Форсункова головка двокомпонентного рідинного ракетного двигуна малої тяги на самозаймистих компонентах палива

Форсункова головка двокомпонентного рідинного ракетного двигуна малої тяги на самозаймистих компонентах палива, із струминними форсунками концентричного розташування, при якому форсунки пального і окислювача, що забезпечують необхідну тягу і економічність роботи двигуна, розміщені в центральній зоні корпусу головки, а периферійна форсунка пального, що забезпечує пристінкове охолодження камери згорання, розміщена по периферії цього корпусу, яка U 2 (19) 1 3 Р-4Д має тягу 454 Н. РРДМТ на самозаймистих компонентах палива працюють, як правило, в імпульсному режимі. При роботі в імпульсному режимі параметри РРДМТ залежать від часу і частоти циклів роботи. Залежність параметрів від часу і частоти циклів роботи визначається часом заповнення об'єму від сідла клапанів до вихідного перетину сопла форсунок і часом виходу РРДМТ в стаціонарний тепловий режим. При роботі РРДМТ, в тому числі в імпульсному режимі, температура головки форсунки повинна бути такою, щоб виключалася можливість вскипіння палива в порожнині головки. Можливість вскипіння палива в форсунковій головки, а саме в каналах від сідла клапанів до форсунок, особливо велика після виключення двигуна, коли форсункова головка прогрівається за рахунок передачі до неї теплової енергії продуктів згорання палива і від нагрітої камери згорання. В цьому випадку тиск пружності парів вскипілих компонентів палива, може перевищити тиск їх подачі в паливні клапани і двигун припиняє свою роботу, тобто не створюватиме тягу. За статистичними даними, приведеними на стр.146 згаданої книзі Н.М.Беляева і Е.I.Уварова, температура від прогрівання головки двигуна Р-4Д після його виключення складає +150°С за рахунок передачі до неї тепла від нагрітої камери згорання і продуктів згорання палива. У книзі В.А.Махина. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектные расчеты камер. Дом техники. Москва. 1961 показано, що в РРД в основному застосовуються плоскі, шатрові і сферичні форми головок (стор.423) і на мал.152154 (стор.424, 425) приведені їх схеми. У цій книзі сказано, що плоскі головки набули найбільшого поширення, оскільки вони забезпечують однорідність поля швидкостей і концентрацій компонентів палива по поперечному перетину камери згорання, що підвищує економічність роботи РРД. Сферичні головки застосовуються у поєднанні з кулястими або бочкоподібними камерами, тобто тільки на двигунах великої тяги. В РРДМТ використовують тільки плоскі головки форсунок як правило із струминними форсунками, як показано на мал.156 (стор.428). У плоскій форсунковій головці в РРДМТ, внаслідок малої тяги, доцільне концентричне розташування форсунок окислювача і пального для створення тяги. Для пристінкового охолодження камери згорання доцільне периферійне розташування форсунок пального (стор.426. Мал.155). Приведені в книзі В.А.Махина головки форсунок засновані на традиційних, давно апробованих технічних рішеннях при роботі РРД в безперервному режимі і тому не виключають можливості вскипіння в них палива при роботі РРДМТ в імпульсному режимі (аналог). У книзі В.А.Володіна і Ю.Н.Ткаченко (стор.224) проблему виключення вскипіння палива в порожнині головки форсунки в імпульсному режимі РРДМТ пропонується вирішити шляхом установки між камерою згорання і головкою форсунки термічного опору або термоізолятора з матеріалів з низькою теплопровідністю (прототип). 65660 4 Проте установка термоопору або термоізолятора не виключає нагрівання форсункової головки від теплового випромінювання як факела продуктів згорання палива, так і камери згорання оскільки згідно книзі В.А.Володіна і Ю.Н.Ткаченко (стор.71, таблиця 4.3) для окислювача N2O4 і пального НДМГ температура продуктів їх згорання при оптимальному співвідношенні компонентів досягає 3516К. Крім того установка між камерою згорання і головкою форсунки термоопіру або термоізолятора вельми проблематична з конструктивної точки зору. Так згідно книзі X.Куклинг. Справочник по физике. Москва. "Мир". 1982. стор.469, таблиця 28 теплопровідність сталі, як гарного провідника тепла складає 47Вт/м·К, а поганих провідників тепла від 2,8 до 0,7Вт/м·К. Номенклатура поганих провідників тепла обмежена наступними матеріалами: мармур, фарфор, скло і цегла. До цих матеріалів можна віднести і кераміку. Вказані матеріали володіють недостатньою віброміцністю і можуть руйнуватися на активній ділянці польоту ракети-носія і при імпульсній роботі РРДМТ. Крім того вельми проблематична можливість їх герметичного з'єднання з форсуночною головкою і камерою згорання. При використанні в РРДМТ в якості окислювача чотириокису азоту, а в якості пального несиметричного диметилгідразину слід побоюватися закупорки головки форсунки від її надмірного нагріву по тракту окислювача. Це обумовлено набагато нижчою температурою кипіння чотириокису азоту (294К або 21°С) в порівнянні з несиметричним диметилгідрозином (335К або 62°С) - див. стор.69, таблицю 4.1 книги В.А.Володіна, Ю.Н.Ткаченко. Тепер зробимо оцінку критичної температури головки форсунки, при якій РРДМТ перестане створювати тягу унаслідок перевищення в ній тиску пружності парів чотириокису азоту більш мінімально допустимого перепаду тиску на форсунках, які згідно книзі В.А.Володіна, Ю.Н.Ткаченко 2 складає 0,5МПа≈5кгс/см (стор.96). Оцінку зробимо для початкової температури головки перед включенням двигуна 30°С. Для цього використовуємо графік залежності пружності парів чотириокису азоту від температури, приведений на стор. 139 Мал. V.16 книги А.П. Васильєва и других. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Издательство "Высшая школа". Москва. 1967. Згідно цьому графіку тиск пружності парів чотириокису азоту при 30°С складе 1,5атм. З ураху2 ванням перепаду тиску на форсунках 5кгс/см сумарний тиск парів чотириокису азоту складе 6,5атм, що відповідає шукаючій критичній температурі згідно згаданому графіку 65°С. Тому перед включенням РРДМТ для забезпечення його нормальної роботи головка форсунки потребує охолодження як мінімум до 30°С для відведення від неї теплової енергії від камери згорання після виключення двигуна і забезпечення мінімально допустимого перепаду тиску на форсунках 2 5кгс/см . Інакше, як сказано раніше, двигун перестане створювати тягу унаслідок перевищення тиску пружності парів чотириокису азоту в 5 форсунковій головці над мінімально допустимим перепадом тиску на форсунках. У основу корисної моделі поставлено завдання охолодження форсункової головки РРДМТ після його виключення перед наступним включенням при мінімальній паузі між імпульсними включеннями. Для вирішення поставленого завдання між периферійними форсунками пального пристінкового охолодження камери згорання і стінкою камери встановлена спіральна мікропориста сітка. Більш детально поставлене завдання вирішується наступним шляхом: - у нижній частині корпусу форсункової головки встановлений конічний відбивач пального пристінкового охолодження камери згорання, центральна частина якого сполучена по щільній посадці з циліндричною частиною корпусу периферійних форсунок пального, що охолоджують стінки камери згорання, а його зовнішня циліндрична частина герметично приєднана до корпусу форсункової головки; - у верхній частині відбивача і в нижній частині корпусу форсункової головки виконано по одній кільцевій щілині з їх взаємно концентричним розташуванням; - у вищесказані щілини встановлена спіральна дрібнопориста сітка з корозійностійкої сталі для протікання через неї пального при імпульсних включеннях РРДМТ; - між зовнішньою поверхнею відбивача і внутрішніми поверхнями периферійних форсунок, виконаний зигзагоподібний канал, що сполучає периферійні форсунки з центральною частиною спіральної сітки; - у нижній частині спіральної сітки і в периферійній циліндричній частині конічного відбивача уздовж його конічної поверхні виконані з рівномірним кроком канали, що забезпечують пристінкове охолодження камери згорання пальним. Таким чином поєднання відомих по прототипу традиційних ознак форсункової головки з концентричним розташуванням струминних форсунок окислювача і пального створення тяги в її центральній частині і периферійним розташуванням форсунок пристінкового охолоджування камери згорання і нових вищезгаданих ознак забезпечує в порівнянні з прототипом досягнення наступних технічних результатів: - підвищується надійність роботи РРДМТ також за рахунок охолодження форсункової головки при відборі від неї тепла випаровуванного пального в дрібнопористій сітці при імпульсних включеннях РРДМТ. Форсункова головка є складовою частиною РРДМТ і призначена для розпилювання, забезпечення сумішоутворення і спалювання компонентів палива. Форсункова головка через корпус 1 встановлена на монтажний фланець 2 кріплення РРДМТ до корпусу КА або ракети. Усередині монтажного фланця 2 встановлена камера згорання 3. У верхній частині корпусу 1 форсункової головки встановлені електрогідроклапани подачі в неї 65660 6 окислювача і пального (на малюнку не показані). Подача окислювача в корпус 1 проводиться через канал А, а пального - через канал Б. У нижній частині корпусу 1 форсункової головки встановлено три форсунки: форсунка окислювача 4, центральна форсунка пального 5, що забезпечує створення тяги при контакті з окислювачем, і периферійна головка пального 6, що забезпечує пристінкове охолодження камери згорання 3. Форсунки пального 5 і 6, розташовані в одному корпусі. Всі форсунки є багатоструминними з концентричним розташуванням паливорозпилювальних отворів. Для підвищення якості сумішоутворення окислювача з пальним в нижній частині форсунки окислювача 4 встановлений тарілчастий сумішоутворювач 7 на зовнішній поверхні якого відбувається перемішування рідинного окислювача, що поступає з форсунки 4 і рідинного пального, що поступає з центральної форсунки 5. У нижній частині корпусу 1 форсункової головки встановлений конічний відбивач пального 8, що забезпечує пристінкове охолоджування камери згорання 3. Центральна частина відбивача 8 встановлена по щільній посадці на центральну форсунку пального 5, а периферійна частина через циліндричну стінку В герметично сполучена з циліндричною стінкою Г в нижній частині корпусу 1 форсункової головки. У концентрично розташовані пази корпусу 1 і конічного відбивача 8 встановлена дрібнопориста сітка 9 з розміром пір≈20мкм, виконана з корозійностійкої сталі типу 12Х18Н10Т. Перед сіткою 9 між внутрішньою поверхнею Д периферійної форсунки пального 6, внутрішньою поверхнею Е нижньої частини корпусу 1, зовнішнього конічного відбивача Ж виконаний зигзагоподібний канал И що сполучає форсунку 6 з центральною частиною сітки 9. У нижній частині спіральної сітки 9 і в циліндричній стінці В конічного відбивача 8 уздовж його конічної поверхні виконані з рівномірним кроком тангенціально до осі корпусу 1 канали К, наприклад циліндричної форми, що забезпечують пристінкове охолодження камери згорання 3. Форсункова головка працює таким чином. При першому включенні РРДМТ відкриваються електрогідроклапани, внаслідок чого окислювач поступає в канал А і з нього у форсунку окислювача 4, а пальне в канал Б, в центральну форсунку пального 5 і периферійну форсунку пального 6. При контакті рідинних струменів окислювача і пального на зовнішній поверхні сумішоутворювача 7 відбувається згорання цих компонентів палива і подача продуктів згорання в камеру згорання 3 внаслідок чого в РРДМТ забезпечується створення тяги. При перетіканні пального з периферійної форсунки пального 6 в сітку 9 і з неї в канал К забезпечується пристінкове охолоджування камери згорання 3. Обертальний рух струменів пального щодо стінки камери згорання підвищує якість її охолодження. При виключенні РРДМТ електрогідроклапани закриваються і припиняється подача окислювача і пального в форсуночну головку. За результатами 7 випробувань дослідних зразків РРДМТ час випаровування продуктів згорання палива після закриття електрогідроклапанів не перевищує десятих часток секунди. При падінні тиску в камері згорання 3, підводі тепла за рахунок теплопровідності її стінки і випромінювання з її внутрішньої поверхні відбувається випаровування пального в спіральній сітці 9, накопичиного під дією перепаду тиску в ній. В результаті випаровування цього запасу пального в сітці 9 відбувається охолодження корпусу 1 форсункової головки і запобігає розігріванню форсункової головки в цілому і встановлених на ній електрогідроклапанів. Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 65660 8 Отже при роботі РРДМТ в імпульсному режимі під час пауз між його наступними включеннями відбувається охолодження корпусу 1 і форсункової головки в цілому за рахунок відбору від них теплової енергії при випаровуванні пального в спіральній сітці 9. Охолодження форсункової головки виключає можливість вскипіння компонентів палива перед форсунками і тим самим забезпечує стабільну роботу РРДМТ в імпульсному режимі. В порівнянні з існуючими РРДМТ пропонований двигун забезпечує стабільність його роботи в імпульсному режимі і підвищує надійність роботи за рахунок охолодження форсункової головки при вскипінні пального в спіральній сітці. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601