РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ	(19) RU (11) 2 254 490 (13) C2
	(51) МПК F02K 9/64 (2000.01)

Статус:	не действует (последнее изменение статуса: 26.09.2023)
Пошлина:	учтена за 20 год с 26.09.2022 по 25.09.2023. Патент перешел в общественное достояние.

(21)(22) Заявка: 2003128665/06, 25.09.2003 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 25.09.2003 (45) Опубликовано: 20.06.2005 Бюл. № 17 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2151318 C1, 20.06.2000. ДОБРОВОЛЬСКИЙ М.В. и др. Жидкостные ракетные двигатели, Москва, Высшая школа, 1967, стр. 50, рис. 2.26. SU 1828686 A, 20.07.1996. US 3216191 A, 09.11.1965. DE 1297942 A, 19.06.1969. US 1879579 A, 27.09.1932. US 2814179 A, 26.11.1957. Адрес для переписки: 125438, Москва, ул. Онежская, 8, ФГУП "Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша", И.А. Коршуновой

(72) Автор(ы): Калмыков Г.П. (RU), Янчилин Л.А. (RU) (73) Патентообладатель(и): Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша" (RU)

(54) КАМЕРА С УВЕЛИЧЕННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ТЕПЛООБМЕНА ЖИДКОСТНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано при создании жидкостных ракетных двигателей многократного использования, выполненных по безгазогенераторной схеме и работающих на кислородно-метановом топливе.

В настоящее время стоит проблема снижения стоимости выведения полезного груза в космическое пространство. Это предполагается осуществить, применив ракеты-носители многократного использования с высоконадежными двигателями, обеспечивающими безусловное выполнение полетного задания, работающими на дешевом экологически чистом топливе и обеспечивающим высокие энергетические характеристики. При создании таких двигателей предлагается изменить подход к выбору их конструкции и параметров. Конструкция двигателя должна быть удобной для межполетного обслуживания и высоконадежной в эксплуатации практически такой же, как в авиационных двигателях. Принципы проектирования и выбор параметров двигателя должны соответствовать этим требованиям. Эту проблему можно решить, если ракетный двигатель выполнить по безгазогенераторной схеме на кислородно-метановом топливе.

Известна кольцевая камера жидкостного ракетного двигателя (М.В.Добровольский и др. «Жидкостные ракетные двигатели», Москва, «Высшая школа», 1967 г., стр.50, рис.2.26), содержащая кольцевое сопло, камеру сгорания со смесительной головкой, имеющей полости горючего и окислителя, и расположенную внутри сопла. Камера сгорания представляет собой кольцо, расположенное перпендикулярно к продольной оси камеры. Боковые поверхности камеры сгорания образованы круговыми плоскими стенками разного диаметра. Центральная часть боковых поверхностей соединена между собой цилиндрическим огневым днищем, а периферийная образует кольцевое критическое сечение. В данной камере компоненты топлива подаются в цилиндрическую смесительную головку и перемешиваются на выходе из форсунок. Продукты сгорания по радиальным лучам, перпендикулярным к оси камеры, подаются в критическое сечение, где изменяют направление движения и поступают в сопло.

Основным недостатком такой кольцевой камеры являются значительные диаметральные размеры, связанные с тем, что компоненты топлива и, соответственно, продукты сгорания на выходе из смесительной головки движутся не вдоль оси камеры, а перпендикулярно к ней, изменяя направление своего движения в критическом сечении. Это вызывает уменьшение времени пребывания продуктов сгорания в камере сгорания и не позволяет обеспечить необходимое значение удельного импульса тяги.

Известна принципиальная схема кольцевой камеры сгорания ракетного двигателя (патент РФ №2151318, формула изобретения опубликована в БИПМ №17 за 2000 г.), выполненного по безгазогенераторной схеме, в которой необходимый разогрев горючего, в частности водорода, в основном, обеспечивается за счет развитой поверхности тарельчатого сопла.

Основными недостатками данной кольцевой камеры являются:

- значительные диаметральные размеры, определяемые необходимостью компоновки ТНА во внутренней полости цилиндрической части камеры;

- малая величина линейного размера кольцевого критического сечения, трудно выполнимая с большой точностью, что может привести к появлению боковой составляющей тяги сопла;

- разворот газового потока продуктов сгорания на 180° при сверхзвуковой скорости, что может привести к значительному росту плотности теплового потока в стенку сопла в этом районе.

Недостатком такой камеры является также то, что при появлении внутренних дефектов в ее элементах конструкции визуально трудно их определить, а при их обнаружении придется заменить всю камеру.

Задачей изобретения является устранение этих недостатков и создание камеры ЖРД, обеспечивающей необходимый разогрев горючего, в частности метана, для балансовой увязки безгазогенераторной схемы двигателя высокой надежности и экономичности при многократном его использовании, а также существенное упрощение ее межполетного обслуживания.

Поставленная задача достигается тем, что предлагается конструкция камеры с увеличенной поверхностью теплообмена жидкостного ракетного двигателя, содержащая охлаждаемую горючим камеру сгорания, содержащую кольцевую смесительную головку и внешний и внутренний коаксиально расположенные охлаждаемые цилиндры, при этом один торец каждого цилиндра соединен с кольцевой смесительной головкой, а другой торец внутреннего охлаждаемого цилиндра соединен с соплом, охлаждаемым горючим. Согласно изобретению камера сгорания снабжена дополнительным охлаждаемым цилиндром, наружная боковая поверхность которого примыкает к внутренней боковой поверхности внутреннего охлаждаемого цилиндра и один из торцов которого соединен с соплом, а другой - с торцом внутреннего охлаждаемого цилиндра, противолежащим торцу, соединенному со смесительной головкой, напротив которой расположено охлаждаемое днище, соединенное с торцом внешнего охлаждаемого цилиндра, причем торец внутреннего охлаждаемого цилиндра отстоит от днища на расстоянии а внутренний диаметр внешнего охлаждаемого цилиндра где d_K - внутренний диаметр дополнительного цилиндра, а δ - суммарная толщина стенок охлаждаемых внутреннего и дополнительного цилиндров.

Предложенное техническое решение позволяет, используя накопленный технологический опыт по камере обычной компоновки, обеспечить высокую надежность, простое межполетное обслуживание и достичь высоких энергетических характеристик в камере с увеличенной поверхностью теплообмена ЖРД, выполненного по безгазогенераторной схеме, что достигается за счет создания разборной на отдельные элементы камеры, обеспечения развитой поверхности теплообмена только цилиндрической части камеры сгорания и разворота продуктов сгорания при докритической скорости их движения и их истечения из сопла Лаваля.

Надежность такого двигателя будет обеспечена двумя факторами, отсутствием газогенератора и пониженным уровнем давления в камере по сравнению с достигнутым в нашей стране уровнем. Использование безгазогенераторной схемы при создании кислородно-метановых двигателей автоматически приведет к снижению давления до 8 МПа.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 представлена зависимость относительного удельного теплового потока от тяги.

На фиг.2 изображены принципиальные схемы камеры с увеличенной поверхностью теплообмена и кольцевой смесительной головки с соосно-струйными форсунками.

В ЖРД, имеющем камеру с увеличенной поверхностью теплообмена, главным энергетическим источником для привода ТНА является удельный тепловой поток с камеры, определяемый как отношение теплового потока к секундному массовому расходу топлива через двигатель. При увеличении тяги камеры обычной компоновки удельный тепловой поток снижается. Это иллюстрируется нижеприведенной формулой, определяющей зависимость удельного теплового потока от тяги двигателя и графической зависимостью относительного удельного теплового потока от тяги, представленной на фиг.1. Относительный удельный тепловой поток определен как отношение удельных тепловых потоков, снимаемых с камер двигателей тягой свыше 100 кН (от 100 кН до 2000 кН) к удельному тепловому потоку, снимаемого с камеры двигателя тягой 100 кН.

где β - расходный комплекс камеры;

Р_К - давление в камере;

R_V - тяга камеры в вакууме;

- относительная площадь поперечного сечения цилиндрической части камеры, a. F_K и F_* - площади поперечного сечения цилиндрической части камеры сгорания и узкого сечения сопла соответственно.

Из этого следует, что цилиндрическая часть камеры обычной схемы тягой 2 МН (200 тс), при сохранении ее длины такой же, как и на камере, тягой 0,1 МН, будет иметь примерно в шесть раз меньший удельный тепловой поток, чем камера тягой 0,1 МН (10 тс).

Для получения необходимого разогрева горючего, обеспечивающего балансовую увязку безгазогенераторной схемы двигателя большой тяги, предлагается конструкция камеры с увеличенной поверхностью теплообмена, принципиальная схема которой представлена на фиг.2.

Основными элементами камеры являются: смесительная головка 1 с соосно-струйными форсунками 2 и с полостями горючего Г₁, Г₂, и окислителя О_к; кольцевая часть 3 камеры сгорания, образованная внутренней поверхностью внешнего охлаждаемого цилиндра 4 и внешней поверхностью внутреннего охлаждаемого цилиндра 5; охлаждаемое днище 6 камеры; цилиндрическая часть 7 камеры сгорания, расположенная внутри дополнительного охлаждаемого цилиндра 8 и охлаждаемое сопло Лаваля 9.

Конструкция предлагаемой изобретением камеры новой компоновки тягой до 2 МН имеет, в сравнении с конструкцией камеры обычной компоновки, существенно большую поверхность теплообмена и обеспечит разогрев горючего в ее тракте охлаждения, необходимый для балансовой увязки безгазогенераторной схемы двигателя.

В такой камере необходимый разогрев горючего в тракте охлаждения достигается за счет увеличения боковой поверхности ее цилиндрической части и появления дополнительной поверхности теплообмена на огневой стенке днища камеры сгорания

Площадь поперечного сечения кольцевой 3 камеры сгорания, образованная внешним 4 и внутренним 5 охлаждаемыми цилиндрами, равна площади поперечного сечения дополнительного охлаждаемого цилиндра 8, а также площадь боковой поверхности мнимого цилиндра, являющегося продолжением внутренней стенки дополнительного охлаждаемого цилиндра 8 и ограниченного охлаждаемым днищем 6, равна площади поперечного сечения кольцевой части 3 камеры сгорания. Соблюдение этого равенства необходимо для выдерживания примерно постоянной плотности теплового потока от продуктов сгорания в огневую стенку газового тракта камеры сгорания на всем его протяжении.

Предлагаемая камера работает следующим образом. Окислитель после насоса подается в полость Ок смесительной головки 1, откуда по внутреннему каналу соосно-струйной форсунки 2 подается в кольцевую часть 3 камеры сгорания.

Горючее после насоса подается в тракт охлаждения сопла Лаваля 9, откуда оно поступает в тракт охлаждения дополнительного цилиндра 8, затем горючее разворачивается на 180° и поступает в тракт охлаждения внутреннего цилиндра 5, после чего оно подается в полость горючего Г₁ кольцевой смесительной головки 1. Затем горючее направляют в тракт охлаждения внешнего цилиндра 4 и далее - в тракт охлаждения днища 6 камеры сгорания. Нагретое таким образом горючее идет на привод турбины ТНА. После турбины горючее подается в полость смесительной головки Г₂, откуда по газовым каналам соосно-струйных форсунок 2 попадает в кольцевую часть камеры сгорания 3, где сгорает в смеси с окислителем.

Применение предложенного технического решения позволит уменьшить длину камеры ЖРД, выполненного по безгазогенераторной схеме, в сравнении с камерой сгорания обычной компоновки, достичь высокого значения удельного импульса тяги за счет применения только внешнего охлаждения огневых стенок камеры, а также обеспечить простое межполетное диагностирование дефектов и ее обслуживание.

Формула изобретения

Камера с увеличенной поверхностью теплообмена жидкостного ракетного двигателя с охлаждаемой горючим камерой сгорания, содержащей кольцевую смесительную головку и внешний и внутренний коаксиально расположенные охлаждаемые цилиндры, при этом торец каждого цилиндра соединен с кольцевой смесительной головкой, а другой торец внутреннего охлаждаемого цилиндра соединен с соплом, охлаждаемым горючим, отличающаяся тем, что камера сгорания снабжена дополнительным охлаждаемым цилиндром, наружная боковая поверхность которого примыкает к внутренней боковой поверхности внутреннего охлаждаемого цилиндра и один из торцов которого соединен с соплом, а другой - с торцом внутреннего охлаждаемого цилиндра, противолежащим торцу, соединенному со смесительной головкой, напротив которой расположено охлаждаемое днище, соединенное с торцом внешнего охлаждаемого цилиндра, причем торец внутреннего охлаждаемого цилиндра отстоит от днища на расстоянии а внутренний диаметр внешнего охлаждаемого цилиндра где d_K - внутренний диаметр дополнительного цилиндра, а δ - суммарная толщина стенок охлаждаемых внутреннего и дополнительного цилиндров.