КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ Российский патент 2003 года по МПК F02K9/62 F02K9/52 

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно к организации охлаждения камеры сгорания и сопла жидкостного ракетного двигателя малой тяги (ЖРДМТ).

Известна конструкция камеры ракетного двигателя, в которой применено охлаждение сопла (патент США 3092963). Камера имеет цилиндрический корпус, в котором размещена твердотопливная шашка; в этом же корпусе за твердотопливной шашкой установлено сопло, имеющее сужающуюся часть, горловину и расширяющуюся часть. Кольцевое пространство между корпусом и стенкой сопла также заполнено твердотопливной шашкой. Между твердотопливной шашкой и стенкой сопла имеется канал для протока газа. Отличие этой твердотопливной шашки от основной, размещенной в цилиндрическом корпусе, заключается в том, что при сгорании ее образуется более холодный газ. Твердотопливная шашка, размещенная в кольцевом пространстве сопла, воспламеняется от горячих продуктов сгорания основной шашки, которые проникают в кольцевое пространство через отверстия в сужающейся части сопла. На каналах расширяющейся части сопла установлены клапаны, открывая или закрывая которые можно продукты сгорания из кольцевого пространства сопла перепускать по каналам в закритическую часть сопла.

В первом случае более холодный газ, протекая по стенке сужающейся части сопла, горловины и расширяющейся части, изолирует его от контакта с горячим газом продуктов сгорания основной твердотопливной шашки, обеспечивая тем самым защиту сопла от перегрева. Во втором случае газ, выходя через отдельные клапаны (одни закрыты, другие открыты) в закритическую часть сопла, изменяют направление вектора тяги двигателя и тем самым изменяют траекторию полета ракеты.

Недостатком известного решения является узкая область применения из-за короткого времени работы, обусловленного временем горения шашек.

Известна конструкция камеры сгорания с охлаждением (патент США 3353359). Камера выполнена с многослойной стенкой; внутренняя стенка выполнена из набора кольцевых графитовых вставок, в местах стыка которых предусмотрены радиальные отверстия для охлаждения внутренней поверхности стенки камеры сгорания, а также сужающейся и расширяющейся частей сопла. На внешней поверхности внутренней стенки камеры выполнены пазы для протока охлаждающего рабочего тела. Через радиальные отверстия внутренней стенки рабочее тело поступает в камеру сгорания, создавая пленочное охлаждение стенок камеры и сопла.

Недостатками данной конструкции являются
- большой заклапанный объем по тракту охлаждающего компонента, включающий в себя объем проходных пазов на наружной поверхности внутренней стенки, и объем охлаждающих отверстий;
- большая масса камеры из-за толстых стенок;
- технологическая сложность изготовления;
- большие потери экономичности из-за охлаждения сужающегося и расширяющегося участков сопла жидким компонентом топлива, который не участвует в процессе горения, а вылетает за пределы двигателя.

Наиболее близкая по сущности конструкция камеры ЖРДМТ описана в изобретении по патенту РФ 2100636, МПК F 02 К 9/62. Камера состоит из смесительной головки, корпуса камеры с концентрично и с зазором расположенной внутри него камерой сгорания с сопловым вкладышем, выполненными в виде одной детали-вставки. Вставка выполнена из жаропрочного жаростойкого материала.

Защита камеры от теплового разрушения обеспечивается материалом вставки и его защитным покрытием, а корпус камеры отделен от вставки термосопротивлением в виде кольцевого зазора.

Такая камера ЖРДМТ имеет ограничения по циклограмме работы двигателя, т. к. перегрев вставки может привести к разрушению корпуса камеры и самой вставки.

Задачей изобретения является обеспечение дополнительного охлаждения конструкции вставки и корпуса камеры при сохранении высокой экономичности двигателя. Решение этой задачи позволит существенно сократить ограничения по времени непрерывного включения и количеству импульсных включений с короткими паузами.

Решение заключается в изменении конструкции камеры жидкостного ракетного двигателя малой тяги, состоящей из смесительной головки, соединенной с корпусом камеры, в котором концентрично и с зазором относительно него установлена вставка в виде камеры сгорания с соплом, имеющим сужающуюся и расширяющуюся части. Для достижения планируемого результата полость зазора между корпусом камеры и вставкой сообщена с полостью камеры сгорания в зоне смесительной головки, с одной стороны, и с полостью расширяющейся части сопла - с другой стороны.

На стенке камеры сгорания во вставке может быть выполнен хотя бы один пояс сквозных отверстий для частичного отвода парогаза, протекающего в полости зазора между корпусом и вставкой, и образования завесного охлаждения сопловой части.

Во вставке, в расширяющейся части сопла, также может быть выполнен дополнительный пояс сквозных отверстий.

Во вставке, в районе минимального сечения сопла, может быть выполнена кольцевая проточка, в которой с зазором установлено кольцо из теплоизоляционного материала.

Предлагаемая конструкция приведена на чертеже. Она состоит из смесительной головки 1, переходника 2, корпуса камеры 3, вставки 4, образующей с корпусом 3 кольцевой зазор 5. В полость камеры сгорания 6 внутри вставки 4 выходят сквозные отверстия 7, а в полость расширяющейся части сопла - сквозные отверстия 8. На поверхности вставки 4, в районе минимального сечения сопла, выполнена кольцевая проточка 9, в которой с зазором установлено кольцо 10 из теплоизоляционного материала. Переходник 2, корпус камеры 3 выполнены из конструкционной стали 12Х18Н10Т, кольцо 10 - из материала с низкой плотностью и низкой теплопроводностью (например, картон МКРК-500). Корпус камеры 3 выполнен таким образом, что внутренний контур криволинейной поверхности ее сопловой части является продолжением внутреннего контура расширяющейся части сопла вставки 4.

Вставка 4 выполнена из жаростойкого и жаропрочного ниобиевого сплава с нанесенном на все ее поверхности покрытием типа дисилицид молибдена.

Соотношение суммарных площадей отверстий 7 и 8, а также расположение поясов этих отверстий относительно минимального сечения подбирается в зависимости от требуемой степени полноты сгорания топлива и требований защиты стенки вставки 4 и корпуса камеры 3 от перегрева.

Принцип охлаждения камеры сгорания заключается в следующем. Истекающие из сопла с большой скоростью газы эжектируют газы из кольцевого зазора 5 через отверстия 8, в результате чего в этом зазоре создается разрежение и в него устремляется относительно холодный газ (пары топлива и продукты неполного сгорания) из пространства камеры сгорания, примыкающего к смесительной головке 1. Холодный газ, проходя через кольцевой зазор 5, охлаждает стенки корпуса камеры 3 и вставки 4 и выходит через пояс отверстий 7 в полость камеры сгорания 6, а через пояс отверстий 8 - в расширяющуюся часть сопла вставки 4. Газ, выходящий через пояс отверстий 7 в полость камеры сгорания 6, частично участвует в процессе горения, частично продолжает движение по стенке сужающейся сопловой части вставки, создавая завесу из более холодного газа. Таким образом происходит охлаждение сопловой части вставки. Газ, выходящий из кольцевого зазора 5 через пояс отверстий 8, охлаждает расширяющуюся часть сопла корпуса камеры 3.

Предлагаемое решение позволяет
- получить высокую степень полноты сгорания топлива в камере, изготовленной из обычной конструкционной стали 12Х18Н10Т с установленной в ней вставкой из жаропрочного и жаростойкого ниобиевого сплава;
- обеспечить охлаждение стенок корпуса камеры, камеры сгорания и сопла продуктами неполного сгорания компонентов топлива, поступающими из пространства камеры, примыкающего к смесительной головке, в кольцевой зазор, образованный корпусом камеры и установленной в нем вставкой;
- повысить надежность ЖРДМТ при эксплуатации за счет применения в конструкции камеры обычной хромоникелевой стали 12Х18Н10Т без жаростойких покрытий, требующих особых мер предосторожности при обслуживании двигателя;
- повысить технологичность и снизить себестоимость камеры ЖРДМТ по сравнению с камерой, изготовленной целиком из жаропрочного и жаростойкого сплава.

Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги состоит из смесительной головки и корпуса камеры с концентрично и с зазором расположенной внутри него вставкой. Вставка выполнена в виде камеры сгорания с соплом, имеющим сужающуюся и расширяющуюся части. Полость зазора между корпусом камеры и вставкой сообщена с одной стороны с полостью камеры сгорания в зоне смесительной головки, а с другой стороны - с полостью расширяющейся части сопла. Изобретение позволяет обеспечить дополнительное охлаждение конструкции вставки и корпуса камеры при сохранении высокой экономичности двигателя. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги, состоящая из смесительной головки, корпуса камеры с концентрично и с зазором расположенной внутри него вставкой в виде камеры сгорания с соплом, имеющим сужающуюся и расширяющуюся части, отличающаяся тем, что полость зазора между корпусом камеры и вставкой сообщена с одной стороны с полостью камеры сгорания в зоне смесительной головки, с другой - с полостью расширяющейся части сопла.2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что на стенке камеры сгорания выполнен хотя бы один пояс сквозных отверстий.3. Камера по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в расширяющейся части сопла во вставке выполнен пояс сквозных отверстий.4. Камера по любому из пп.1, 2 или 3, отличающаяся тем, что на наружной поверхности вставки, в районе минимального сечения сопла, выполнена кольцевая проточка, в которой с зазором установлено кольцо из теплоизоляционного материала.