RU2338083C1 - Hybrid rocket engine - Google Patents

Hybrid rocket engine Download PDF

Info

Publication number
RU2338083C1
RU2338083C1 RU2007108383/06A RU2007108383A RU2338083C1 RU 2338083 C1 RU2338083 C1 RU 2338083C1 RU 2007108383/06 A RU2007108383/06 A RU 2007108383/06A RU 2007108383 A RU2007108383 A RU 2007108383A RU 2338083 C1 RU2338083 C1 RU 2338083C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
liquid component
gas
turbine
gas generator
component
Prior art date
Application number
RU2007108383/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Николаевич Иванов (RU)
Николай Николаевич Иванов
Алексей Николаевич Иванов (RU)
Алексей Николаевич Иванов
Екатерина Алексеевна Иванова (RU)
Екатерина Алексеевна Иванова
Original Assignee
Николай Николаевич Иванов
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 Николай Николаевич Иванов filed Critical Николай Николаевич Иванов
Priority to RU2007108383/06A priority Critical patent/RU2338083C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2338083C1 publication Critical patent/RU2338083C1/en

Links

Landscapes

  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: proposed hybrid rocket engine incorporates a compartment accommodating liquid fuel component tank and feed system, combustion chamber housing, solid propellant charge, nozzle. At that the working gas regeneration and bleed system to drive the turbo-pump unit (TPU) comprises a bleeder-gas generator mounted on the nozzle bottom and nozzle with its inlet cooled gas duct tightly and rigidly fitted in the combustion chamber housing inserted element and, at the same time, in the bleeder-gas generator manifold. The said bleeder-gas generator liquid fuel component inlet communicates with the liquid component pump outlet branch pipe via a line accommodating an assembly of hydraulic automatic control. Note that the said bleeder-gas generator outlet communicates, via a line, with the turbine inlet manifold that features a gas communication with the auxiliary engines. Note also that the aforesaid turbine outlet manifold represents a cryogenic heat exchanger with its inlet receiving the liquid component via the line accommodating the aforesaid hydraulic automatic control assembly and communicating with the liquid component pump outlet branch pipe, while its outlet is coupled with the gasified component feed duct with a supercharger arranged inside the liquid component tank.
EFFECT: higher efficiency, stability and reliability of hybrid engine turbo-pump unit, use of turbine exhaust gas in gas turbine engine auxiliary devices.
1 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а именно к гибридным ракетным двигателям (далее ГРД). Поиск сокращения стоимости доставки полезного груза на орбиту искусственного спутника Земли (ОИСЗ) и обратно, с орбиты ИСЗ на орбиту искусственного спутника Луны (ОИСЛ) и обратно, с ОИСЛ на поверхность Луны и обратно, транспортные операции по доставке 3Не с планеты, например, Уран являются актуальными задачами для всех стран, разрабатывающих ракеты-носители и межорбитальные пилотируемые буксиры (МПБ). При этом конструкция двигательной установки, задействованная в такой ракете-носителе или МПБ, должна быть простой и надежной [1].The invention relates to the field of rocket and space technology, and in particular to hybrid rocket engines (hereinafter referred to as GRD). Search for a reduction in the cost of delivering payloads to the orbit of the artificial Earth satellite (OISS) and vice versa, from the orbit of the satellite to the orbit of the artificial satellite of the Moon (OISL) and vice versa, from the OSSL to the surface of the Moon and back, transport operations to deliver 3 Not from the planet, for example, Uranium is an urgent task for all countries developing launch vehicles and interorbital manned tugs (BCHs). Moreover, the design of the propulsion system involved in such a launch vehicle or BCH should be simple and reliable [1].

Известно семейство гибридных ракетных двигателей, разрабатываемых американской фирмой AMROC [2]. В качестве прототипа выбран гибридный ракетный двигатель по американскому патенту №5119627, запатентованный сотрудниками вышеупомянутой фирмы 9 июня 1992 г.Famous family of hybrid rocket engines developed by the American company AMROC [2]. As a prototype, a hybrid rocket engine was selected according to US patent No. 5119627, patented by employees of the aforementioned company on June 9, 1992.

ГРД по патенту №5119627 включает в себя отсек с размещенными в нем баком жидкого компонента, камерой сгорания, зарядом твердого компонента, агрегатами автоматики, размещенным частично в заряде баллоном газификации жидкого компонента, соплом.GRD according to patent No. 5119627 includes a compartment with a liquid component tank placed in it, a combustion chamber, a charge of a solid component, automation units partially placed in charge by a gasification cylinder of a liquid component, a nozzle.

Двигатель-прототип работает следующим образом. Вначале открываются клапаны, расположенные на магистралях подвода жидкого компонента, и последний под воздействием начального давления наддува начинает поступать в камеру сгорания. Далее происходит поджиг и начинается горение заряда твердого компонента. В результате поступления тепла к баллону, смонтированному в заряде твердого компонента, находящийся в баллоне жидкий компонент газифицируется и по магистрали подается в верхнюю часть бака жидкого компонента. Газ, поступивший в бак жидкого компонента, сжимает жидкий компонент и вытесняет его в камеру сгорания ГРД, где осуществляется внутрикамерный рабочий процесс.The prototype engine works as follows. At first, the valves located on the lines for supplying the liquid component open, and the latter, under the influence of the initial boost pressure, begins to enter the combustion chamber. Next, ignition occurs and the combustion of the charge of the solid component begins. As a result of heat input to the cylinder mounted in the charge of the solid component, the liquid component located in the cylinder is gasified and fed through the line to the upper part of the tank of the liquid component. The gas entering the tank of the liquid component compresses the liquid component and displaces it into the combustion chamber of the main engine, where an intracameral working process is carried out.

Данный прототип имеет ряд недостатков:This prototype has several disadvantages:

- баллон газификации жидкого компонента расположен в высокотемпературной камере сгорания двигателя, в которой температура продуктов сгорания равна Ткс≈3500 К и более,- gasification of the balloon of the liquid component is located in the high-temperature combustion chamber of the engine, wherein the combustion temperature is T kc ≈3500 K or more,

- возможно разрушение тепловой защиты баллона, прогар баллона и взрыв всего двигателя;- destruction of the thermal protection of the cylinder, burnout of the cylinder and the explosion of the entire engine;

- использование в данном двигателе вытеснительной системы подачи жидкого компонента приводит к утолщению стенок и днищ бака жидкого компонента и к утяжелению летательного аппарата (в данной схеме Рб>Pк, здесь Рб - давление наддува в баке жидкого компонента, Pк - давление продуктов сгорания в камере ГРД; если Рк≈30 кгс/см2≈3 МПа, то Рб≈(35...40) кгс/см2 ≈ (3,5...4) МПа;- the use in this engine of a displacing system for supplying a liquid component leads to a thickening of the walls and bottoms of the tank of the liquid component and to make the aircraft heavier (in this scheme P b > P k , here P b is the boost pressure in the tank of the liquid component, P k is the product pressure combustion in the gas-turbine engine chamber; if Р к ≈30 kgf / cm 2 ≈3 MPa, then Р б ≈ (35 ... 40) kgf / cm 2 ≈ (3.5 ... 4) MPa;

- весьма трудно контролировать и обеспечивать постоянное давление наддува в баке жидкого компонента;- it is very difficult to control and provide a constant boost pressure in the tank of the liquid component;

- надежность данной конструкции ГРД невысока.- the reliability of this design is low.

Целью данного изобретения является повышение эффективности, стабильности и надежности работы гибридного ракетного двигателя, использование сработанного на турбине рабочего газа во вспомогательных устройствах ГРД.The aim of the present invention is to increase the efficiency, stability and reliability of a hybrid rocket engine, the use of working gas generated on a turbine in auxiliary devices of the main engine.

Поставленная цель достигается тем, что система отбора и генерации рабочего газа для привода турбины турбонасосного агрегата (ТНА) содержит смонтированный на сопловом днище и сопле отборник-газогенератор, входной охлаждаемый газоход которого герметично и жестко закреплен в закладном элементе корпуса камеры сгорания и одновременно в коллекторе отборника-газогенератора, вход жидкого компонента отборника-газогенератора связан с выходным патрубком насоса жидкого компонента магистралью с размещенным в ней агрегатом гидроавтоматики, выход этого отборника-газогенератора связан магистралью с входным коллектором турбины, при этом выходной коллектор турбины, связанный газовой связью со вспомогательными двигателями, выполнен в виде криогенного теплообменника, на вход которого жидкий компонент подается по содержащей агрегат гидроавтоматики магистрали, связанной с выходным патрубком насоса жидкого компонента, а выход этого криогенного теплообменника состыкован газоходом подачи газифицированного компонента с устройством наддува, размещенным внутри бака жидкого компонента.This goal is achieved by the fact that the system of selection and generation of working gas for driving a turbine of a turbopump unit (TNA) contains a sampler-gas generator mounted on the nozzle bottom and nozzle, the inlet cooled gas duct of which is hermetically and rigidly fixed in the embedded element of the combustion chamber housing and at the same time in the collector manifold -gas generator, the inlet of the liquid component of the sampler-gas generator is connected to the outlet pipe of the pump of the liquid component by a main line with a hydraulic unit located in it e of this sample-gas generator is connected by a highway to the turbine inlet manifold, while the turbine output manifold, connected by gas connection to auxiliary engines, is made in the form of a cryogenic heat exchanger, to the input of which the liquid component is fed through the mains containing hydraulic power unit connected to the outlet of the liquid component pump and the outlet of this cryogenic heat exchanger is connected to the gas supply duct for the gasified component with a boost device located inside the tank of the liquid component ta.

Изобретение поясняется чертежом, где представлена пневмогидравлическая схема заявляемого ГРД.The invention is illustrated in the drawing, which presents the pneumohydraulic diagram of the inventive hydraulic propulsion.

Заявляемый ГРД содержит следующие основные агрегаты и узлы (см. чертеж):The inventive GRD contains the following main units and assemblies (see drawing):

бак с жидким компонентом (например, жидким кислородом) 1; заправочно-дренажный клапан 2; нормально-закрытый пироклапан 3; обратный клапан 4; устройство наддува бака 5; заправочно-сливной клапан жидкого компонента 6; магистраль жидкого компонента 7; насос жидкого компонента 8; турбину ТНА 9; форсуночную головку 10; емкость с воспламеняющимся составом 11; пирозапал 12; трубку датчика давления 13; заряд твердого топливного компонента (например, полибутадиеновый каучук С4Н6) 14; камеру сгорания 15; отборник-газогенератор 16; магистраль подвода жидкого компонента к отборнику-газогенератору 17; магистраль подвода «рабочего» газа к входному коллектору турбины 18; пиростартер 19; криогенный теплообменник 20; вспомогательные двигатели 21; отсечной клапан насоса жидкого компонента 22; магистраль подвода жидкого компонента к криогенному теплообменнику 23; главный клапан жидкого компонента 24; магистраль подвода газифицированного жидкого компонента к устройству наддува 25; закладной элемент камеры сгорания 26; агрегаты гидроавтоматики 27; охлаждаемый газоход 28.a tank with a liquid component (e.g., liquid oxygen) 1; filling and drain valve 2; normally closed pyrovalve 3; check valve 4; device for pressurizing the tank 5; filling and drain valve of the liquid component 6; the line of the liquid component 7; liquid component pump 8; TNA 9 turbine; nozzle head 10; a tank with a flammable composition 11; pyrozapal 12; pressure sensor tube 13; the charge of the solid fuel component (for example, polybutadiene rubber With 4 H 6 ) 14; combustion chamber 15; gas generator sampler 16; the line for supplying the liquid component to the sampler-gas generator 17; a line for supplying a "working" gas to the inlet manifold of the turbine 18; pyrostarter 19; cryogenic heat exchanger 20; auxiliary engines 21; shut-off valve of the pump of the liquid component 22; a line for supplying a liquid component to a cryogenic heat exchanger 23; the main valve of the liquid component 24; a line for supplying a gasified liquid component to a boost device 25; embedded element of the combustion chamber 26; hydraulic power units 27; chilled duct 28.

Работа заявляемого ГРД происходит следующим образом.The operation of the claimed engine is as follows.

Вначале срабатывает пиростартер 19, который раскручивает турбину ТНА 9 и насос жидкого компонента 8. В случае многократного включения заявляемый ГРД комплектуется несколькими пиростартерами. Далее срабатывают главный клапан 24 и отсечной клапан 22 жидкого компонента, в результате чего через форсуночную головку 10 по магистралям 17 и 23, на которых смонтированы агрегаты гидроавтоматики 27, жидкий компонент начинает поступать соответственно в камеру сгорания 15, отборник-газогенератор 16 и криогенный теплообменник 20. Через заданный временной интервал (порядка Δt≈0,1 с) срабатывает емкость с воспламеняющимся составом 11 (например, пропаном С3Н8) и пусковое горючее также начинает поступать в камеру сгорания 15. После этого срабатывает пирозапал 12, воспламеняется распыленное в камере сгорания пусковое горючее, форсы пламени прогревают и воспламеняют заряд твердого топливного компонента 14. Двигатель запущен. В отборник-газогенератор 16 начинают поступать высокотемпературные продукты сгорания. Взаимодействуя с поступающим в отборник-газогенератор 16 жидким компонентом, продукты сгорания образуют «рабочий» газ требуемых параметров (обычно Тп≈970 К), который по магистрали 18 начинает поступать на турбину 9 и вращать ее; пиростартер 19 к этому времени свою работу заканчивает. Под воздействием тепла «рабочего» газа, сработавшего на турбине ТНА 9 и затем протекающего через криогенный теплообменник 20 к вспомогательным двигателям 21, происходит газификация поступающего в этот криогенный теплообменник 20 жидкого компонента. Образовавшийся газифицированный компонент по магистрали 25 поступает в устройство наддува бака жидкого компонента 5 и осуществляет в последнем наддув жидкого компонента.First, the pyro-starter 19 is activated, which spins the TNA 9 turbine and the pump of the liquid component 8. In the case of repeated switching on, the inventive engine is equipped with several pyro-starters. Next, the main valve 24 and the shut-off valve 22 of the liquid component are actuated, as a result of which, through the nozzle head 10 along the lines 17 and 23, on which the hydraulic units 27 are mounted, the liquid component begins to flow respectively into the combustion chamber 15, the sample gas generator 16 and the cryogenic heat exchanger 20 . After a predetermined time interval (of the order of Δt≈0.1 s), a tank with a flammable composition 11 (for example, propane C 3 H 8 ) is triggered and the starting fuel also begins to enter the combustion chamber 15. After that, the pyr He caught 12, the starting fuel sprayed in the combustion chamber ignites, the force of the flame warms up and ignites the charge of the solid fuel component 14. The engine is started. The high-temperature combustion products begin to flow into the sampler-gas generator 16. Interacting with the liquid component coming into the gas generator 16, the combustion products form a “working” gas of the required parameters (usually T p ≈ 970 K), which begins to flow through the line 18 to the turbine 9 and rotate it; pirostarter 19 is finishing its work by this time. Under the influence of the heat of the “working” gas, which was triggered on the turbine ТНА 9 and then flowing through the cryogenic heat exchanger 20 to the auxiliary engines 21, gasification of the liquid component entering this cryogenic heat exchanger 20 occurs. The resulting gasified component along line 25 enters the device for pressurizing the tank of the liquid component 5 and, in the latter, pressurizes the liquid component.

Останов заявляемого ГРД осуществляется с помощью главного клапана жидкого компонента 24, перекрывающего подачу жидкого компонента в насос жидкого компонента 8.The stop of the inventive engine is carried out using the main valve of the liquid component 24, which blocks the supply of the liquid component to the pump of the liquid component 8.

В случае повторного запуска данного ГРД все вышеописанные операции повторяются снова в той же самой последовательности. В заключение отметим, что крепление отборника-газогенератора 16 с камерой сгорания 15 осуществляется посредством закладного элемента 26 и газохода 28.In the case of a restart of this engine, all of the above operations are repeated again in the same sequence. In conclusion, we note that the mounting of the sampler-gas generator 16 with the combustion chamber 15 is carried out by means of the embedded element 26 and the gas duct 28.

Использованные источникиUsed sources

1. Акимов В.Н., Еськов Ю.М., Коротеев А.С. и др. О возможности энергоснабжения Земли из космоса. Перспективы и этапы. В сб.: Ракетно-космические двигатели и энергетические установки. 1993 г., вып.4 (142). М., НИИТП им. акад. М.В.Келдыша, стр.69-92.1. Akimov V.N., Eskov Yu.M., Koroteev A.S. and others. On the possibility of energy supply to the Earth from space. Prospects and stages. In: Space rocket engines and power plants. 1993, issue 4 (142). M., NIITP them. Acad. M.V. Keldysh, pp. 69-92.

2. Kniffen R.I., Mckinney В. and Estey. Hibrid Rocket Development at the American Roket Company. AIAA - 90-2762.2. Kniffen R.I., Mckinney B. and Estey. Hibrid Rocket Development at the American Roket Company. AIAA - 90-2762.

Claims (1)

Гибридный ракетный двигатель, содержащий отсек с размещенными в нем баком и системой подачи жидкого компонента, корпус камеры сгорания, заряд из твердого топливного компонента, сопло, отличающийся тем, что система отбора и генерации рабочего газа для привода турбины турбонасосного агрегата (ТНА) содержит смонтированный на сопловом днище и сопле отборник-газогенератор, входной охлаждаемый газоход которого герметично и жестко закреплен в закладном элементе корпуса камеры сгорания и одновременно в коллекторе отборника-газогенератора, вход жидкого компонента отборника-газогенератора связан с выходным патрубком насоса жидкого компонента магистралью с размещенным в ней агрегатом гидроавтоматики, выход этого отборника-газогенератора связан магистралью с входным коллектором турбины, при этом выходной коллектор турбины, связанный газовой связью со вспомогательными двигателями, выполнен в виде криогенного теплообменника, на вход которого жидкий компонент подается по содержащей агрегат гидроавтоматики магистрали, связанной с выходным патрубком насоса жидкого компонента, а выход этого криогенного теплообменника состыкован газоходом подачи газифицированного компонента с устройством наддува, размещенным внутри бака жидкого компонента.A hybrid rocket engine containing a compartment with a tank and a liquid component supply system in it, a combustion chamber housing, a charge from a solid fuel component, a nozzle, characterized in that the working gas extraction and generation system for driving a turbine pump turbine unit (TNA) is mounted on nozzle bottom and nozzle sampler-gas generator, the input cooled gas duct of which is hermetically and rigidly fixed in the embedded element of the housing of the combustion chamber and simultaneously in the collector of the sampler-gas generator, in One of the liquid components of the sampler-gas generator is connected to the outlet pipe of the pump of the liquid component by a line with a hydraulic unit located in it, the output of this sampler-gas generator is connected by a line to the turbine inlet manifold, while the turbine outlet manifold connected by gas communication with auxiliary engines is made in the form of a cryogenic a heat exchanger, to the input of which the liquid component is supplied through the mains containing the hydraulic power unit, connected to the outlet pipe of the pump of the liquid component a, and the outlet of this cryogenic heat exchanger is connected to the gas supply duct for the gasified component with a boost device located inside the tank of the liquid component.
RU2007108383/06A 2007-03-06 2007-03-06 Hybrid rocket engine RU2338083C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007108383/06A RU2338083C1 (en) 2007-03-06 2007-03-06 Hybrid rocket engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007108383/06A RU2338083C1 (en) 2007-03-06 2007-03-06 Hybrid rocket engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2338083C1 true RU2338083C1 (en) 2008-11-10

Family

ID=40230345

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007108383/06A RU2338083C1 (en) 2007-03-06 2007-03-06 Hybrid rocket engine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2338083C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2569960C1 (en) * 2014-12-09 2015-12-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) Hybrid rocket engine
CN106917699A (en) * 2017-01-19 2017-07-04 北京航空航天大学 Hydrogen peroxide solid-liquid rocket is from pressurizing transmission system

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2569960C1 (en) * 2014-12-09 2015-12-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (НИ ТГУ) Hybrid rocket engine
CN106917699A (en) * 2017-01-19 2017-07-04 北京航空航天大学 Hydrogen peroxide solid-liquid rocket is from pressurizing transmission system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20070078978A (en) System having a multipurpose gas generator for starting a ramjet/scramjet engine and method for starting the ramjet/scramjet engine
US20140283499A1 (en) Device and a method for feeding a rocket engine propulsion chamber
EP1022454A3 (en) Liquid propellant rocket engine
RU2667529C2 (en) Device for pressurising propellant reservoirs of rocket engine
JP6280139B2 (en) Starting devices for rockets, motors and turbo pumps
US10371098B2 (en) Device for pressurizing a propellant tank of a rocket engine
RU2445503C1 (en) Test bench for testing power plants with fuel cryogenic components
RU2338083C1 (en) Hybrid rocket engine
RU2545615C1 (en) Liquid-propellant rocket engine turbo pump unit
RU2302547C1 (en) Liquid-propellant rocket engine
RU2447313C1 (en) Restartable liquid-propellant engine (versions)
RU2451199C1 (en) Liquid-propellant rocket engine
RU2300657C1 (en) Liquid-propellant rocket engine
RU92107U1 (en) HYBRID ROCKET MOTOR UNIT (OPTIONS)
US20160237951A1 (en) Device and a method for feeding a rocket engine propulsion chamber
RU2116491C1 (en) Method of operation of liquid-propellant rocket engine and liquid-propellant rocket engine used for realization of this method
RU2484285C1 (en) Oxygen-hydrogen liquid-propellant engine
RU2495273C1 (en) Liquid propellant rocket engine
RU2481488C1 (en) Three-component liquid-propellant engine
RU2773694C1 (en) Liquid rocket engine powered by cryogenic fuel
RU2381152C1 (en) Multi-stage carrier rocket with nuclear rocket engines
RU2484287C1 (en) Three-component liquid-propellant engine
RU2614271C2 (en) Realization method of rocket power and device for its implementation
RU2388922C1 (en) Separation method of mixture of liquid and gaseous phases of fuel component of liquid-propellant engine, and device for its implementation
RU2574192C1 (en) Liquid-propellant rocket engine fuel feed plant

Legal Events

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

Effective date: 20090307