МНОГОТОПЛИВНАЯ ЖИДКОСТНАЯ РЕАКТИВНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА, РАБОТАЮЩАЯ НА ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ТОПЛИВАХ Российский патент 2020 года по МПК F02K9/68 

Изобретение относится к конструкции жидкостных ракетных двигателей и может быть использовано преимущественно в авиации и в космонавтике в качестве вспомогательных двигательных установок управления полетом.

В современных ЖРД используются как двухкомпонентные ракетные топлива, состоящие из окислителя и горючего, так и однокомпонентные ракетные топлива, являющиеся жидкостями, способными к каталитическому разложению.

Однокомпонентные ЖРД проще двухкомпонентных по конструкции, дешевле и надежнее, но уступают им по удельным и динамическим параметрам, в том числе имеют более низкий уровень тяги, при этом число включений однокомпонентных ЖРД примерно те же, что и у двухкомпонентных.

Топливом большинства созданных и эксплуатируемых однокомпонентных ЖРД являются гидразин -N₂H₄ или перекиси водорода-H₂O₂ (B.C. Егорычев,. B.C. Кондрусев; «Топлива химических ракетных двигателей»; Самара, Изд. Самарский государственный аэрокосмический университет, 2007).

Прототипом изобретения выбрана жидкостная ракетная двигательная установка, работающая на однокомпонентном топливе, включающая расширительную камеру с соплом и баллон с управляющим газом, соединенным нагнетательным газопроводом с баком однокомпонентного топлива, который связан топливной магистралью с каталитической камерой - газогенератором, оснащенной катализатором для каталитического разложения этого топлива, и сочлененной через патрубок с расширительной камерой.

При подаче однокомпонентного топлива в каталитические камеры - газогенераторы с катализатором и производят его экзотермическое каталитическое разложение. Результаты катализа передают в расширительную камеру, а затем выводят в виде реактивной струи через сопло, создавая тяговый импульс (B.C. Егорычев, А.В. Сулинов; «Жидкостные ракетные двигатели малой тяги и их характеристики»; Самара, Изд. Самарский государственный аэрокосмический университет, 2010).

Недостатками прототипа является нерациональное использование топлива, обусловленное невозможностью дополнительного использования продуктов катализа, ограниченное регулирование величины импульса тяги возможное только количеством используемого однокомпонентного топлива, а также зависимость надежности работы от состояния катализатора, который, в течение длительного применения может утратить свои функциональные свойства.

При создании изобретения решалась задача создания конструкции многотопливной ЖРД установки, работающей на однокомпонентных топливах, с возможностью рационального выбора используемого топлива, обладающего возможностью регулированного увеличения тяги за счет изменяемого качества топлива и повышенной безотказностью.

Поставленная задача решилась созданием многотопливной жидкостной ракетной двигательной установки, работающей на однокомпонентном топливе включающей расширительную камеру с соплом и баллоном управляющего газа, соединенным газопроводом с баком первого однокомпонентного топлива, который связан топливопроводом с первой

каталитической камерой - газогенератором, оснащенной катализатором для каталитического разложения первого топлива, и сочлененной через патрубок с расширительной камерой, при этом установка снабжена баком второго однокомпонентного топлива, соединенным газопроводом с баллоном управляющего газа, связанным топливопроводом со второй каталитической камерой - газогенератором, оснащенной катализатором для каталитического разложения второго топлива, сочлененной через патрубок с расширительной камерой.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении величины максимального тягового импульса и возможности его гибкого регулирования, рациональном использовании топлива и в повышении безотказности.

Для повышения энтальпии внутри баллона управляющего газа и расширительной камеры, способствующей дополнительному газообразованию с увлечением объема и регулирования давления, баллон управляющего газа может быть снабжен датчиком - отрицательной обратной связи давления и элементом для подвода тепловой энергии а расширительная камера могут быть снабжена датчиком - отрицательной обратной связи давления и элементом для подвода энергии во внутреннее пространство.

Для осуществления возможности получения реактивной струи непосредственно за счет окислительно-восстановительной реакции между первым и вторым однокомпонентным топливами, повышающей надежность и, одновременно гибкость регулирования тягового импульса, бак первого и бак второго однокомпонентного топлива могут быть непосредственно соединены с расширительной камерой.

Для пояснения сущности изобретения используется схема многотопливной жидкостной реактивной двигательной установки согласно изобретению с приведением всех частных случаев его реализации.

Жидкостная ракетная двигательная установка включает расширительную камеру 2 с соплом 1 и баллоном 3 управляющего газа с элементом 29 для подвода тепловой энергии и датчиком 27 - отрицательной обратной связи давления, соединенным газопроводом 4 через понижающий редуктор 6 с баком 8 первого однокомпонентного топлива, который связан топливоводом 10 через управляющий клапан 12 с первой каталитической камерой - газогенератором 14, оснащенной датчиком 25 - отрицательной обратной связи давления, и катализатором 16 для каталитического разложения первого топлива и сочлененной через патрубок 18 с расширительной камерой 2.

Одновременно установка снабжена баком второго 9 однокомпонентного топлива, соединенным газопроводом 5 через понижающий редуктор 7 с баллоном 3 управляющего газа, связанным топливоводом 11 через управляющий клапан 13 со второй каталитической камерой - газогенератором 15, с датчиком 26 отрицательной обратной связи давления и катализатором 17 для каталитического разложения второго топлива, сочлененной через патрубок 19 с расширительной камерой 2.

Для повышения энтальпии внутри расширительной камеры, способствующей дополнительному газообразованию с увеличением объема, расширительная камера может быть снабжена датчиком 28 - отрицательной обратной связи давления и элементом 24 для подвода энергии во внутреннее пространство, например запальной свечой.

Для осуществления возможности получения реактивной струи непосредственно за счет окислительно-восстоновительной реакции между первым и вторым однокомпонентными топливами, повышения надежности и, одновременно гибкости регулирования тягового импульса, бак 8 первого и бак 9 второго однокомпонентного топлива могут быть непосредственно соединены топливопроводами 20, 21 через соответствующие им управляющие клапана 22, 23 с расширительной камерой 2.

Ниже приводятся примеры реализации изобретения для случая, когда в качестве первого однокомпонентного топлива выступает перекись водорода H₂O₂, а второго гидразин N₂H₄, для катализа будут применены Ag, или Ir соответственно. В качестве управляющего газа создающего давление для перемещения однокомпонентных топлив в калитические камеры-газогенераторы, может быть применен Не (B.C. Егорычев, B.C. Кондрусев;.«Топлива химических

ракетных двигателей»; Самара, Изд. Самарский государственный аэрокосмический университет, 2007).

Примеры реализации приводятся в виде альтернатив, представленные окислительно-восстановительные реакции составлены в соответствии с курсом «Неорганическая химия», например Д.Д. Дзудцова, Л.Б. Бестаева Окислительно-восстановительные реакции, изд. Дрофа, 2005, 320 с.

По альтернативе 1

Первый вид H₂O₂ однокомпонентного топлива из бака 8 через топливопровод 10 подают в каталитическую камеру - газогенератор 14 оснащенную датчиком 25 - отрицательной обратной связи давления с соответствующим катализатором 16 Ag, и производят экзотермическое каталитическое разложение выбранного топлива: результаты катализа через патрубок 18 подают в расширительную камеру 2 с элементом 24 для подвода тепловой энергии и датчиком 28 - отрицательной обратной связи давления:

2H₂O₂→2H₂O+O₂+Q₁ (экзотермическая)

Где Q₁ - количество теплоты, выделенное при проведении катализа.

Способ может быть использован при получении малой тяги или при невозможности использования способов по другим альтернативам.

Вышеуказанный способ применяется для осуществления коррекции положения аппарата малым удельным импульсом тяги.

По альтернативе 2

Второй вид N₂H₄ однокомпонентного топлива из бака 9 через топливопровод 11 подают в каталитическую камеру - газогенератор 15 оснащенную датчиком 26 - отрицательной обратной связи давления с соответствующим катализатором 17 Ir и производят экзотермическое каталитическое разложение выбранного топлива: результаты катализа через патрубок 19 подают в расширительную камеру 2 с элементом 24 для подвода тепловой энергии и датчиком 28 - отрицательной обратной связи давления:

3N₂H₄4NH₃+N2→3H2+2N₂+Q₂ (экзотермическая).

Где Q₂ - количество теплоты, выделенное при проведении катализа.

Способ может быть использован при получении малой тяги или при невозможности использования способов по другим альтернативам.

Вышеуказанный способ применяется для осуществления коррекции положения аппарата на 40% большим удельным импульсом тяги

Результаты катализа передают в расширительную камеру, а затем выводят в виде реактивной струи через сопло, создавая тяговый импульс

По альтернативе 3

Первый вид H₂O₂ однокомпонентного топлива из бака 8 через топливопровод 10 подают в каталитическую камеру - газогенератор 14, с соответствующим катализатором 16 Ag оснащенную датчиком 25 - отрицательной обратной связи давления и производят экзотермическое каталитическое разложение выбранного топлива. Результаты катализа через патрубок 18 подают в расширительную камеру 2 снабженную элементом 24 для подвода тепловой энергии во внутреннее пространство и датчиком 28 - отрицательной обратной связи давления, для выполнения подвода тепловой энергии Q₃. Подвод тепловой энергии Q₃ может быть выполнен, например, посредством электрической запальной (разогревательной) «свечи» (калийной, дуговой).

2H₂O₂→2H₂O+O₂+Q₁+Q₃=2H₂O+O₂+Q₄ (экзотермическая)

Где Q₄ - количество теплоты, выделенное после подвода (не подвода) тепловой энергии Q₃ к результатам каталитического разложения с энергией Q₁

Способ может быть использован при получении меньше заданной малой тяги или при невозможности использования способов по другим альтернативам.

Вышеуказанный способ применяется для осуществления коррекции положения аппарата малым стабильным удельным импульсом тяги.

По альтернативе 4

Второй вид N₂H₄ однокомпонентного топлива из бака 9 через топливопровод 11 подают в каталитическую камеру - газогенератор 15 оснащенную датчиком 26 - отрицательной обратной связи давления, с

соответствующим катализатором 17 Ir и производят экзотермическое каталитическое разложение выбранного топлива. Результаты катализа через патрубок 19 подают в расширительную камеру 2 снабженную с датчиком 28 - отрицательной обратной связи давления с подводом тепловой энергии Q3. Подвод тепловой энергии Q₃ может быть выполнен, например, посредством электрической запальной (разогревательной) «свечи» (калийной, дуговой).

3N₂H₄→4NH₃+N₂3H₂+2N₂+Q₂+Q₃=4NH₃+N₂3H₂+2N₂+Q₅ (экзотермическая)

Где Q₅ - количество теплоты, выделенное после подвода (не подвода) тепловой энергии Q₃ к результатам каталитического разложения с энергией Q₂

Способ может быть использован при получении меньше заданной малой тяги или при невозможности использования способов по другим альтернативам.

Вышеуказанный способ применяется для осуществления коррекции положения аппарата малым стабильным удельным импульсом тяги.

По альтернативе 5

Первый вид H₂O₂ из бака 8 и второй вид N₂H₄ из бака 9 однокомпонентных топлив через соответствующие топливопроводы 10, 11 подают одновременно в каталитические камеры - газогенераторы 14, 15 оснащенные датчиками 25, 26 - отрицательной обратной связи давления, с соответствующим катализатором 16 Ag и 17 Ir, соответственно и производят экзотермическое каталитическое разложение первого и второго однокомпонентных топлив, результаты катализа через соответствующие патрубки 18, 19 передают в расширительную камеру 2 снабженную датчиком 28 - отрицательной обратной связи давления и элементом 24 для подвода тепловой энергии, в которой производят окислительно-восстановительную реакцию между некоторыми из продуктов катализа:

2H₂O₂→2H₂O+O₂+Q₁ (экзотермическая)

3N₂H₄→4NH₃+N₂→3H₂+2N₂+Q₂ (экзотермическая).

(2H₂O+O₂)+Q₁+(3Н₂+2N₂)+Q₂=2H₂O+N₂+Q₆

Где Q₆ - количество теплоты, выделенное при проведении окислительно-восстановительной реакции.

Способ может быть использован при получении заданной средней тяги или при невозможности использования способов по другим альтернативам.

Вышеуказанный способ применяется для осуществления ускоренной коррекции положения аппарата среднем стабильным удельным импульсом тяги.

По альтернативе 6

Первый вид Н₂О₂ из бака 8 и второй вид N₂H₄ из бака 9 однокомпонентных топлив через соответствующие топливопроводы 10, 11 подают одновременно в каталитические камеры - газогенераторы 14, 15 оснащенные датчиками 25, 26 - отрицательной обратной связи давления с соответствующим катализатором 16, 17 соответственно Ag, и Ir, и производят экзотермическое каталитическое разложение первого и второго однокомпонентных топлив, результаты катализа через соответствующие патрубки 18, 19 передают в расширительную камеру 2 оснащенную датчиком 28 - отрицательной обратной связи давления и элементом 24 для подвода тепловой энергии, в которой производят окислительно-восстановительную реакцию между некоторыми из продуктов катализа с подводом тепловой энергии Q₃. Подвод тепловой энергии Q₃ может быть выполнен, например, посредством электрической запальной (разогревательной) «свечи» (калийной, дуговой):

2H₂O₂→2H₂O+O₂+Q₁ (экзотермическая)

3N₂H₄→4NH₃+N₂→3H₂+2N₂+Q₂ (экзотермическая).

(2H₂O+O₂)+Q₁+(3H₂+2N₂)+Q₂=2H₂O+N₂+Q₆

2H₂O+N₂+Q₆+Q₃=2H₂O+N₂+Q₇

Где Q₇ - количество теплоты, выделенное после подвода тепловой энергии Q₃ к результатам каталитического разложения с энергией Q₆

Способ может быть использован при получении заданной средней тяги или при невозможности использования способов по другим альтернативам.

Вышеуказанный способ применяется для осуществления ускоренной коррекции положения аппарата среднем стабильным удельным импульсом тяги.

По альтернативе 7

Первый вид H₂O₂ однокомпонентного топлива из бака 8 подают через топливопровод 10 в каталитическую камеру-газогенератор 14 оснащенную датчиком 25 - отрицательной обратной связи давления с соответствующим катализатором 16 Ag, и производят экзотермическое каталитическое разложение, затем продукты катализа первого вида H₂O₂ однокомпонентного топлива через патрубок 18, и второй вид N₂H₄ однокомпонентного топлива из бака 9 через топливопровод 21 подают непосредственно в расширительную камеру 2 оснащенную датчиком 28 - отрицательной обратной связи давления и элементом 24 для подвода тепловой энергии для осуществления подвода тепловой энергии Q₃. Подвод тепловой энергии Q₃ может быть выполнен, например, посредством электрической запальной (разогревательной) «свечи» (калийной, дуговой):

при подводе тепловой энергии производят между ними окислительно-восстановительную реакцию

2H₂O₂→2H₂O+O₂+Q₁ (экзотермическая).

(2H₂O+O₂+Q₁+H₂N₄)+Q₃=H₂O+N₂+Q₈

Где Q₈ - количество теплоты, выделенное в результате каталитического разложения с подводом тепловой энергии Q₃

Способ может быть использован при получении заданной большой тяги или при невозможности использования способов по другим альтернативам.

Вышеуказанный способ применяется для осуществления быстрой коррекции положения аппарата большим стабильным удельным импульсом тяги.

По альтернативе 8

Первый вид H₂O₂ из бака 8 и второй вид N₂H₄ из бака 9 однокомпонентных топлив подают через соответствующие топливопроводы 20, 21 в расширительную камеру 2 с датчиком 28 - отрицательной обратной связи давления и элементом 24 подвода тепловой энергии Q₃. Подвод тепловой энергии Q₃ может быть

выполнен например, посредством электрической запальной (разогревательной) «свечи» (калийной, дуговой):

при подводе тепловой энергии производят между ними окислительно-восстановительную реакцию

Н₂О₂+N₂H₄+Q₃=H₂O+N₂+Q₉ (экзотермическая).

Где Q₉ - количество теплоты, выделенное в результате каталитического разложения с подводом тепловой энергии Q₃.

Способ может быть использован при получении заданной максимальной тяги или при невозможности использования способов по другим альтернативам.

Вышеуказанный способ применяется для осуществления скоростной коррекции положения аппарата максимальным стабильным удельным импульсом тяги.

По альтернативе 9

Управляющую рабочую массу Не из баллона 3 снабженного элементом 27 для подвода тепловой энергии во внутреннее пространство, оснащенного датчиком 29 - отрицательной обратной связи давления подают через соответствующие газопроводы 4, 5 в бак 8 первого и бак второго 9 видов однокомпонентных топлив, затем через соответствующие топливопроводы 20, 21 в расширительную камеру 2 снабженную элементом 24 для подвода тепловой энергии во внутреннее пространство оснащенную датчиком 28 - отрицательной обратной связи давления, непосредственно с подводом тепловой энергии Q₃. Подвод тепловой энергии Q₃ может быть выполнен, например, элементом 24 для подвода тепловой энергии например, посредством электрической запальной (разогревательной) «свечи».

Не+Q₁₀+Q₃=He+Q₁₁ (термическая)

Где Q₁₁ - количество теплоты полученное после подвода Q₁₀ и Q₃

Способ может быть использован при полной выработке из бака 8 первого вида Н₂О₂ и из бака 9 второго вида N₂H₄ однокомпонентных топлив или при невозможности использования способов по другим альтернативам.

Вышеуказанный способ применяется для осуществления коррекции положения аппарата малым стабильным удельным импульсом тяги.

Из раскрытых вариантов реализации, очевидно, что использование различных альтернатив реализации в зависимости от функциональной целесообразности, позволит осуществлять гибкое регулирование тягового импульса.

Использование варианта каталитического разложения первого и второго однокомпонентных топлив с последующей окислительно-восстановительной реакцией между некоторыми из продуктов катализа позволит повысить величину максимального тягового импульса достигаемого устройством ЖРД, а использование независимых альтернатив позволит повысить безотказность.

Изменения и модификации раскрытого варианта осуществления могут быть очевидными для специалистов в данной области техники и находятся в пределах заявленного объема патентных притязаний приложенной формулы изобретения с учетом технических эквивалентов.

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям. Многотопливная жидкостная ракетная двигательная установка включает расширительную камеру 2 с соплом 1, баллон 3 с управляющим газом, оснащенный нагревательным элементом 27, датчиком отрицательной образной связи давления 29, соединенным нагнетательным газопроводом 4, 5 с баком первого вида однокомпонентного топлива, который связан топливной магистралью 10 с первой каталитической камерой - газогенератором, оснащенной катализатором для каталитического разложения первого однокомпонентного топлива, оснащенной датчиком отрицательной обратной связи давления 25 и сочлененной через патрубок 18 с расширительной камерой 2, а также топливопровод 20, сочлененный непосредственно с расширительной камерой. Одновременно установка снабжена баком второго 9 однокомпонентного топлива другого вида, соединенным нагнетательным газопроводом 4 с баллоном 3 управляющего газа, оснащенного нагревательным элементом 27, датчиком отрицательной обратной связи давления 29 и связанным топливной магистралью 11 с второй 15 каталитической камерой - газогенератором, оснащенной катализатором для каталитического разложения второго топлива, оснащенной датчиком отрицательной обратной связи давления 26, сочлененной через патрубок 19 с расширительной камерой 2, а также топливопровод 21, сочлененный непосредственно с расширительной камерой. Изобретение обеспечивает повышение величины максимального тягового импульса и возможности его гибкого регулирования и корреляции, рациональное использование топлива и управляющею газа, а также повышение безотказности. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Многотопливная жидкостная ракетная двигательная установка, работающая на однокомпонентных топливах, включающая

расширительную камеру с соплом, баллон с управляющим газом, соединенным нагнетательным газопроводом с баком первого однокомпонентного топлива, который связан топливной магистралью с первой каталитической камерой - газогенератором, оснащенной катализатором для каталитического разложения первого вида топлива и сочлененной через патрубок с расширительной камерой, отличающаяся тем, что снабжена баком второго однокомпонентного топлива, другого вида, соединенным нагнетательным газопроводом с баллоном управляющего газа и связанным топливной магистралью со второй каталитической камерой - газогенератором, оснащенной катализатором для каталитического разложения второго топлива, сочлененной через патрубок с расширительной камерой.

2. Установка по п. 1, в которой в качестве первого однокомпонентного топлива используется перекись водорода, а в качестве второго однокомпонентного топлива - гидразин.

3. Установка по п. 1, в которой расширительная камера снабжена элементом для подвода энергии во внутреннее пространство.

4. Установка по п. 1 или 2, в которой бак первого и бак второго однокомпонентных топлив непосредственно соединены с расширительной камерой.