СПОСОБ СТИМУЛИРОВАНИЯ ОТРЫВА ГАЗОВОГО ПОТОКА В ПЕРЕРАСШИРЕННОЙ ЧАСТИ СОПЛА ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2000 года по МПК F02K9/82 

Изобретение относится к ЖРД, запускаемым в плотных слоях атмосферы.

Одним из основных путей повышения удельного импульса ЖРД является применение сопла с возможно более низким значением давления в выходном его сечении.

Однако, для двигателей, запускаемых в плотных слоях атмосферы, имеется ряд ограничений, препятствующих применению сопла с низким значением давления на срезе.

Эти ограничения связаны, во-первых, с потерями тяги из-за отрицательного усилия от воздействия атмосферного воздуха на перерасширенную часть сопла, а во-вторых, с отрывом газового потока, который возникает в существенно перерасширенной части сопла и сопровождается часто значительными пульсациями давления в зоне отрыва и большими боковыми нагрузками, нередко ведущими к нарушению формы и целостности сопла.

Эти пульсации особенно велики в двигателях, имеющих восстановительный пристеночный слой газов, горящих с воздухом в зоне отрыва.

Для устранения указанных ограничений и обеспечения возможности применения на двигателях, запускаемых в плотных слоях атмосферы, сопел с пониженным значением давления на срезе предлагались различные способы стимулирования отрыва потока и закрепления положения зоны отрыва методами резкого изменения контура сопла в заданных сечениях.

К таким способам указанного геометрического воздействия на газовый поток относятся, в частности, следующие предложения:
- применение выбрасываемых вставок [1], обеспечивающих ступенчатое изменение диаметра выходного сечения газового потока при последовательном выбросе вставок по мере подъема ракеты в менее плотные слои атмосферы,
- применение сдвигаемых частей соплового насадка [2], обеспечивающих, как и в первом случае, ступенчатое изменение диаметра выходного сечения газового потока,
- резкий излом контура сопла в сечениях закритической части сопла, выбранных для фиксации начала зоны отрывного течения [3].

Первый из этих способов чрезвычайно сложен и конструктивно и, главное, в огневой отработке конструкции вставок и процесса их симметричного и безопасного выброса, что делает маловероятным создание надежной конструкции сопла с выбрасываемыми вставками.

Второй способ также весьма сложен конструктивно, но более прост в холодной и огневой доводке и соответственно значительно более реален, чем первый способ. Существенным недостатком этого способа, помимо его конструктивной сложности, является значительное увеличение массы сопла.

Третий способ прост по конструкции и не ведет к существенному увеличению массы сопла.

Однако этот способ чреват возникновением дополнительных внутренних (на трение) и внешних (на разброс струй газового потока в выходном сечении сопла) газодинамических потерь при работе двигателя на основной пустотной части траектории.

С целью обеспечения возможности применения на двигателях, запускаемых в плотных слоях атмосферы, сопел с давлением на срезе, существенно меньшим атмосферного давления в точке запуска, и не имеющих при этом отмеченных выше недостатков, присущих аналогам и прототипу, предлагается принципиально иной способ стимулирования отрыва газового потока в перерасширенной части сопла.

Сущность изобретения заключается в стимулировании отрыва газового потока в перерасширенной части сопла ЖРД, запускаемого в плотных слоях атмосферы, с зоной отрыва, заполняемой возвратно-вихревым течением атмосферного воздуха, осуществляемом путем подачи в закритическую часть сопла перед стимулируемой зоной отрыва газового потока воды или воды с растворенными в ней антифризными добавками, которую прекращают подавать после подъема ракеты на высоту с давлением атмосферы, близким к давлению на срезе сопла. Подача жидкости осуществляется через специальные пояса впрыска. После прекращения подачи жидкости в пояса впрыска в эти пояса могут подавать небольшой продувочный расход сжатого газа. Важно отметить, что при этом способе используется сопло с оптимальным гладким контуром.

Применение поясов впрыска расхода воды, стимулирующего возникновение отрыва газового потока в фиксированных сечениях закритической части сопла, даже при одном поясе впрыска, а тем более при нескольких поясах, позволяет существенно уменьшить величину имеющегося при полете ракеты в плотных слоях атмосферы отрицательного усилия на перерасширенную часть сопла.

Это делает возможным применение в двигателях, запускаемых в плотных слоях атмосферы, сопла с давлением на выходе, значительно меньшим атмосферного, благодаря чему удается получить существенный прирост удельного импульса двигателя на всей траектории полета ракеты.

Необходимо отметить, что имеющийся опыт подачи воды в зону отрыва свидетельствует о существенном уменьшении при этом амплитуды пульсаций давления в зоне отрыва. Такое влияние впрыскиваемой воды связано, по-видимому, как с эффектом гашения горения восстановительного пристеночного слоя с воздухом, втекающим в зону отрыва, так и с поглощением части тепловой энергии продуктов сгорания на нагрев и испарение впрыскиваемой воды.

Схема устройства, реализующего предлагаемый способ стимулирования отрыва потока в перерасширенной по отношению к атмосферному давлению части сопла, показана на фиг. 1 и фиг. 2.

В зависимости от степени расширения сопла и целесообразности усложнения конструкции двигателя с целью получения дополнительного небольшого увеличения удельного импульса количество поясов впрыска воды может выбираться от одного до двух-трех и даже большего их числа.

На фиг. 1 показана простая схема устройства, имеющего два пояса впрыска воды.

На фиг. 2 показана схема устройства, имеющего также как на фиг. 1 два пояса впрыска воды, но усложненная наличием системы продувки поясов впрыска сжатым газом.

На фиг. 1 изображены:
1-1; 1-2 - пояса впрыска воды,
2-1; 2-2 - вентили открывающие, закрывающие и регулирующие расходы воды, подаваемые соответственно через первый и второй пояса впрыска.

На фиг. 2 дополнительно изображены:
3-1; 3-2 - вентили, регулирующие расход продувочного сжатого газа, подаваемого в соответствующие пояса впрыска воды.

При запуске двигателя открываются вентили 2-1 и вода, подаваемая из специальных бортовых емкостей с помощью насосной или вытеснительной систем подачи, поступает в первый 1-1 пояс впрыска, создавая за этим поясом зону отрыва газового потока от стенки, заполняемую возвратно-вихревым течением атмосферного воздуха. Если в сопле установлен не один, а несколько поясов впрыска, то по мере подъема ракеты в работу последовательно включаются второй и другие имеющиеся в сопле пояса впрыска. При этом расход воды соответствующим образом перераспределяется между всеми этими поясами.

При достижении высоты, на которой давление атмосферы близко к давлению на срезе сопла и уже нет необходимости стимулировать отрывное течение в сопле, вентили 1-1, 1-2 и т.д. закрываются, и впрыск воды в сопло прекращается. Если запас воды находился в подвесных емкостях, эти емкости могут быть сброшены.

Для того, чтобы понизить требования по точности изготовления элементов впрыска воды, а также требований по жаростойкости поясов впрыска и их коллекторов, может быть введена система продувки этих поясов сжатым газом. При наличии такой системы продувки одновременно с закрытием вентилей 2-1, 2-2 открываются вентили 3-1, 3-2 и т.д., дозирующие расход газа (фиг. 2), подаваемого на продувку поясов впрыска воды.

Эта продувка необходима только для того, чтобы в неработающей системе впрыска воды не происходило перетекание горячего газа с одной образующей сопла на соседние образующие, что могло бы привести к повышению температуры на некоторых участках поясов впрыска и их коллекторов до недопустимо высокого уровня. Осуществляется эта продувка небольшим расходом газа, практически не нарушающим течения газового потока в сопле.

Источники информации
1. Патент США N 3237402 "Регулируемое реактивное сопло", кл. 60-35.6, публ. 1966 г.

2. Патент США N 3183664 "Ракетное сопло, расширяющаяся часть которого может изменяться в длину", кл. 60-35.6, публ. 1965 г.

3. Патент США N 3394549 "Ступенчатое сопло", кл. 60-277. публ. 1968 г.

Способ предназначен для использования в ракетных двигателях на жидком топливе, запускаемых в плотных слоях атмосферы. Стимулирование отрыва газового потока в перерасширенной части сопла производят с заполнением зоны отрыва возвратно-вихревым течением атмосферного воздуха. Регулируют положения зоны отрыва путем впрыска в газовый поток через специальные пояса воды или воды с антифризными добавками, которую прекращают подавать после подъема ракеты на высоту, на которой давление атмосферы близко к давлению на срезе сопла. Стимулирование таким способом отрыва газового потока в перерасширенной части сопла уменьшает отрицательное усилие, создаваемое атмосферным давлением на перерасширенную часть сопла, и делает возможным применение в двигателях, запускаемых в плотных слоях атмосферы, сопла с давлением в выходном его сечении, значительно меньшим атмосферного давления, что позволяет существенно увеличить удельный импульс двигателя на всей траектории полета ракеты. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ стимулирования отрыва газового потока в перерасширенной части сопла жидкостных ракетных двигателей, запускаемых в плотных слоях атмосферы, с зоной отрыва, заполняемой возвратно-вихревым течением атмосферного воздуха, отличающийся тем, что в закритическую часть сопла перед стимулируемой зоной отрыва через специальные пояса впрыска вводят в газовый поток воду или воду с растворенными в ней антифризными добавками и прекращают ее подавать после подъема ракеты на высоту, на которой давление атмосферы близко к давлению на срезе сопла. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что одновременно с прекращением подачи воды или воды с растворенными в ней антифризными добавками в пояса впрыска подают небольшой продувочный расход сжатого газа.