RU2213878C1 - Rocket engine thrust control method - Google Patents

Rocket engine thrust control method Download PDF

Info

Publication number
RU2213878C1
RU2213878C1 RU2002113479/06A RU2002113479A RU2213878C1 RU 2213878 C1 RU2213878 C1 RU 2213878C1 RU 2002113479/06 A RU2002113479/06 A RU 2002113479/06A RU 2002113479 A RU2002113479 A RU 2002113479A RU 2213878 C1 RU2213878 C1 RU 2213878C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
engine
thrust
rocket
external source
working fluid
Prior art date
Application number
RU2002113479/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.И. Ермолаев
Н.Н. Наркевич
И.А. Уртминцев
А.В. Левандович
Original Assignee
Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского filed Critical Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского
Priority to RU2002113479/06A priority Critical patent/RU2213878C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2213878C1 publication Critical patent/RU2213878C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Testing Of Engines (AREA)

Abstract

FIELD: rocket and space engineering. SUBSTANCE: invention relates to thrusters. Method is based on impulse changing of thrust. In process of engine operation continuous delivery of working medium into chamber is provided. Energy is supplied to working medium from external source in periodical pulses by means of arc discharge. Duration of pulse is determined by formula:
Figure 00000003
where Pef is required value of engine effective thrust; PMIN is engine thrust at no energy supply from external source; PMAX is engine thrust at continuous energy supply from external source; T is pulse repetition rate. EFFECT: increased economy of rocket engine. 2 dwg

Description

Изобретение относится к ракетно-космической технике и преимущественно может быть использовано в ракетных двигателях малой тяги. The invention relates to rocket and space technology and can mainly be used in small thrust rocket engines.

Регулирование тяги ракетного двигателя необходимо для поддержания требуемого значения тяги при изменении условий работы двигательной установки и для изменения тяги с целью обеспечения заданного режима полета ракеты или космического аппарата. Существующие способы регулирования тяги ракетных двигателей в широком диапазоне (глубокое дросселирование) приводят к существенному снижению экономичности и увеличению массогабаритных характеристик двигательных установок. В связи с этим проблема эффективного регулирования тяги ракетных двигателей является одной из важных проблем, возникающих при создании и использовании ракетно-космической техники. The thrust control of a rocket engine is necessary to maintain the required thrust value when changing the operating conditions of the propulsion system and to change the thrust in order to ensure a given flight mode of the rocket or spacecraft. Existing methods for regulating the thrust of rocket engines in a wide range (deep throttling) lead to a significant decrease in efficiency and an increase in the mass and size characteristics of propulsion systems. In this regard, the problem of effectively regulating the thrust of rocket engines is one of the important problems that arise when creating and using space rocket technology.

Известен способ регулирования тяги ракетного двигателя (см. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования. - М.: Машиностроение, 1968. С. 252), заключающийся в отключении одной или нескольких камер многокамерного двигателя. A known method of regulating the thrust of a rocket engine (see Dobrovolsky MV Liquid rocket engines. Design Basics. - M .: Mashinostroenie, 1968. S. 252), which consists in turning off one or more cameras of a multi-chamber engine.

Недостатками данного способа являются большая дискретность изменения тяги и большая масса многокамерного двигателя. The disadvantages of this method are the large discreteness of change in traction and the large mass of the multi-chamber engine.

Известны способы регулирования тяги ракетного двигателя (см. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели: Основы проектирования. - М.: Машиностроение, 1968. С. 252-254), заключающиеся в изменении расхода рабочего тела через камеру двигателя посредством изменения числа оборотов турбонасосного агрегата, дросселирования расхода рабочего тела в камеру, отключения части форсунок, закольцовки части расхода рабочего тела, уменьшения давления в баках с рабочим телом. Known methods for regulating the thrust of a rocket engine (see Dobrovolsky MV Liquid Rocket Engines: Design Basics. - M .: Mechanical Engineering, 1968. P. 252-254), which consist in changing the flow rate of the working fluid through the engine chamber by changing the number of revolutions of the turbopump unit, throttling the flow of the working fluid into the chamber, shutting off part of the nozzles, looping the flow of the working fluid, reducing the pressure in the tanks with the working fluid.

Недостатком данных способов является существенное снижение экономичности двигателя при отклонении расхода рабочего тела от номинального значения. Это обусловлено тем, что изменение расхода рабочего тела приводит к изменению давления в камере и, как следствие, к нерасчетному режиму работы сопла. Работа сопла в нерасчетном режиме сопряжена с потерей удельного импульса двигателя (см. Кулагин И.И. и др. Теория жидкостных реактивных двигателей. МО СССР, 1972. С. 160-166; Феодосьев В.И., Синярев Г.Б. Введение в ракетную технику. М.: Оборонгиз, 1961. С. 269-271). Наряду с этим, снижение расхода рабочего тела жидкостных ракетных двигателей сопряжено со снижением перепада давления на форсунках. В результате ухудшается смесеобразование компонентов топлива в камере, что также приводит к снижению экономичности двигателя. The disadvantage of these methods is a significant decrease in engine efficiency when the flow rate of the working fluid deviates from the nominal value. This is due to the fact that a change in the flow rate of the working fluid leads to a change in the pressure in the chamber and, as a result, to an off-design mode of operation of the nozzle. The operation of the nozzle in an off-design mode is associated with the loss of the specific impulse of the engine (see Kulagin I.I. et al. Theory of liquid jet engines. Moscow USSR Defense Ministry, 1972. P. 160-166; Feodosiev VI, Sinyarev GB Introduction in rocket technology. M: Oborongiz, 1961. S. 269-271). Along with this, a decrease in the flow rate of the working fluid of liquid-propellant rocket engines is associated with a decrease in the pressure drop across the nozzles. As a result, the mixture formation of the fuel components in the chamber is deteriorated, which also leads to a decrease in engine efficiency.

Кроме того, данные способы не могут быть использованы в жидкостных ракетных двигателях малой тяги, так как для таких двигателей значительное снижение давления в камере от номинального приводит к неустойчивости процесса горения. In addition, these methods cannot be used in liquid propellant small thrust engines, since for such engines a significant decrease in pressure from the nominal pressure in the chamber leads to instability of the combustion process.

Наиболее близким к заявляемому изобретению следует считать способ регулирования тяги ракетного двигателя (см. Беляев Н.М., Белик Н.П., Уваров Е.И. Реактивные системы управления космических летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1979. С. 17, 34-41), предусматривающий периодическое включение и выключение двигателя (импульсный режим работы двигателя). При импульсном режиме работы двигателя его эффективная тяга (постоянная во времени тяга, эквивалентная импульсному режиму) определяется соотношением
РэфЗРНОМ, (1)
(приложение 2 к решению о выдаче патента, з. 2002113479/06),
где РНОМ - номинальное значение тяги двигателя;
кЗ - коэффициент заполнения импульсного режима, представляющий собой отношение времени работы двигателя при одном включении к времени между последовательными включениями двигателя.
Closest to the claimed invention should be considered a method of regulating the thrust of a rocket engine (see Belyaev N.M., Belik N.P., Uvarov E.I. Reactive control systems for spacecraft. - M .: Mechanical Engineering, 1979. P. 17 , 34-41), providing for periodic switching on and off of the engine (pulsed mode of engine operation). In a pulsed mode of engine operation, its effective thrust (constant in time thrust equivalent to pulsed mode) is determined by the relation
P eff = to Z P NOM , (1)
(Appendix 2 to the decision on the grant of a patent, z. 2002113479/06),
where R NOM is the nominal value of the engine thrust;
to Z is the duty cycle duty cycle, which is the ratio of the engine operating time at one start to the time between successive engine starts.

Измерение эффективного значения тяги обеспечивают путем изменения коэффициента заполнения импульсного режима. Measurement of the effective thrust value is provided by changing the duty cycle of the pulse mode.

Данный способ позволяет регулировать тягу двигателя в широком диапазоне. При этом он может быть использован как в двигателях большой тяги, так и в двигателях малой тяги. This method allows you to adjust the engine thrust in a wide range. Moreover, it can be used both in high-thrust engines and in low-thrust engines.

Существенным недостатком данного способа является его низкая экономичность. Это обусловлено тем, что запуск и выключение двигателя сопряжены с неэффективным использованием рабочего тела. Во-первых, запуск и выключение двигателя протекают при пониженных давлениях в камере. Вследствие этого камера работает в режиме перерасширения, что сопряжено со снижением удельного импульса. Во-вторых, процесс запуска и выключения жидкостного ракетного двигателя связан с ухудшением распыла, испарения и смешения компонентов топлива. В-третьих, при запуске и выключении двигателя соотношение компонентов топлива существенно отличается от оптимального значения, что приводит к неполноте сгорания топлива. Поскольку при использовании данного способа процессы запуска и выключения двигателя составляют значительную часть времени его работы, снижение экономичности двигателя является весьма существенным. A significant disadvantage of this method is its low profitability. This is due to the fact that starting and turning off the engine are associated with inefficient use of the working fluid. Firstly, starting and turning off the engine occurs at reduced pressure in the chamber. As a result of this, the camera operates in the over-expansion mode, which is associated with a decrease in the specific impulse. Secondly, the process of starting and turning off a liquid propellant rocket engine is associated with a deterioration in atomization, evaporation and mixing of fuel components. Thirdly, when starting and turning off the engine, the ratio of fuel components differs significantly from the optimal value, which leads to incomplete combustion of the fuel. Since when using this method, the processes of starting and turning off the engine make up a significant part of its operating time, a decrease in engine efficiency is very significant.

Целью настоящего изобретения является устранение отмеченного недостатка прототипа, т.е. повышение экономичности ракетного двигателя. The aim of the present invention is to eliminate the noted disadvantage of the prototype, i.e. increase the efficiency of the rocket engine.

Указанная цель достигается следующим образом. В способе регулирования тяги ракетного двигателя, основанном на импульсном изменении тяги в процессе работы двигателя, обеспечивают непрерывную подачу рабочего тела в камеру. К рабочему телу в камере двигателя подводят энергию от внешнего источника посредством дугового разряда периодическими импульсами. При этом продолжительность импульсов определяют в зависимости от требуемой величины эффективной тяги двигателя. The specified goal is achieved as follows. In a method for controlling the thrust of a rocket engine, based on a pulsed change in thrust during engine operation, provide a continuous supply of the working fluid into the chamber. Energy is supplied to the working fluid in the engine chamber from an external source by means of an arc discharge with periodic pulses. In this case, the pulse duration is determined depending on the required value of the effective thrust of the engine.

Зависимость тяги двигателя Р от времени t при использовании предлагаемого способа представлена на фиг.1. Эффективную тягу двигателя Рэф для данного случая можно определить следующим образом:

Figure 00000004

где PMIN - тяга двигателя при отсутствии подвода энергии от внешнего источника;
PMAX - тяга двигателя при непрерывном подводе энергии от внешнего источника;
Т - периодичность следования импульсов;
tИ - продолжительность импульсов.The dependence of the thrust of the engine P from time t when using the proposed method is presented in figure 1. The effective thrust of the engine R eff for this case can be determined as follows:
Figure 00000004

where P MIN is the engine thrust in the absence of energy supply from an external source;
P MAX - engine thrust with continuous supply of energy from an external source;
T is the pulse repetition rate;
t And - the duration of the pulses.

Из представленного выражения видно, что при изменении продолжительности импульсов подвода энергии от внешнего источника tИ в пределах от 0 до Г эффективная тяга двигателя изменяется, соответственно, в пределах от РMIN до PMAX.It can be seen from the presented expression that when the duration of the pulses for supplying energy from an external source t AND varies from 0 to G, the effective thrust of the engine changes, respectively, from P MIN to P MAX .

Из выражения (2) получаем формулу для определения продолжительности импульсов подвода энергии от внешнего источника в зависимости от требуемой величины эффективной тяги двигателя:

Figure 00000005

Предлагаемый способ обеспечивает возможность регулирования тяги ракетного двигателя в широком диапазоне. При этом, в отличие от прототипа, регулирование тяги не требует многократного запуска и выключения двигателя, так как регулирование тяги осуществляется при непрерывной подаче рабочего тела в камеру двигателя. В результате устраняются потери удельного импульса, связанные с работой сопла в режиме перерасширения, ухудшением смесеобразования компонентов топлива и отклонением соотношения компонентов от оптимального значения. Кроме того, подвод энергии к рабочему телу от внешнего источника посредством дугового разряда повышает температуру рабочего тела на входе в реактивное сопло, что приводит к увеличению скорости истечения рабочего тела из реактивного сопла. Благодаря этому существенно повышается экономичность ракетного двигателя.From expression (2) we obtain the formula for determining the duration of the pulses of energy supply from an external source, depending on the required value of the effective thrust of the engine:
Figure 00000005

The proposed method provides the ability to control the thrust of a rocket engine in a wide range. At the same time, unlike the prototype, thrust regulation does not require repeated starting and turning off the engine, since thrust regulation is carried out with a continuous supply of the working fluid into the engine chamber. As a result, the specific impulse losses associated with the operation of the nozzle in the over-expansion mode, the deterioration of the mixture formation of the fuel components and the deviation of the ratio of the components from the optimal value are eliminated. In addition, the supply of energy to the working fluid from an external source by means of an arc discharge increases the temperature of the working fluid at the entrance to the jet nozzle, which leads to an increase in the rate of expiration of the working fluid from the jet nozzle. Thanks to this, the efficiency of the rocket engine is significantly increased.

Таким образом, достигается цель предлагаемого изобретения. Thus, the goal of the invention is achieved.

Схема устройства, реализующего предлагаемый способ регулирования тяги ракетного двигателя, представлена на фиг.2. A diagram of a device that implements the proposed method for regulating the thrust of a rocket engine is presented in figure 2.

Устройство включает в себя камеру двигателя 1, которая связана с системой хранения и подачи рабочего тела 2. Камера двигателя 1 снабжена электродами 3, связанными через коммутирующее устройство 4 с источником электрической энергии 5, в качестве которого может быть использована, например, солнечная батарея. Коммутирующее устройство 4 через программно-временное устройство 6 связано с бортовым комплексом управления 7 летательного аппарата. The device includes an engine chamber 1, which is connected to a storage and supply system of the working fluid 2. The engine chamber 1 is provided with electrodes 3 connected through a switching device 4 to an electric energy source 5, for which, for example, a solar battery can be used. The switching device 4 through the program-temporary device 6 is connected with the on-board control system 7 of the aircraft.

Регулирование тяги двигателя осуществляется следующим образом. В процессе работы двигателя система хранения и подачи рабочего тела 2 обеспечивает непрерывную подачу рабочего тела в камеру двигателя 1. В камере двигателя 1 к рабочему телу подводится энергия от источника электрической энергии 5 посредством дугового разряда между электродами 3 периодическими импульсами. Импульсный подвод энергии обеспечивается за счет периодического включения и выключения коммутирующего устройства 4 по команде от программно-временного устройства 6. Настройка программно-временного устройства 6 осуществляется бортовым комплексом управления 7. Regulation of engine thrust is as follows. In the process of engine operation, the storage and supply system of the working fluid 2 provides a continuous supply of the working fluid to the engine chamber 1. In the engine chamber 1, the energy from the electric energy source 5 is supplied to the working fluid through an arc discharge between the electrodes 3 by periodic pulses. A pulsed energy supply is provided by periodically turning the switching device 4 on and off at the command of the program-time device 6. The setting of the program-time device 6 is carried out by the on-board control system 7.

При отклонении эффективной тяги двигателя от требуемого значения бортовой комплекс управления 7 обеспечивает определение нового значения продолжительности импульсов подвода энергии от источника электрической энергии 5 по формуле (3) и обеспечивает соответствующую настройку программно-временного устройства 6. В результате коммутирующее устройство 4, управляемое программно-временным устройством 6, изменяет продолжительности импульсов подвода энергии от источника электрической энергии 5, что обеспечивает приведение эффективной тяги двигателя к требуемому значению. When the effective thrust of the engine deviates from the required value, the on-board control system 7 determines the new value of the duration of the energy supply pulses from the electric energy source 5 by the formula (3) and ensures the appropriate setting of the program-time device 6. As a result, the switching device 4 controlled by the program-time device 6, changes the duration of the pulses of the energy supply from the source of electric energy 5, which ensures the reduction of the effective traction needle to the desired value.

Claims (1)

Способ регулирования тяги ракетного двигателя, основанный на импульсном изменении тяги, отличающийся тем, что обеспечивает непрерывную подачу рабочего тела в камеру двигателя, а к рабочему телу в камере подводят энергию от внешнего источника посредством дугового разряда периодическими импульсами, продолжительность которых определяют по формуле
Figure 00000006

где Рэф - требуемая величина эффективной тяги двигателя;
PMIN - тяга двигателя при отсутствии подвода энергии от внешнего источника;
РМАХ - тяга двигателя при непрерывном подводе энергии от внешнего источника;
Т - периодичность следования импульсов.
A method of controlling the thrust of a rocket engine based on a pulsed change in thrust, characterized in that it provides a continuous supply of a working fluid to the engine chamber, and energy is supplied to the working fluid in the chamber from an external source by means of an arc discharge with periodic pulses, the duration of which is determined by the formula
Figure 00000006

where P eff - the required value of the effective thrust of the engine;
P MIN - engine thrust in the absence of energy supply from an external source;
P MAX - engine thrust with continuous supply of energy from an external source;
T is the pulse repetition rate.
RU2002113479/06A 2002-05-23 2002-05-23 Rocket engine thrust control method RU2213878C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002113479/06A RU2213878C1 (en) 2002-05-23 2002-05-23 Rocket engine thrust control method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2002113479/06A RU2213878C1 (en) 2002-05-23 2002-05-23 Rocket engine thrust control method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2213878C1 true RU2213878C1 (en) 2003-10-10

Family

ID=31989208

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2002113479/06A RU2213878C1 (en) 2002-05-23 2002-05-23 Rocket engine thrust control method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2213878C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2560645C1 (en) * 2014-07-03 2015-08-20 Российская Федерация,от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации Thrust pulse output system

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
БЕЛЯЕВ Н.М. и др. Реактивные системы управления летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1979, с.17, 34-41. ДОБРОВОЛЬСКИЙ М.В. Жидкостные ракетные двигатели: Основы проектирования. - М.: Машиностроение, 1968, с.252-254. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2560645C1 (en) * 2014-07-03 2015-08-20 Российская Федерация,от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации Thrust pulse output system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1009927B1 (en) Ejector ramjet engine
US5394690A (en) Constant pressure, variable thrust bipropellant engine
US7410131B2 (en) Pulsed detonation engines for reaction control systems
RU96124482A (en) Low-power SUPPLY rocket fuel electric-jet engines for delivering propellant to the low power of the jet engine (optional), SUPPLY propellants for delivering propellant to the rocket engine and method for transmitting a gaseous propellant having a substantially continuous and stable flow, K LOW POWER ELECTRIC ARC REACTIVE ENGINE
US6516605B1 (en) Pulse detonation aerospike engine
US20150059314A1 (en) Electrically ignited and throttled pyroelectric propellant rocket engine
RU2442008C1 (en) Impulse detonation rocket engine
RU2213878C1 (en) Rocket engine thrust control method
US7958719B2 (en) Noncircular transient fluid fuel injector control channels in propellant injector combustion systems
US7735311B2 (en) Pulsed detonation engines manufactured from materials having low thermal stability
US12116958B2 (en) Rocket motor and components thereof
US6601393B2 (en) Method and device for modulation of a flame
RU2157909C1 (en) Supersonic pulse detonating ramjet engine and method of its functioning
RU2382228C1 (en) Adjustable liquid propellant rocket engine
KR100654412B1 (en) Liquid propellant rocket engine
RU173530U1 (en) Powerplant hypersonic aircraft
RU2681733C1 (en) Camera lpr
Pinto et al. Green gelled propellant highly throtteable rocket motor and gas generator technology: status and application
RU2562822C2 (en) Aircraft gas turbine engine and method of its speedup
RU2806265C1 (en) Starting system of a ramjet engine
Bzdyk et al. Investigation of the Operating Parameters and Performance of an Autophage, Hybrid Rocket Propulsion System
RU1774046C (en) Liquid-propellant rocket engine
RU2569960C1 (en) Hybrid rocket engine
RU2826196C1 (en) Liquid-propellant rocket propulsion system
RU2747067C1 (en) Ion propulsion engine, method for operation thereof and corona forming electrode

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20040524