ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК F02K9/64 

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании безгенераторных жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, например кислороде и водороде.

В настоящее время одной из основных проблем при создании жидкостных ракетных двигателей является получение высокого значения удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, в частности сопла. Одним из путей, позволяющих обеспечить достаточно высокое значение удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, является использование вместо обычных круглых сопел Лаваля кольцевых сопел. Отличие между соплом Лаваля и кольцевым состоит в том, что кольцевое сопло имеет форму критического сечения не круглую, а кольцевую. Кольцевые сопла позволяют увеличить площадь выходного сечения сопла и разместить часть агрегатов в центральной части, что приводит к уменьшению линейных размеров двигателя.

Известна принципиальная схема кольцевой камеры жидкостного ракетного двигателя, реализующая данный принцип (А.П.Васильев и др. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Москва, "Высшая школа", 1967 г., рис.X. 186).

Известен жидкостный ракетный двигатель, содержащий кольцевую камеру со смесительной головкой, тарельчатым соплом внешнего расширения, профилированным центральным телом и кольцевым критическим сечением, агрегаты управления и агрегаты питания, включающие турбонасосный агрегат с турбиной, расположенные в полости профилированного центрального тела (М.В.Добровольский и др. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования. Москва, "Высшая школа", 1968 г., рис.2.32, стр.59 - прототип).

Указанный двигатель работает следующим образом. Компоненты топлива подаются в смесительную головку, воспламеняются и истекают через кольцевое критическое сечение. В тарельчатом сопле внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя - контуром профилированного центрального тела. Продукты сгорания со сверхзвуковой скоростью поступают к срезу тарельчатого сопла. Для подачи компонентов топлива в смесительную головку используется турбонасосный агрегат, турбина которого приводится во вращение струей газов, истекающих из газогенератора.

Основными недостатками данного двигателя являются значительные диаметральные размеры и сложность пневмогидравлической схемы, связанные с тем, что для подачи компонентов топлива в смесительную головку используется турбонасосный агрегат, турбина которого приводится во вращение струей газов, истекающих из газогенератора. Использование газогенератора приводит к необходимости организации трубопроводов подвода компонентов топлива в газогенератор, использованию специальной ступени в турбонасосном агрегате или специальных насосов для подачи компонентов топлива с повышенным давлением в смесительную головку газогенератора, что в конечном итоге приводит к увеличению массы и ухудшению массогабаритных характеристик двигателя.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание жидкостного ракетного двигателя, конструкция которого позволяет обеспечить достаточно высокое значение удельного импульса тяги, упростить пневмогидравлическую схему и реализовать значительно большее давление в камере при минимальных габаритных размерах.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенном жидкостном ракетном двигателе, содержащем кольцевую камеру со смесительной головкой, тарельчатым соплом внешнего расширения, профилированным центральным телом и кольцевым критическим сечением, газогенератор, агрегаты управления и агрегаты питания, включающие турбонасосный агрегат с турбиной и насосами подачи компонентов топлива, расположенные в полости профилированного центрального тела, согласно изобретению профилированное центральное тело выполнено состоящим из нескольких частей, при этом, по крайней мере, одна часть профилированного центрального тела выполнена с возможностью радиального осесимметричного вращения вокруг продольной оси профилированного центрального тела, кинематически связана с агрегатами питания, на ее внешней поверхности установлены лопатки для придания ей вращательного движения, а в выходной зоне неподвижной части, примыкающей к подвижной, выполнены каналы, соединенные с системой подачи горючего и открывающиеся на профилированную поверхность неподвижной части.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, где показан осевой разрез предложенного двигателя.

Двигатель состоит из кольцевой камеры 1 со смесительной головкой 2 и тарельчатым соплом 3 внешнего расширения с кольцевым критическим сечением 4. Внутренняя поверхность сопла 3 образует профилированное центральное тело 5, состоящее, по крайней мере, из двух частей - неподвижной 6 и подвижной 7. Подвижная часть 7 профилированного центрального тела 5 выполнена с возможностью радиального осесимметричного вращения вокруг продольной оси профилированного центрального тела и кинематически связана с турбонасосным агрегатом 8, а на ее внешней поверхности установлены лопатки 9 для придания ей вращательного движения.

В полости профилированного центрального тела 5 установлены агрегаты управления 10 и агрегаты питания, включающие турбонасосный агрегат 8 с насосами подачи компонентов в смесительную головку 2, кинематически связанный с подвижной частью 7 центрального тела 5. В выходной зоне неподвижной части 6 центрального тела 5, примыкающей к подвижной 7, выполнены каналы 11, соединенные с системой подачи горючего и открывающиеся на профилированную поверхность неподвижной части 6.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Первоначальный запуск двигателя осуществляется путем подачи на лопатки 9 подвижной части 7 центрального тела, играющей роль турбины турбонасосного агрегата, струи газов пирозапальника или газов из специального баллона для раскрутки турбины.

Компоненты топлива подаются в смесительную головку 2, воспламеняются и истекают через кольцевое критическое сечение 4. В тарельчатом сопле внешнего расширения продукты сгорания расширяются, причем внешняя граница расширения определяется атмосферным давлением, а внутренняя - контуром профилированного центрального тела. Продукты сгорания со сверхзвуковой скоростью поступают к срезу тарельчатого сопла 3 и обтекают при этом лопатки 9, установленные на подвижной части 7 центрального тела 5. Подвижная часть 7 центрального тела начинает вращаться вокруг оси центрального тела и приводит во вращение насосы подачи компонентов топлива турбонасосного агрегата 8, которые подают компоненты топлива в смесительную головку 2.

Продукты сгорания, попадающие на лопатки 9 подвижной части 7 центрального тела 5, имеют достаточно высокую температуру, что сказывается на работоспособности лопаток и сокращении срока их службы. Для снижения температуры продуктов сгорания, поступающих на лопатки 9, через каналы 11, соединенные с системой подачи горючего и открывающиеся на профилированную поверхность неподвижной части 6, подается часть расхода горючего, имеющего значительно более низкую температуру, чем температура продуктов сгорания. Подача горючего приводит к уменьшению температуры продуктов сгорания, что позволяет повысить долговечность лопаток и улучшить условия их работы.

Использование предложенного технического решения позволит упростит пневмогидравлическую схему двигателя и улучшить его массогабаритные характеристики.

Изобретение относится к ракетному двигателестроению и может быть использовано при создании безгенераторных жидкостных ракетных двигателей, работающих на криогенных компонентах, например кислороде и водороде. Жидкостный ракетный двигатель содержит кольцевую камеру со смесительной головкой, тарельчатым соплом внешнего расширения, профилированным центральным телом и кольцевым критическим сечением, газогенератор, агрегаты управления и агрегаты питания, включающие турбонасосный агрегат с турбиной и насосами подачи компонентов топлива, расположенные в полости профилированного центрального тела, согласно изобретению профилированное центральное тело выполнено состоящим из нескольких частей, при этом, по крайней мере, одна часть профилированного центрального тела выполнена с возможностью радиального осесимметричного вращения вокруг продольной оси профилированного центрального тела, кинематически связана с агрегатами питания, на ее внешней поверхности установлены лопатки для придания ей вращательного движения, а в выходной зоне неподвижной части, примыкающей к подвижной, выполнены каналы, соединенные с системой подачи горючего и открывающиеся на профилированную поверхность неподвижной части. Изобретение обеспечивает повышение удельного импульса тяги, упрощение пневмогидравлической схемы и увеличение давления в камере при минимальных габаритных размерах. 1 ил.

Жидкостный ракетный двигатель, содержащий кольцевую камеру со смесительной головкой, тарельчатым соплом внешнего расширения, профилированным центральным телом и кольцевым критическим сечением, газогенератор, агрегаты управления и агрегаты питания, включающие турбонасосный агрегат с турбиной и насосами подачи компонентов топлива, расположенные в полости профилированного центрального тела, отличающийся тем, что профилированное центральное тело выполнено состоящим из нескольких частей, при этом, по крайней мере, одна часть профилированного центрального тела выполнена с возможностью радиального осесимметричного вращения вокруг продольной оси профилированного центрального тела, кинематически связана с агрегатами питания, на ее внешней поверхности установлены лопатки для придания ей вращательного движения, а в выходной зоне неподвижной части, примыкающей к подвижной, выполнены каналы, соединенные с системой подачи горючего и открывающиеся на профилированную поверхность неподвижной части.