты сгорания твердого топлива, которые, смешиваясь с водой, дополнительно ее нагревают по всему объему камеры двигателя и частично превращают в пар. Рабочее тело, представляющее собой смесь воды, пара и продуктов сгорания газогенератора, по газоводу подается к соплу, через проточный тракт которого истекает в окружающее пространство, создавая импульс реактивной тяги.

Такой двигатель не является в полном смысле пароводяным ракетным двигателем, так как в нем применен твердотопливный газогенератор, что приводит к появлению в его продуктах сгорания вредных для окружающей среды веществ. По той же причине для управления тягой такого двигателя могут использоваться средства аналогичного назначения, применяемые, например, в ракетных двигателях твердого топлива.

Известно устройство для выведения космического аппарата на орбиту, содержащее экологически чистый пароводяной двигатель, включающий камеру для перегретой воды с сопловым блоком, и механизм для запуска двигателя [2]. Однако в описании к патенту не приводится информация относительно примененной на двигателе системы регулирования реактивной тяги.

Вопрос о регулировании тяги пароводяного двигателя актуален потому, что применяемые для этой цели средства, например, в ракетных двигателях твердого топлива (РДТТ), не приемлемы по следующим причинам.

Стабилизация тяги в полете РДТТ при ее падении ниже допустимого значения может достигаться, например, за счет уменьшения критического сечения сопла путем перемещения в область горловины сопла профилированного центрального тела [3]. Пароводяной ракетный двигатель в отличие от РДТТ работает в условиях интенсивного падения давления в камере, которое не может быть скомпенсировано интенсификацией физико-химических процессов при уменьшении критического сечения сопла, как это имеет место при работе РДТТ. Поэтому при падении давления в камере пароводяного двигателя для стабилизации тяги необходимо интенсифицировать расход пара через сопло, т.е. увеличить площадь критического сечения. Поэтому конструктивные схемы авторегулируемых сопел в случае их применения в пароводяных ракетных двигателях должны быть иными, чем в РДТТ. Вместе с тем существенно более низкий уровень температур в камере пароводяного ракетного двигателя снижает требования к работоспособности элементов конструкции двигателя, что позволяет найти простые технические решения для осуществления процесса регулирования тяги.

Задачей изобретения является создание технического решения, состоящего из вариантов пароводяных ракетных двигателей, в каждом из которых сочетаются преимущества примененного сопла и простота разработанной системы регулирования тяги, адаптированной к любому пароводяному ракетному двигателю, характеризующемуся самыми общими для этого вида двигателя признаками.

Поставленная задача решается тем, что пароводяной ракетный двигатель, содержащий заполненную перегретой водой камеру с передним и задним днищами и проточный тракт для истечения из камеры паров воды, согласно изобретению снабжен устройством для регулирования величины тяги, выполненным в виде установленного на входе в проточный тракт двигателя центрального тела, снабженного механизмом перемещения, вызывающим при падении давления в камере двигателя увеличение площади входного поперечного сечения проточного тракта.

Механизм перемещения центрального тела может быть выполнен в виде упругой подвески с возможностью осуществления за счет энергии упругой деформации подвески авторегулируемого режима тяги. В этом случае упругая подвеска может быть выполнена в виде пружин, размещенных внутри телескопических направляющих, препятствующих смещению центрального тела в радиальном направлении.

Механизм перемещения центрального тела может быть выполнен и в виде управляемого гидроцилиндра с поршнем, жестко связанным с центральным телом.

Для любого случая выполнения механизма перемещения центрального тела проточный тракт для истечения из камеры паров воды может быть выполнен как в виде сопла Лаваля, так и в виде кольцевого сопла, образованного стенкой заднего днища камеры и центральным телом. В последнем случае кольцевое сопло может быть образовано расположенными на заднем днище камеры по периферии центрального тела дискретно включаемыми клапанами подвода пара.

Для механизма перемещения центрального тела в виде управляемого гидроцилиндра с поршнем проточный тракт для истечения из камеры паров воды целесообразно выполнить в виде утопленного сопла Лаваля.

Задача изобретения решается также и тем, что пароводяной ракетный двигатель, содержащий заполненную перегретой водой камеру с сопловым блоком, согласно изобретению снабжен устройством для регулирования величины тяги, а проточный тракт соплового блока выполнен в виде плоского сопла Лаваля изменяемой геометрии, при этом и устройство для регулирования величины тяги двигателя выполнено в виде снабженных приводом подвижных стенок сопла.

Подвижная стенка раструба плоского сопла может быть установлена на сопловом блоке с возможностью поворота вокруг оси, ортогональной продольной плоскости сопла. В последнем случае поворотная стенка раструба сопла может быть дополнительно подпружинена по отношению к корпусу соплового блока и одновременно сопряжена с подвижной в радиальном направлении стенкой горловины сопла.

Приведенные выше признаки относятся к группе изобретений, связанных единым авторским замыслом, причем эту группу составляют объекты одного вида и одинакового назначения, обеспечивающие получение одного и того же технического результата - осуществления регулирования тяги пароводяного реактивного двигателя, - что является необходимым условием для изобретения, представленного вариантами.

На фиг. 1 изображена схема пароводяного ракетного двигателя с соплом Лаваля и авторегулируемым центральным телом; на фиг. 2 - схема пароводяного ракетного двигателя с кольцевым соплом и авторегулируемым центральным телом; на фиг. 3 - схема пароводяного ракетного двигателя с кольцевым соплом и авторегулируемым центральным телом на упругой подвеске; на фиг. 4 - схема пароводяного ракетного двигателя с многосекционным дискретным подводом пара к кольцевому соплу с центральным телом; на фиг. 5 - схема регулируемого пароводяного ракетного двигателя с подвижным центральным телом на гидравлической подвеске, установленным в сопло Лаваля; на фиг. 6 - схема регулируемого пароводяного ракетного двигателя с подвижным центральным телом на гидравлической подвеске, установленным в утопленное сопло Лаваля; на фиг. 7 - схема пароводяного ракетного двигателя с регулируемым кольцевым соплом и центральным телом на гидравлической подвеске; на фиг. 8 - схема пароводяного ракетного двигателя с плоским регулируемым соплом Лаваля; на фиг. 9 - схема регулирования составного плоского сопла Лаваля;
Первый вариант пароводяного ракетного двигателя с устройством для регулирования величины тяги, выполненным во всех частных случаях реализации изобретения в виде установленного на входе в проточный тракт двигателя центрального тела, снабженного механизмом перемещения, представлен на фиг.1-7. Отличительным свойством такого механизма перемещения центрального тела от аналогичного по осуществляемой функции элемента системы регулирования РДТТ является выполнение перемещения центрального тела в пароводяном ракетном двигателе в направлении, обратном перемещению центрального тела при стабилизации тяги РДТТ. Так, получив сигнал от контрольно-измерительной системы рабочих параметров двигателя о более низком, чем требуемое, давлении в камере сгорания РДТТ, система перемещения центрального тела передвигает его в сторону критического сечения сопла, что вызывает уменьшение площади поперечного сечения проточного тракта сопла на его входе. Это приводит к увеличению массообразования продуктов сгорания и, как следствие, к повышению давления в камере, что влечет за собой рост тяги до требуемых значений.

В пароводяном ракетном двигателе на сигнал уменьшения давления в камере механизм перемещения центрального тела должен отвечать возрастанием площади поперечного сечения проточного тракта сопла на его входе, что приведет к увеличению расхода пара через сопло и тем самым к росту тяги. Чтобы обеспечить реализацию механизмом перемещения центрального тела 1 указанной функции, он может быть выполнен в виде механической упругой подвески (фиг.1-3) или в виде гидравлической подвески (фиг.5-7). Упругая подвеска представляет собой пружины сжатия 2, помещенные для устранения радиального люфта центрального тела в полость телескопических направляющих 3, жестко закрепленных на центральном теле 1 и заднем днище камеры двигателя. Механизм перемещения, функционирующий в качестве гидравлической подвески центрального тела 1, выполнен в виде гидроцилиндра 4 с поршнем 5, жестко связанным с центральным телом. Полость гидроцилиндра сообщена трубопроводом с установленным в нем регулирующим вентилем 6 с емкостью для рабочей жидкости (не показана) с возможностью сброса ее через вентиль в процессе перемещения центрального тела. Проточный тракт двигателя для истечения из камеры 7 паров воды может быть выполнен как в виде сопла Лаваля 8 (фиг.1, 5, 6), так и в виде кольцевого сопла 9 (фиг.2, 3, 4), образованного стенкой заднего днища 10 камеры 7 и центральным телом 1.

На фиг. 4 показан двигатель с кольцевым соплом, образованным расположенными на заднем днище камеры по периферии центрального тела клапанами 11, установленными в гидравлически изолированных камерах, подвод пара к которым осуществляют через отверстия 12 в дискретном режиме.

На фиг.6 сопло Лаваля выполнено утопленным в камеру двигателя, что позволяет существенно уменьшить длину двигателя и улучшить его компоновку, а также повысить эффективность сопла. На последний показатель также влияет применение в конструкции двигателя кольцевых сопел, позволяющих избежать нерасчетного истечения струи из сопла и связанного с этим эффекта потери тяги в сопле на скачках уплотнения, что может иметь место в соплах Лаваля. Следует отметить, что именно для пароводяного двигателя использование кольцевых сопел наиболее эффективно, так как для такого вида двигателя перепад давления на сопле, приводящий к нерасчетному режиму течения, достигает наибольших значений. В кольцевых соплах, несмотря на значительный перепад давления по тракту, поток истекающего из камеры пара расширяется в веере характеристик до давления окружающей среды без образования скачков уплотнения.

Работает двигатель и осуществляется регулирование тяги следующим образом.

После запуска двигателя полость камеры 7 сообщается с окружающей средой, давление на свободной поверхности перегретой жидкости резко падает и вода вскипает, что приводит к образованию рабочего тела в виде перегретого пара. Истечение пара вызывает быстрое падение давления насыщенного пара в камере двигателя и, соответственно, на входе в сопло. При этом уменьшается сила, прижимающая центральное тело к входу в сопло, сжатые пружины 2 механизма перемещения центрального тела 1 начинают растягиваться под действием сил упругости и передвигают центральное тело вверх от сопла. Это приводит к увеличению горловины сечения сопла Лаваля или проходного сечения кольцевого сопла, что влечет за собой увеличение массового расхода и величины тяги в режиме авторегулировки. Исключение радиального люфта центрального тела за счет установки пружин 2 в телескопических направляющих 3 практически устраняет эксцентриситет тяги, возможный при упругой подвеске центрального тела.

Схемы, приведенные на фиг. 1, 2 реализуют "пассивный" вид регулировки тяги, когда программа изменения тяги задается перед пуском двигателя путем выбора профиля центрального тела, характеристик его упругой подвески и геометрии проточной части входного участка сопла.

В схемах на фиг.3-7 осуществляются виды активного регулирования тяги, позволяющие оперативно изменять ее величину в полете. Так, в схеме на фиг.4 активное регулирование тяги осуществляют путем дискретного подвода пара к кольцевому соплу 9. В момент включения клапанов 11 водяной пар из камеры 7 двигателя через отверстия 12 поступает в рабочие полости клапанов и истекает на поверхность центрального тела 1 в виде кольцевой струи, реализуя механизм перемещения центрального тела, вызывающий увеличение площади поперечного сечения на входе проточного тракта кольцевого сопла. Для исключения эксцентриситета тяги дискретное включение клапанов 11 осуществляют синхронно с диаметрально противоположных сторон кольцевого сопла.

В схемах на фиг.5-7 активное регулирование тяги двигателя осуществляют за счет энергии пара на входе в сопло. Для этого перед запуском двигателя подают давление в заполненную рабочей жидкостью полость гидроцилиндра 4, что приводит к силовому воздействию на поршень 5 и последующему прижатию центрального тела на входную горловину сопла. Пуск двигателя осуществляют сбрасыванием давления на входе в вентиль 6, после чего давлением пара в камере 7 на входе в сопло поршень 5 вместе с центральным телом поднимается, открывая доступ пара в сопло и выдавливая рабочую жидкость из полости гидроцилиндра 4 через вентиль 6 в бак с рабочей жидкостью. Путем изменения проходного сечения вентиля 6 регулируют проходное сечение сопла (Лаваля, кольцевого, утопленного), а следовательно, расход пара и тягу двигателя.

Второй вариант пароводяного ракетного двигателя приведен на фиг.8-9. В этом варианте во всех частных случаях реализации изобретения проточный тракт двигателя выполнен в виде плоского сопла Лаваля изменяемой геометрии, а устройство для регулирования величины тяги двигателя выполнено в виде снабженных приводом подвижных стенок сопла. В рассматриваемом варианте алгоритм регулирования тяги характеризуется той же особенностью, которая была отмечена и для предыдущего варианта пароводяного ракетного двигателя при его сравнении с РДТТ. Эта особенность заключается в том, что при падении давления в камере пароводяного двигателя для стабилизации его тяги следует увеличивать, а не уменьшать, как это выполняется для РДТТ, площадь горловины сопла. В отличие от предыдущего варианта двигателя такая процедура осуществляется не с помощью центрального тела, а путем изменения геометрии плоского сопла. На фиг.8 приведен случай выполнения двигателя, в котором устройство для регулирования величины тяги двигателя содержит плоское сопло Лаваля 13, подвижная стенка раструба которого установлена на корпусе 14 соплового блока на оси 15, ортогональной продольной плоскости сопла. Относительно оси 15, которая может располагаться как в плоскости среза сопла, так и другом его поперечном сечении (фиг. 9), может осуществляться поворот стенки раструба сопла, выполняемый приводом 16. Расположение оси поворота 15 выбирают таким образом, чтобы изменение площади горловины сопла и его выходной части обеспечивало максимально близкую к расчетной геометрическую степень расширения сопла во всем диапазоне регулирования.

На фиг.8 показан более сложный контур регулируемого плоского сопла Лаваля. Этот контур образован двумя стенками: центральной подвижной стенкой горловины сопла 17, перемещаемой в радиальном направлении приводом 16, и подпружиненной стенкой 18 раструба сопла, сопряженной со стенкой 17. При осуществлении регулирования тяги площадь поперечного сечения горловины сопла изменяют с помощью привода 16 либо путем только поворота стенки 18 раструба сопла относительно оси 15 (фиг.8), либо путем радиального перемещения стенки 17 горловины сопла с одновременным поворотом стенки раструба относительно оси 15 (фиг. 9). В последнем случае поворот стенки раструба происходит за счет сил упругости пружины 19.

Приведенный выше материал свидетельствует о том, что предложенная в двух вариантах конструкция пароводяного двигателя позволяет осуществлять регулирование величины тяги именно для двигателей указанного вида, что и обуславливает решение задачи изобретения.

Двигатель предназначен для использования в области ракетной техники. Пароводяной ракетный двигатель содержит заполненную перегретой водой камеру с проточным трактом для истечения из камеры паров воды и устройство для регулирования величины тяги, выполненное в виде установленного на входе в проточный тракт двигателя центрального тела. Оно снабжено механизмом перемещения, вызывающим при падении давления в камере увеличение площади поперечного сечения на входе проточного тракта двигателя. По второму варианту устройство для регулирования величины тяги выполнено в виде снабженных приводом подвижных стенок сопла, которые установлены на сопловом блоке с возможностью поворота вокруг оси, ортогональной продольной плоскости сопла. Двигатель необходим для решения задач, связанных с регулированием реактивной тяги экологически чистых пароводяных ракетных двигателей. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Пароводяной ракетный двигатель, содержащий заполненную перегретой водой камеру с передним и задним днищами и проточный тракт для истечения из камеры паров воды, отличающийся тем, что он снабжен устройством для регулирования величины тяги, выполненным в виде установленного на входе в проточный тракт двигателя центрального тела, снабженного механизмом перемещения, вызывающим при падении давления в камере увеличение площади поперечного сечения на входе проточного тракта двигателя. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что механизм перемещения центрального тела выполнен в виде упругой подвески с возможностью осуществления за счет энергии упругой деформации подвески авторегулируемого режима тяги. 3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что упругая подвеска центрального тела выполнена в виде пружин, размещенных внутри телескопических направляющих, препятствующих смещению центрального тела в радиальном направлении. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что механизм перемещения центрального тела выполнен в виде управляемого гидроцилиндра с поршнем, жестко связанным с центральным телом. 5. Двигатель по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что проточный тракт для истечения из камеры паров воды выполнен в виде сопла Лаваля. 6. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что проточный тракт для истечения из камеры паров воды выполнен в виде кольцевого сопла, образованного стенкой заднего днища камеры и центральным телом. 7. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что кольцевое сопло может быть образовано расположенными на заднем днище камеры по периферии центрального тела дискретно включаемыми клапанами подвода пара. 8. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что проточный тракт для истечения из камеры паров воды выполнен в виде утопленного сопла Лаваля. 9. Двигатель, содержащий заполненную перегретой водой камеру с сопловым блоком, отличающийся тем, что он снабжен устройством для регулирования величины тяги, а проточный тракт соплового блока выполнен в виде плоского сопла Лаваля изменяемой геометрии, при этом устройство для регулирования величины тяги двигателя выполнено в виде снабженных приводом подвижных стенок сопла, причем подвижная стенка раструба плоского сопла установлена на сопловом блоке с возможностью поворота вокруг оси, ортогональной продольной плоскости сопла. 10. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что поворотная стенка раструба плоского сопла подпружинена по отношению к корпусу соплового блока и сопряжена с подвижной в радиальном направлении стенкой горловины сопла.