Способ сепарации смеси жидкой и газообразной фаз компонента топлива жрд и устройство для его реализации

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано при создании жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) для ракет-носителей (РН). В способе сепарации смеси жидкой и газообразной фаз компонентов топлива в невесомости, основанном на придании смеси ускорения, согласно изобретению импульс ускорения создают за счет сжигания компонентов топлива в запальном устройстве (ЗУ) и подачи его продуктов сгорания в сопло камеры, а отключение запального устройства осуществляют после получения смесью в баке РН необходимого импульса, причем подачу продуктов сгорания в сопло камеры сгорания осуществляют совместно с их балластировкой, например, горючим, которое, предварительно, пропускают через охлаждающий тракт камеры. Предлагаемый способ реализован в ЖРД, содержащем камеру сгорания с ЗУ, сопло, турбонасосный агрегат, агрегаты автоматики и управления, который согласно изобретению снабжен дополнительной магистралью с клапаном для балластировки продуктов сгорания ЗУ, соединяющей выход охлаждающего тракта камеры сгорания с ее смесительной головкой. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции и снижение энергозатрат. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области ракетостроения и может быть использовано при создании жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) для ракет-носителей (РН).

Одной из проблем, возникших при создании ЖРД для РН, является проблема разделения жидкой и газообразной фаз компонентов и осаждение жидкой фазы компонента на заборном устройстве бака в невесомости, т.к. поступление газообразной фазы компонента в насосные агрегаты существенно ухудшает условия работы данных агрегатов и может привести к выходу их из строя.

В настоящее время для разделения топлива в баках, например, разгонных блоков по фазовому состоянию (так называемые сепарационные режимы) используются инерционные силы, для создания которых применяются специальные сопла, использующие для получения тяги сжатые газы из бортовых баллонов или микродвигатели, работающие на самовоспламеняющихся компонентах топлива.

Известен способ разделения (сепарации) топлива, основанный на использовании инерционных сил (см. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей, М.: Высшая школа, 1983 г., стр.484-485 - прототип), и устройство для его реализации (см. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей, М.: Высшая школа, 1983 г., стр.485 - прототип), содержащее камеру сгорания с запальным устройством, сопло.

Недостатком известных технических устройств является большие затраты энергии на вращение топлива и сложность устройства.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно упрощение конструкции и снижение энергозатрат.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе сепарации смеси жидкой и газообразной фаз компонентов топлива в невесомости, основанном на придании смеси ускорения, согласно изобретению импульс ускорения создают за счет сжигания компонентов топлива в запальном устройстве (ЗУ) и подачи его продуктов сгорания в сопло камеры, а отключение запального устройства осуществляют после получения смесью в баке РН необходимого импульса, причем подачу продуктов сгорания в сопло камеры сгорания осуществляют совместно с их балластировкой, например, горючим, которое, предварительно, пропускают через охлаждающий тракт камеры.

Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что благодаря сжиганию необходимого количества компонентов топлива в ЗУ и подачи продуктов сгорания в сопло отпадает необходимости в наличии специальных устройств для придания вращательного движения смеси для ее сепарации.

Кроме того, осуществление балластировки продуктов сгорания, в кислородно-водородном ЖРД, например, водородом увеличивает их массу, создавая дополнительную тягу, обеспечивает охлаждение камеры сгорания и сопла и снижает температуру продуктов сгорания.

Предлагаемый способ реализован в ЖРД, содержащем камеру сгорания с ЗУ, сопло, турбонасосный агрегат, агрегаты автоматики и управления, который согласно изобретению, снабжен дополнительной магистралью с клапаном для балластировки продуктов сгорания ЗУ, соединяющей выход охлаждающего тракта камеры сгорания с ее смесительной головкой.

Данная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что благодаря наличию балластировочной магистрали с клапаном возникает возможность изменения циклограммы работы двигателя для того, чтобы использовать ЗУ не только по своему прямому назначению, но и для придания необходимого импульса смеси компонентов топлива в баке и их сепарации (осаждению) на заборном устройстве.

Предлагаемое устройство схематично представлено на чертеже, где:

1 - камера сгорания;

2 - охлаждающий тракт камеры сгорания;

3 - смесительная головка;

4 - сопло;

5 - запальное устройство;

6 - турбонасосный агрегат;

7 - агрегаты автоматики и управления;

8 - магистраль горючего;

9 - магистраль окислителя;

10 - дополнительная магистраль;

11 - клапан.

ЖРД содержит камеру сгорания 1 с охлаждающим трактом 2 и смесительной головкой 3, сопло 4, запальное устройство 5, установленное по оси камеры, турбонасосный агрегат 6, агрегаты автоматики и управления 7, магистрали горючего 8 и окислителя 9.

Кроме того, он снабжен дополнительной балластировочной магистралью 10 с клапаном 11, которая соединяет выход охлаждающего тракта 2 камеры сгорания 1 с ее смесительной головкой 3.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Компоненты топлива в порядке, определяемом штатной циклограммой, подаются в запальное устройство 5, где они сгорают. Продукты горения (высокотемпературные газы) поступают в камеру сгорания 1 двигателя. Через открытый клапан 11, включенный в дополнительную магистраль 10, по которой горючее (водород) из охлаждающего тракта 2 камеры сгорания 1 подается в смесительную головку 3, обеспечив охлаждение камеры сгорания, и сопла, а далее через форсунки поступает в камеру сгорания 1, где смешивается с продуктами горения в запальном устройстве 5, снижая их температуру и увеличивая их массу. Образовавшаяся таким образом смесь поступает в сопло 4, создавая необходимый импульс тяги. При этом второй компонент топлива, например кислород, в камеру сгорания 1 не подается. После создания необходимого импульса тяги работа запального устройства 5 прекращается, а клапан 11 перекрывает дополнительную магистраль 10.

Получив необходимое ускорение, жидкая и газообразная фазы топлива разделяются, при этом жидкая фаза осаждается на заборном устройстве бака и поступает на входы в топливные насосы ЖРД, обеспечивая их безкавитационную работу.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволит упростить конструкцию и снизить энергозатраты на сепарацию жидкой и газообразной фаз компонентов топлива в невесомости.

1. Способ сепарации смеси жидкой и газообразной фаз компонента топлива, основанный на придании смеси ускорения, отличающийся тем, что импульс ускорения создают за счет сжигания компонентов топлива в запальном устройстве камеры ЖРД и подачи его продуктов сгорания в сопло камеры, а отключение запального устройства осуществляют после получения необходимого импульса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу продуктов сгорания из запального устройства в сопло камеры осуществляют совместно с подачей в них, например, горючего для увеличения импульса.

3. Жидкостный ракетный двигатель, содержащий камеру сгорания со смесительной головкой, охлаждающим трактом, запальным устройством, турбонасосный агрегат, агрегаты автоматики и управления, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной магистралью с клапаном, соединяющей выход охлаждающего тракта камеры сгорания с ее смесительной головкой.