RU2118685C1

RU2118685C1 - Single-component liquid-propellant rocket engine

Info

Publication number: RU2118685C1
Application number: RU96101592A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Виноградов; А.Л. Михейчик; А.Г. Нятин; А.Г. Стаценко
Original assignee: Опытное конструкторское бюро "Факел"
Priority date: 1996-01-25
Filing date: 1996-01-25
Publication date: 1998-09-10

Abstract

FIELD: single-fuel space-vehicle control systems. SUBSTANCE: engine has fuel decomposition chamber 1 with bottom 2 accommodating fuel distribution unit 3. The latter has porous catalytic material 4 and blind channel 5 made along its axis and provided with side walls 6 tight through maximum one third of its length from chamber bottom. Electric heater 7 is arranged over external surface of fuel distribution unit. Engine also has tight end surface 8, permeable catalytic stack 9, nozzle 10, fuel supply line 11. Permeable shell is placed between heater and porous catalytic material. Side walls of unit 3 are formed by electric heater turns laid in a spaced relation to each other with clearance of 0.02-0.1 mm. Vortex zone formed near bottom 2 provides for thermal damper and natural suppressor of engine instability in operation. Heated gaseous products of fuel decomposition escape through nozzle 10 and build up reactive thrust. EFFECT: improved speed in starting and improved stability and safety of running engine; simplified design. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при создании однокомпонентных жидкостных ракетных двигателей. The invention relates to space technology and can be used to create single-component liquid rocket engines.

Известен однокомпонентный термокаталитический двигатель (Беляев Н. М., Уваров Е. И. Расчет и проектирование реактивных систем управления космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1974, рис.3.27, с. 111), содержащий основную и пусковую камеру с катализатором, узлы впрыска основного и пускового расхода топлива, магистрали подвода топлива и сопло. Known one-component thermocatalytic engine (Belyaev N. M., Uvarov E. I. Calculation and design of reactive control systems for spacecraft. M: Mechanical Engineering, 1974, Fig.3.27, p. 111), containing the main and launch chamber with a catalyst, injection units for main and starting fuel consumption, fuel supply lines and nozzle.

В указанном двигателе время подготовки к запуску сокращается за счет быстрого разогрева основной камеры высокотемпературными продуктами разложения топлива, поступающими из пусковой камеры. In the specified engine, the preparation time for launch is reduced due to the rapid heating of the main chamber by high-temperature decomposition products of fuel coming from the launch chamber.

Известен однокомпонентный жидкостный ракетный двигатель, принятый за прототип, содержащий камеру разложения топлива с днищем с размещенным внутри нее узлом распределения топлива, состоящим из пористого каталитического материала, электронагреватель, проницаемый каталитический пакет, сопло и магистраль подачи топлива (патент США N 4583361, кл. F 02 C 3/20). Электронагреватель обеспечивает стартовый разогрев каталитического пакета через наружную цилиндрическую стенку камеры разложения, вдоль которой двигается впрыскиваемое топливо. A known one-component liquid rocket engine adopted for the prototype, containing a fuel decomposition chamber with a bottom with a fuel distribution unit located inside it, consisting of a porous catalytic material, an electric heater, a permeable catalytic bag, a nozzle and a fuel supply line (US patent N 4583361, class F 02 C 3/20). The electric heater provides starting heating of the catalytic package through the outer cylindrical wall of the decomposition chamber, along which the injected fuel moves.

Основным недостатком такой конструкции является локализация стартового испарения и разложения топлива в пристеночном слое каталитического пакета, что приводит к проскоку в центре камеры жидкого топлива через сопло без разложения в момент запуска двигателя и к захолаживанию центральной зоны пакета в установившемся режиме его работы. Это снижает эффективность однокомпонентного ЖРД и существенно ограничивает расходонапряженность каталитического пакета. The main disadvantage of this design is the localization of the starting evaporation and decomposition of fuel in the near-wall layer of the catalytic package, which leads to a breakthrough in the center of the liquid fuel chamber through the nozzle without decomposition at the time of engine start and to cooling the central zone of the package in the steady state of its operation. This reduces the efficiency of a single-component rocket engine and significantly limits the flow rate of the catalytic package.

При создании изобретения решались задачи повышения расходонапряженности каталитического пакета и соответствующего снижения габаритов, массы и энергопотребления однокомпонентного ЖРД. When creating the invention, the problems of increasing the flow rate of the catalytic package and the corresponding reduction in the dimensions, mass and energy consumption of a single-component rocket engine were solved.

Поставленные задачи решены за счет того, что в известном двигателе, содержащем камеру разложения топлива с днищем с размещенным внутри нее узлом распределения топлива, состоящим из пористого каталитического материала и электронагревателя, проницаемый каталитический пакет, сопло, магистраль подачи топлива, согласно изобретению электронагреватель расположен по внешней поверхности узла распределения топлива, размещенного (заглубленного) в объеме проницаемого каталитического пакета, причем по оси узла распределения топлива выполнен глухой канал, торцевая поверхность узла выполнена непроницаемой, а стенки глухого канала не более чем на 1/3 длины узла распределения топлива от днища камеры выполнены непроницаемыми. The tasks are solved due to the fact that in a known engine containing a fuel decomposition chamber with a bottom with a fuel distribution unit located inside it, consisting of a porous catalytic material and an electric heater, a permeable catalytic package, a nozzle, and a fuel supply line, according to the invention, the electric heater is located on an external the surface of the fuel distribution unit placed (buried) in the volume of the permeable catalytic package, moreover, along the axis of the fuel distribution unit the ear channel, the end surface of the node is impermeable, and the walls of the blind channel are no more than 1/3 of the length of the fuel distribution unit from the bottom of the chamber.

Расположение электронагревателя по внешней поверхности узла распределения топлива и размещение (заглубление) узла в объеме проницаемого каталитического пакета, обеспечивает локализацию области максимальной теплоотдачи нагревателя в зоне впрыска. Эта область обеспечивает быстрый нагрев топлива в зоне впрыска и снижает длительность подготовительных процессов термокаталитического разложения топлива. The location of the electric heater on the outer surface of the fuel distribution unit and the placement (deepening) of the unit in the volume of the permeable catalytic package provides localization of the maximum heat transfer region of the heater in the injection zone. This area provides rapid heating of the fuel in the injection zone and reduces the duration of the preparatory processes of thermocatalytic decomposition of fuel.

Размещение узла распределения топлива в объеме проницаемого каталитического пакета также обеспечивает объемное смачивание топливом пакета катализатора при запуске и одновременное заполнение всего внутрипорового объема, необходимое для обеспечения быстродействия двигателя. The placement of the fuel distribution unit in the volume of the permeable catalytic package also provides volumetric wetting by the fuel of the catalyst package at start-up and simultaneous filling of the entire pore volume necessary to ensure engine speed.

Наличие в узле распределения топлива соосного с ним глухого канала с проницаемыми стенками обеспечивает подачу топлива в радиальном к оси узла направлении, равномерное распределение топлива от центра к периферии и создает условия для существенного улучшения процесса термокаталитического разложения топлива. The presence in the fuel distribution unit of a blind channel coaxial with it with permeable walls ensures fuel supply in the direction radial to the axis of the unit, uniform distribution of fuel from the center to the periphery and creates conditions for a significant improvement in the process of thermocatalytic decomposition of fuel.

Выполнение торцевой поверхности узла распределения топлива непроницаемой обеспечивает создание демпфирующего устройства в виде проницаемого с боковых сторон пакета. Это демпфирующее устройство обеспечивает плавное гашение осевой составляющей скорости подачи жидкого топлива и снижает расходонапряженность потока в осевом направлении до значений предотвращающих проникновение неразложившего топлива в сопло двигателя. Таким образом достигается безударный разворот потока и, поэтому снижаются колебания давления в камере разложения и обеспечивается устойчивая работа двигателя. The implementation of the end surface of the fuel distribution unit is impermeable provides the creation of a damping device in the form of a package permeable from the sides. This damping device provides smooth extinction of the axial component of the liquid fuel feed rate and reduces the axial flow rate to values that prevent penetration of undecomposed fuel into the engine nozzle. Thus, a shock-free turn of the flow is achieved and, therefore, pressure fluctuations in the decomposition chamber are reduced and stable operation of the engine is provided.

Выполнение стенок глухого канала не более чем на 1/3 длины узла распределения топлива от днища камеры непроницаемыми позволяет образовать в районе днища застойную зону продуктов разложения, подпитывающую и подогревающую горячими газами вновь поступающее топливо, что способствует поддержанию реакции разложения и, соответственно, увеличивает расходонапряженность пористого пакета, а также позволяет снизить теплопоток в днище камеры разложения топлива двигателя за счет тепловой изоляции днища от зоны реакции разложения и, соответственно, предотвращает термическое разложение топлива в магистрали подачи и узле распределения топлива. Выбор длины непроницаемой части глухого канала от днища камеры производится расчетно-экспериментальным путем и определяется из условия устойчивости образующегося вихря, состоящего из непрореагировавшего топлива, продуктов разложения, а также исходя из требований теплового демпфирования магистрали подачи топлива. При этом устраняется возможность взрывного разложения топлива в магистрали подачи и обеспечивается устойчивая работа двигателя во всем рабочем диапазоне, причем расходонапряженность катализатора возрастает в 3...5 раз. The execution of the walls of the blind channel not more than 1/3 of the length of the fuel distribution unit from the bottom of the chamber is impermeable allows the formation of a stagnant zone of decomposition products in the bottom area, which feeds and heats the newly incoming fuel with hot gases, which helps to maintain the decomposition reaction and, accordingly, increases the flow rate package, and also allows you to reduce heat flow in the bottom of the decomposition chamber of the engine fuel due to thermal insulation of the bottom from the decomposition reaction zone and, accordingly It prevents thermal decomposition of the fuel in the fuel supply line and the distribution node. The length of the impermeable part of the dead channel from the bottom of the chamber is selected by calculation and experimentation and is determined from the stability condition of the resulting vortex, consisting of unreacted fuel, decomposition products, and also based on the requirements of thermal damping of the fuel supply line. This eliminates the possibility of explosive decomposition of fuel in the supply line and ensures stable operation of the engine in the entire operating range, and the flow rate of the catalyst increases by 3 ... 5 times.

Изобретение иллюстрируется чертежом. На чертеже изображен однокомпонентный жидкостной ракетный двигатель, содержащий камеру разложения топлива 1 с днищем 2 с размещенным внутри нее узлом распределения топлива 3, проницаемый каталитический пакет 9, сопло 10, магистраль подачи топлива 11. Узел 3 состоит из пористого каталитического материала 4 с выполненным вдоль оси узла глухим каналом 5 с непроницаемыми не более чем на 1/3 длины узла распределения топлива от днища камеры боковыми стенками 6. По внешней поверхности узла 3 расположен электронагреватель 7, а торцевая поверхность 8 узла 3 выполнена непроницаемой. Стрелками показано направление течения топлива и продуктов его разложения. The invention is illustrated in the drawing. The drawing shows a one-component liquid rocket engine containing a fuel decomposition chamber 1 with a bottom 2 with a fuel distribution unit 3 located inside it, a permeable catalytic pack 9, a nozzle 10, a fuel supply line 11. The assembly 3 consists of a porous catalytic material 4 with an axis node blind channel 5 with impermeable no more than 1/3 of the length of the fuel distribution unit from the bottom of the chamber side walls 6. On the outer surface of the node 3 is an electric heater 7, and the end surface of 8 nodes 3 is impermeable. Arrows indicate the direction of flow of fuel and its decomposition products.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

При запуске включается электронагреватель 7 и с задержкой, определяемой теплопередающими свойствами узла распределения топлива 3, в глухой канал 5 по магистрали подачи 11 подается топливо. В глухом канале 5 осевая скорость потока топлива плавно гасится на проницаемом пористом демпфере, образованном пористой торцевой стенкой глухого канала 5 и непроницаемой торцевой поверхностью 8, поток разворачивается в радиальных к оси узла направлениях и через проницаемую часть боковой стенки 6 поступает в объем пористого каталитического материала 4, мгновенно и целиком заполняя его. При этом вся передающаяся от электронагревателя 7 к пористому каталитическому материалу 4 тепловая энергия мгновенно передается топливу за счет высокой интенсивности внутрипорового конвективного теплообмена между пористой структурой каталитического материала 4 и потоком топлива и вызывает его нагрев. When starting, the electric heater 7 is turned on and with a delay determined by the heat transfer properties of the fuel distribution unit 3, fuel is supplied to the blind channel 5 along the supply line 11. In the blind channel 5, the axial velocity of the fuel flow is damped smoothly on the permeable porous damper formed by the porous end wall of the blind channel 5 and the impenetrable end surface 8, the flow unfolds in directions radial to the node axis and through the permeable part of the side wall 6 enters the volume of porous catalytic material 4 instantly and entirely filling it. In this case, all the thermal energy transferred from the electric heater 7 to the porous catalytic material 4 is instantly transferred to the fuel due to the high intensity of inter-pore convective heat transfer between the porous structure of the catalytic material 4 and the fuel flow and causes it to heat.

Нагретое топливо при контакте с каталитической поверхностью пористого материала 4 узла распределения топлива начинает разлагаться по термокаталитической ветви реакции во внутрипоровом объеме пористого каталитического материала 4. Смесь высокотемпературных продуктов разложения и части непрореагировавшего топлива поступает из заглубленного узла распределения топлива 3 сквозь его боковые стенки в объем размещенного в камере разложения топлива 1 проницаемого каталитического пакета 8 и мгновенно его нагревает. Одновременно в области днища 2 формируется застойная зона, образованная вихрем, порожденным непроницаемой частью боковой стенки 6 глухого канала 5. The heated fuel in contact with the catalytic surface of the porous material 4 of the fuel distribution unit begins to decompose along the thermocatalytic branch of the reaction in the pore volume of the porous catalytic material 4. The mixture of high-temperature decomposition products and part of the unreacted fuel comes from the buried fuel distribution unit 3 through its side walls into the volume of the the decomposition chamber of the fuel 1 permeable catalytic package 8 and instantly heats it. At the same time, a stagnant zone is formed in the region of the bottom 2, formed by a vortex generated by an impenetrable part of the side wall 6 of the deaf channel 5.

После запуска нагреватель двигателя отключается. After starting, the engine heater turns off.

Поступающие по магистрали 11 следующие после запуска порции топлива вследствие возникающей высокой нагрузки на пористый каталитический материал 4 охлаждают и заливают узел распределения топлива 3 и через его проницаемые боковые стенки топливо распыляется в жидком состоянии в внутрипоровый объем проницаемого каталитического пакета 9, при этом узел распределения топлива 3 работает как узел впрыска топлива, а образующаяся застойная зона - как тепловой демпфер и естественный подавитель неустойчивости работы двигателя. The portions of fuel arriving along the line 11 following the start up due to the high load on the porous catalytic material 4 are cooled and poured into the fuel distribution unit 3 and through its permeable side walls the fuel is sprayed in the liquid state into the pore volume of the permeable catalyst package 9, while the fuel distribution unit 3 It works as a fuel injection unit, and the resulting stagnant zone acts as a thermal damper and a natural suppressor of engine instability.

Газообразные нагретые продукты разложения топлива истекают из каталитического пакета и далее через сопло 10, создавая реактивную тягу. Gaseous heated fuel decomposition products flow out of the catalytic bag and then through the nozzle 10, creating a jet thrust.

Для обеспечения работоспособности двигателя в импульсных режимах и дробления поступающего в камеру разложения топлива между нагревателем и пористым каталитическим материалом располагается проницаемая оболочка, выполненная, например, из мелкоячеистой, с размером ячеи 5 мкм, металлической сетки, по п. 2 изобретения, обеспечивающая хороший тепловой контакт и мелкодисперсный распыл. Обеспечение хорошего теплового контакта в импульсных режимах позволяет поддерживать достаточную для запуска температуру каталитического материала 4 узла распределения топлива 3 за счет тепла, поступающего от проницаемого каталитического пакета 9, а мелкодисперсный распыл поступающей из узла распределения смеси - обеспечение быстродействия двигателя. To ensure engine operability in pulsed conditions and crushing the fuel decomposing into the chamber between the heater and the porous catalytic material, there is a permeable shell made, for example, of fine mesh, with a mesh size of 5 μm, a metal mesh, according to claim 2, providing good thermal contact and fine spray. Ensuring good thermal contact in pulsed modes allows maintaining the temperature of the catalytic material 4 of the fuel distribution unit 3 sufficient to start due to the heat coming from the permeable catalytic package 9, and the finely dispersed spray coming from the distribution unit of the mixture ensures engine speed.

В случае применения высокотемпературного нагревного кабеля, например типа КНМСпНХ, боковые стенки узла распределения топлива образуются уложенными с зазором 0,02 - 0,1 мм витками электронагревателя для прохода топлива и продуктов его разложения. In the case of using a high-temperature heating cable, for example, KNMSpNH type, the side walls of the fuel distribution unit are formed by turns of an electric heater laid with a gap of 0.02 - 0.1 mm for the passage of fuel and its decomposition products.

Claims

1. A one-component liquid rocket engine containing a fuel decomposition chamber with a bottom with a fuel distribution unit located inside it, consisting of a porous catalytic material and an electric heater, a permeable catalytic package, a nozzle, a fuel supply line, characterized in that the electric heater is located on the outer surface of the distribution unit fuel placed (buried) in the volume of the permeable catalytic package, moreover, along the axis of the fuel distribution unit there is a blind channel, end face -hand surface of the unit is made impermeable and thimble walls are not more than 1/3 of the fuel distribution unit length from the bottom chamber are made impermeable.

2. The engine according to claim 1, characterized in that a permeable shell is placed between the heater and the porous catalytic material.

3. The engine according to claim 1, characterized in that the side walls of the fuel distribution unit are formed by turns of an electric heater stacked with a gap of 0.02 - 0.1 mm.