КАМЕРА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ЖРД) С НЕОХЛАЖДАЕМЫМ НАСАДКОМ Российский патент 2023 года по МПК F02K9/97 

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 ~250 и выше. В результате выходное сечение сопла может достигать двух и более метров.

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

Насадок из углерод-углеродного композиционного материала с большой степенью расширения используется в американском двигателе RL-10(принятый за прототип), величина выходного сечения сопла которого составляет ~2,2 м.

Получение уникальных физико-механических свойств насадком из УУКМ или УККМ больших размеров требует колоссальных материальных затрат.

Необходимо иметь дорогостоящее крупногабаритное оборудование и выполнить очень трудоемкую и затратную технологию изготовления:

- получение 2D или 3D-каркаса из плетеных углеродных волокон;

- обеспечение пропитки каркаса горячим пеком;

- выполнение карбонизации под давлением в газостате при Т≈530°С;

- выполнение графитизации при температуре 2000-2800°С в течение 15-20 часов, для чего требуются колоссальные затраты электроэнергии.

Кроме того, требуется большое количество механической, термической обработки и выполнение контрольных операций.

Из-за большой трудоемкости, длительности изготовления и колоссальных материальных затрат, сравнимых с изготовлением самого двигателя, крупногабаритные неохлаждаемые насадки не нашли применения в российских ЖРД.

Поставленная задача внедрения крупногабаритных насадков из УУКМ в ЖРД достигается тем, что камера жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) с неохлаждаемым насадком, содержащая охлаждаемую часть с каналами охлаждения и неохлаждаемый насадок из углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) или углерод-керамических композиционных материала (УУКМ), согласно изложению, насадок из УУКМ или УККМ выполнен из панелей, имеющих внутренний профиль камеры, соединенных по торцу между собой в замок с прокладкой из терморасширенного графита, а на наружных поверхностях панелей в упор с уступом установлены из УУКМ силовые бандажи, закрепленные между собой фланцевыми соединениями, и соединение панелей с охлаждаемой частью сопла обеспечивается разъемной накладкой с помощью сварки, согласно изложению:

- силовые бандажи представляют собой намотку нитей из углеродного волокна;

- по всей наружной поверхности панелей нанесен силовой слой углеродной нити.

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

На фиг.1 показана охлаждаемая часть камеры 1, соединенная с панелями насадка 2 с помощью накладки 4, где силовые бандажи 5 закрепляют панели.

На фиг.2 показана охлаждаемая часть камеры 1 и панели из УУКМ или УККМ 2, образующие неохлаждаемый насадок.

На фиг.3 показано соединение панелей 2 между собой в замок 6 с использованием прокладки из терморасширенного графита 7.

На фиг.4 показано фланцевое соединение 8 силовых бандажей 5, закрепляющих панели 2.

На фиг.5 показано изометрическое изображение панели 2 с ребрами для упора 9 бандажей 5, где 10 - канавка для укладки терморасширенного графита.

Камера работает следующим образом. По соответствующей команде компоненты топлива подаются в камеру, и происходит их воспламенение. Образуется процесс сгорания топлива. Продукты сгорания из камеры сгорания поступают в сверхзвуковую часть сопла. Пройдя охлаждаемую часть сопла, они обтекают неохлаждаемый насадок с давлением на стенках, как правило, на входе 0,5÷0,45 кгс/см² и на выходе 0,2÷0,18 кгс/см².

При этом от действия распределенного давления на стенку насадка будет действовать общее усилие на силовые бандажи ~50÷56 т., которые без особых напряжений воспринимаются, например, 4 силовыми бандажами. По торцу панелей в замке с прокладкой из терморасширенного графита реализуется герметичность стыка, работоспособность которого обеспечивается наличием силовых бандажей.

Использование предложенного технического решения позволяет обеспечить предельно высокие энергетические и массовые характеристики при большом снижении трудоемкости изготовления, времени изготовления и уменьшении в 40-50 раз материальных затрат на изготовление сверхзвуковых насадков больших размеров.

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД). Камера ЖРД с неохлаждаемым насадком из углерод-углеродного композитного материала (УУКМ), содержащая охлаждаемую часть с каналами охлаждения и неохлаждаемый насадок из УУКМ или углерод-керамического композитного материала (УККМ), согласно изобретению насадок из УУКМ выполнен из панелей, имеющих внутренний профиль камеры, соединенных по торцу между собой в замок с прокладкой из терморасширенного графита, а на наружных поверхностях панелей в упор с уступом установлены из УУКМ силовые бандажи, закрепленные между собой фланцевыми соединениями, и соединение панелей с охлаждаемой частью сопла обеспечивается разъемной накладкой с помощью сварки. Силовые бандажи представляют собой намотку нитей из углеродного волокна. По всей наружной поверхности панелей нанесен силовой слой углеродной нити. Изобретение обеспечивает улучшение энергетических и массовых характеристик. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Камера жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) с неохлаждаемым насадком, содержащая охлаждаемую часть с каналами охлаждения и неохлаждаемый насадок из углерод-углеродных композиционных материалов (УУКМ) или углерод-керамических композиционных материалов (УККМ), отличающаяся тем, что насадок из УУКМ или УККМ выполнен из панелей, имеющих внутренний профиль камеры, соединенных по торцу между собой в замок с прокладкой из терморасширенного графита, а на наружных поверхностях панелей в упор с уступом установлены из УУКМ силовые бандажи, закрепленные между собой фланцевыми соединениями, и соединение панелей с охлаждаемой частью сопла обеспечивается разъемной накладкой с помощью сварки.

2. Камера ЖРД по п. 1, отличающаяся тем, что силовые бандажи представляют собой намотку нитей из углеродного волокна.

3. Камера ЖРД по п. 1, отличающаяся тем, что по всей наружной поверхности панелей нанесен силовой слой углеродной нити.