Спосіб плівкового охолодження камери згоряння рідинних ракетних двигунів малої тяги на двокомпонентному самозаймистому паливі

1. Спосіб плівкового охолодження камери згоряння рідинних ракетних двигунів малої тяги на двокомпонентному самозаймистому паливі, заснований на подачі одного з компонентів палива у форсунку плівкового охолодження, який відрізняється тим, що подачу одного з компонентів палива, наприклад пального, у форсунку плівкового C2 2 87132 1 3 більш тугоплавких металів, наприклад, ніобію, молібдену, танталу, використовуваних для камер згоряння РРДМТ. Тому для виключення прогоряння камер згоряння обмежують температуру їхньої стінки до 1600°С і проводять її охолодження різними способами (див., наприклад, книгу Н.М. Беляева и Е.И. Уварова «Расчёт и проектирование реактивных систем управления космических летательных аппаратов», М. «Машиностроение», 1974, стор.137,138 - таблиця 4.2 і 139). Для РРДМТ найбільш високоефективним методом охолодження камер згоряння є їхнє плівкове охолодження (див., наприклад, статтю Стехмана, Оберстоуна, Хоуэлла «Критерии плёночного охлаждения ЖРД малой тяги», надруковану в журналі «Вопросы ракетной техники», М. «Мир» №5 (173), 1969, стор.22-29). У ній сказано, що плівкове охолодження забезпечує помірні теплові потоки до стінки камери згоряння двигуна і її прийнятну температуру. Як відомо (див., наприклад, згадану книгу Н.М. Беляева и Е.И. Уварова - стор.23, 24) мікродвигуни, у тому числі і РРДМТ, які відносяться до цього класу, працюють для створення тяги як у безперервному, так і в імпульсному режимах роботи. В імпульсному режимі РРДМТ працюють, в основному, для підтримки просторової орієнтації КА протягом тривалого часу з забезпеченням тисяч і десятків тисяч повторних включень. Частота проходження імпульсів може змінюватися від декількох імпульсів у секунду до одного імпульсу за кілька хвилин і годин при досить малій тривалості включення. Тому, як правило, в імпульсному режимі роботи температура стінки камери згоряння не буде досягати межі допустимого значення. В усіх відомих РРДМТ плівкове охолодження камери згоряння проводять як у безперервному, так і в імпульсному режимах (див., наприклад, згадану книгу В.А. Володина и Ю.Н. Ткаченко, стор.223, 224 і статтю Стехмана і ін., стор.22-29), що знижує економічність роботи двигунів в імпульсному режимі при недостатньо високій температурі стінки. Найбільш близьким по технічній сутності до пропонованого технічного рішення є принцип плівкового охолодження камери згоряння двигуна R4Д, описаний у згаданій книзі Н.М. Беляева и Е.И. Уварова - стор.143-146 (прототип). У цьому двигуні подача палива в камеру згоряння здійснюється через два однакових по конструкції нормально закритих електромагнітних клапана. Тому подача пального в струминні форсунки для створення тяги і плівкового охолодження камери згоряння здійснюється одночасно з подачею окислювача, як у безперервному, так і в імпульсному режимах роботи, незалежно від ступеня нагрівання стінки камери згоряння. Тому що при роботі РРДМТ в імпульсному режимі температура стінки камери згоряння досить часто не досягає межі допустимого значення, а витрата одного з компонентів палива, наприклад пального, для її охолодження не припиняється, це приводить до перевитрати охолоджуючого компонента палива і, як наслідок, до зниження питомого імпульсу тяги та економічності роботи РРДМТ. 87132 4 В основу винаходу поставлена задача забезпечити підвищення економічності роботи РРДМТ на двокомпонентному самозаймистому паливі з плівковим охолодженням камери згоряння одним з компонентів палива шляхом його подачі у форсунку плівкового охолодження через пусковідсічний клапан, гідравлічного і електричного відокремлення його від клапанів подачі палива у форсуночну головку, відкриття пусковідсічного клапана підключенням до джерела електроживлення через теплове реле контролю температури стінки тільки при її підвищенні до межі допустимого значення, використання у якості теплового реле термобіметалевого реле шляхом закріплення біметалевих пластин з рівномірним кроком на зовнішній поверхні стінки камери згоряння, а контактуючого з ними в момент замикання металевого кільця на термоелектроізоляторі, і закриття термобіметалевого реле герметичним кожухом із заповненням його внутрішньої порожнини інертним газом, наприклад, аргоном, а також шляхом настроювання форсуночної головки на необхідну тягу при оптимальному співвідношенні компонентів палива і закритому пусковідсічному клапані. Таким чином, пропоноване технічне рішення відрізняється від найближчого аналога новими суттєвими відмітними ознаками і витікаючими з них технічними результатами. - Подачу одного з компонентів палива у форсунку плівкового охолодження стінки камери згоряння проводять через пусковідсічний клапан, який гідравлічно і електрично відокремлюють від клапанів подачі компонентів палива у форсуночну головку, і відкривають підключенням його до джерела електроживлення через теплове реле контролю температури стінки тільки при її підвищенні до межі допустимого значення. Тому що в імпульсному режимі роботи, коли температура стінки камери згоряння не буде досягати межі допустимого значення, пусковідсічний клапан не відкривається і витрати палива на охолодження камери виключаються. При циклічній роботі РРДМТ у безперервному режимі пусковідсічний клапан відкривається тільки по досягненні температури стінки камери згоряння до межі допустимого значення. Виключення витрати палива на зайве охолодження камери згоряння зменшує масу рушійної установки з цими РРДМТ і витрати коштів на придбання палива. Крім того, впровадження контролю температури стінки камери згоряння і, при необхідності, її охолодження, підвищує надійність роботи РРДМТ. - Контроль температури стінки камери згоряння і підключення пусковідсічного клапана до джерела електроживлення проводять через термобіметалеве реле. У порівнянні з іншими типами теплових реле, термобіметалеве реле має високу надійність і широко використовується в різних галузях техніки (див., наприклад, книгу Ю.А. Башина и др. «Термобиметаллы. Композиции, обработка, свойства», М. «Машиностроение», 1986, стор.4,112, 128). Для виконання термобіметалевого реле закріплюють на зовнішній поверхні камери згоряння з рівномірним кроком кілька біметалевих пластин, а 5 контактуюче з ними в момент замикання металеве кільце встановлюють на термоелектроізоляторі, при цьому один струмопровід джерела електроживлення приєднують до камери згоряння, а другий до металевого кільця. Таким чином, термобіметалеве реле забезпечує одночасне виконання двох функцій - контролю температури стінки камери згоряння в декількох місцях і, при необхідності, підключення пусковідсічного клапана до джерела електроживлення, що підвищує надійність плівкового охолодження камери згоряння і роботи РРДМТ. - Термобіметалеве реле герметично закривають кожухом і внутрішню порожнину кожуха заповнюють інертним газом, наприклад, аргоном. Це виключає можливість замикання реле у вакуумі і «холодне» зварювання біметалевих пластин з металевим кільцем при проходженні через них електричного струму на пусковідсічний клапан, що підвищує надійність відкриття пусковідсічного клапана і, тим самим, надійність роботи РРДМТ. - Настроювання форсуночної головки на необхідну тягу проводять при оптимальному співвідношенні компонентів палива, яке відповідає максимальному питомому імпульсові тяги, без подачі одного з компонентів палива у форсунку плівкового охолодження, тобто при закритому пусковідсічному клапані, що підвищує економічність роботи РРДМТ як у безперервному, так і в імпульсному режимах його роботи. Таким чином, сполучення відомої суттєвої ознаки - подача одного з компонентів палива у форсунку плівкового охолодження камери згоряння, і нових суттєвих відмітних ознак (подача одного з компонентів палива у форсунку плівкового охолодження через пусковідсічний клапан, який гідравлічно і електрично відокремлюють від клапанів подачі компонентів палива у форсуночну головку і відкривають підключенням до джерела електроживлення через теплове реле контролю температури стінки при її підвищенні до межі допустимого значення; застосування в якості теплового реле термобіметалевого реле; закриття термобіметалевого реле герметичним кожухом з подачею у внутрішню порожнину кожуха інертного газу; настроювання форсуночної головки на необхідну тягу при оптимальному співвідношенні компонентів палива при закритому пусковідсічному клапані), забезпечує одержання технічного результату, який полягає в зменшенні витрати палива на плівкове охолодження камери згоряння, що дозволило збільшити питомий імпульс тяги, як у безперервному, так і в імпульсному режимах роботи РРДМТ, зменшити масу рушійної установки з цими РРДМТ і фінансові витрати на придбання палива, а також підвищити надійність охолодження камери згоряння і, отже, надійність роботи РРДМТ. Сутність винаходу пояснюється схемним кресленням РРДМТ. Для реалізації пропонованого способу плівкового охолодження камери згоряння на зовнішній поверхні камери згоряння 1 закріплюють, наприклад, точковим зварюванням, кілька біметалевих пластин 2 з рівномірним кроком. На кожній пласти 87132 6 ні встановлюють по одному контакту 3. Інший контакт термобіметалевого реле виконують у виді металевого кільця 4, який встановлюють на термоелектроізоляторі 5, наприклад з алюмоборонітрида, і контрят дротом 6. Якщо температура експлуатації біметалевих пластин 2 нижче максимально припустимої температури стінки камери згоряння 1, то їх розташовують у зоні з більш низькою температурою, тобто ближче до форсуночної головки 7. Для виключення «холодного» зварювання у вакуумі контактів 3 з металевим кільцем 4 біметалеві пластини 2 закривають герметичним кожухом 8, і його внутрішню порожнину заповнюють інертним газом, наприклад, аргоном. У результаті виконання цих операцій забезпечується як контроль температури стінки камери згоряння 1, так і видача команди на включення плівкового охолодження при підвищенні цієї температури до межі допустимого значення. Включення плівкового охолодження відбувається при замиканні одного з контактів 3 з металевим кільцем 4 за рахунок термічної деформації біметалевих пластин 2. У форсунку плівкового охолодження 9 один з компонентів палива, наприклад, пальне, подають через пусковідсічний клапан 10, який гідравлічно і електрично відокремлюють від клапанів 11 і 12 подачі пального й окислювача у форсуночну головку 7. До джерела електроживлення 13 пусковідсічний клапан 10 підключають через струмопроводи 14, 15, 16. Струмопровід 14 з'єднують з металевим кільцем 4 через герметичний електроізолятор 17, а струмопровід 16-3 камерою згоряння 1 через кожух 8. Таким чином, пусковідсічний клапан 10 постійно підключений до джерела електроживлення 13 через струмопровід 15 і до біметалевих пластин через струмопровід 16. Поки температура стінки камери згоряння 1 не досягне межі допустимого значення, контакти 3 знаходяться в розімкнутому стані щодо кільця 4, і пусковідсічний клапан 10 закритий, тому що не підключений до джерела електроживлення 13. Настроювання форсуночної головки 7 на необхідну тягу проводять при оптимальному співвідношенні компонентів палива, яке відповідає максимальному питомому імпульсові тяги без подачі одного з компонентів палива у форсунку плівкового охолодження, тобто при закритому пусковідсічному клапані 10. За рахунок цього підвищується економічність роботи РРДМТ як у безперервному, так і в імпульсному режимах роботи. По даному способу РРДМТ працює таким чином. Для створення тяги через систему керування КА або ракети клапан пального 11 і клапан окислювача 12 підключають до джерела їхнього електроживлення через електричні кабелі, не показані на схемному кресленні. Пальне надходить у струминну форсунку 19, а окислювач - у струминну форсунку 18. При перетинанні струменів зазначені компоненти палива самозаймаються і згоряють. При витіканні продуктів їхнього згоряння через сопло 20 створюється тяга. Поки стінка камери згоряння 1 не прогрілася до межі допустимої температури, контакти 3 не 7 87132 замкнуті з металевим кільцем 4 і пусковідсічний клапан 10 закритий. По досягненні зазначеної температури, за рахунок термічної деформації біметалевих пластин 2, один або кілька контактів 3 замикаються з металевим кільцем 4 і пусковідсічний клапан 10 підключається до джерела електроживлення 13. У цьому випадку пусковідсічний клапан 10 відкривається, і один з компонентів палива, наприклад, пальне, подається у форсунку плівкового охолодження 9. При контакті розпилюємого палива зі стінкою камери згоряння 1 його рідка і газоподібна фази охолоджують стінку до безпечної температури. При переведенні РРДМТ в імпульсний режим роботи, або при його постійній роботі в імпульсному режимі, температура стінки камери згоряння 1 може опускатися до безпечної величини, що приводить до розмикання контактів 3 з металевим кільцем 4 за рахунок термічної деформації біметалевих пластин 2 і до відключення пусковідсічного клапана 10 від джерела електроживлення 13. При закритті пусковідсічного клапана 10 досягається економія палива на плівкове охолодження стінки камери згоряння 1. Комп’ютерна верстка О. Рябко 8 Оскільки форсуночна головка 7 налагоджена на оптимальне співвідношення компонентів палива, яке відповідає максимальному питомому імпульсові тяги при відсутності плівкового охолодження, тобто при закритому пусковідсічному клапані 10, забезпечується робота РРДМТ в економічному режимі КА як у безперервному, так і в імпульсному режимах. Плівкове охолодження камери згоряння по пропонованому способу технічних утруднень не викликає ідозволяє збільшити питомий імпульс тяги РРДМТ як у безперервному, так і імпульсному режимах роботи і, як слідство, економічність РРДМТ за рахунок зменшення витрати палива на плівкове охолодження, а також зменшити масу рушійних установок, якими вони комплектуються. Крім того, впровадження контролю температури стінки камери згоряння і подача одного з компонентів палива на плівкове охолодження стінки при підвищенні її температури до межі допустимого значення дозволяє підвищити надійність роботи РРДМТ. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601