Однокомпонентный жидкостный ракетный двигатель малой тяги

 

Двигатель предназначен для использования в ракетной технике, а именно в реактивных системах управления космического аппарата для создания требуемых импульсов тяги, а также в жидкостных газогенераторах силовых установок. Двигатель содержит камеру термического разложения топлива, внутри которой расположено устройство для стартового разогрева двигателя, выполненное в виде полого стакана с перфорированными стенками с донышком, обращенным к форсунке, внутри которой установлен шнековый завихритель. Открытый конец стакана прикреплен к корпусу камеры и месту ее стыка с соплом двигателя. На стакан намотан с зазором между витками нагреватель, а на внутренней поверхности боковой стенки камеры намотан с зазором между витками дополнительный электрический нагреватель. В случае установки полого цилиндра нагреватель наматывается на стенку полого цилиндра. Дополнительно установленный полый перфорированный цилиндр обеспечивает расширение номенклатуры применяемых монотоплив внутри стакана при более высоком уровне тяги и повышение расходонапряженности камеры разложения двигателя, а также обеспечение высоких динамических и массоэнергетических характеристик двигателя. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано в реактивных системах управления космического аппарата для создания требуемых импульсов тяги, а также в жидкостных газогенераторах силовых установок.

Известен жидкостной ракетный двигатель малой тяги (ЖРД) на монотопливе (патент США N 4288982), содержащий камеру разложения с размещенным внутри нее каталитическим пакетом, и сопло. Каталитический пакет подогревается спиральным электронагревателем, расположенным снаружи корпуса камеры. Впрыск топлива в камеру осуществляется через топливную форсунку, расположенную в днище камеры.

Особенностью такого двигателя является ограничение расхода топлива предельной нагрузкой на катализатор. Сечение камеры разложения подбирается таким, чтобы обеспечивалось полное разложение топлива для максимального рабочего расхода. В результате при увеличении номинальной тяги двигателя необходимо увеличивать сечение камеры разложения для сохранения допустимой нагрузки на каталитический пакет. При этом, увеличивается обьем камеры и масса каталитического пакета, что ухудшает динамические и массоэнергетические характеристики двигателя и приводит к увеличению потерь (достигающих 30% и более), связанных с медленным разогревом катализатора в режимах работы двигателя с высокой скважностью и малым временем включения.

Известны однокомпонентные ЖРД (патент США N 3772885), в которых с целью уменьшения габаритов и массы катализатора предусматривается разделение потока жидкого топлива на части, из которых одна часть разлагается на катализаторе, а остальные разлагаются термически зa счет смешения с горячими продуктами разложения монотоплива.

Известен двигатель, вообще не требующий катализатора (патент США N 3956885), принятый за прототип, в котором монотопливо разлагается только термическим способом. Для стартового разогрева двигателя используется нагреватель, установленный на массивном цилиндрическом сердечнике, тепло от которого перетекает к толстым, с высокой теплоемкостью теплопроводящим стенкам камеры термического разложения. Форсунки с тангенциальным впрыском могут быть выполнены в стенках камеры, с осевым впрыском в днище камеры разложения. Двигатель работает следующим образом. Камера разогревается стартовым нагревателем до температуры стенок, обеспечивающей термическое разложение монотоплива. Часть распыленного форсунками топлива при соприкосновении со стенками испаряется и начинает термически разлагаться, образуются высокотемпературные продукты разложения монотоплива, благодаря чему термическое разложение остальной части распыленного топлива осуществляется уже во всем объеме камеры разложения.

Однако данная конструкция двигателя также имеет верхний предел расходонапряженности, невысокие динамические и массоэнергетические характеристики связанные с недостаточной продолжительностью контакта жидкого монотоплива с разогретой поверхностью и массивностью конструкции цилиндрического сердечника и теплопроводящие стенок камеры разложения.

При создании изобретения решались задачи повышения расходонапряженности камеры разложения, а также обеспечения высоких динамических и массоэнергетических характеристик двигателя.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном двигателе, содержащем камеру термического разложения топлива с расположенным внутри нее устройством для стартового разогрева двигателя, снабженным электрическим нагревателем, форсунку впрыска топлива, расположенную в днище камеры, и сопло, устройство разогрева выполнено в виде полого стакана с перфорированными стенками, причем донышко стакана обращено к форсунке, а открытый конец прикреплен к корпусу камеры и месту ее стыка с соплом двигателя, на внутренней поверхности боковой стенки камеры намотан с зазором между витками дополнительный электрический нагреватель, а форсунка подачи монотоплива снабжена шнеком. Дополнительно внутри стакана может быть установлен полый перфорированный цилиндр, электрический нагреватель может быть намотан с зазором между витками на внешнюю поверхность полого цилиндра. Площадь перфорации стенки цилиндра может уменьшаться в направлении к соплу двигателя, а отверстия перфорации выполнены тангенциальными, причем линейный размер перфорации соизмерим с толщиной стенки.

Выполнение устройства разогрева в виде полого стакана с перфорированными стенками, установка на внутренней поверхности боковой стенки камеры с зазором между витками дополнительного электрического нагревателя, а в форсунке распыла топлива шнекового завихрителя позволяют достичь повышения расходонапряженности камеры разложения, а также обеспечить высокие динамические и массоэнергетические характеристики двигателя.

Отсутствие катализатора существенно повышает ресурс ЖРД при работе в импульсных режимах и снижает массу и стоимость двигателя.

Тангенциальная закрутка с помощью шнека топлива, распыляемого форсункой, и парогазожидкостной смеси в кольцевых каналах с помощью спирали нагревателя интенсифицируют теплообмен и увеличивают время пребывания топлива в камере разложения.

Передача по принципу рекуператора тепла, выделяющегося при термическом разложении монотоплива, обеспечивает стабильное поддержание рабочего процесса в двигателе.

Кроме того, тангенциальная перфорация стакана и установка нагревателя на внутренней поверхности тонкостенной камеры разложения или на внешней поверхности наружной стенки стакана повышают надежность запуска двигателя.

Наконец, отсутствие теплоемкого катализатора, снижение толщины стенок камеры и применение тонкостенного стакана вместо массивного стержня многократно снижает теплоемкость конструкции и повышает динамические и удельные характеристики двигателя.

Изобретение проиллюстрировано чертежами. На фиг. 1 показан общий вид камеры термического разложения по п. 1 изобретения, на фиг. 2 - общий вид камеры термического разложения по п.2, 3 изобретения, на фиг. 3 - разрез двигателя по п.4 изобретения.

Двигатель содержит камеру 1 термического разложения топлива, внутри которой расположено устройство для стартового разогрева двигателя, выполненное в виде полого стакана 2 с перфорированными стенками 3 с донышком 4, обращенным к форсунке 5, внутри которой установлен шнековый завихритель 6, открытый конец 7 стакана прикреплен к корпусу камеры и месту ее стыка с соплом 8 двигателя, на стакан намотан с зазором между витками нагреватель 9, а на внутренней поверхности боковой стенки камеры намотан с зазором между витками дополнительный электрический нагреватель 10. В случае установки полого цилиндра, нагреватель 9 наматывается на стенку полого цилиндра.

Запуск двигателя осуществляется следующим образом.

Перед запуском двигателя на нагреватели 9 и 10 подается напряжение и камера 1 двигателя и внутрикамерные элементы разогреваются до температуры, при которой возможна успешная инициация разложения топлива, подаваемого через форсунки 5. При подаче команды на включение двигателя топливо подается в форсунку 5 со шнековым завихрителем 6 и впрыскивается в головку камеры.

Распыленное топливо обтекает конусообразное донышко 4 и двигается по спирали вдоль внутренней поверхности боковой стенки камеры в зазоре между витками дополнительного электрического нагревателя 9, испаряется, частично разлагается и поступает во внутреннюю полость стакана 2 через его перфорированную стенку 3, где термическое разложение монотоплива завершается. Полученные продукты разложения через открытый конец 7 стакана истекают через сопло 8 двигателя, создавая реактивную силу тяги.

После запуска двигателя при работе в непрерывных режимах или в импульсных режимах с малой скважностью напряжение с нагревателей 9 и 10 может быть снято.

Для работы двигателя при более высоком уровне тяги или на монотопливах, у которых разница между тепловым эффектом разложения и теплотой парообразования относительно мала, для дополнительного уменьшения размеров двигателя, снижения затрат электроэнергии на его стартовый разогрев внутри стакана дополнительно устанавливают полый перфорированный цилиндр (фиг. 2), на который может быть намотан нагреватель 9, а площадь перфорации уменьшается в направлении к соплу двигателя, отверстия перфорации выполнены тангенциальными, причем линейный размер перфорации соизмерим с толщиной стенки (фиг. 3).

В этом случае парожидкостная смесь поступая во внутреннюю полость стакана 2 через его перфорированную стенку 3 продолжает испаряться и разлагаться в процессе обратного движения по каналу, образованному стенками стакана 2 и цилиндра 11, где температура значительно выше, чем в канале прямого протока, образованного стенками камеры 1 и стакана 2. Тангенциальная перфорация стенок цилиндра обеспечивает интенсификацию внутрикамерной закрутки первой порции топлива, которая существенно улучшает динамические характеристики двигателя. Полное термическое разложение топлива завершается во внутренней полости стакана 11, где температура продуктов разложения достигает максимальной величины.

Формула изобретения

1. Однокомпонентный жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру термического разложения топлива с расположенным внутри нее устройством для стартового разогрева двигателя, снабженным электрическим нагревателем, форсунку впрыска топлива, расположенную в днище камеры, и сопло, отличающийся тем, что устройство разогрева выполнено в виде полого стакана с перфорированными стенками, причем донышко стакана выполнено в виде конуса и обращено к форсунке, а отрытый конец прикреплен к корпусу камеры в месте ее стыка с соплом двигателя, на внутренней поверхности боковой стенки камеры намотан с зазором между витками дополнительный электрический нагреватель, а форсунка подачи монотоплива снабжена шнеком.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутри стакана установлен полый перфорированный цилиндр.

3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что электрический нагреватель намотан с зазором между витками на внешнюю поверхность полого цилиндра.

4. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что площадь перфорации уменьшается в направлении к соплу двигателя, отверстия перфорации выполнены тангенциальными, причем линейный размер перфорации соизмерим с толщиной стенки цилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3