КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ЖРД) С ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ СПОСОБОМ УПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРОМ ТЯГИ И СОПЛОВЫМ НАСАДКОМ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА (УУКМ) Российский патент 2022 года по МПК F02K9/82 F02K9/64 

Изобретение относится к ракетным двигателям с предельно высокими энергомассовыми характеристиками, в которых используется газодинамическое управление вектором тяги.

В информации ЦЭНКИ «Космическая программа Индии» (информационный выпуск) Изложена конструкция двигателя S139, в котором для управления вектором тяги используется вдув в охлаждаемую сверхзвуковую часть сопла специального раствора перхлорида стронция.

Недостатком данной конструкции является:

- существенное снижение работоспособности (RT) перхлорида стронция по сравнению с работоспособностью основного потока, что снижает эффективность вдува;

- необходимость иметь на борту специальную систему хранения и подачи перхлорида стронция, что увеличивает массу двигателя;

- значительная масса охлаждаемой сверхзвуковой части сопла.

Также известна конструкция двигателя РД 857 для второй ступени ракеты 8К99 КБ «Южное», изложенная в спецвыпуске ассоциации «Космос» в разделе «История создания КБЮ» и («Двигатели. 1944-2000. Авиационные, ракетные, морские, промышленные» М000 «АКС. Конверсия, 2000» стр. 339), принятая за прототип. В конструкции камеры этого двигателя сектора вдува генераторного газа расположены на охлаждаемой сверхзвуковой части сопла выполненной из стали, имеющий удельный вес ~ 7,9+8 г/см³, что существенно ухудшает энергомассовые характеристики двигателя и не позволяет увеличить степень расширения сопла.

Особый интерес представляет выполнение камеры двигателя с газодинамическим способом управления вектором тяги и сопловым насадком с большой степенью расширения ~ 250 и выше, выполненного из углерод-углеродного композитного материала удельным весом ~ 1,4-1,5 г/см³.

Поставленная техническая задача решается тем, что камера ЖРД с газодинамическим способом управления вектором тяги и сопловым насадком, содержащая охлаждаемую сверхзвуковую часть с расположенными на ней секторами для подачи рабочего тела на вдув, неохлаждаемый насадок из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), подводные и отводные коллектора охладителя и сектора для подачи рабочего тела, согласно изложению:

- сектора с отверстиями для подачи рабочего тела на вдув расположены в районе выходной части охлаждаемого сопла в месте соединения с насадком из УУКМ, а отверстия вдува выполнены в зоне утолщения ребер периодически расположенных с ребрами без утолщения и совместно с кольцевой канавкой обеспечивают обтекание охладителя в выходной части сопла и место соединения с сопловым насадком.

- каналы охладителя сопловой части в районе расположения секторов вдува и между секторами вдува имеют общие подводной и отводной коллектора.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется схемами, показанными на фиг. 1, 2, 3, 4 и 5.

На фиг. 1 показана камера ЖРД 1, содержащая охлаждаемую часть сопла 2 и неохлаждаемый насадок из УУКМ 3. На камере показаны сектора вдува 4, коллектор подвода охладителя в камеру 5 и коллектор отвода охладителя 6.

На фиг. 2 показан коллектор вдува 4 с расположенными в нем отверстиями 7 для вдува рабочего тела и соединение охлаждаемой части сопла с насадком из УУКМ.

На фиг. 3 показаны утолщения ребер 8, в которых выполнены отверстия вдува рабочего тела 7 и кольцевая канавка 9.

На фиг. 4 показаны входные отверстия 10 для поступления охладителя из подводного коллектора 5 в охлаждаемый тракт сопла 2.

На фиг. 5 изображен схематически сектор подвода рабочего тела 4 с отверстиями 7, через которые рабочее тело поступает в сверхзвуковую проточную полость 11 камеры 1, образуя прямой скачек уплотнения 12, за которым реализуется зона 13 с повышенным статическим давлением на стенке соплового насадка 3.

Камера ЖРД с газодинамическим управлением вектора тяги и сопловым насадком работает следующим образом.

При работе двигателя охладитель из подводного коллектора 5 через отверстие 10 в наружной стенке поступает в каналы охлаждения сопла 2 камеры 1. Протекая по каналам охлаждения охладитель обтекает утолщение ребер 8 и через канавку 9 поступает в отводной коллектор 6, охлаждая стык с сопловым насадком.

При необходимости получения бокового управляющего усилия в определенной плоскости рабочее тело через распределительное устройство поступает в соответствующий сектор вдува 4, расположенный в той плоскости, где необходимо получить боковое усилие и на той части камеры, куда оно должно быть направлено.

Из сектора вдува 4 рабочее тело через отверстия 7, выполненные в утолщениях ребер 8 сопла 2 рабочее тело поступает в прочную полость продуктов сгорания 11 камеры 1.

В результате взаимодействия рабочего тела со сверхзвуковым потоком продуктов сгорания в полости 11 образуется прямой скачок уплотнения 12, за которым на сопловым насадке из УУКМ 3 реализуется зона 13 с повышенным статическим давлением. В результате разности давлений в зоне 13 за скачком уплотнения 12 и давлением на противоположной части насадка, обтекаемой невозмущенным потоком образуется боковое управляющее усилие.

Когда необходимость в получении бокового управляющего усилия пропадает, подается соответствующая команда на газораспределитель и подача рабочего тела в сектор вдува 4 прекращается; обтекание всех поверхностей соплового насадка из УУКМ осуществляется невозмущенным равномерным потоком продуктов сгорания.

Таким образом, расположение секторов подачи рабочего тела на вдув в месте соединения с неохлаждаемым насадком из УУКМ с большой степенью расширения обеспечивает расположение секторов на большом удалении от выходного сечения камеры, что увеличивает эффективность газодинамического управления вектором тяги, а использование соплового насадка с большой степенью расширения (с плотность ρ=1,4-1,5 г/см³) позволяет существенно улучшить энергомассовые характеристики двигателя.

Изобретение относится к ракетным двигателям, в которых используется газодинамическое управление вектором тяги. Предложена камера ЖРД с газодинамическим способом управления вектором тяги и сопловым насадком, содержащая охлаждаемую сверхзвуковую часть с расположенными на ней секторами для подачи рабочего тела на вдув, неохлаждаемый насадок из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ), подводные и отводные коллекторы охладителя и секторы для подачи рабочего тела, в которой согласно изобретению секторы с отверстиями для подачи рабочего тела на вдув расположены в районе выходной части охлаждаемого сопла в месте соединения с насадком из УУКМ, а отверстия вдува выполнены в зоне утолщения ребер, периодически расположенных с ребрами без утолщения, и совместно с кольцевой канавкой обеспечивают обтекание охладителем выходной части сопла и места соединения с сопловым насадком, каналы охладителя сопловой части в районе расположения секторов вдува и между секторами вдува имеют общие подводной и отводной коллекторы. Изобретение обеспечивает увеличение эффективности газодинамического управления вектором тяги, а также улучшение энергомассовых характеристик двигателя. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Камера ЖРД с газодинамическим способом управления вектором тяги с сопловым насадком из УУКМ, содержащая охлаждаемую часть сопла с расположенными на ней секторами для подачи рабочего тела на вдув, неохлаждаемый сопловой насадок из углерод-углеродного композитного материала (УУКМ), подводные и отводные коллекторы охладителя и секторы для подачи рабочего тела, отличающаяся тем, что секторы с отверстиями для подачи рабочего тела на вдув расположены в районе выходной части сопла в месте соединения с неохлаждаемым насадком из УУКМ, а отверстия вдува выполнены в зоне утолщения ребер, периодически расположенных с ребрами без утолщения, и совместно с кольцевой канавкой обеспечивают обтекание охладителем выходной части сопла и места соединения с сопловым насадком.

2. Камера ЖРД с газодинамическим способом управления вектором тяги с сопловым насадком из УУКМ по п. 1, отличающаяся тем, что каналы охлаждения сопловой части в районе расположения секторов вдува и между секторами вдува имеют общие подводные и отводные коллекторы.