КАМЕРА ЖРД СО СВЕРХЗВУКОВОЙ ЧАСТЬЮ СОПЛА ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА Российский патент 2022 года по МПК F02K9/97 F02K9/62 

В настоящее время к разрабатываемым жидкостным ракетным двигателям предъявляются предельно высокие требования по экономичности и массовым характеристикам.

Обеспечение высокой экономичности требует выполнение сверхзвуковой части сопла с высокой степенью расширения (отношение площади выходного сечения сопла к площади критического сечения) порядка ~150 и выше.

Выполнение охлаждаемой сверхзвуковой части сопла существенно ухудшает массовые характеристики.

Для улучшения массовых характеристик используются неохлаждаемые насадки из углерод-углеродных композиционных материалов. Они обладают высокими физико-механическими свойствами, низким удельным весом ~1,4÷1,7 г/см³ и способностью сохранять работоспособность при высоких температурах ~2000 К.

Насадок из углерод-углеродного композиционного материала с большой степенью расширения используется в американском двигателе RL-10.

В России насадки из углерод-углеродных композиционных материалов с большой степенью расширения порядка 150 и выше не нашли применения из-за высокой стоимости, сравнимой практически со стоимостью самого двигателя, т.к. в России нет исходной сырьевой базы для изготовления углеродной нити и высокой стоимости электроэнергии.

Известна конструкция варианта охлаждаемого сопла, выполненная из титанового сплава двигателя 11Д58М («Двигателя 1944-2000. Авиационные, ракетные, морские, промышленные» М ООО «АКС. Конверсия, 2000» стр. 252), принятая за прототип. Сопло из титанового сплава ОТ-4 имеет улучшение массовые характеристики (удельный вес ~4,7 г/см³) по сравнению со стальным охлаждаемым соплом (удельный вес которого ~7,9 г/см³).

Соединение охлаждаемой сверхзвуковой сопловой части, выполненной из титанового сплава ОТ-4 с охлаждаемой частью сопла, выполненного из стальной рубашки и внутренней стенки из медного сплава, осуществляется через специальную биметаллическую проставку. Биметаллическая проставка, выполненная из паяного соединения титанового сплава ОТ-4 со сплавом 4В. Наличие биметаллической проставки позволяет выполнить сварные соединения камеры с охлаждаемым соплом из сплава ОТ-4.

Однако, титановый сплав с удельным весом ~4,5÷4,7 г/см³ не позволяет существенно улучшить энергетически-массовые характеристики с большой степенью расширения сверхзвуковой части сопла.

Особый интерес представляет выполнение сверхзвуковой части сопла с большой степенью расширения ~150 и выше из алюминиевого сплава, поскольку удельный вес алюминиевого сплава равен ~2,7 г/см³.

Однако по своим физико-химическим характеристикам алюминиевые сплавы не соединяются с помощью сварки со сталью или бронзовыми сплавами.

Поставленная задача достигается тем, что камера ЖРД со сверхзвуковой частью сопла из алюминиевого сплава, содержащая охлаждаемую дозвуковую часть, выполненную из стальной наружной рубашки и внутренней стенки из бронзового сплава с подводными магистралями компонентов топлива и сверхзвуковую часть сопла из алюминиевого сплава, согласно изложению, на охлаждаемой сверхзвуковой части сопла из алюминиевого сплава выполнено переходное кольцо с рядом отверстий из сплава ЭП666, соединенное с помощью пайки с внутренней и наружной стенками сверхзвуковой части из алюминиевого сплава, которое через стальную накладку и переходное кольцо соединяется со стальной рубашкой камеры с выполненными в ней рядом отверстий и бронзовой внутренней стенкой дозвуковой части, образуя полость, соединяющую полость охлаждения дозвуковой части камеры с полостью охлаждения сверхзвуковой части сопла из алюминиевого сплава.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется схемами, показанными на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 показана дозвуковая часть 1 с подводной магистралью 2 охлаждающего компонента топлива в охлаждающий тракт и сверхзвуковая часть сопла 3, выполненная из алюминиевого сплава, соединенная с дозвуковой частью элементом 4.

На фиг. 2 показано соединение 4 дозвуковой части камеры 1 со сверхзвуковой частью 3 с коллектором отвода 12, выполненной из алюминиевого сплава, с помощью переходного кольца 5 с отверстиями 6. С помощью накладки 7 и переходного кольца 5 дозвуковая часть сверхзвуковой части 3 соединяется со стальной рубашкой 8 с отверстиями 9 и внутренней стенкой 10, образуя соединяющую полость 11.

Камера работает следующим образом. По соответствующей команде компоненты подаются в камеру, и происходит их воспламенение. Одновременно со сгоранием компонентов топлива в камере охлаждающий компонент поступает через подводную магистраль 2 в тракт охлаждения дозвуковой части 1. Из тракта охлаждения дозвуковой части через отверстия 9 и соединяющую полость 11, отверстия 6 отверстия 6 в переходном кольце 5, компонент попадает в тракт охлаждения сверхзвуковой части сопла 3, выполненной из алюминиевого сплава. По трактам охлаждения охлаждающий компонент проходит до выходной части сопла, разворачивается и через отводную магистраль 12 попадает в двигательную систему.

Использование предложенного технического решения позволяет обеспечить предельно высокие энергетические и массовые характеристики за счет выполнения сверхзвуковой части сопла с большой степенью расширения.

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД). Камера ЖРД со сверхзвуковой частью сопла из алюминиевого сплава, содержащая охлаждаемую дозвуковую часть, выполненную из стальной наружной рубашки и внутренней стенки из бронзового сплава с подводными магистралями компонентов топлива, и сверхзвуковую часть сопла из алюминиевого сплава, согласно изобретению на охлаждаемой сверхзвуковой части сопла из алюминиевого сплава выполнено переходное кольцо с рядом отверстий из сплава ЭП666, соединенное с помощью пайки с внутренней и наружной стенками сверхзвуковой части из алюминиевого сплава, которое через стальную накладку и переходное кольцо соединяется со стальной рубашкой камеры с выполненными в ней рядом отверстий и бронзовой внутренней стенкой дозвуковой части, образуя полость, соединяющую полость охлаждения дозвуковой части камеры с полостью охлаждения сверхзвуковой части сопла из алюминиевого сплава. Изобретение обеспечивает улучшение массовых и энергетических характеристик. 2 ил.

Камера жидкостного ракетного двигателя со сверхзвуковой частью сопла из алюминиевого сплава, содержащая охлаждаемую дозвуковую часть, выполненную из стальной наружной рубашки и внутренней стенки из бронзового сплава, с подводными магистралями компонентов топлива, и сверхзвуковую часть сопла из алюминиевого сплава, отличающаяся тем, что на охлаждаемой сверхзвуковой части сопла из алюминиевого сплава выполнено переходное кольцо с рядом отверстий из сплава ЭП666, соединенное с помощью пайки с внутренней и наружной стенками сверхзвуковой части из алюминиевого сплава, которое через стальную накладку и переходное кольцо соединяется со стальной рубашкой камеры с выполненным в ней рядом отверстий и бронзовой внутренней стенкой дозвуковой части, образуя полость, соединяющую полость охлаждения дозвуковой части камеры с полостью охлаждения сверхзвуковой части сопла из алюминиевого сплава.