Форсуночный элемент ракетного двигателя

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигателям. Форсуночный элемент жидкостного ракетного двигателя включает в себя канал для окислителя, центральную полость, соединенную по текучей среде с каналом для окислителя ниже по потоку от канала для окислителя, первое кольцевое пространство, по меньшей мере частично охватывающее канал для окислителя и соединенное по текучей среде с источником воспламеняющей жидкости ниже по потоку от источника воспламеняющей жидкости, и второе кольцевое пространство, по меньшей мере частично охватывающее канал для окислителя и соединенное по текучей среде с источником горючего ниже по потоку от источника горючего. Второе кольцевое пространство подсоединено по текучей среде между первым кольцевым пространством и центральной полостью. Изобретение обеспечивает повышение эффективности воспламенения топлива в ракетных двигателях. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Перекрестная ссылка на родственную заявку

[0001] В настоящем описании испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США №662364257, поданной 19 июля 2016 г.

Уровень техники

[0002] Жидкостные ракетные двигатели могут приводиться в действие с помощью топлива, состоящего из двух компонентов - горючего и окислителя. В качестве примера горючего можно привести углеводородное топливо RP-1 (от англ. rocket propellant-1, ракетное топливо-1), а в качестве примера окислителя - кислород. Как правило, в жидкостных ракетных двигателях используют систему зажигания для инициирования горения смеси RP-1 кислородом.

Раскрытие сущности изобретения

[0003] Форсуночный элемент жидкостного ракетного двигателя согласно одному из примеров, приводимых в настоящем описании, включает в себя канал для окислителя, центральную полость, соединенную по текучей среде с каналом для окислителя ниже по потоку от канала для окислителя, и первое кольцевое пространство, по меньшей мере частично охватывающее канал для окислителя. Первое кольцевое пространство соединено по текучей среде с источником воспламеняющей жидкости ниже по потоку от источника воспламеняющей жидкости. Имеется также второе кольцевое пространство, по меньшей мере частично охватывающее канал для окислителя. Второе кольцевое пространство соединено по текучей среде с источником горючего ниже по потоку от источника горючего. Второе кольцевое пространство подсоединено по текучей среде между первым кольцевым пространством и центральной полостью.

[0004] В соответствии с одной из модификаций любого из предшествующих вариантов осуществления, первое кольцевое пространство и второе кольцевое пространство выполнены соосными с каналом для окислителя.

[0005] В соответствии с другой модификацией любого из предшествующих вариантов осуществления, второе кольцевое пространство включает в себя множество впускных портов.

[0006] В соответствии с еще одной модификацией любого из предшествующих вариантов осуществления, один или более впускных портов наклонены относительно центральной оси канала для окислителя.

[0007] В соответствии со следующей модификацией любого из предшествующих вариантов осуществления, первое кольцевое пространство и второе кольцевое пространство соединены по текучей среде посредством питающего порта.

[0008] В соответствии со следующей модификацией любого из предшествующих вариантов осуществления, канал для окислителя, первое кольцевое пространство и второе кольцевое пространство образуют собой единую выполненную за одно целое деталь.

[0009] Форсуночный элемент жидкостного ракетного двигателя согласно одному из примеров, приводимых в настоящем описании, включает в себя центральную полость, канал, открывающийся в центральную полость, для подачи первичной жидкости в центральную полость, и первую питающую камеру, примыкающую к каналу. Первая питающая камера содержит первый проход и первый впускной порт для подачи первой жидкости в первый проход. Имеется вторая питающая камера, примыкающая к каналу. Вторая питающая камера содержит второй проход и один или более вторых впускных портов для подачи второй жидкости во второй проход. Предусмотрен питающий порт, соединяющий по текучей среде первый проход и второй проход для подачи первой жидкости из первого прохода во второй проход. Второй проход открывается в центральную полость для подачи первой жидкости или второй жидкости в центральную полость для ее смешивания с первичной жидкостью.

[0010] В соответствии с одной из модификаций любого из предшествующих вариантов осуществления, первая питающая камера и вторая питающая камера выполнены соосными с каналом.

[0011] В соответствии с другой модификацией любого из предшествующих вариантов осуществления, один или более вторых впускных портов включают в себя множество вторых впускных портов.

[0012] В соответствии с еще одной модификацией любого из предшествующих вариантов осуществления, вторые впускные порты наклонены относительно центральной оси канала.

[0013] В соответствии со следующей модификацией любого из предшествующих вариантов осуществления, конструкция включает в себя источник первой жидкости, соединенный по текучей среде через первый впускной порт с первым проходом, и второй, другой, источник жидкости, соединенный по текучей среде через один или более вторых впускных портов со вторым проходом.

[0014] В соответствии со следующей модификацией любого из предшествующих вариантов осуществления, вторая питающая камера расположена в осевом направлении между первой питающей камерой и центральной полостью.

[0015] В соответствии со следующей модификацией любого из предшествующих вариантов осуществления, каждая из первой питающей камеры и второй питающей камеры выполнена кольцевой.

[0016] Жидкостный ракетный двигатель согласно одному из примеров, приводимых в настоящем описании, включает в себя камеру сгорания, содержащую горловину, хвостовую часть сопла горловины и форсуночный элемент, открывающийся в камеру сгорания. Форсуночный элемент содержит центральный канал, первое кольцевое пространство, по меньшей мере частично охватывающее центральный канал, второе кольцевое пространство, по меньшей мере частично охватывающее центральный канал, и коллектор, имеющий сообщение по текучей среде с первым кольцевое пространством. Коллектор содержит жидкостный канал, открывающийся в первое кольцевое пространство.

[0017] В соответствии с одной из модификаций любого из предшествующих вариантов осуществления, первое кольцевое пространство и второе кольцевое пространство выполнены соосными с центральной полостью.

[0018] В соответствии с другой модификацией любого из предшествующих вариантов осуществления, жидкостный канал представляет собой единственную питающую линию для подачи в первое кольцевое пространство.

[0019] В соответствии с еще одной модификацией любого из предшествующих вариантов осуществления, второе кольцевое пространство включает в себя множество впускных портов.

[0020] В соответствии со следующей модификацией любого из предшествующих вариантов осуществления, первое кольцевое пространство и второе кольцевое пространство соединены по текучей среде посредством питающего порта.

[0021] В соответствии со следующей модификацией любого из предшествующих вариантов осуществления, один или более впускных портов наклонены относительно центральной оси центрального канала.

Краткое описание чертежей

[0022] Различные признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными для специалистов в данной области из нижеследующего детального описания. Чертежи, сопровождающие это детальное описание, можно кратко охарактеризовать следующим образом:

[0023] на фиг. 1 иллюстрируется пример жидкостного ракетного двигателя;

[0024] на фиг. 2 иллюстрируется пример форсуночного элемента ракетного двигателя.

Осуществление изобретение

[0025] На фиг. 1 схематически показан жидкостный ракетный двигатель 20. Этот двигатель 20 представляет собой двигатель на самовоспламеняющемся топливе, в котором используется воспламеняющая жидкость (например, триэтилалюминий-триэтилборан), поступающая от источника 22 воспламеняющей жидкости, для инициирования горения в камере 24 сгорания двигателя 20. Воспламеняющая жидкость подается в форсуночную систему 26 вместе с окислителем (например, жидким кислородом) из источника 28 окислителя. После того как произошло инициирование горения, осуществляется подача горючего из источника 30 горючего в форсуночную систему 26 для его горения вместе с окислителем. Далее происходит ускорение прохождения продуктов сгорания через горловину 32, после чего они выводятся через сопло 34 для создания тяги.

[0026] В состав форсуночной системы 26 входят один или более форсуночных элементов 36. Один из примеров выполнения форсуночного элемента 36 представлен в поперечном разрезе на фиг. 2. Как будет показано ниже, форсуночный элемент 36 выполнен таким образом, чтобы обеспечивать впрыск трех разных топливных текучих сред, в данном случае окислителя, воспламеняющей жидкости и горючего. Следует понимать, что, хотя здесь демонстрируется его использование в ракетном двигателе 20, такой форсуночный элемент 36 может также с успехом применяться в двигателях иных типов.

[0027] Как видно на чертеже, форсуночный элемент 36 смонтирован вместе с лицевой панелью 38, которая примыкает к камере 24 сгорания. Форсуночный элемент 36 имеет центральную полость 40, открывающуюся в камеру 24 сгорания. Имеется центральный канал 42, который в данном случае представляет собой канал для окислителя, соединенный по текучей среде с источником 28 окислителя и открывающийся в центральную полость 40, для подачи первичной жидкости (окислителя) в эту центральную полость 40. Центральный канал 42 имеет центральную ось А. В данном примере центральный канал 42 выполнен в виде удлиненной трубы.

[0028] Имеются первая и вторая питающие камеры 44/46, примыкающие к центральному каналу 42. Вторая питающая камера 46 расположена в осевом направлении между первой питающей камерой 44 и центральной полостью 40. В данном примере питающие камеры 44/46 выполнены кольцевыми, так что первая питающая камера 44 образует собой первое кольцевое пространство, а вторая питающая камера - второе кольцевое пространство. Эти кольцевые пространства могут, например, целиком описывать или охватывать центральный канал 42. В соответствии с другими вариантами, питающие камеры 44/46 могут охватывать центральный канал 42 лишь частично.

[0029] В первой питающей камере 44 выполнены первый проход 44а и первый впускной порт 44b для подачи первой жидкости типа воспламеняющей жидкости в первых проход 44а. В данном примере впускной порт 44b соединен с жидкостным каналом 48а коллектора 48. В качестве примера можно указать, что жидкостный канал 48а может являться единственной питающей линией для подачи в первую питающую камеру 44. Хотя это здесь на показано, можно предусмотреть, чтобы коллектор 48 был снабжен множеством жидкостных каналов для подачи воспламеняющей жидкости в множество форсуночных элементов 36.

[0030] Во второй питающей камере 46 выполнены второй проход 46а и один или более вторых впускных портов 46b для подачи второй жидкости типа горючего во второй проход 46а. В отличие от первого впускного порта 44b, вторые впускные порты 46b не имеют прямого соединения с питающей линией. Здесь вторые впускные порты 46b открываются в камеру 50, которая охватывает форсуночный элемент 36. Из камеры 50 обеспечивается подача горючего в множество форсуночных элементов 36.

[0031] Первый и вторые проходы 44а/46а соединены по текучей среде через питающий порт 52. Таким образом, жидкость, подаваемая в первый проход 44а, поступает через питающий порт 52 во второй проход 46а. Второй проход 46а открывается в центральную полость 40 с обеспечением при этом подачи первой жидкости или второй жидкости на смешивание с первичной жидкостью, поступающей из центральной полости 42.

[0032] В процессе работы форсуночный элемент 36 обеспечивает ввод трех топливных сред - окислителя, воспламеняющей жидкости и горючего. Сначала для пуска двигателя 20 вводят окислитель из источника 28 окислителя по центральному каналу 42. Воспламеняющую жидкость подают из источника 22 воспламеняющей жидкости через коллектор 48 и жидкостный канал 48а в первый проход 44а первой питающей камеры 44. Затем воспламеняющая жидкость поступает через питающий порт 52 во второй проход 46а второй питающей камеры 46. Далее происходит выпуск воспламеняющей жидкости из второго прохода 46а в центральную полость 40. В центральной полости 40 воспламеняющая жидкость смешивается с окислителем, поступающим из центрального канала 42, что приводит к самовоспламенению в камере 24 сгорания и, соответственно, запуску двигателя 20.

[0033] После того как произошло инициирование горения, поток воспламеняющей жидкости прекращается и происходит подача горючего из источника 30 горючего через камеру 50 в форсуночный элемент 36. Горючее поступает через вторые впускные порты 46b во второй проход 46а. В данном примере вторые впускные порты 46b наклонены относительно центральной оси А, как показано с помощью линии "S" центральной оси порта. В соответствии с одним из вариантов, линия S центральной оси выполнена также не пересекающейся с центральной осью А для обеспечения генерации вихревого потока горючего при его поступлении во второй проход 46b, что позволяет улучшить смешивание. Затем производится выпуск горючего из второго прохода 46b в центральную полость 40, в которой горючее смешивается с окислителем, поступающим из центрального канала 42, с последующим горением в камере 24 сгорания.

[0034] Для изготовления форсуночного элемента 36 может быть применена аддитивная технология изготовления. Аддитивное изготовление предусматривает наращивание какого-либо компонента, в данном случае форсуночного элемента 36, послойным методом с использованием компьютерной модели (например, файла компьютерной системы автоматизированного проектирования). Примерами технологии аддитивного изготовления являются (хотя ими возможный перечень не ограничивается) селективное лазерное плавление и электроннолучевая сварка. Форсуночный элемент 36, выполненный методом аддитивного изготовления, представляет собой единую выполненную за одно целое деталь, в которой не будет механических сварных швов между субкомпонентами. Такой единой выполненной за одно целое деталью, изготовленной с использованием аддитивной технологии, являются, в частности, центральный канал 42, первая питающая камера (кольцевое пространство) 44, вторая питающая камера (кольцевое пространство) 46 и жидкостный канал 48а.

[0035] Хотя в проиллюстрированных выше примерах показана некоторая комбинация признаков, не все из них должны включаться в комбинацию для достижения преимуществ от различных представленных здесь вариантов осуществления. Говоря иначе, какая-либо система, сконструированная в соответствии с одним из вариантов осуществления данного изобретения, не обязательно будет включать в себя все признаки, продемонстрированные на любом из чертежей, или все схематически показанные на них части. Кроме того, отдельные признаки одного из вариантов осуществления можно комбинировать с отдельными признаками других вариантов осуществления.

[0036] Приведенное выше описание является по своей сути не исчерпывающим, а иллюстративным. Специалисты в данной области вполне могут внести в описанные варианты разнообразные изменения и модификации, которые не обязательно будут отклоняться от настоящего описания. Объем правовой охраны, предоставляемой изобретению, может определяться исключительно нижеследующей формулой изобретения.

1. Форсуночный элемент жидкостного ракетного двигателя, содержащий: канал для окислителя;

центральную полость, соединенную по текучей среде с каналом для окислителя ниже по потоку от канала для окислителя;

первое кольцевое пространство, по меньшей мере частично охватывающее канал для окислителя, причем первое кольцевое пространство соединено по текучей среде с источником воспламеняющей жидкости ниже по потоку от источника воспламеняющей жидкости;

второе кольцевое пространство, по меньшей мере частично охватывающее канал для окислителя, причем второе кольцевое пространство соединено по текучей среде с источником горючего ниже по потоку от источника горючего;

при этом второе кольцевое пространство подсоединено по текучей среде между первым кольцевым пространством и центральной полостью.

2. Форсуночный элемент по п. 1, в котором первое кольцевое пространство и второе кольцевое пространство выполнены соосными с каналом для окислителя.

3. Форсуночный элемент по п. 1, в котором второе кольцевое пространство включает в себя множество впускных портов.

4. Форсуночный элемент по п. 3, в котором один или более впускных портов наклонены относительно центральной оси канала для окислителя.

5. Форсуночный элемент по п. 1, в котором первое кольцевое пространство и второе кольцевое пространство соединены по текучей среде посредством питающего порта.

6. Форсуночный элемент по п. 1, в котором канал для окислителя, первое кольцевое пространство и второе кольцевое пространство образуют собой единую выполненную за одно целое деталь.