Ракетный двигатель малой тяги на газообразных водороде и кислороде с центробежными форсунками

Авторы патента:

F02K9/52 - распылительные головки (вообще B05B)

Владельцы патента RU 2628143:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" (RU)

Изобретение относится к области ракетных двигателей малой тяги (РДМТ), работающих на газообразных водороде (Н₂) и кислороде (О₂) в качестве исполнительных органов систем управления объектов ракетно-космической техники. Смесительная головка имеет две центробежные форсунки подачи горючего и окислителя в камеру сгорания и каналы горючего для охлаждения стенки камеры сгорания и сопла. Для подачи горючего в камеру сгорания установлена центробежная форсунка с большим углом вектора скорости потока и соосная с ней центробежная форсунка окислителя с меньшим углом вектора скорости, чем у горючего. Изобретение обеспечивает увеличение полноты сгорания газообразных водорода и кислорода в двигателе. 1 ил.

Особенно эффективны такие двигатели в составе двигательных установок космических аппаратов на основе электролиза воды и РДМТ на газообразных водороде и кислороде - продуктах электролиза воды.

Известен ракетный двигатель малой тяги (диссертация на соискание кандидата технических наук «Рабочие процессы в ракетном двигателе малой тяги на газообразных компонентах топлива кислород и метан» Чудиной Юлии Сергеевны, Московский авиационный институт. Москва, 2014, http://www.mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=49826, стр. 51), в котором форкамера (иначе - предкамера) для воспламенения компонентов топлива образована уменьшенным проходным сечением центрального отверстия. Непосредственный подвод компонентов топлива в область свечи зажигания отсутствует, воспламенение топлива происходит при попадании компонентов из камеры сгорания в разрядную полость свечи.

Недостатком является и то, что в таком двигателе добиться высокой стабильности процесса воспламенения и высокой полноты сгорания топлива невозможно, учитывая предложенную организацию процесса воспламенения и малые объемы камеры сгорания (малые времена пребывания топлива в камере сгорания), так как компоненты топлива в газообразном состоянии за счет диффузии перемешиваются сравнительно медленно. Увеличение объема камеры сгорания нерационально из-за ухудшения динамических параметров двигателя, проблем обеспечения теплового состояния камеры и увеличения весовых параметров РДМТ.

Наиболее близким аналогом является двигатель на газообразных водороде и кислороде для вспомогательных установок космический станции (Эппель М.А., Шёман Л., Беркман Д.К. «Двигатель на газообразных водороде и кислороде для вспомогательных установок космической станции». 1987, аннотация реферата. «Представлены результаты работ по созданию высокоэффективного двигателя малой тяги на газообразных водороде и кислороде. Проведено исследование воспламенения и охлаждения. Камера сгорания - рениевая. Способ подачи водорода и кислорода происходит с помощью шести осевых струй, направленных радиально к центральному электроду»).

Недостатком этого технического решения является неоптимальная по составу смесь водорода и кислорода, которую нужно воспламенять при работе двигателя, особенно в импульсном режиме и не эффективное перемешивание водорода и кислорода при горении.

Технической задачей изобретения является увеличение полноты сгорания газообразных водорода и кислорода в двигателе.

Задача решается за счет того, что в камеру сгорания ракетного двигателя малой тяги на газообразных водороде и кислороде, состоящего из головки двигателя, свечи зажигания топлива, системы подачи компонентов топлива в камеру сгорания и внутренним охлаждением камеры сгорания, для подачи горючего установлены центробежная форсунка с большим углом вектора скорости потока и соосная с ней центробежная форсунка окислителя с меньшим, чем у горючего, углом вектора скорости потока.

Кроме того, форсунки могут быть установлены с закруткой водорода и кислорода в одном или в противоположных направлениях.

Кроме того, срезы форсунок горючего и окислителя могут быть установлены на одном уровне.

Расположение в смесительной головке двух соосных центробежных форсунок с разными углами конусов векторов скоростей потоков способствует смешению газообразных водорода и кислорода и увеличению полноты сгорания топлива.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично представлен ракетный двигатель малой тяги. На чертеже изображены:

свеча зажигания поверхностного разряда 1, разрядная полость 2 свечи зажигания, диафрагма 3, каналы 4, камера 5, в которую поступает водород, камера 6, в которую поступает закрученный кислород, центробежная форсунка кислорода 7, центробежная форсунка водорода 8, каналы подачи водорода для внутреннего охлаждения камеры сгорания 9, вектор скорости потока водорода 10, вектор скорости потока кислорода 11, камера сгорания 12, докритическая часть сопла 13.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

После включения электроклапанов водорода и кислорода (на чертеже не показаны) водород и кислород по каналам 4 поступают в разрядную полость 2 свечи зажигания поверхностного разряда 1. В разрядной полости 2 водород и кислород воспламеняются и в виде факела продуктов сгорания через диафрагму 3 поступают в камеру 5, в которую поступает закрученный водород, далее смесь продуктов сгорания и водорода поступает в камеру 6, в которую поступает закрученный кислород и в которой завершается процесс формирования факела топливной смеси водорода и кислорода. Затем в камере сгорания 12 воспламеняется и сгорает основная топливная смесь.

При этом основная топливная смесь готовится следующим образом. Из смесительной головки, состоящей из центробежных форсунок водорода 7 и окислителя 8 в камеру сгорания 12 поступают водород и кислород, векторы скорости которых 10 и 11 образуют два пересекающихся потока с меньшим углом у водорода и с большим углом у кислорода. Пересечение этих потоков способствует активному перемешиванию водорода и кислорода, которые под воздействием факела из камеры 6 воспламеняются и сгорают. Далее продукты сгорания движутся в докритической части сопла 13, сверхкритической части сопла и истекают из сопла, создавая тягу двигателя. Для предотвращения прогара стенки камеры сгорания и сопла применяется внутреннее охлаждение водородом с помощью каналов 9.

1. Ракетный двигатель малой тяги на газообразных водороде и кислороде, состоящий из головки двигателя, свечи зажигания топлива, системы подачи компонентов топлива в камеру сгорания и внутренним охлаждением камеры сгорания, отличающийся тем, что для подачи горючего в камеру сгорания установлена центробежная форсунка с большим углом вектора скорости потока и соосная с ней центробежная форсунка окислителя с меньшим, чем у горючего, углом вектора скорости.

2. Ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что форсунки установлены с закруткой водорода и кислорода в одном или в противоположных направлениях.

3. Ракетный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что срезы форсунок горючего и окислителя установлены на одном уровне.

Изобретение относится к области ракетных двигателей малой тяги (РДМТ). Ракетный двигатель малой тяги, состоящий из головки двигателя, свечи зажигания топлива, системы подачи компонентов топлива в зону электроискрового разряда и в камеру сгорания с внутренним охлаждением, при этом в камере сгорания установлены центробежная форсунка водорода и не менее шести периферийных струйных форсунок кислорода с возможностью активного взаимодействия потока водорода и струй кислорода, при этом форсунки расположены равномерно по окружности на поверхности головки, и оси которых направлены под углом 35°-45° к оси двигателя.

Ракетный двигатель малой тяги на газообразных водороде и кислороде со щелевой форсункой // 2624419

Изобретение относится к области ракетных двигателей малой тяги. Ракетный двигатель малой тяги на газообразных водороде и кислороде, состоящий из головки двигателя, свечи зажигания топлива, системы подачи компонентов топлива в камеру сгорания и внутреннего охлаждения камеры сгорания, при этом для подачи окислителя в камеру сгорания применена щелевая форсунка, установленная с возможностью направления окислителя к оси двигателя.

Ракетный двигатель малой тяги (рдмт) с многокаскадной камерой сгорания на газообразных водороде и кислороде // 2615883

Изобретение относится к ракетным двигателям малой тяги. Двигатель содержит свечу зажигания поверхностного разряда 1, разрядную полость 2 свечи зажигания, диафрагму 3, каналы 4, соединяющие разрядную полость 2 свечи зажигания и ступень воспламенения устройства 5 (вторую ступень), первую ступень 6 двигателя с каналами 7 подачи водорода, вторую ступень 5 с каналами 8 подачи кислорода, третью ступень 9 с каналами 10 подачи водорода, четвертую ступень 11 с каналами 12 подачи кислорода и с каналами 13 для подачи кислорода в четвертую ступень 11 с целью охлаждения стенок камеры сгорания, образованной ступенями двигателя, и дозвуковой части сопла 14.

Смесительная головка жидкостного ракетного двигателя особо малой тяги // 2605496

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к организации смесеобразования самовоспламеняющихся компонентов топлива в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя особо малой тяги.

Блок ракетных двигателей малой тяги // 2605267

Изобретение относится к ракетным двигателям малой тяги, предназначенным для управления положением космических летательных аппаратов. Блок ракетных двигателей включает в себя смесительную головку, клапаны подачи топлива с запорными органами, седлом, тарелью и силовым приводом, смесительные элементы с входными каналами, камеры сгорания, не менее двух.

Вихревой ракетный двигатель малой тяги на газообразном топливе // 2591391

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при разработке ракетных двигателей, работающих на газообразных компонентах топливной смеси.

Газогенератор // 2587510

Изобретение относится к области жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), а именно к газогенераторам, генерирующим газ для привода турбонасосного агрегата. Газогенератор содержит охлаждаемую камеру, смесительную головку, состоящую из наружного днища, среднего днища, огневого днища, форсунок форкамерного типа, включающих в себя осевой канал, выполненный глухим со стороны его входной части, соединенный при помощи тангенциальных отверстий, расположенных равномерно по окружности с полостью окислителя, кольцевой канал с тангенциальными отверстиями, расположенными равномерно по окружности и выходящими в полость горючего, расположенный коаксиально осевому каналу, форкамеру, являющуюся продолжением кольцевого канала, сообщенную с одной стороны с кольцевым каналом и осевым каналом, а с другой стороны с полостью камеры газогенератора, при этом на торце форсунки вокруг форкамеры выполнены отверстия, соединяющие полость горючего с полостью камеры газогенератора, причем во внутренней полости камеры газогенератора расположена полость воды, выполненная в виде двух днищ и закрепленных между ними газовых втулок, при этом полость воды соединена с высокотемпературной зоной камеры газогенератора через радиальные отверстия, выполненные в стенках газовых втулок, в варианте исполнения в днище полости воды, расположенном со стороны смесительной головки, выполнены отверстия.

Камера жидкостного ракетного двигателя малой тяги // 2581756

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно к защите стенки камеры жидкостного ракетного двигателя особо малой тяги от перегрева при организации процесса горения.

Многоступенчатая камера сгорания жидкостного ракетного двигателя // 2577424

Изобретение относится к ракетным двигателям. Многоступенчатая камера сгорания жидкостного ракетного двигателя состоит из последовательности элементарных камер сгорания, каждая из которых оснащена своими форсунками подачи рабочего тела и своими воспламенителями подаваемого рабочего тела.

Струйная форсунка жидкостного ракетного двигателя малой тяги // 2576765

Изобретение относится к организации распыливания струи, истекающей из струйной форсунки жидкостного ракетного двигателя малой и особо малой тяги.Форсунка состоит из корпуса, канала подачи рабочего тела и сопла.

Водородно-кислородный ракетный двигатель малой тяги // 2623610

Изобретение относится к области ракетных двигателей малой тяги (РДМТ), работающих на газообразных водороде (Н2) и кислороде (О2) в космическом пространстве в качестве исполнительных органов систем управления объектов ракетно-космической техники.

Камера жидкостного ракетного двигателя // 2610624

Изобретение относится к области ракетного двигателестроения и может быть использовано при создании безгазогенераторных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), работающих на криогенных компонентах топлива.

Соосно-струйная форсунка // 2607918

Изобретение относится к устройствам для перемешивания и распыливания компонентов топлива жидкостного ракетного двигателя. Соосно-струйная форсунка, преимущественно для камеры жидкостного ракетного двигателя, содержит, наконечник с профилированным осевым каналом, соединяющим полость одного компонента топлива с полостью камеры сгорания, и втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость другого компонента топлива с полостью камеры сгорания, при этом в выходной части наконечника выполнены пилоны, взаимодействующие с внутренней поверхностью втулки и центрирующие наконечник относительно втулки, причем на цилиндрической поверхности наконечника выполнены радиальные отверстия, равномерно расположенные по окружности и соединяющие осевой канал наконечника с внутренней полостью втулки.

Смесительная головка камеры жидкостного ракетного двигателя // 2606202

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно камерам жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), и может быть использовано при создании высокоэкономичных смесительных головок и камер ЖРД для перспективных средств выведения.

Двухкомпонентная центробежная форсунка с интенсивным смесеобразованием // 2604974

Изобретение предназначено для организации смесеобразования и горения самовоспламеняющегося топлива в жидкостных ракетных двигателях малой тяги (ЖРДМТ), работающих в вакууме.

Смесительная головка жидкостного ракетного двигателя малой тяги // 2602028

Изобретение относится к ракетной технике, конкретно - к организации смесеобразования двигателей особо малой тяги (1-2 Н). Смесительная головка жидкостного ракетного двигателя малой тяги состоит из каналов подвода окислителя и горючего, смесительной камеры со струйными форсунками окислителя и горючего, площадь поперечного сечения которой больше суммарной площади форсунок окислителя и горючего, а длина равна длине совместного пробега струй до окончания периода жидкофазной индукции, при этом форсунка одного из компонентов топлива соосна смесительной головке, а форсунки второго компонента выполнены в боковой стенке смесительной головки и размещены осесимметрично относительно оси центральной форсунки.

Инжектор для смешивания двух компонентов топлива, содержащий по меньшей мере инжекционный элемент с тремя коаксиальными каналами // 2598920

Изобретение относится к камерам сгорания ракетного двигателя. Инжектор для смешивания двух компонентов топлива, расположенный по направлению потока перед камерой сгорания, содержащий по меньшей мере один инжекционный элемент (14) тройной коаксиальной конструкции, установленный между двумя панелями (12, 13), ограничивающими между собой пространство (65); из числа коаксиальных каналов внутренний коаксиальный канал (23) и наружный коаксиальный канал (24) снабжаются параллельно одним и тем же компонентом топлива, например, через пространство (65).

Инжекционный элемент // 2593315

Изобретение относится к области инжекционных элементов (201) для инжекции двух компонентов (Е1, Е2) топлива в камеру сгорания, в частности, предназначенных для ракетного двигателя с, по меньшей мере, одной камерой сгорания, содержащей инжектор с одним или множеством инжекционных элементов (201).

Камера сгорания жрд, работающего с дожиганием генераторного газа // 2640893

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям, работающим с дожиганием генераторного газа. Камера сгорания ЖРД, работающего с дожиганием генераторного газа, содержащая газовод, смесительную головку со смесительными элементами, корпус камеры и магистрали подвода компонентов топлива, согласно изобретению в районе минимального сечения камеры выполнен газовод тороидальной формы, полость которого с помощью оребренного тракта, выполненного на наружной стенке корпуса камеры и наружного днища головки, соединена со смесительными элементами головки. Изобретение обеспечивает повышение надежности работы камеры сгорания и уменьшение линейного размера камеры сгорания. 4 ил.