СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МАССОВОГО РАСХОДА ТОПЛИВА В ОДНОКОМПОНЕНТНОМ ЖИДКОСТНОМ РАКЕТНОМ ДВИГАТЕЛЕ ПРЕДЕЛЬНО МАЛОЙ ТЯГИ Российский патент 2020 года по МПК F02K9/68 

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании однокомпонентных жидкостных ракетных двигателей, входящих в состав двигательных установок малой тяги спутников, для решения задач орбитального маневрирования.

Однокомпонентным жидкостным двигателям предельно малой тяги, имеющим в своем составе осевую капиллярную трубку подачи топлива в камеру разложения, присущи следующие проблемы:

- необходимость вынужденного снижения либо уровня давления на входе в двигатель для обеспечения предельно малой тяги, либо длительности импульса напряжения на клапан для обеспечения подачи требуемого количества топлива в камеру разложения при необходимости обеспечения предельно малой тяги или предельно малого единичного импульса тяги;

- необходимость существенного уменьшения внутреннего диаметра капиллярной трубки подачи для обеспечения требуемого предельно малого массового расхода топлива до размеров, когда могут возникнуть другие проблемы, например, частичной или полной закупорки выходной части внутреннего канала капилляра из-за наличия в топливе в том или ином количестве нелетучего остатка, который в импульсных режимах работы двигателя и, прежде всего, при его выключении, когда после закрытия клапана из капилляра выпариваются остатки жидкого топлива и нелетучие остатки осаждаются, как правило, на внутренней стенке выходной части капилляра, тем самым сужая его проходное сечение.

Эти проблемы ведут также к ограничению функциональных возможностей двигателя - нарушению тепловой устойчивости работы капиллярной трубки при непрерывной подаче рабочего тела в камеру разложения из-за частичного или полного вскипания в ней жидкого топлива. Происходит это вследствие превышения теплового потока, поступающего со стороны камеры разложения на капиллярную трубку, над отводящим тепловым потоком по капиллярной трубке в сторону управляющего клапана (с учетом впрыскиваемого топлива) из-за относительно низкого массового расхода и, соответственно, низкой скорости течения топлива по капиллярной трубке при работе двигателя с предельно малой тягой. Образование паровой пробки от перегрева капиллярной трубки ведет к возрастанию гидравлического сопротивления по длине капиллярной трубки, соответствующее снижению расхода топлива и характеристик двигателя. Снижение расхода топлива, в этом случае, дополнительно увеличивает поступающий тепловой поток по капиллярной трубке от камеры в сторону управляющего клапана двигателя, что ведет к дальнейшему перегреву капиллярной трубки и, соответственно, к нарушению работоспособности двигателя в целом. Наблюдается эффект «теплового запирания» узла подачи топлива в камеру разложения двигателя. Эта проблема особенно актуальна для двигателей с предельно малой тягой и предельно малыми импульсами тяги, где эффект «теплового запирания» стоит еще более остро.

Известен способ регулирования массового расхода топлива в жидкостном реактивном двигателе малой тяги, включающий подачу при постоянном давлении топлива на входе в двигатель единичных импульсов напряжения на клапан и соответствующую подачу массового расхода топлива в камеру изделия. Уменьшение или увеличение массового расхода осуществляется через соответствующее уменьшение или увеличение «командного сигнала» - напряжения на клапан в режимах единичных включений двигателя (Н.М. Беляев, Е.И. Уваров «Расчет и проектирование реактивных систем управления космических летательных аппаратов», М., «Машиностроение», 1974 г., стр. 24-30).

Известен способ подачи рабочего тела в камеру разложения, реализованный в конструкции электротермического газового тягового блока, включающей узел подачи топлива в камеру разложения, состоящий из управляющего клапана и капиллярной трубки, входной конец которой соединен с управляющим клапаном, а выходной конец закреплен в заглушке удлинительной трубки, камеру разложения и сопло (Патент Великобритании GB №2095336, МПК F02K 9/42, 1982 г.). При работе, когда система управления космическим аппаратом, в котором установлен тяговый блок, требует работы блока, управляющий клапан обеспечивает подачу массового расхода гидразина, который через капилляр и удлинительную трубку поступает в камеру разложения, где под действием катализатора и тепла гидразин разлагается и продукты разложения выходят через тяговое сопло, создавая тягу.

В известных способах, при необходимости регулирования величины единичного импульса тяги двигателя, которое может быть реализовано (например, при постоянном давлении топлива на входе на режиме работы двигателя) как за счет уменьшения длительности импульса напряжения на управляющий клапан, так и за счет снижения уровня тяги, достижение минимального импульса тяги обеспечивается только за счет предельного уменьшения длительности включения клапана двигателя, что приводит к следующим недостаткам:

- неэффективной работе двигателя при предельно коротких включениях из-за существенных потерь топлива и неэффективного его разложения на переходном режиме включения и, особенно, в момент останова двигателя;

- большому разбросу единичных импульсов тяги из-за существенного влияния на его стабильность погрешностей поддержания и допусков: на размеры конструктивных элементов узла подачи, на параметры эксплуатационных факторов, например, изменение температуры камеры разложения, особенно на режиме выхода двигателя на установившийся тепловой режим, возможных колебаний напряжения питания клапана, допускаемых погрешностей поддержания значений длительностей включения и выключения клапана и т.д.

При создании изобретения решалась задача обеспечения возможности регулирования массового расхода топлива (в единицу времени), в том числе предельно малого, в двигатель как при постоянном, так и переменном давлении топлива на входе при одновременном обеспечении устойчивой и эффективной работы двигателя.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном способе регулирования массового расхода топлива в однокомпонентном жидкостном ракетном двигателе предельно малой тяги, включающим подачу напряжения на клапан и подачу массового расхода топлива в камеру разложения через трубку подачи с расположенным в нем соосно капилляром, согласно изобретению, изменение массового расхода топлива в камеру разложения двигателя осуществляют путем подачи на клапан импульсов напряжения с частотой из диапазона 15-25 Гц и заданием коэффициента заполнения импульсов подачи напряжения на клапан с учетом его динамических характеристик при срабатывании на открытие и закрытие из диапазона

где Кзи - коэффициент заполнения импульсов подачи напряжения на клапан;

f - частота импульсов подачи напряжения на клапан;

τ_тр - время трогания якоря клапана;

τ_откр - время срабатывания клапана при открытии;

τ_отп - время отпускания якоря от стопа магнитопровода клапана;

τ_закр - время срабатывания клапана при закрытии;

- средний массовый расход топлива на режиме работы двигателя;

m - массовый расход топлива через полностью открытый клапан при том же давлении топлива на входе в двигатель, что и на режиме работы двигателя.

Импульсная подача напряжения на клапан в определенных диапазонах частот и коэффициента заполнения импульсов подачи напряжения на режиме работы двигателя позволяет:

- регулировать при постоянном или переменном давлении на входе массовый расход топлива в двигатель и, соответственно, непрерывную тягу от максимального значения, определяемого уровнем давления топлива на входе в двигатель при постоянно открытом клапане на режиме работы двигателя, до минимальных, определяемых параметрами импульсов напряжения на клапан с обеспечением, в том числе, стабильных предельно малых массовых расходов. При возможности дополнительного изменения давления топлива на входе в двигатель кратность регулирования массового расхода топлива увеличивается практически пропорционально;

- создавать на режиме работы двигателя «дополнительный», эквивалентный перепад между давлением топлива на входе в клапан (двигатель) и практически постоянным давлением в камере разложения. Тем самым, в двигателе с импульсной подачей топлива на режиме его работы давление топлива на входе может быть увеличено в нескольких раз по сравнению с вариантом непрерывной подачей для одного и того же количества топлива, необходимого для получения требуемого единичного импульса тяги. Увеличение давления топлива на входе в двигатель, то есть, перепада давления на капилляре, позволяет повысить устойчивость его работы и, соответственно, повысить стабильность и эффективность камеры разложения и двигателя в целом;

- существенно снизить разброс единичного импульса тяги относительно требуемого за счет существенного уменьшения величины его составляющей - импульса последействия и за счет увеличения длительности работы двигателя с меньшим уровнем тяги для обеспечения требуемого единичного импульса тяги;

- снизить требования по минимизации геометрических размеров внутреннего канала капилляра при одновременном обеспечении требуемого гидравлического сопротивления для необходимого массового расхода топлива;

- повысить тепловую устойчивость работы капилляра за счет увеличения перепада давления топлива на нем и, тем самым, обеспечить соответствующее увеличение скорости впрыска рабочего тела в камеру разложения при каждом включении клапана, а также за счет дробления потока топлива и снятия большей части тепла, поступающего от камеры разложения в сторону капилляра, с выходной части трубки подачи за счет периферийного распыла топлива вокруг основной, в целом цилиндрической, струи топлива;

- расширить функциональные возможности однокомпонентного двигателя по регулированию постоянной тяги за счет изменении массового расхода топлива на режимах его работы (τ_вкл) от максимального значения, определяемого уровнем давления топлива на входе в двигатель (при полностью открытом клапане на режиме работы двигателя), до минимальных, определяемых частотой (f) и длительностью подачи напряжения питания на клапан при каждом его включении (τ_и) или, что эквивалентно, коэффициентом заполнения импульсной подачи напряжения на клапан (Кзи), а также временами срабатывания клапана при открытии (τ_откр) и закрытии (τ_закр) и т.д.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид однокомпонентного жидкостного ракетного двигателя; на фиг. 2 - временные диаграммы изменения параметров двигателя: единичного импульса тяги (I₁) и напряжения питания клапана (Uкл) для одной и той же величины единичного импульса тяги при: а) импульсной и б) непрерывной подаче топлива.

Однокомпонентный жидкостный ракетный двигатель предельно малой тяги содержит узел подачи топлива, состоящий из клапана 1 и трубки подачи 2 с размещенным соосно внутри нее капилляром 3, и камеру разложения 4 с соплом 5.

Способ регулирования массового расхода топлива в двигателе осуществляется следующим образом:

На клапан 1 двигателя подается и снимается напряжение питания с частотой из диапазона 15-25 Гц, длительность подачи напряжения определяется обеспечением требуемого массового расхода топлива в течение режима работы двигателя, необходимого для выполнения задачи. При подаче каждого импульса напряжения на клапан 1 по капилляру 3 с высокой скоростью в границах внутреннего канала выходной части трубки подачи 2 впрыскивается порция рабочего тела, которая далее поступает в камеру разложения 4. Постоянная времени переходных процессов разложения топлива в камере разложения двигателя (или задержка по времени разложения топлива) после впрыска порции топлива соизмерима или превышает период включения клапана, поэтому давление в камере разложения и, соответственно, тяга двигателя будут в целом постоянными на режиме работы двигателя для заданных параметров напряжения питания клапана и уровня давления топлива на входе.

Коэффициент заполнения импульсов подачи напряжения на клапан 1 определяется по формуле

Кзи=f⋅τ_и.

При этом коэффициент заполнения импульсов подачи напряжения с учетом динамических характеристик клапана при срабатывании на открытие и закрытие, в общем случае может находиться в диапазоне

τ_тр - время трогания якоря клапана при открытии;

τ_отп - время отпускания якоря от стопа магнитопровода клапана при закрытии;

- средний массовый расход топлива на режиме работы двигателя;

m - массовый расход топлива через полностью открытый клапан при том же давлении топлива на входе в двигатель, что и на режиме работы двигателя.

При допущении мгновенного движения якоря клапана при открытии и закрытии диапазон возможного изменения коэффициента с учетом фактических динамических характеристик клапана при срабатывании на открытие и закрытие можно упростить до вида

f⋅τ_откр≤Кзи≤1-f⋅Т_закр.

Уменьшение коэффициента Кзи ведет к соответствующему уменьшению массового расхода топлива (например, при постоянном давлении топлива на входе), при этом происходит более существенное охлаждение периферийной частью распыла подаваемого топлива выходного внутреннего канала зоны трубки подачи 2, в которой коаксиально расположен капилляр 3. Это происходит за счет увеличившегося перепада давления на капилляре 3 при каждом впрыске топлива, соответствующего увеличения скорости впрыска и большего углом распыла топлива после выхода его из капилляра. Тем самым, при импульсной подаче топлива с высокой частотой образуется своеобразный барьер (жидкостная завеса) перед поступающим теплом от камеры разложения топлива 4 в зону расположения капилляра 3. Наличие теплозащитной завесы за выходной частью капилляра связано с особенностями дробления клапаном и распыла струи топлива при подаче топлива относительно короткими и частыми импульсами, причем уменьшение значения коэффициента Кзи ведет к увеличению конуса периферийного распыла топлива, который также увеличивается с уменьшением гидравлического сопротивления капилляра, то есть, с увеличением размеров внутреннего канала капилляра 3. Также к увеличению конуса распыла топлива ведет увеличение частоты включения клапана и длительности импульса напряжения его питания. Наличие периферийной зоны распыла топлива вокруг основной струи топлива, которая по диаметру больше внутреннего диаметра трубки подачи, снимает часть тепла, поступающего от камеры разложения к капилляру по трубке подачи.

В основу выбора частоты подачи напряжения на клапан двигателя положено допущение, что давление в камере двигателя остается в целом постоянным при импульсной подаче топлива. Тем самым, работа двигателя в динамическом плане может быть представлена квазистационарным режимом. В первом приближении амплитуды подъема (Ркп) и спада (Ркс) давления в камере можно описать переходной характеристикой апериодического звена первого порядка в виде

где Р_КН - номинальное (среднее) давление в камере двигателя;

τ - текущее время подъема (спада) давления в камере с момента начала его изменения;

T₁ - постоянная времени при пуске;

Т₂ - постоянная времени при останове.

Как видно из приведенных зависимостей, колебания давления в камере не превышают, например, ~10% в тех случаях, когда постоянные времени T₁ и Т₂ на порядок превышают период следования импульсов подачи расхода. В частности, для испытанных опытных образцов двигателей на гидразине с максимальной тягой до 5 Н минимальные значения постоянных времен T₁ ~ Т₂ ~ (5-7)⋅10² мс, поэтому постоянство давления в камере будет достаточным при частоте подачи топлива f≥15 Гц. Это важный момент для двигателей с импульсной подачей топлива в камере разложения, так как он напрямую затрагивает и определяет ключевой параметр его клапана -потребный ресурс по количеству включений для решаемых двигателем задач.

Следует также отметить, что постоянная времени камеры разложения T₁ зависит от гидравлического сопротивления капилляра узла впрыска, увеличиваясь с его увеличением. В свою очередь, гидравлическое сопротивление капилляра узла впрыска, при выбранных размерах и параметрах последнего, зависит от коэффициента Кзи, увеличиваясь с его уменьшением из-за увеличения в момент подачи топлива скорости потока в капилляре узле впрыска. Естественно, что на величину гидравлического сопротивления оказывает также соответствующее влияние температура топлива на входе в двигатель.

Верхнее значение частоты включения клапана определятся обеспечением минимальных требований к его ресурсной наработке по количеству включений с учетом его конструктивных особенностей и возможных допусков на диапазоны поддержания эксплуатационных параметров питания клапана и может быть ограничена частотой не более ~25 Гц. Таким образом, оптимальным будет выбор частоты включения клапана из диапазона 15-25 Гц.

Зависимость массового расхода топлива в камеру разложения двигателя от коэффициента заполнения импульсной подачи напряжения на клапан в общем имеет вид степенной функции. С уменьшением значения коэффициента уменьшается массовый расход топлива в камеру разложения двигателя, при этом темп уменьшения нарастает с дальнейшим уменьшением коэффициента. И наоборот, увеличение значения коэффициента ведет к увеличению массового расхода топлива с уменьшением темпа нарастания массового расхода топлива.

В качестве примера регулирования массового расхода топлива в камеру разложения за счет изменения коэффициента заполнения импульсной подачи напряжения на клапан и собственно тяги двигателя в таблице ниже приведены результаты огневых испытаний опытного образца гидразинового двигателя, которые проводились для двух постоянных уровней давления топлива на входе в двигатель - 1 МПа и 0,5 МПа. Частота подачи напряжения на клапан на режиме работы двигателя составляла 20 Гц. Максимальная тяга двигателя при полностью открытом клапане (при Кзи=1) на режиме непрерывной работы составила: при давлении топлива на входе 1 МПа - 930 мН, при давлении 0,5 МПа - 463 мН.

Таким образом в этих испытаниях достигнутая кратность изменения мгновенного расхода топлива за счет изменения коэффициента заполнения импульсной подачи напряжения на клапан в диапазоне от 1 до 0,067 (при постоянном давлении топлива на входе) составила более 6.

Экспериментальная отработка ряда типоразмеров и различных по конструкции двигателей в диапазоне тяги от 0,03 до 5 Н при различных уровнях постоянного давления топлива на входе в двигатели с заявляемым способом регулирования массового расхода топлива подтвердила кратность изменения (уменьшения) массового расхода топлива и, соответственно, тяги, до 5 и более раз по сравнению с максимальным массовым расходом топлива при постоянно открытом клапане при том же давлении топлива на входе, что и на режиме работы двигателя, а также подтвердила высокую эффективность функционирования этих двигателей и их высокую тепловую устойчивость, в том числе на предельно низких уровнях тяги и с предельно малыми единичными импульсами тяги.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании однокомпонентных жидкостных ракетных двигателей, входящих в состав двигательных установок малой тяги спутников для решения задач орбитального маневрирования.

Способ регулирования массового расхода топлива в двигателе осуществляется следующим образом: на клапан 1 двигателя подается и снимается напряжение питания с частотой из диапазона 15-25 Гц, длительность подачи напряжения определяется обеспечением требуемого массового расхода топлива в течение режима работы двигателя, необходимого для выполнения задачи. Также изменение массового расхода топлива в камеру разложения двигателя осуществляют заданием коэффициента заполнения импульсов подачи напряжения на клапан с учетом его динамических характеристик при срабатывании на открытие и закрытие из диапазона

где Кзи - коэффициент заполнения импульсов подачи напряжения на клапан;

f - частота импульсов подачи напряжения на клапан;

τ_тр - время трогания якоря клапана;

τ_откр - время срабатывания клапана при открытии;

τ_отп - время отпускания якоря от стопа магнитопровода клапана;

τ_закр - время срабатывания клапана при закрытии;

- средний массовый расход топлива на режиме работы двигателя;

m - массовый расход топлива через полностью открытый клапан при том же давлении топлива на входе в двигатель, что и на режиме работы двигателя.

При подаче каждого импульса напряжения на клапан 1 по капилляру 3 с высокой скоростью в границах внутреннего канала выходной части трубки подачи 2 впрыскивается порция рабочего тела, которая далее поступает в камеру разложения 4. Изобретение позволяет обеспечить возможность регулирования массового расхода топлива (в единицу времени), в том числе предельно малого, в двигатель как при постоянном, так и переменном давлении топлива на входе при одновременном обеспечении устойчивой и эффективной работы двигателя. 5 ил.

Способ регулирования массового расхода топлива в однокомпонентном жидкостном ракетном двигателе предельно малой тяги, включающий подачу напряжения на клапан и подачу массового расхода топлива в камеру разложения через трубку подачи с расположенным в нем соосно капилляром, отличающийся тем, что изменение массового расхода топлива в камеру разложения двигателя осуществляют путем подачи на клапан импульсов напряжения с частотой из диапазона 15-25 Гц и заданием коэффициента заполнения импульсов подачи напряжения на клапан с учетом его динамических характеристик при срабатывании на открытие и закрытие из диапазона

где К_зи - коэффициент заполнения импульсов подачи напряжения на клапан;

f - частота импульсов подачи напряжения на клапан;

τ_тр - время трогания якоря клапана;

τ_откр - время срабатывания клапана при открытии;

τ_отп - время отпускания якоря от стопа магнитопровода клапана;

τ_закр - время срабатывания клапана при закрытии;

- средний массовый расход топлива на режиме работы двигателя;

m - массовый расход топлива через полностью открытый клапан при том же давлении топлива на входе в двигатель, что и на режиме работы двигателя.