Маршова ракетна рушійна установка на унітарному пастоподібному паливі для верхніх ступенів ракет-носіїв

1. Маршова ракетна рушійна установка на унітарному пастоподібному паливі для верхніх ступенів ракет-носіїв, що включає систему подачі палива з витисним газогенератором, паливний бак, розділений на витисну та паливну порожнини, а також установлену на задньому дні бака маршову камеру згоряння з нерегульованим фільєрним блоком та соплом, яка відрізняється тим, що нерегульований фільєрний блок установлений всередині з зазором із переднім дном камери згоряння і виконаний із двох частин - передньої та задньої, розміщених між собою з зазором, який за допомогою каналів в теплозахисному покритті камери згоряння з'єднується з пусковими газогенераторами рушійної установки, розташованими зовні її камери згоряння, а щілина між переднім дном камери згоряння і передньою частиною її фільєрного блока з'єднується з паливною порожниною бака отворами в передньому дні камери згоряння, які перекриваються відсічним клапаном, розміщеним в кільцевій порожнині, виконаній в корпусі камери згоряння, і за допомогою трубопроводів з клапаном з'єднана з джерелом тиску в системі подачі палива. 2. Ракетна рушійна установка за п. 1, яка відрізняється тим, що в ній система подачі палива включає в себе регульований витисний газогенератор із примусовою подачею унітарного пастоподібного палива та ємність, в якій під тиском міститься холодоагент, при цьому внутрішня 2 (19) 1 3 24169 Передбачувана корисна модель відноситься до ракетної техніки, відповідно до конструкцій регульованих ракетних рушійних установок з примусовою подачею в камеру згоряння унітарного пастоподібного (желеподібного) палива, і може бути використана в космічній техніці як маршова рушійна установка на верхніх ступенях ракет-носіїв. Експериментальні дослідження ракетних рушійних установок з примусовою подачею до камери згоряння унітарного пастоподібного палива показують, що вони, завдяки підвищеній здатності до оперативного регулювання тяги та до багаторазового вмикання, при вирішенні низки задач можуть бути ефективніші за рушійні установки інших типів. Завдяки особливому режиму течії пастоподібного палива в системі подачі ці рушійні установки перевершують інші типи ракетних рушійних установок в здатності до регулювання витрат палива, дивіться, наприклад, [„Особливості ракетної рушійної установки на пастоподібному паливі". Космічна наука і технологія. 1999. Т5. №4. С.1-10]. В той же час, змішування компонентів пастоподібного палива в заводських умовах при його виготовленні забезпечує високу повноту згоряння палива у всьому діапазоні зміни швидкості його надходження в камеру та зміни тиску в ній. Висока здатність до регулювання витрат палива разом із високою повнотою згоряння палива у всьому діапазоні регулювання забезпечує перевагу ракетної рушійної установки з примусовою подачею унітарного пастоподібного палива в порівнянні з рушійними ракетними установками інших типів в глибині регулювання тяги. Крім того, використання унітарного пастоподібного палива дозволяє обійтись одним баком та одною системою регулювання витрат, що дає змогу суттєво спростити конструкцію рушійної установки. Проектні дослідження ракетних рушійних установок на пастоподібному паливі в складі верхніх ступенів ракет-носіїв показують, що під час вироблення палива зменшується маса цих ступенів і, відповідно, при умові обмеження максимально допустимих інерційних навантажень, зменшується необхідна тяга рушійних установок. Тому оперативне регулювання тяги дає можливість реалізувати політ з максимально допустимими інерційними навантаженнями на протягом усього польоту ступені ракети-носія. Це дозволяє розширити діапазон маси виведеного на орбіту корисного навантаження, а також дозволяє зменшити зону відчуження для падіння ступенів ракет-носіїв [дивіться, наприклад, патент Росії №2161108,2000p.]. Відома ракетна рушійна установка з примусовою подачею з бака в камеру згоряння унітарного пастоподібного палива за [патентом Великобританії №1005886, 1965р.]. Бак цієї установки розділений поршнем на витисну та паливну порожнини. Паливна порожнина містить в собі паливо і безпосередньо сполучується з нерегульованим фільєрним блоком камери згоряння. Для подачі пастоподібного палива з бака в камеру згоряння використовується стиснутий газ, який міститься в балоні, сполученому через систему клапанів з витисною порожниною бака. Тяга в цій рушійній 4 установці регулюється зміною тиску подачі палива шляхом регулювання витрат стиснутого газу у витисну порожнину бака за допомогою клапана. Недоліки рушійної установки за [патентом №1005886] такі: безпосереднє сполучення паливної порожнини бака з нерегульованим фільєрним блоком камери згоряння не дозволяє оперативно відсікати подачу палива, що унеможливлює багаторазове вмикання установки; паливо з бака в камеру згоряння витиснюється холодним газом і, як наслідок з великою густиною, а через це збільшуються потрібна його кількість та маса установки. З [патенту України №69765А] відома ракетна рушійна установка на унітарному пастоподібному паливі як виконавчий елемент реактивної системи управління положенням і просторі літального апарату (ЛА). Відомий варіант цієї установки, в газогенераторі якого паливо камеру згоряння подається за допомогою диференційного поршня. Диференційний поршень ділить внутрішню порожнину корпусу на бак, де міститься паливо, та на камеру згоряння складається власне з поршня та розвантажувального штоку, який через отвір в передньому дні корпусу ви ходить назовні. У розвантажувальному штоці диференційного поршня містить редукційний клапан, створений підпружиненою заслінкою регульованої фільєри та її сідлом. При зміні тяги редукційний клапан підтримує тиск в камері згоряння постійним незалежно від витрат газу з камери згоряння. Таке виконання рушійної установки дозволяє регулювати тягу в широкому діапазоні та обійтись без окремої системи подачі палива, що суттєво спрощує конструкцію та зменшує габарити установки. Порожнина камери згоряння цієї установки через клапани сполучується з соплами управління. За допомогою клапанів газ перерозподіляється між соплами, регулюються та відсікаються його витрати, тобто регулюється та вимикається тяга. Недоліком цієї установки є те, що перерозподіл газу між соплами, регулювання та відсічка тяги забезпечується клапанами, що обмежує температуру продуктів згоряння, а тим самим знижує енергетичну е фективність установки в разі використання її в якості маршової. В той же час, при використанні її в якості рушійної установки управління положенням в просторі ЛА, пониження енергетичної ефективності через обмеження температури продуктів згоряння, не є недоліком, бо компенсується економією палива регулюванням його витрат та відсічкою тяги. Найближчим за технічною суттю до запропонованої рушійної установки є ракетна рушійна установка на унітарному пастоподібному паливі за [патентом США №3084504, 1963р.]. До складу цієї установки входить паливний бак, камера згоряння з соплом та витисна система подачі палива, джерелом тиску якої є твердопаливний газогенератор. Паливний бак також розділений поршнем на витисну та паливну порожнини. В паливній порожнині міститься паливо і вона теж, як і в англійському патенті безпосередньо сполучена з нерегульованим фільєрним блоком камери згоряння. Твердо 5 24169 паливний витисний газогенератор сполучується з витисною порожниною бака, яка, в свою чергу, з'єднана з порожниною камери згоряння та через клапан і сопло з навколишнім середовищем. Тяга в цій рушійній установці регулюється зміною тиску в витисній порожнині бака шляхом випускання з неї газу в навколишнє середовище за допомогою клапана. Ця установка має кращі габаритно-масові характеристики в порівнянні з рушійною установкою за [патентом Великобританії №1005886] за рахунок того, що в ній для витиснення пастоподібного палива використовується гарячий газ витисного твердопаливного газогенератора, який має меншу густин у, ніж холодний газ. Суттєвим недоліком установки за [патентом США №3084504] є те, що в ній: - паливна порожнина бака безпосереднє сполучена з нерегульованим фільєрним блоком камери згоряння, що не дозволяє оперативно відсікати подачу палива, а це унеможливлює багаторазове вмикання установки; - для подачі палива використовується твердопаливний газогенератор, який не здатний до багаторазового вмикання та регулювання витрат газу, тому регулювання тяги відбувається шляхом випускання газу з витисної порожнини бака, що при глибокому дроселюванні тяги потребує випускання великої кількості газу, а це обумовлює збільшення кількості палива в витисному газогенераторі, що також збільшує масу та габарити установки. Крім того, при багаторазовому вмиканні цієї установки з великими паузами між вмиканнями відбувається прогрівання витисної порожнини бака, в наслідок чого температура з боку паливної порожнини може досягти температури запалення, що приведе до вибуху. В основу винаходу поставлені такі завдання: - покращити габаритно-масові характеристики рушійної установки шляхом заміни регулювання тяги випуском газу з витисної порожнини бака в навколишнє середовище на регулювання тяги регулюванням витрат газу з витисного газогенератору у витисну порожнину бака; - забезпечити багаторазове вмикання установки; - підвищити надійність роботи рушійної установки під час пауз між повторними вмиканнями; - забезпечити управління за всіма каналами під час роботи, між повторними вмиканнями та після спорожнення бака. Поставлені завдання досягаються тим, що: - для подачі палива з бака в камеру згоряння використовується регульований витисний газогенератор з самоподачею в його камеру згоряння унітарного пастоподібного палива; - газ витисного газогенератору при надходженні у витисну порожнину бака охолоджується змішуванням його з холодоагентом, наприклад, із азотом; - багаторазове вимикання установки забезпечується відсічкою подачі палива в фільєрний блок камери згоряння; - запускається установка запалюванням пастоподібного палива всередині фільєрного блоку, 6 що підвищує надійність та стабільність запуску рушійної установки; - при увімкнутій маршовій камері згоряння управління ступінню за каналами тангажу та рискання забезпечується вдувом газу з витисного газогенератору через клапани в закритичну частину сопла маршової камери згоряння, а управління за каналом крену - подачею газу з витисного газогенератору на сопла управління (крену); - управління ступінню за каналами тангажу, рискання та крену при вимкненій маршовій камері згоряння забезпечується відбором газу з витисного газогенератора, а також з витисної порожнини бака та подачею його через клапани на сопла управління. Для цього в ракетній рушійній установці на унітарному пастоподібному паливі, яка включає в себе систему подачі палива з витисним газогенератором, паливний бак, розділений на витисну та паливну порожнини, а також установлену на задньому дні бака маршову камеру згоряння з нерегульованим фільєрним блоком та соплом: - всередині камери згоряння рушійної установки з зазором із її переднім дном установлено нерегульований фільєрний блок, виконаний з двох частин - передньої та задньої і розміщених між собою також із зазором; - щілина між переднім дном камери згоряння і передньою частиною фільєрного блоку отворами в передньому дні камери згоряння сполучується з паливною порожниною бака; - отвори в передньому дні камери згоряння перекриваються відсічним клапаном, що розміщено у порожнині, виконаній в корпусі камери згоряння, яка за допомогою трубопроводів з клапаном з'єднана з джерелом тиску - витисною системою подачі палива; - щілина між передньою та задньою частинами фільєрного блоку за допомогою каналів в теплозахисному покритті маршової камери згоряння сполучаються з пусковими газогенераторами, розташованими зовні камери згоряння на її корпусі; - система подачі палива включає в себе регульований витисний газогенератор з примусовою подачею в його камеру згоряння унітарного пастоподібного палива та ємність, в якій під тиском міститься холодоагент, при цьому внутрішня порожнина камери згоряння витисного газогенератору безпосередньо, а ємність з холодоагентом через клапан-регулятор із приводом сполучуються з витисною порожниною паливного бака рушійної установки через змішувач; вн утрішня порожнина камери згоряння газогенератора через клапани сполучена також із соплами управління та з закритичною частиною сопла маршової камери згоряння; - регульований газогенератор, виконаний із самоподачею палива за допомогою диференційного поршня, який розміщено всередині циліндричної оболонки, виконаній із теплозахисного матеріалу, закріпленій на передньому дні корпусу газогенератора з зазором і ділить внутрішню порожнину оболонки на бак та камеру згоряння; зазор між оболонкою та корпусом сполучається газоводами з клапанами з закритичною частиною 7 24169 сопла маршової камери згоряння та з соплами управління; паливна порожнина та камера згоряння витисного газогенератору з'єднуються між собою регульованою фільєрою з підпружиненою заслінкою, розміщеною з зазором всередині диференційного поршня, упор пружини якої кінематично з'єднано з виконавчим елементом приводу його переміщення, який установлено зовні на розвантажувальному штоці диференційного поршня; - в штоці заслінки регульованої фільєри виконано канал, в який коаксиально входить газовід, закріплений спицями на циліндричній оболонці, і каналами в спицях та в оболонці з'єднаний із пусковими газогенераторами, розміщеними зовніна корпусі витисного газогенератору, та зазором між диференційним поршнем та заслінкою - з виходом з фільєри. На Фіг.1 приведено осьовий розтин маршової ракетної рушійної установки на унітарному пастоподібному паливі для верхніх ступенів ракетносїїв; на Фіг.2 - (А) вид установки з боку витисного газогенератора; на Фіг.3 та 4 - розтини витисного газогенератора, (Б-Б) та (В-В) відповідно. Запропонована конструкція ракетної рушійної установки на унітарному пастоподібному паливі включає в себе паливний бак 1, розділений виворітною діафрагмою 2 на витисну 3 та паливну 4 порожнини, з маршовою камерою згоряння 5 та розміщеним всередині нерегульованим фільєрним блоком, який складається з двох частин - передньої 6, розміщеної з зазором біля переднього дна 7 камери згоряння, та задньої 8, розміщеної з зазором біля передньої частини фільєрного блоку. Щілина між переднім дном маршової камери згоряння і передньою частиною фільєрного блоку отворами 9 в передньому дні камери згоряння сполучується з паливною порожниною бака. Отвори в передньому дні маршової камери згоряння перекриваються кільцевим відсічним клапаном 10, розміщеним в кільцевій порожнині 11, виконаній в корпусі камери. Порожнина відсічного клапана трубопроводами з клапаном 12 з'єднана з джерелом тиску газу (витисним газогенератором). Щілина між передньою та задньою частинами фільєрного блоку каналами 13 в теплозахисному покритті камери згоряння сполучуються з пусковими газогенераторами 14 маршової камери згоряння. На передньому дні бака розмішений регульованій витисний газогенератор 15 з самоподачею низькотемпературного пастоподібного палива, за допомогою диференційного поршня 16, який ділить внутрішню порожнину циліндричної оболонки 17, виконаної з теплозахисного матеріалу і закріпленої всередині корпусу 18, на дві частини - паливний бак 19 та камеру згоряння 20. Внутрішня порожнина камери згоряння газогенератора через отвори 21 та канал 22 в циліндричній оболонці, газоводом 23 через газорозподільник 24 з приводом його переміщення 25 з'єднана з соплами управління 26, а газоводами 27 через клапанирегулятори 28 з приводами 29 сполучена з закритичною частиною сопла маршової камери згоряння, а також через перфоровану перегородку 30 - з витисною порожниною бака установки, при цьому витисна порожнина бака установки через отвори 8 31 в перфорованій перегородці та клапанрегулятор 32 сполучується з системою подачі холодоагенту, який під тиском міститься в ємності 33. Розвантажувальний шток 34 диференційного поршня, через отвір в передньому дні корпусу виходить назовні. На корпусі виконаний фланець 35, яким витисний газогенератор закріплюється на передньому дні бака установки. Всередині диференційного поршня розміщена заслінка 36, яка разом із сідлом 37, виконаним на диференційному поршні, створює регульовану фільєру. Заслінка опирається на пружину 38, розміщену в розвантажувальному штоці. Регульована фільєра з підпружиненою заслінкою створює стабілізатор тиску в камері згоряння прямої дії. Пружина стабілізатора опирається на рухомий упор 39, який кінематично з'єднаний із приводом його переміщення 40, розміщеному зовні на розвантажувальному штоці. Вихід з регульованої фільєри витисного газогенератора через шток заслінки 41 та через газовід 42, розміщений всередині штоку і закріплений спицями 43 на циліндричній оболонці, каналами 44, 45 в спицях та в оболонці сполучується з пусковими газогенераторами 46, установленими зовні на корпусі витисного газогенератора. Ракетна рушійна установка вмикається (запускається) подачею електронапруги на піропатрон одного з пускових газогенераторів витисного газогенератора при зачинених клапанах сопел управління, вдуву в закритичну частину сопла та відчиненого відсічного клапана маршової камери згоряння. Струмінь полум'я пускового газогенератора по каналам в циліндричній оболонці та в спиці, по газоводу та штоку заслінки регульованої фільєри, омиває заслінку і біля виходу з регульованої фільєри надходить в камеру згоряння. Внаслідок цього в камері згоряння витисного газогенератора та в витисній порожнині бака рушійної установки створюється тиск. Через диференційний поршень тиск газу передається на пастоподібне паливо в баці витисного газогенератора в співвідношенні: Рп=Рк Fп/F ш, де Рп, Рк - тиски палива в баці та газів к камері згоряння відповідно; Fn, Fш , - площі поршня та штока відповідно. В наслідок того, що площа диференційного поршня більша площі його розвантажувального штоку, тиск в баці витисного газогенератора перевершує тиск в його камері згоряння, і паливо через регульовану фільєру починає надходити в камеру згоряння газогенератора, де зустрічається з струменем полум'я пускового газогенератора і від нього запалюється. Крім того, через сполучення камери згоряння витисного газогенератора з витисною порожниною бака рушійної установки, в останній також підвищується тиск. Тиск газу в витисній порожнині бака через виворітну мембрану передається на розміщене в паливній порожнині бака пастоподібне паливо. При досягненні тиску палива в баці заданої величини вмикається пусковий газогенератор маршової камери згоряння і струмінь полум'я по каналам надходить в щілину між передньою та задньою частинами фільєрного блоку і через фільєри задньої частини фільєрного 9 24169 блоку витікають в камеру згоряння. Одноразово з вмиканням пускового газогенератора відчиняється відсічний клапан і пастоподібне паливо через фільєри передньої частини фільєрного блоку надходить в щілину між передньою та задньою частинами фільєрного блоку, де зустрічається зі струменем полум'я пускового газогенератора і запалюється від нього. Продукти згоряння пускового газогенератора та пастоподібного палива через фільєри задньої частини фільєрного блоку надходять всередину маршової камери згоряння і, витікаючи через сопло, створюють тягу -ракетна рушійна установка запущена. Тяга рушійної установки регулюється зміною тиску суміші продуктів згоряння витисного газогенератора та холодоагенту шля хом зміни їх витрат в витисну порожнину бака рушійної установки командами системи управління ЛА на приводи витисного газогенератора та редукційного клапану системи подачі холодоагенту. Залежність тяги рушійної установки від тиску подачі можна виразити наступною залежністю Pn=К1Rn+K 2R, де Рn - тиск подачі палива; К1, К2 - комплекси сталих, які характеризують геометричні параметри рушійної установки, термодинамічні та реологічні параметри пастоподібного палива; R - реактивна тяга рушійної установки; n - індекс течії пастоподібного палива, n