Способ уменьшения массы кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя Российский патент 2025 года по МПК F02K9/00 

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно - к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД).

Одними из основных современных направлений совершенствования ЖРД являются: уменьшение габаритных размеров, уменьшение массы ЖРД и двигательной установки в целом, совершенствование системы смесеобразования для обеспечения предельно возможной полноты сгорания компонентов топлива и увеличение удельного импульса тяги (см. например, https://studylib.ru/doc/451827/zhidkostnye-reaktivnye-dvigateli или В.Е. Алемасов и др. «Теория ракетных двигателей»: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов, М., Машиностроение, 1980).

Одной из основных проблем при создании устройств для перемешивания и распыливания компонентов топлива ЖРД - форсунок - является обеспечение предельно возможной полноты сгорания компонентов, что обеспечивается увеличением площади поверхности соприкосновения компонентов и уменьшением характерного поперечного размера струи одного из компонентов. В известных форсунках выполнение указанных условий приводит к значительному усложнению конструкции.

Известна коаксиальная соосно-струйная форсунка, содержащая наконечник в виде полого цилиндра, соединяющий полость жидкого окислителя с зоной горения (полостью камеры сгорания), втулку с цилиндрической внутренней поверхностью, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость газообразного горючего с зоной горения (В.Е. Алемасов и др. «Теория ракетных двигателей»: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов, М., Машиностроение, 1980, рис. 18.2, стр. 225-226).

В данной форсунке окислитель подается в зону горения по осевому каналу внутри наконечника, а горючее - по кольцевому зазору между втулкой и наконечником. На выходе из форсунки струя окислителя имеет форму сплошного конуса, обращенного вершиной к наконечнику форсунки, а струя горючего - форму полого конуса. Контакт горючего и окислителя происходит по поверхности сплошного конуса. Такая схема подачи не обеспечивает качественного распыла компонентов топлива, что приводит к уменьшению коэффициента полноты сгорания топлива, и, соответственно, потерям удельного импульса тяги.

Известна соосно-струйная форсунка, содержащая полый наконечник, в выходной части которого выполнены радиально расположенные пазы, и соединяющий полость одного компонента топлива с зоной горения, втулку, охватывающую с зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с зоной горения, при этом радиально расположенные пазы выполнены таким образом, что периметр центральной части струи, ограниченный образующими лучей, составляет не более 3s, а длина луча - 2,3÷2,5s, где s - толщина луча (Патент РФ №2291977, МПК:F02К9/52, F23D11/12).

Указанная коаксиальная двухкомпонентная форсунка работает следующим образом.

Окислитель из полости окислителя по каналу внутри наконечника подается в камеру сгорания. В месте расположения радиальных пазов струя окислителя принимает форму выходного сечения наконечника, в данном случае форму радиальных пазов, что приводит к изменению формы поперечного сечения струи и увеличению периметра контакта при неизменной площади сечения.

Изменение формы струи окислителя с круглой на звездообразную трехлучевую улучшает условия разрушения струи и позволяет уменьшить характерный поперечный размер струи. Следовательно, на выходе из наконечника струя окислителя более склонна к потере своей целостности и быстрее распадается. Такое воздействие на струю дает возможность улучшить условия перемешивания компонентов на всех режимах.

Горючее из полости горючего по зазору между наконечником и втулкой подается в зону горения, при этом струя горючего принимает форму профилированной кольцевой щели между наконечником и втулкой, т.е. становится эквидистантной струе окислителя.

За счет профилирования выходного сечения форсунки и более интенсивного распадения струи окислителя на капли, длина струи нераспавшейся части жидкости струи окислителя уменьшается в несколько раз, что позволяет организовать горение компонентов топлива ближе к огневому днищу с сохранением степени совершенства процесса смесеобразования.

За счет того, что струя окислителя быстрее распадается, фронт пламени приближается ближе к огневому днищу и огневой стенке, происходит увеличение тепловых потоков в огневое днище, и, соответственно, возникает необходимость принятия дополнительных мер по защите указанных частей камеры от прогара, что решается обеспечением эшелонированного горения.

Известные способы уменьшения массы составных частей камеры и самой камеры в целом основаны на подборе оптимальной конструкции составных частей, подборе материалов с улучшенными прочностными характеристиками и изготовлении составных частей из указанных материалов. Замена материала составных частей на композиционные материалы не всегда возможна и применяется преимущественно для изготовления неохлаждаемой сопловой части камеры. Это ведет к незначительному снижению массы двигателя и увеличению трудоемкости изготовления и росту себестоимости изготовления двигателя в целом (см. например, https://studylib.ru/doc/451827/zhidkostnye-reaktivnye-dvigateli или В.Е. Алемасов и др. «Теория ракетных двигателей»: Учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов, М., Машиностроение, 1980).

Задачей изобретения является обеспечение возможности уменьшения длины камеры сгорания, и камеры в целом, и, соответственно, ее массы, с сохранением требуемой степени совершенства процесса смесеобразования и прочностных характеристик камеры и обеспечение требуемых характеристик ЖРД.

Технический результат достигается тем, что в предложенном способе уменьшения массы кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя с коаксиальными соосно-струйными форсунками, заключающемся в уменьшении массы его составных частей, согласно изобретению, на этапе проектирования определяют общую длину двигателя и общую длину камеры, определяют длину нераспавшейся части жидкости струи окислителя для коаксиальных соосно-струйных форсунок с круглым выходным сечением и определяют степень совершенства смесеобразования, обеспечиваемого данной схемой подачи компонентов топлива, после чего уменьшают длину струи нераспавшейся части жидкости коаксиальных соосно-струйных форсунок путем профилирования их выходного сечения из круглого в трехлучевое, затем определяют уменьшение длины струи нераспавшейся части жидкости упомянутых форсунок с сохранением степени совершенства смесеобразования, и на длину, не более полученной величины уменьшения длины струи нераспавшейся части жидкости, уменьшают длину камеры сгорания, длину всей камеры и элементов пневмогидросхемы обвязки упомянутого двигателя, зависящих от нее.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана коаксиальная соосно-струйная форсунка с круглым наконечником, на фиг.2 показана форма струи окислителя для коаксиальной соосно-струйной форсунки с круглым наконечником, в аксонометрии, на фиг.3 показана коаксиальная соосно-струйная форсунка с трехлучевым наконечником, на фиг.4 показана форма струи окислителя для коаксиально-соосно-струйной форсунки с трехлучевым наконечником, в аксонометрии, на фиг.5 показано уменьшение длины ЖРД с камерой с форсунками с трехлучевым наконечником по сравнению с камерой с форсунками с круглым наконечником. Символом ΔL обозначено изменение длины камеры и всего двигателя в целом по высоте.

Коаксиальная соосно-струйная форсунка содержит корпус 1 с наконечником 2 для подачи окислителя в камеру сгорания. Горючее подается по кольцевому зазору 3 между втулкой 4 и наконечником 2. Выходное сечение наконечника может иметь как круглую форму, так и профилированную, в виде трехлучевой звезды. Как показали проведенные исследования, при профилировании наконечника струя окислителя быстрее теряет свою форму и распадается на капли, что ведет к значительному, в несколько раз, сокращению длины нераспавшейся части жидкости и дает возможность уменьшить длину камеры сгорания с сохранением требуемого времени пребывания компонентов топлива в камере.

Предложенный способ может быть реализован следующим образом.

На этапе проектирования по общепринятым и известным формулам из теории ЖРД определяют объем, общую длину камеры сгорания, длину камеры, степень расширения сопла, общую длину двигателя. Рассчитывают и подбирают по расходу типовые коаксиальные соосно-струйные форсунки с круглым выходным сечением. Теоретически и экспериментально определяют длину нераспавшейся части жидкости струи окислителя для коаксиальных соосно-струйных форсунок с круглым выходным сечением и определяют степень совершенства смесеобразования, обеспечиваемого данной схемой подачи компонентов топлива для создаваемого двигателя. Производят профилирование выходного сечения форсунок из круглого в трехлучевое и определяют уменьшение длины струи нераспавшейся части жидкости упомянутых форсунок с сохранением ранее полученной степени совершенства смесеобразования. Затем на длину не более полученной величины уменьшения длины струи нераспавшейся части жидкости уменьшают длину камеры сгорания, длину всей камеры и элементов пневмогидросхемы обвязки упомянутого двигателя, зависящих от нее, обеспечивая при этом уменьшение массы двигателя, т.к. большая часть массы двигателя из-за расположения элементов пневмогидросхемы располагается именно в месте расположения камеры сгорания. При необходимости, для обеспечения охлаждения огневого днища, обеспечивают эшелонированное горение компонентов топлива.

Использование предложенного технического решения позволит уменьшить массу камеры жидкостного ракетного двигателя за счет сокращения ее длины, длины элементов пневмогидросхемы данного двигателя, располагаемых на камере сгорания, и самого жидкостного ракетного двигателя в целом.

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно - к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД). Способ уменьшения массы кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя с коаксиальными соосно-струйными форсунками заключается в том, что на этапе проектирования определяют общую длину двигателя, определяют длину камеры, определяют длину нераспавшейся части жидкости струи окислителя для коаксиальных соосно-струйных форсунок с круглым выходным сечением и определяют степень совершенства смесеобразования, обеспечиваемого данной схемой подачи компонентов топлива. Уменьшают длину струи нераспавшейся части жидкости коаксиальных соосно-струйных форсунок путем профилирования их выходного сечения из круглого в трехлучевое. Определяют уменьшение длины струи нераспавшейся части жидкости упомянутых форсунок с сохранением степени совершенства смесеобразования и на длину не более полученной величины уменьшения длины струи нераспавшейся части жидкости уменьшают длину камеры сгорания, длину всей камеры и элементов пневмогидросхемы обвязки упомянутого двигателя, зависящих от нее. 5 ил.

Cпособ уменьшения массы кислородно-водородного жидкостного ракетного двигателя с коаксиальными соосно-струйными форсунками, заключающийся в уменьшении массы его составных частей, характеризующийся тем, что на этапе проектирования определяют общую длину двигателя, определяют общую длину камеры, определяют длину нераспавшейся части жидкости струи окислителя для коаксиальных соосно-струйных форсунок с круглым выходным сечением и определяют степень совершенства смесеобразования, обеспечиваемого данной схемой подачи компонентов топлива, после чего уменьшают длину струи нераспавшейся части жидкости коаксиальных соосно-струйных форсунок путем профилирования их выходного сечения из круглого в трехлучевое, затем определяют уменьшение длины струи нераспавшейся части жидкости упомянутых форсунок с сохранением степени совершенства смесеобразования и на длину не более полученной величины уменьшения длины струи нераспавшейся части жидкости уменьшают длину камеры сгорания, длину всей камеры и элементов пневмогидросхемы обвязки упомянутого двигателя, зависящих от нее.