СОПЛО ВНЕШНЕГО РАСШИРЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02K9/97 

Предлагаемое сопло относится к ракетно-космической технике и предназначено, преимущественно, для кислородно-водородных двигательных установок одноступенчатых многоразовых транспортных космических систем (ТКС) вертикальных старта и посадки.

Конкурентоспособность современных средств выведения определяется, в основном, стоимостью выведения полезного груза (ПГ) на заданную орбиту. Стоимость выведения складывается из стоимости эксплуатации ТКС и компенсации потерь ПГ, определяемой надежностью ракеты-носителя (РН). Радикальный путь снижения стоимости эксплуатации - переход на многоразовые ТКС. Надежность РН может быть повышена выполнением ТКС одноступенчатой, где исключаются разделение ступеней и запуск двигателей на траектории выведения. Реализация этих направлений снижения стоимости выведения требует существенного повышения удельного импульса двигателей. Традиционный путь повышения удельного импульса за счет максимального форсирования режимов жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), реализованный на первых многоразовых системах "Шаттл" и "Буран" (давление в камере более 200 кг/см²), показал свою экономическую несостоятельность из-за резкого ограничения ресурса форсированных двигателей.

Отечественные (1) и зарубежные (2, 3) исследования показали, что при современном уровне техники единственным приемлемым по стоимости и степени риска вариантом двигателей одноступенчатых многоразовых ТКС является ЖРД с соплом внешнего расширения в виде центрального тела. Характерная особенность сопла внешнего расширения - его свойство авторегулирования, т.е. обеспечение оптимального режима свободного истечения продуктов сгорания с изменением высоты, когда давление на срезе центрального тела автоматически поддерживается равным атмосферному. Это свойство позволяет увеличить среднетраекторный удельный импульс ЖРД на несколько сот н•с/кг по сравнению с обычным соплом Обеспечивая высокий удельный импульс при менее напряженных параметрах, такие двигатели обладают большим ресурсом и возможностью резервирования агрегатов. В стадии реализации находится американская одноступенчатая многоразовая ТКС "Венчур Стар" с подобным двигателем (2). Горизонтальная посадка этого аппарата определила жесткие ограничения на размеры центрального тела, что заставило выполнить его линейным в виде усеченного клина. Уменьшение степени расширения сопла ограничило удельный импульс двигателя. Отечественный проект одноступенчатой многоразовой ТКС (1) предусматривает вертикальную посадку и свободен от этого недостатка. ТКС имеет осесимметричное крупногабаритное сопло внешнего расширения, принятое за прототип предлагаемого изобретения. Сопло включает усеченное центральное тело с огневой стенкой и рубашкой регенеративного охлаждения и коллекторы компонента топлива.

Центральное тело отличается большими габаритами (диаметр более 10 м), что весьма затрудняет его изготовление с профилированной поверхностью. Принятая в проекте коническая форма центрального тела позволяет выполнить его поверхность близкой к теоретической за счет прямолинейных образующих. Однако такая форма сопла ведет к потерям удельного импульса на низких высотах из-за несоосности газового потока оси ракеты.

Задачей данного изобретения является повышение удельного импульса двигателя на низких высотах при точности профиля сопла близкой к теоретической. Достигается поставленная задача тем, что в сопле внешнего расширения, включающем усеченное центральное тело с огневой стенкой и рубашкой регенеративного охлаждения и коллекторы компонента топлива, огневая стенка и рубашка охлаждения выполнены в виде поверхности однополостных гиперболоидов и набраны из элементов с прямолинейными образующими, например, коробчатого сечения с двумя дугами окружности и радиальной перемычкой, при этом торцевые концы каждого элемента закреплены к дугам окружности и радиальным перемычкам коллекторов.

Суть изобретения поясняется чертежом, где изображена конструктивная схема сопла в двух проекциях.

Фиг. 1 - общий вид.

Фиг. 2 - вид сверху.

На чертежах представлено:
1 - центральное тело;
2 - распределительный коллектор компонента;
3 - рубашка охлаждения;
4 - огневая стенка центрального тела;
5 - коробчатый элемент;
6 - канал регенеративного охлаждения;
7 - напорный коллектор компонента;
8 - прямолинейные образующие огневой стенки;
9 - прямолинейные образующие рубашки охлаждения;
10 - радиальные перемычки коллекторов;
11 - радиальные перемычки коробчатых элементов;
12 - дуги окружности коробчатых элементов;
13 - дуги окружности коллекторов.

Центральное тело 1 набрано из коробчатых элементов 5 с прямолинейными образующими 8 и 9 огневой стенки 4 и рубашки охлаждения 3 соответственно. Верхние торцы коробчатых элементов 5 объединены распределительным коллектором компонента 2, обеспечивающим их крепление и подачу компонента топлива на охлаждение камер двигателя. Нижние торцы коробчатых элементов 5 соединены с напорным коллектором компонента 7, обеспечивающим подачу компонента на охлаждение центрального тела. Каждый коробчатый элемент 5 крепится радиальными перемычками коробчатого элемента 11 и дугами окружности коробчатого элемента 12 к радиальным перемычкам коллекторов 10 и дугам окружности коллекторов 13. Соединение коробчатых элементов 5 между собой осуществляется по прямолинейным образующим огневой стенки 8 и рубашки охлаждения 9 сварными швами. Соединенные коробчатые элементы 5 образуют каналы регенеративного охлаждения 6. Радиальные перемычки коллекторов 10 обеспечивают жесткость коллекторов 2 и 7 и служат креплениями радиальных перемычек коробчатых элементов 11.

Функционирование сопла рассмотрено на примере кислородно-водородного двигателя и начинается с подачи водорода в напорный коллектор компонента 7 от турбонасосных агрегатов двигателя. Затем водород, нагреваясь в каналах регенеративного охлаждения 6, поступает в распределительный коллектор компонента 2, откуда подается на охлаждение камер ЖРД, расположенных вокруг центрального тела. В камерах сгорания оба компонента топлива воспламеняются и создают основную тягу двигателя. Продукты сгорания, истекая из камер вдоль центрального тела, создают дополнительную тягу, воспринимаемую конструкцией центрального тела. С подъемом ракеты струя газа свободно расширяется и постепенно выходит на расчетный режим, соответствующий диаметру расположения камер двигателя. При этом обеспечивается постоянно оптимальный режим истечения, когда давление на срезе центрального тела равно атмосферному.

Положительный эффект изобретения заключается в снижении потерь удельного импульса на низких высотах профилированной формой центрального тела в осевом сечении при одновременном уменьшении потерь на управление выполнением профиля, близким к теоретическому, за счет прямолинейных образующих гиперболоида.

Литература.

1. Проект "Волан". Всероссийский аэрокосмический журнал "Вестник авиации и космонавтики", М., N 2, 1998.

2. О разработке аппаратов X-33 и RLV. Экспресс-информация "Ракетная и космическая техника", ЦНИИМАШ, N 2, 1997.

3. Использование стоимости в качестве критерия проектирования ТКС. Реферативный журнал "Ракетостроение и космическая техника", ВИНИТИ, М., N 7, 1995.

Сопло предназначено для использования в кислородно-водородных двигательных установках одноступенчатых многоразовых транспортных космических систем вертикального старта и посадки. Оно содержит усеченное центральное тело с огневой стенкой и рубашкой регенеративного охлаждения и коллекторы компонента топлива. При этом огневая стенка и рубашка охлаждения выполнены в виде поверхностей однополостных гиперболоидов и набраны из элементов с прямолинейными образующими коробчатого сечения с двумя дугами окружности и радиальной перемычкой. Кроме того, торцевые концы каждого элемента закреплены к дугам окружности и радиальным перемычкам коллекторов. Конструкция сопла позволяет обеспечить повышение удельного импульса двигателя на низких высотах при точности профиля сопла, близкой к теоретической. 2 ил.

Сопло внешнего расширения, включающее усеченное центральное тело с огневой стенкой и рубашкой регенеративного охлаждения и коллекторы компонента топлива, отличающееся тем, что огневая стенка и рубашка регенеративного охлаждения выполнены в виде поверхностей однополостных гиперболоидов и набраны из элементов с прямолинейными образующими, например, коробчатого сечения с двумя дугами окружности и радиальной перемычкой, при этом торцевые концы каждого элемента закреплены к дугам окружности и радиальным перемычкам коллекторов.