RU2154748C2

RU2154748C2 - Monopropellant thruster

Info

Publication number: RU2154748C2
Application number: RU96117948A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Виноградов; А.Г. Стаценко; А.Г. Нятин; А.Л. Михейчик
Original assignee: Опытное конструкторское бюро "Факел"
Priority date: 1996-09-09
Filing date: 1996-09-09
Publication date: 2000-08-20

Abstract

FIELD: rocketry; space vehicle jet control systems and power plant liquid gas generators. SUBSTANCE: proposed liquid rocket engine has propellant thermal decomposition chamber accommodating engine starting heater made in form of hollow cup with perforated walls and bottom pointed to nozzle inside which rod swirler is installed. Open end of cup is connected to chamber housing and place of its joint with engine nozzle. Heater is wound onto cup with clearance between turns, and additional electric heater is wound, with clearance between turns, on inner surface of chamber side wall. If hollow cylinder is used, heater is wound onto wall of hollow cylinder. Hollow perforated cylinder installed additionally provides enlargement of range of used monopropellants at higher thrust and increase of consumption intensity of engine decomposition chamber. EFFECT: provision of high dynamic and mass-energy characteristics of engine. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано в реактивных системах управления космического аппарата для создания требуемых импульсов тяги, а также в жидкостных газогенераторах силовых установок. The invention relates to the field of rocketry and can be used in jet control systems of a spacecraft to create the required thrust impulses, as well as in liquid gas generators of power plants.

Известен жидкостной ракетный двигатель малой тяги (ЖРД) на монотопливе (патент США N 4288982), содержащий камеру разложения с размещенным внутри нее каталитическим пакетом, и сопло. Каталитический пакет подогревается спиральным электронагревателем, расположенным снаружи корпуса камеры. Впрыск топлива в камеру осуществляется через топливную форсунку, расположенную в днище камеры. A mono-fuel liquid propellant small thrust engine (LRE) is known (US Pat. No. 4,288,982), comprising a decomposition chamber with a catalytic bag located inside it, and a nozzle. The catalytic package is heated by a spiral electric heater located outside the chamber body. Fuel is injected into the chamber through a fuel nozzle located at the bottom of the chamber.

Особенностью такого двигателя является ограничение расхода топлива предельной нагрузкой на катализатор. Сечение камеры разложения подбирается таким, чтобы обеспечивалось полное разложение топлива для максимального рабочего расхода. В результате при увеличении номинальной тяги двигателя необходимо увеличивать сечение камеры разложения для сохранения допустимой нагрузки на каталитический пакет. При этом, увеличивается обьем камеры и масса каталитического пакета, что ухудшает динамические и массоэнергетические характеристики двигателя и приводит к увеличению потерь (достигающих 30% и более), связанных с медленным разогревом катализатора в режимах работы двигателя с высокой скважностью и малым временем включения. A feature of such an engine is the limitation of fuel consumption by the maximum load on the catalyst. The section of the decomposition chamber is selected in such a way as to ensure complete decomposition of the fuel for maximum operating flow rate. As a result, when the nominal thrust of the engine is increased, it is necessary to increase the cross section of the decomposition chamber in order to maintain the allowable load on the catalytic package. At the same time, the volume of the chamber and the mass of the catalytic package increase, which degrades the dynamic and mass-energy characteristics of the engine and leads to an increase in losses (reaching 30% or more) associated with slow heating of the catalyst in engine operation modes with high duty cycle and short turn-on time.

Известны однокомпонентные ЖРД (патент США N 3772885), в которых с целью уменьшения габаритов и массы катализатора предусматривается разделение потока жидкого топлива на части, из которых одна часть разлагается на катализаторе, а остальные разлагаются термически зa счет смешения с горячими продуктами разложения монотоплива. One-component liquid propellant rocket engines are known (U.S. Patent No. 3,772,885), in which, in order to reduce the size and mass of the catalyst, it is necessary to separate the liquid fuel stream into parts, of which one part decomposes on the catalyst and the rest decompose thermally due to mixing with hot mono-fuel decomposition products.

Известен двигатель, вообще не требующий катализатора (патент США N 3956885), принятый за прототип, в котором монотопливо разлагается только термическим способом. Для стартового разогрева двигателя используется нагреватель, установленный на массивном цилиндрическом сердечнике, тепло от которого перетекает к толстым, с высокой теплоемкостью теплопроводящим стенкам камеры термического разложения. Форсунки с тангенциальным впрыском могут быть выполнены в стенках камеры, с осевым впрыском в днище камеры разложения. Двигатель работает следующим образом. Камера разогревается стартовым нагревателем до температуры стенок, обеспечивающей термическое разложение монотоплива. Часть распыленного форсунками топлива при соприкосновении со стенками испаряется и начинает термически разлагаться, образуются высокотемпературные продукты разложения монотоплива, благодаря чему термическое разложение остальной части распыленного топлива осуществляется уже во всем объеме камеры разложения. A known engine that does not require a catalyst at all (US patent N 3956885), adopted as a prototype, in which mono-fuel decomposes only thermally. To start the engine warming up, a heater is used, mounted on a massive cylindrical core, the heat from which flows to the thick, with high heat capacity, heat-conducting walls of the thermal decomposition chamber. Tangential injection nozzles can be made in the chamber walls, with axial injection in the bottom of the decomposition chamber. The engine operates as follows. The chamber is heated by a starting heater to a wall temperature that provides thermal decomposition of monofuel. Part of the fuel sprayed by the nozzles upon contact with the walls evaporates and begins to decompose thermally, high-temperature decomposition products of mono-fuel are formed, due to which thermal decomposition of the rest of the atomized fuel is already carried out in the entire volume of the decomposition chamber.

Однако данная конструкция двигателя также имеет верхний предел расходонапряженности, невысокие динамические и массоэнергетические характеристики связанные с недостаточной продолжительностью контакта жидкого монотоплива с разогретой поверхностью и массивностью конструкции цилиндрического сердечника и теплопроводящие стенок камеры разложения. However, this engine design also has an upper flow limit, low dynamic and mass-energy characteristics associated with the insufficient duration of contact of liquid mono-fuel with a heated surface and the massive structure of the cylindrical core and the heat-conducting walls of the decomposition chamber.

При создании изобретения решались задачи повышения расходонапряженности камеры разложения, а также обеспечения высоких динамических и массоэнергетических характеристик двигателя. When creating the invention, the tasks were solved to increase the flow rate of the decomposition chamber, as well as to ensure high dynamic and mass-energy characteristics of the engine.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном двигателе, содержащем камеру термического разложения топлива с расположенным внутри нее устройством для стартового разогрева двигателя, снабженным электрическим нагревателем, форсунку впрыска топлива, расположенную в днище камеры, и сопло, устройство разогрева выполнено в виде полого стакана с перфорированными стенками, причем донышко стакана обращено к форсунке, а открытый конец прикреплен к корпусу камеры и месту ее стыка с соплом двигателя, на внутренней поверхности боковой стенки камеры намотан с зазором между витками дополнительный электрический нагреватель, а форсунка подачи монотоплива снабжена шнеком. Дополнительно внутри стакана может быть установлен полый перфорированный цилиндр, электрический нагреватель может быть намотан с зазором между витками на внешнюю поверхность полого цилиндра. Площадь перфорации стенки цилиндра может уменьшаться в направлении к соплу двигателя, а отверстия перфорации выполнены тангенциальными, причем линейный размер перфорации соизмерим с толщиной стенки. The problem is solved due to the fact that in a known engine containing a thermal decomposition chamber for fuel with a device for starting the engine warming up, equipped with an electric heater, a fuel injection nozzle located in the bottom of the chamber, and a nozzle, the heating device is made in the form of a hollow glass with perforated walls, with the bottom of the glass facing the nozzle, and the open end attached to the camera body and its junction with the engine nozzle, on the inner surface of the side An additional electric heater is wound with a gap between the turns of the chamber, and the mono-fuel supply nozzle is equipped with a screw. Additionally, a hollow perforated cylinder can be installed inside the glass; an electric heater can be wound with a gap between the turns on the outer surface of the hollow cylinder. The perforation area of the cylinder wall may decrease towards the engine nozzle, and the perforation holes are tangential, and the linear size of the perforation is commensurate with the wall thickness.

Выполнение устройства разогрева в виде полого стакана с перфорированными стенками, установка на внутренней поверхности боковой стенки камеры с зазором между витками дополнительного электрического нагревателя, а в форсунке распыла топлива шнекового завихрителя позволяют достичь повышения расходонапряженности камеры разложения, а также обеспечить высокие динамические и массоэнергетические характеристики двигателя. The implementation of a heating device in the form of a hollow glass with perforated walls, installation of an additional electric heater on the inner surface of the side wall of the chamber with a gap between the turns of the fuel, and a screw swirl in the fuel atomizer nozzle can achieve an increase in the flow rate of the decomposition chamber, as well as ensure high dynamic and mass-energy characteristics of the engine.

Отсутствие катализатора существенно повышает ресурс ЖРД при работе в импульсных режимах и снижает массу и стоимость двигателя. The absence of a catalyst significantly increases the life of the rocket engine when operating in pulsed modes and reduces the mass and cost of the engine.

Тангенциальная закрутка с помощью шнека топлива, распыляемого форсункой, и парогазожидкостной смеси в кольцевых каналах с помощью спирали нагревателя интенсифицируют теплообмен и увеличивают время пребывания топлива в камере разложения. The tangential twist using the screw of the fuel atomized by the nozzle and the vapor-gas mixture in the annular channels by means of a heater spiral intensify heat transfer and increase the residence time of the fuel in the decomposition chamber.

Передача по принципу рекуператора тепла, выделяющегося при термическом разложении монотоплива, обеспечивает стабильное поддержание рабочего процесса в двигателе. The transfer of heat released during the thermal decomposition of mono-fuel by the principle of a heat recuperator ensures stable maintenance of the working process in the engine.

Кроме того, тангенциальная перфорация стакана и установка нагревателя на внутренней поверхности тонкостенной камеры разложения или на внешней поверхности наружной стенки стакана повышают надежность запуска двигателя. In addition, the tangential perforation of the cup and the installation of a heater on the inner surface of the thin-walled decomposition chamber or on the outer surface of the outer wall of the cup increase the reliability of engine starting.

Наконец, отсутствие теплоемкого катализатора, снижение толщины стенок камеры и применение тонкостенного стакана вместо массивного стержня многократно снижает теплоемкость конструкции и повышает динамические и удельные характеристики двигателя. Finally, the absence of a heat-intensive catalyst, a decrease in the thickness of the chamber walls and the use of a thin-walled cup instead of a massive rod many times reduces the heat capacity of the structure and increases the dynamic and specific characteristics of the engine.

Изобретение проиллюстрировано чертежами. На фиг. 1 показан общий вид камеры термического разложения по п. 1 изобретения, на фиг. 2 - общий вид камеры термического разложения по п.2, 3 изобретения, на фиг. 3 - разрез двигателя по п.4 изобретения. The invention is illustrated by drawings. In FIG. 1 shows a general view of the thermal decomposition chamber according to claim 1 of the invention, FIG. 2 is a general view of the thermal decomposition chamber according to claim 2, 3 of the invention, FIG. 3 is a sectional view of an engine according to claim 4.

Двигатель содержит камеру 1 термического разложения топлива, внутри которой расположено устройство для стартового разогрева двигателя, выполненное в виде полого стакана 2 с перфорированными стенками 3 с донышком 4, обращенным к форсунке 5, внутри которой установлен шнековый завихритель 6, открытый конец 7 стакана прикреплен к корпусу камеры и месту ее стыка с соплом 8 двигателя, на стакан намотан с зазором между витками нагреватель 9, а на внутренней поверхности боковой стенки камеры намотан с зазором между витками дополнительный электрический нагреватель 10. В случае установки полого цилиндра, нагреватель 9 наматывается на стенку полого цилиндра. The engine comprises a fuel thermal decomposition chamber 1, inside of which there is a device for starting the engine warming up, made in the form of a hollow cup 2 with perforated walls 3 with a bottom 4 facing the nozzle 5, inside which a screw swirl 6 is installed, the open end 7 of the cup is attached to the housing the chamber and the place of its junction with the nozzle 8 of the engine, a heater 9 is wound on the glass with a gap between the turns, and on the inner surface of the side wall of the chamber an additional electric heater 10. In the case of installing a hollow cylinder, the heater 9 is wound on the wall of the hollow cylinder.

Запуск двигателя осуществляется следующим образом. Starting the engine as follows.

Перед запуском двигателя на нагреватели 9 и 10 подается напряжение и камера 1 двигателя и внутрикамерные элементы разогреваются до температуры, при которой возможна успешная инициация разложения топлива, подаваемого через форсунки 5. При подаче команды на включение двигателя топливо подается в форсунку 5 со шнековым завихрителем 6 и впрыскивается в головку камеры. Before starting the engine, voltage is applied to the heaters 9 and 10 and the engine chamber 1 and the in-chamber elements are heated to a temperature at which it is possible to successfully decompose the fuel supplied through the nozzles 5. When a command is given to turn on the engine, fuel is fed to the nozzle 5 with a screw swirl 6 and injected into the camera head.

Распыленное топливо обтекает конусообразное донышко 4 и двигается по спирали вдоль внутренней поверхности боковой стенки камеры в зазоре между витками дополнительного электрического нагревателя 9, испаряется, частично разлагается и поступает во внутреннюю полость стакана 2 через его перфорированную стенку 3, где термическое разложение монотоплива завершается. Полученные продукты разложения через открытый конец 7 стакана истекают через сопло 8 двигателя, создавая реактивную силу тяги. The sprayed fuel flows around the cone-shaped bottom 4 and spirals along the inner surface of the side wall of the chamber in the gap between the turns of the additional electric heater 9, evaporates, partially decomposes, and enters the inner cavity of the cup 2 through its perforated wall 3, where the thermal decomposition of mono-fuel is completed. The resulting decomposition products through the open end 7 of the glass expire through the nozzle 8 of the engine, creating a reactive traction force.

После запуска двигателя при работе в непрерывных режимах или в импульсных режимах с малой скважностью напряжение с нагревателей 9 и 10 может быть снято. After starting the engine when operating in continuous modes or in pulsed modes with low duty cycle, the voltage from the heaters 9 and 10 can be removed.

Для работы двигателя при более высоком уровне тяги или на монотопливах, у которых разница между тепловым эффектом разложения и теплотой парообразования относительно мала, для дополнительного уменьшения размеров двигателя, снижения затрат электроэнергии на его стартовый разогрев внутри стакана дополнительно устанавливают полый перфорированный цилиндр (фиг. 2), на который может быть намотан нагреватель 9, а площадь перфорации уменьшается в направлении к соплу двигателя, отверстия перфорации выполнены тангенциальными, причем линейный размер перфорации соизмерим с толщиной стенки (фиг. 3). To operate the engine at a higher level of thrust or on mono-fuels, in which the difference between the thermal effect of decomposition and the heat of vaporization is relatively small, to further reduce the size of the engine and reduce the cost of electricity for its starting heating, a hollow perforated cylinder is additionally installed inside the cup (Fig. 2) , on which the heater 9 can be wound, and the perforation area decreases in the direction of the engine nozzle, the perforation holes are tangential, and the linear the perforation size is commensurate with the wall thickness (Fig. 3).

В этом случае парожидкостная смесь поступая во внутреннюю полость стакана 2 через его перфорированную стенку 3 продолжает испаряться и разлагаться в процессе обратного движения по каналу, образованному стенками стакана 2 и цилиндра 11, где температура значительно выше, чем в канале прямого протока, образованного стенками камеры 1 и стакана 2. Тангенциальная перфорация стенок цилиндра обеспечивает интенсификацию внутрикамерной закрутки первой порции топлива, которая существенно улучшает динамические характеристики двигателя. Полное термическое разложение топлива завершается во внутренней полости стакана 11, где температура продуктов разложения достигает максимальной величины. In this case, the vapor-liquid mixture entering the inner cavity of the glass 2 through its perforated wall 3 continues to evaporate and decompose during the reverse movement along the channel formed by the walls of the glass 2 and cylinder 11, where the temperature is much higher than in the channel of the direct channel formed by the walls of the chamber 1 and cup 2. The tangential perforation of the cylinder walls provides an intensification of the intracameral twist of the first portion of fuel, which significantly improves the dynamic characteristics of the engine. Complete thermal decomposition of the fuel is completed in the inner cavity of the glass 11, where the temperature of the decomposition products reaches a maximum value.

Claims

1. A one-component liquid propellant rocket engine containing a thermal decomposition chamber for fuel with an engine starting heater located inside it, equipped with an electric heater, a fuel injection nozzle located in the bottom of the chamber, and a nozzle, characterized in that the heating device is made in the form of a hollow glass with perforated walls, and the bottom of the glass is made in the form of a cone and faces the nozzle, and the open end is attached to the camera body at the junction with the engine nozzle, to the inside an additional electric heater is wound with a clearance between the turns between the surface of the side wall of the chamber, and the mono-fuel supply nozzle is equipped with a screw.

2. The engine according to claim 1, characterized in that a hollow perforated cylinder is installed inside the glass.

3. The engine according to claims 1 and 2, characterized in that the electric heater is wound with a gap between the turns on the outer surface of the hollow cylinder.

4. The engine according to claim 2, characterized in that the perforation area decreases in the direction of the engine nozzle, the perforation holes are tangential, and the linear size of the perforation is commensurate with the cylinder wall thickness.