Способ повышения энергетических характеристик серийно изготавливаемых жидкостных ракетных двигателей Российский патент 2019 года по МПК F02K9/42 F02K9/97 

Изобретение относится к области ракетной техники и, в частности, к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД), работающим на земле и в пустоте в составе ракетного блока.

При эксплуатации современных ракет-носителей (РН) регулярно возникает потребность повышения энергетических характеристик ЖРД для увеличения массы выводимого полезного груза (ПГ). Для этого проводится модернизация маршевых двигателей ракет-носителей (РН) и разгонных блоков, направленная на повышение удельного импульса I_y и тяги Р.

Известен способ повышения энергетических характеристик ЖРД за счет применения более эффективных компонентов ракетного топлива, так в серийно изготавливаемом двигателе 11Д511Ф был получен прирост удельного импульса тяги двигателя на 6,5 с за счет применения более эффективного углеводородного горючего «синтин» вместо керосина.

Известен способ повышения энергетических характеристик ЖРД за счет изменения элементов конструкции камеры двигателя, так в серийно изготавливаемых двигателях 14Д21(14Д22) был получен прирост удельного импульса тяги двигателя на 6,5 с за счет применения улучшенной конструкции смесительной головки с однокомпонентными центробежными форсунками.

Известен способ повышения энергетических характеристик ЖРД за счет повышения давления в камере сгорания. При этом одновременно повышается и удельный импульс тяги двигателя. Однако в области высоких давлений в камере сгорания р_к = 250-300 кгс/см² удельный импульс зависит от р_к очень слабо. Форсирование по тяге проводилось, например, при модернизации двигателя первой ступени РН «Зенит» и «Ангара» от РД171М (давление в КС р_к = 250 кгс/см²) к РД191 (р_к = 262,6 кгс/см²) на компонентах топлива кислород-керосин. При модернизации указанных двигателей геометрия сопел оставалась неизменной.

Задачей изобретения является создание способа повышения энергетических характеристик серийно изготавливаемого ЖРД, при котором за счет увеличения давления в камере сгорания ЖРД происходит повышение тяги и удельного импульса тяги двигателя, причем без существенного изменения элементов конструкции двигателя.

Эта задача решается за счет того, что в способе повышения энергетических характеристик серийно изготавливаемого ЖРД, характеризующимся тем, что осуществляют увеличение давления в камере сгорания ЖРД и повышают геометрическую степень расширения сопла за счет установки соплового насадка на его срезе.

Технический результат заключается в том, что достигается существенное повышение энергетических характеристик серийно изготавливаемых ЖРД, что, в конечном счете, приводит к повышению массы, выводимого на орбиту ПГ.

На фиг. показана схематически камера 1 серийно изготавливаемого ЖРД, и сопловой насадок 2, устанавливаемый на срезе сопла указанной камеры.

Суть изобретения поясняется на примере серийно изготавливаемых камер ЖРД РД171М и РД191. Камера двигателя РД191 имеет более высокие энергетические характеристики, так как на номинальном режиме она форсирована по тяге по отношению к режиму работы двигателя РД171М на 5% путем увеличения давления в камере сгорания р_к. Как известно, камеры ЖРД РД171М и РД191 имеют одинаковые конструкцию и геометрические параметры. Сопла этих камер имеют геометрическую степень расширения . При этом удельный импульс тяги двигателя РД191 увеличился очень незначительно. В таблице представлены результаты вариантов расчета повышения удельного импульса в пустоте I_уп и тяги в пустоте Р_п серийно изготавливаемой камеры ЖРД РД191и с установленным на ее срез сопловым насадком при форсировании по отношению к тяге двигателя РД171М на 5%, 10 и 15%%. Степень расширения камеры с насадком во всех вариантах расчета выбиралась такой, чтобы давление в выходном сечении насадка р_а было равно давлению на срезе сопла серийно изготавливаемой камеры двигателя РД171М р_а = 0,789 кгс/см².

Как видно из представленных в табл. данных, при увеличении давления в камере сгорания ЖРД р_к возрастает, соответственно, давление на срезе сопла р_а, так как газодинамическая степень расширения сопла р_к/p_a однозначно определяется геометрической степенью расширения сопла . При установке на срез сопла соплового насадка происходит дальнейшее расширение продуктов сгорания и давление на выходе из насадка становится меньше, чем на срезе сопла. Степень снижения давления в сопловом насадке определяется заданным профилем его контура и выбирается с учетом следующего условия: давление на выходе из соплового насадка не должно становится меньше значения, при котором начинается отрыв потока продуктов сгорания от стенок на выходе из сопла с сопловым насадком на режимах дросселирования.

Увеличение степени расширения сопла может быть реализовано путем изменения контура последних секций сопла.

Данный способ наиболее применим как на первых, так и на 2-х -3-х ступенях РН в однокамерных ЖРД, так как в многокамерных двигателях увеличение длины и диаметра выходного сечения камер не всегда реализуемо на практике из-за габаритных ограничений.

Изобретение найдет применение в ракетной технике при модернизации серийно изготавливаемых ЖРД. Это применение позволяет повысить тягу и удельный импульс тяги и, соответственно, увеличить полезную нагрузку РН, выводимую на околоземную орбиту.

Изобретение относится к области ракетной техники и, в частности, к жидкостным ракетным двигателям, работающим на земле и в пустоте в составе ракетного блока. Способ повышения удельного импульса тяги серийно изготавливаемых жидкостных ракетных двигателей заключающийся в том, что повышают давление в камере сгорания и повышают геометрическую степень расширения сопла за счет установки соплового насадка на срезе сопла серийно изготовленной камеры или изменения контура последних секций сопла. Изобретение обеспечивает повышение удельного импульса тяги и, соответственно, увеличение полезной нагрузки ракеты-носителя, выводимую на околоземную орбиту. 1 табл., 1 ил.

Способ повышения энергетических характеристик серийно изготавливаемых жидкостных ракетных двигателей, характеризующийся тем, что осуществляют повышение давления в камере сгорания указанных ЖРД и повышают степень расширения сопла этой камеры за счет установки на ее срезе соплового насадка или изменения контура последних секций сопла.