Способ регулирования соотношения компонентов топлива жидкостного ракетного двигателя Российский патент 2025 года по МПК F02K9/10 F02K9/26 

Предлагаемое изобретение относится к регулированию жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) и может быть использовано в ракетной технике в качестве способа регулирования ЖРД.

Известно, что ЖРД, работающий на двух и более компонентах топлива, должен быть работоспособен при изменении соотношения расходов компонентов топлива (Км) в определенном диапазоне. Это качество позволяет синхронизировать опорожнение баков ракеты и свести к минимуму остатки компонентов топлива после останова двигателя. При заправке баков, как правило, обеспечивается практически номинальное соотношение масс компонентов, а в полете ведется контроль опорожнения баков, по результатам которого корректируется текущее значение соотношения расходов компонентов топлива через двигатель и тяги с прогнозом получения минимальных остатков. В зависимости от чувствительности ракетной системы управления расходами топлива (СУРТ) или опорожнения баков (СОБ) диапазон изменения соотношения расходов компонентов топлива через двигатель задается на уровне ±7%, а реальный, как правило, не превышает ±3%, именно в этом диапазоне производится кратковременное корректирующее воздействие. Тем не менее при отработке двигателя зачастую требуется проверка его работоспособности в диапазоне ±10%.

Применительно к двухкомпонентным двигателям известны и нашли применение следующие способы изменения Км:

1. Использование дросселя для изменения определенного при первоначальной настройке двигателя на номинальное соотношение компонентов гидравлического сопротивления магистрали одного из компонентов топлива, в соответствии с сигналами системы СОБ («Учебно-методическое пособие по лабораторной работе. Изучение двигателей РД-107, РД-108» В.В. Красник Балтийский Государственный Технический Университет «ВОЕНМЕХ»).

Недостатком использования дросселя является необходимость воздействия на полный расход одного из компонентов в высоконапорной магистрали и наличие на нем значительного номинального перепада давления, ведущего к увеличению потребной мощности соответствующего насоса до 30%. Это специальный агрегат автоматики с мощным приводом.

2. В случае использования раздельных агрегатов подачи окислителя и горючего со своими газогенераторами регулирование соотношения компонентов топлива осуществляется путем изменения расхода того или иного компонента изменением оборотов насосов, изменяя параметры соответствующих газогенераторов. В случае одного газогенератора и двух турбонасосных агрегатов - путем перераспределения мощности турбин (книга «Космонавтика. Энциклопедия» Москва. Издательство «Советская энциклопедия», 1985 г.).

Недостаток данного подхода заключается в том, что при использовании двух турбонасосных агрегатов несколько усложняется процесс одновременного регулирования соотношения компонентов топлива и тяги.

3. Регулирование давления подачи на входе в камеру двигателя. Здесь устанавливаются два регулятора давления соответственно на линиях окислителя и горючего. Регулятор по линии горючего поддерживает заданное давление подачи горючего в камеру сгорания или изменяет в соответствии с «указаниями» системы управления. Регулятор по линии окислителя поддерживает и изменяет давление подачи окислителя в камеру сгорания в соответствии с давлением подачи горючего (книга «Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей» Москва. Издательство «Машиностроение», 1989 г.).

Недостаток данного подхода заключается в том, что он требует применения полнорасходных, высокоперепадных агрегатов автоматики с приводами, что ведет к постоянным энергетическим затратам, увеличивает массу двигателя и усложняет алгоритм регулирования.

4. Регулирование соотношения компонентов топлива путем изменения величины перепуска компонента с минимальным объемным расходом с выхода насоса обратно на вход в насос через клапан, управляемый электроприводом (книга «Космонавтика. Энциклопедия» Москва. Издательство «Советская энциклопедия», 1985 г.).

Недостаток данного подхода заключается в том, что клапан, установленный на линии перепуска, все время открыт, что в свою очередь влечет к постоянной нагрузке насоса подачи этого компонента определенным дополнительным расходом, который будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от значения Км.

Этот способ наиболее близок к заявленному способу, так как также обеспечивает изменение соотношения компонентов путем перепуска части расхода компонента на вход в насос.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа регулирования двигателя по соотношению компонентов топлива, который позволяет исключить энергетические потери в двигателе при работе с номинальным соотношением компонентов топлива и упростить процесс его регулирования.

Эта задача в предлагаемом изобретении решается за счет того, что в процессе работы двигателя окислитель поступает в насос окислителя, после выхода из насоса для регулирования соотношения компонентов топлива часть расхода окислителя поступает к нормально закрытому агрегату автоматики, который для регулирования соотношения компонентов топлива открывают, и обеспечивают перепуск части окислителя на вход в насос окислителя или на вход в двигатель, горючее поступает в насос горючего, после выхода из насоса для регулирования соотношения компонентов топлива часть расхода горючего поступает к нормально закрытому агрегату автоматики, который для регулирования соотношения компонентов топлива открывают, и обеспечивают перепуск части горючего на вход в насос горючего или на вход в двигатель.

Другими отличиями предложенного способа является следующее:

- в качестве агрегатов автоматики используют нормально закрытые пневмоуправляемые клапаны;

- в качестве агрегатов автоматики используют нормально закрытые электроуправляемые клапаны;

- в качестве агрегатов автоматики используют нормально закрытые дроссели.

Пример осуществления способа

Суть способа схематически поясняется на фиг.1 и фиг.2, где представлена схема реализации способа.

На фиг.1 представлена схема с линией перепуска на вход в насос, а на фиг.2 представлена схема с линией перепуска на вход в двигатель.

Компоненты топлива окислитель и горючее поступают по магистралям 1 и 2 на вход в двигатель. Далее окислитель поступает в преднасос 3, а затем в насос окислителя 4. После выхода из насоса 4 окислитель по магистрали 5 поступает в газогенератор, а часть расхода окислителя поступает к клапану 6, который находится в нормально закрытом состоянии. Для уменьшения Км указанный клапан открывают и, соответственно, обеспечивают перепуск части окислителя на вход в насос окислителя 4 (фиг.1) или на вход в двигатель по линии окислителя 1 (фиг.2), уменьшая расход в газогенератор и далее после турбины в камеру. Горючее из преднасоса 7 поступает на первую ступень насоса горючего 8. Далее с выхода насоса горючего первой ступени 8 горючее поступает в камеру по магистрали 9, а также в насос горючего второй ступени 10, при этом, выход из насоса первой ступени 8 в линию перепуска перекрыт нормально закрытым клапаном 11. Для увеличения Км указанный клапан открывают и, обеспечивая перепуск части горючего на вход в насос горючего первой ступени 8 (фиг.1) или на вход в двигатель по линии горючего 2 (фиг.2), уменьшают расход горючего, подаваемый в камеру. При этом расход перепускаемого компонента окислителя или горючего через клапаны 6 и 11 в зависимости от режима работы двигателя по тяге будет разным.

Технический эффект

Использование нормально закрытых линий перепуска незначительных расходов компонентов топлива (примерно от 3 до 7%) позволяет исключить энергетические затраты при работе двигателя на номинальном режиме по Км, исключить из состава двигателя полнорасходные, высокоперепадные агрегаты, в частности дроссель горючего. Становится возможным существенно снизить мощность насоса горючего (примерно на 30%), уменьшить массу, увеличить надежность двигателя и упростить процесс его регулирования.

Промышленное применение

Данное изобретение может применяться для регулирования массового соотношения компонентов топлива в ЖРД.

Изобретение относится к регулированию жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) и может быть использовано в ракетной технике в качестве способа регулирования ЖРД. Способ регулирования жидкостного ракетного двигателя по соотношению компонентов топлива состоит в том, что регулирование соотношения компонентов топлива осуществляют с помощью перепуска через нормально закрытые агрегаты автоматики, установленные в линиях перепуска по каждому из компонентов топлива после насоса высокого давления на входе в насос или на вход в двигатель, которые открывают только по командам от системы управления. Данный способ применяется для регулирования массового соотношения компонентов топлива в ЖРД и позволяет полностью исключить какие-либо затраты мощности насосов при работе с номинальным соотношением компонентов, уменьшить массу, увеличить надежность двигателя и упростить процесс его регулирования. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регулирования соотношения компонентов топлива жидкостного ракетного двигателя с насосной системой подачи топлива, основанный на изменении расхода одного из компонентов топлива путем его увеличения или уменьшения за счет перепуска этого компонента, отличающийся тем, что в процессе работы двигателя окислитель поступает в насос окислителя, после выхода из насоса для регулирования соотношения компонентов топлива часть расхода окислителя поступает к нормально закрытому агрегату автоматики, который для регулирования соотношения компонентов топлива открывают, и обеспечивают перепуск части окислителя на вход в насос окислителя или на вход в двигатель, горючее поступает в насос горючего, после выхода из насоса для регулирования соотношения компонентов топлива часть расхода горючего поступает к нормально закрытому агрегату автоматики, который для регулирования соотношения компонентов топлива открывают, и обеспечивают перепуск части горючего на вход в насос горючего или на вход в двигатель.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве агрегатов автоматики используют нормально закрытые пневмоуправляемые клапаны.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве агрегатов автоматики используют нормально закрытые электроуправляемые клапаны.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве агрегатов автоматики используют нормально закрытые дроссели.