Гибридный ракетный двигатель

 

Использование: в области космической техники. Сущность изобретения: двигатель содержит камеру 1, внутри которой размещен заряд твердого компонента топлива с каналом 3, внутри которого размещена форсунка 4, состоящая из трубчатого корпуса 8 и вкладыша 9 с центральным каналом 10, с фланцем с отверстиями 11, расположенным на одном торце вкладыша. Другой торец вкладыша имеет плавно расширяющуюся наружную поверхность. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области космической техники, а более конкретно, к гибридным ракетным двигателям "прямой" схемы.

Известен гибридный ракетный двигатель с торцевым горением заряда (патент Франции N 1381690, 1969), содержащий сопло, зарядную камеру с размещенным в ней на поршне зарядом твердого компонента и кольцевым упором, камеру сгорания, коллектор подачи жидкого компонента в камеру сгорания, газовод, сообщающий камеру сгорания с запоршневым объемом зарядной камеры, и размещенный в запоршневом объеме и связанный с поршнем телескопический гидроцилиндр, соединенный с источником рабочей жидкости.

Однако, известный двигатель имеет большой вес из-за обязательного наличия привода перемещения заряда и устройств, обеспечивающих его работу, а использование в этом двигателе в качестве окислителя термически нестабильных жидкостей, например, высококонцентрированной перекиси водорода, недопустимо вследствие взрывов при перегреве. Кроме этого надежность данного двигателя снижается из-за наличия механических уплотнений, подвижного поршня, гидроцилиндра. Принцип действия данного двигателя основан на организации торцевого горения заряда, поэтому принципиально нельзя обеспечить компактность двигателя при повышении его удельных характеристик, так как при этом недопустимо увеличивается площадь торцевой поверхности заряда.

Известен гибридный ракетный двигатель (Л.Г.Головков, Гибридные ракетные двигатели. Военное издательство министерства обороны СССР, Москва, 1976), содержащий зарядную камеру с размещенными в ней зарядом твердого компонента топлива, с осевым каналом и струйной форсункой, расположенной в полости между донышком камеры и зарядом твердого компонента топлива, магистраль подачи жидкого компонента топлива к форсунке, камеру дожигания, сопло. Данный двигатель работает следующим образом. Жидкий компонент топлива по магистрали подачи поступает к форсунке двигателя, через которую в распыленном состоянии впрыскивается в осевой канал заряда твердого компонента топлива, и вступает в реакцию горения с горючим. Образующиеся в результате реакции горения газообразные и конденсированные продукты сгорания поступают в камеру дожигания, в которой реакция горения завершается, после чего продукты сгорания выбрасываются через сопло, создавая реактивную тягу.

Однако данная конструкция двигателя обладает существенными недостатками. Впрыск окислителя в сквозной канал осуществляется через форсунку, эпюра расходонапряженности которой не обеспечивает надежной стабилизации фронта горения вблизи переднего торца заряда. Из-за расходования окислителя на реакцию горения плотность окислителя непостоянна вдоль поверхности топливного канала, наиболее интенсивное горение происходит в области переднего торца топливного канала, а в области ниже по потоку параллельно реакции горения происходит высокотемпературная эрозия топливного канала, при которой из-за недостатка окислителя возможен унос непрореагировавшего горючего. Из-за этого происходит ухудшение удельных характеристик двигателя. При впрыске окислителя в топливный канал движение струй окислителя относительно поверхности канала происходит не по нормали, т.е. образуется область тени, в которой остается непрореагировавшее горючее, что также ведет к ухудшению удельных характеристик двигателя. При большой скорости впрыска и определенной скорости горения возможен срыв фронта горения либо установление фронта горения на некотором удалении от переднего торца канала. Это также приводит к образованию области тени, в которой остается непрореагировавшее горючее, из-за чего происходит ухудшение удельных и массоэнергетических характеристик двигателя.

При создании изобретения решалась задача обеспечения равномерности горения твердого заряда вдоль поверхности осевого канала и обеспечение устойчивой зоны стабилизации пламени вблизи переднего торца заряда.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном двигателе, содержащем зарядную камеру с размещенными в ней зарядом твердого компонента топлива, по оси которого выполнен сквозной канал, в котором между донышком камеры и зарядом твердого компонента топлива расположена форсунка, магистраль подачи жидкого компонента топлива к форсунке, сопло, форсунка выполнена в виде полого корпуса и установленного в нем с зазором вкладыша с центральным каналом, один торец вкладыша со стороны подачи жидкого компонента топлива снабжен кольцевым фланцем с отверстиями, а другой имеет плавно расширяющуюся наружную поверхность и выступает за торцевую поверхность корпуса с образованием криволинейного канала.

Для дополнительной турбулизации основного потока жидкого компонента топлива форсунка может быть снабжена шнековым завихрителем, установленным в центральном канале вкладыша.

Таким образом, форсунка представляет собой осе-радиально-кольцевую форсунку, часть расхода жидкого компонента топлива через которую подается в радиальном направлении по нормали к поверхности сквозного канала твердого компонента топлива, а остальной расход жидкого компонента топлива через форсунку подается в сквозной канал твердого компонента топлива в осевом направлении слаборасходящейся струей. Доля расхода жидкого компонента топлива, которая подается в радиальном направлении к поверхности сквозного канала твердого компонента топлива для обеспечения устойчивой стабилизации пламени вблизи переднего торца заряда твердого компонента топлива, зависит от многих механических и термодинамических параметров заряда твердого компонента топлива и жидкого компонента топлива и поэтому определяется расчетно-экспериментальным путем для конкретной топливной пары.

Такое конструктивное исполнение форсунки позволяет обеспечить равномерность горения вдоль поверхности топливного канала за счет увеличения дальнобойности струи жидкого компонента топлива при использовании слаборасходящейся струи и устойчивую стабилизацию пламени вблизи переднего торца заряда твердого компонента топлива за счет принудительного разворота части расхода жидкого компонента топлива по нормали к поверхности сквозного канала заряда твердого компонента топлива вблизи переднего торца заряда.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 изображен разрез двигателя, на фиг. 2 предлагаемая форсунка по п.1 формулы изобретения, на фиг. 3 сечение форсунки, на фиг. 4 предлагаемая форсунка по п.2 формулы изобретения.

Двигатель (фиг. 1) содержит зарядную камеру 1, внутри которой размещен заряд твердого компонента топлива 2 со сквозным каналом 3, форсунку 4, камеру 5, сопло 6 и магистраль подачи 7 жидкого компонента топлива. Форсунка (фиг. 2) состоит из полого корпуса 8 и вкладыша 9, в котором выполнен центральный канал 10, один торец вкладыша со стороны подачи жидкого компонента топлива снабжен кольцевым фланцем с отверстиями 11, а другой имеет плавно расширяющуюся наружную поверхность 12 и выступает за торцевую поверхность корпуса с образованием криволинейного канала. В центральном канале 10 может быть установлен шнековый завихритель 13.

Двигатель работает следующим образом. Из бака (на чертеже не показан) по магистрали подачи жидкого компонента топлива 7 через форсунку 4 в сквозной канал 3 заряда твердого топлива 2 подается жидкий компонент топлива, часть расхода которого проходит через отверстия кольцевого фланца 11 по кольцевому каналу, образованному полым корпусом 8 и вкладышем 9 форсунки, разворачивается при движении в криволинейном канале, образованном плавно расширяющейся наружной поверхностью 12 и торцевой поверхностью корпуса, впрыскивается в сквозной канал 3 заряда твердого компонента топлива 2 по нормали к поверхности канала вблизи переднего торца заряда и вступает с твердым компонентом топлива в реакцию горения, образуя при этом устойчивый фронт горения топлива вблизи переднего торца заряда. Другая, значительно большая, часть расхода жидкого компонента топлива впрыскивается через центральный канал 10 вкладыша 9 форсунки вдоль осевой линии сквозного топливного канала, либо в виде слаборасходящейся струи, либо через шнековый завихритель 13 в виде закрученной струи. В результате процессов сублимации под действием турбулентного потока высокотемпературных продуктов сгорания от фронта горения твердый компонент топлива газифицируется с поверхности сквозного канала 3 заряда твердого компонента топлива 2 и его турбулизованные потоки перемешиваются с основной струей жидкого компонента топлива, вступая с ним в реакцию горения. В случае установки шнекового завихрителя 13 происходит дополнительная турбулизация потока жидкого компонента топлива, улучшающая процессы перемешивания компонентов топлива. Смесь продуктов сгорания и непрореагировавших потоков компонентов топлива поступает в камеру дожигания 5, в которой процесс горения завершается, после чего продукты горения выбрасываются через сопло, создавая реактивную тягу.

Формула изобретения

1. Гибридный ракетный двигатель, содержащий зарядную камеру с размещенным в ней зарядом твердого компонента топлива, по оси которого выполнен сквозной канал, в котором между донышком камеры и зарядом твердого топлива расположена форсунка, магистраль подачи жидкого компонента топлива к форсунке, сопло, отличающийся тем, что форсунка выполнена в виде полого корпуса и установленного в нем с зазором вкладыша с центральным каналом, один торец вкладыша со стороны подачи жидкого компонента топлива снабжен кольцевым фланцем с отверстиями, а другой имеет плавно расширяющуюся наружную поверхность и выступает за торцевую поверхность корпуса с образованием криволинейного канала.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что форсунка снабжена шнековым завихрителем, установленным в центральном канале вкладыша.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4