RU2447313C1 - Restartable liquid-propellant engine (versions) - Google Patents
Restartable liquid-propellant engine (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2447313C1 RU2447313C1 RU2011101528/06A RU2011101528A RU2447313C1 RU 2447313 C1 RU2447313 C1 RU 2447313C1 RU 2011101528/06 A RU2011101528/06 A RU 2011101528/06A RU 2011101528 A RU2011101528 A RU 2011101528A RU 2447313 C1 RU2447313 C1 RU 2447313C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- engine
- oxidizer
- chamber
- engine chamber
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ракетно-космической технике (РКТ) и может быть использовано в двигательных установках (ДУ) и энергетических установках перспективных разгонных блоков (РБ) и межорбитальных буксиров (МБ), предназначенных для выведения космических аппаратов (КА) с низких опорных орбит на различные высокоэнергетические орбиты - высокоэллиптические и высокие круговые орбиты, включая геосинхронные и геостационарную (ГСО) орбиты, а также на отлетные траектории (к Луне, Марсу и т.д.).The invention relates to rocket and space technology (RKT) and can be used in propulsion systems (DU) and power plants of prospective booster blocks (RB) and interorbital tugs (MB) designed to launch spacecraft (SC) from low reference orbits to various high-energy orbits - highly elliptical and high circular orbits, including geosynchronous and geostationary (GSO) orbits, as well as to take-off trajectories (to the Moon, Mars, etc.).
Высокая стоимость, ограниченная надежность и повышенный риск отказов из-за высоконапряженной работы основных узлов являются органическими недостатками современных маршевых жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Для РБ и МБ одним из решений по преодолению этих недостатков может быть использование многовитковых схем межорбитального перелета с большим числом включений маршевого ЖРД (до 100 раз и более), позволяющих резко (на два порядка) снизить его тягу. Перед традиционными двигателями большой тяги такой ЖРД низкой тяги будет иметь следующие преимущества:The high cost, limited reliability and increased risk of failures due to the high-stress operation of the main components are organic disadvantages of modern marching liquid propellant rocket engines (LRE). For RBs and MBs, one of the solutions to overcome these shortcomings may be the use of multi-turn interorbital flight schemes with a large number of marching rocket engine rockets (up to 100 times or more), which can dramatically (by two orders of magnitude) reduce its thrust. Compared to traditional high thrust engines, such a low thrust rocket engine will have the following advantages:
- значительно меньшие габариты и масса двигателя;- significantly smaller dimensions and mass of the engine;
- существенно пониженная напряженность внутридвигательных параметров;- significantly reduced tension of the internal motor parameters;
- упрощенная камера сгорания двигателя с подачей в камеру сгорания обоих компонентов топлива только в газообразном состоянии;- a simplified combustion chamber of the engine with the supply to the combustion chamber of both components of the fuel only in a gaseous state;
- возможность самонаддува топливных баков РБ и МБ за счет нагрева от Солнца.- the possibility of self-boosting fuel tanks RB and MB due to heating from the Sun.
Целесообразность применения маршевого ЖРД многократного включения и низкой тяги (сотни … тысячи ньютонов) наиболее очевидна при переходе к использованию нового топлива «кислород + водород», которое еще не применялось в отечественных РБ. Создание малогабаритного и простого, надежного и недорогого, унифицированного маршевого кислородно-водородного ЖРД многократного включения, который можно было бы эффективно использовать в составе ряда разгонных блоков для ракет-носителей (РН) различных классов грузоподъемности и для выполнения различных транспортных задач, позволило бы существенно облегчить и ускорить переход к использованию высокоэффективного и экологически чистого топлива «кислород + водород».The feasibility of using multiple-launch marching rocket engines and low thrust (hundreds ... thousands of newtons) is most obvious when switching to the use of new oxygen + hydrogen fuel, which has not yet been used in domestic RBs. The creation of a small-sized and simple, reliable and inexpensive, unified marching oxygen-hydrogen multiple-launch rocket engine, which could be effectively used as part of a number of booster blocks for launch vehicles (LV) of various payload classes and for performing various transport tasks, would significantly facilitate and accelerate the transition to the use of highly efficient and environmentally friendly fuels “oxygen + hydrogen”.
Известны два варианта высокоэффективных ЖРД многократного включения [1].Two versions of highly efficient multiple-injection rocket engines are known [1].
В первом варианте, рассматриваемом в качестве аналога, ЖРД многократного включения содержит баки с жидкими горючим и окислителем, системы подачи жидких горючего и окислителя с электронасосами, ресивер окислителя с электронагревателем, теплообменник-газификатор окислителя, ресивер горючего с компрессором и камеру двигателя, а также источник электропитания, включающий электрохимическую аккумуляторную батарею (АБ) с зарядно-разрядным устройством (ЗРУ) и электрохимический генератор (ЭХГ) на базе батареи топливных элементов (ТЭ), работающих на основных компонентах топлива.In the first version, considered as an analogue, a multiple-injection LRE contains tanks with liquid fuel and an oxidizing agent, liquid fuel and oxidizer supply systems with electric pumps, an oxidizer receiver with an electric heater, an oxidizer heat exchanger-gasifier, a fuel receiver with a compressor and an engine chamber, as well as a source power supply, including an electrochemical storage battery (AB) with a charge-discharge device (ZRU) and an electrochemical generator (ECG) based on a fuel cell (TE) battery, operating x on the main components of the fuel.
Во втором варианте, взятом за прототип, ЖРД многократного включения [1] также содержит источник электропитания, баки с жидкими горючим и окислителем, системы подачи жидких горючего и окислителя с насосами, ресивер окислителя с электронагревателем, теплообменник-газификатор окислителя, ресивер горючего с компрессором и камеру двигателя. В источнике электропитания здесь также используют электрохимическую АБ с ЗРУ и ЭХГ на базе батареи ТЭ, работающих на основных компонентах топлива, причем входы горючего и окислителя в ЭХГ соединены, соответственно, с ресиверами горючего и окислителя через регуляторы давления и расхода, а электрохимическая АБ через ЗРУ соединена с электрическим выходом ЭХГ. В отличие от первого варианта ЖРД, здесь в системах подачи жидких компонентов топлива установлены не электронасосы, а мультипликаторные насосы с пневмоприводами, входы которых соединены с соответствующими выходами горючего и окислителя из теплообменника-газификатора окислителя, а выходы пневмоприводов соединены с соответствующими входами горючего и окислителя в смесительную головку камеры.In the second version, taken as a prototype, a multiple-rocket engine [1] also contains an electric power source, tanks with liquid fuel and an oxidizer, a liquid fuel and oxidizer supply system with pumps, an oxidizer receiver with an electric heater, an oxidizer heat exchanger-gasifier, a fuel receiver with a compressor and engine chamber. The power supply here also uses an electrochemical battery with switchgear and ECG based on a battery of fuel cells operating on the main components of the fuel, and the inputs of the fuel and oxidizer in the ECG are connected, respectively, to the receivers of the fuel and oxidizer through pressure and flow controllers, and the electrochemical battery through the switchgear connected to the electric output of the ECG. Unlike the first LRE variant, here in the systems for supplying liquid components of the fuel, not electric pumps are installed, but multiplier pumps with pneumatic drives, the inputs of which are connected to the corresponding outputs of the fuel and oxidizer from the heat exchanger-gasifier of the oxidizer, and the outputs of the pneumatic drives are connected to the corresponding inputs of the fuel and oxidizer mixing head of the chamber.
Преимуществом прототипа перед аналогом является устранение электроприводов у насосов подачи жидких окислителя и горючего. Электроприводы имеют большую собственную массу и являются наиболее мощными потребителями электроэнергии в двигательной установке. Переход с электро- на пневмоприводы насосов, питаемые газообразными горючим и окислителем из теплообменника-газификатора окислителя, позволяет значительно уменьшить массу насосных агрегатов, а также значительно снизить потребную мощность и массу электрохимического генератора, уменьшить затраты компонентов топлива на выработку электроэнергии в ЭХГ.The advantage of the prototype over the analogue is the elimination of electric drives at the pumps for the supply of liquid oxidizer and fuel. Electric drives have a large net weight and are the most powerful consumers of electricity in a propulsion system. The transition from electronic to pneumatic pump drives fed by gaseous fuel and oxidizer from the heat exchanger-gasifier of the oxidizer can significantly reduce the mass of pumping units, as well as significantly reduce the required power and mass of the electrochemical generator, and reduce the cost of fuel components for generating electricity in ECG.
Недостатком прототипа, имеющим место и у предшествующих аналогов, является использование в их составе новых для ракетного двигателестроения, относительно сложных и дорогих в разработке малорасходных средств подачи криогенных компонентов топлива поршневого типа - насосов и компрессора. Опыт практической отработки этих агрегатов для одного из двигателей-аналогов показывает, что наиболее сложными в отработке являются насос подачи жидкого водорода и водородный компрессор.The disadvantage of the prototype, which is also the case with previous analogues, is the use of new rocket engines in their composition, which are relatively complex and expensive in the development of low-cost means of supplying piston-type cryogenic fuel components - pumps and compressor. The practical experience of developing these units for one of the analog engines shows that the most difficult to develop are a liquid hydrogen feed pump and a hydrogen compressor.
Сложность и дороговизна водородного насоса с требуемой производительностью определяется, прежде всего, большим числом циклов срабатывания (многие десятки … сотни тысяч циклов за полет) их движущихся элементов (поршней и клапанов) в условиях чрезвычайно низких рабочих температур (~20 K). Поршневой тип насосов криогенных горючего и окислителя определяет и такие проблемы, как образование застойных зон под поршнями, снижающих их эффективность, а также возникающие при перекладках работы поршней пульсации давления на выходе насосов, для сглаживания которых требуется установка после насосов специальных баллонов-демпферов.The complexity and high cost of a hydrogen pump with the required performance is determined, first of all, by the large number of operation cycles (many tens ... hundreds of thousands cycles per flight) of their moving elements (pistons and valves) at extremely low operating temperatures (~ 20 K). The piston type of cryogenic fuel and oxidizer pumps also determines problems such as the formation of stagnant zones under the pistons, which reduce their efficiency, as well as pressure pulsations at the pump outlet that occur during relocation of the pistons, which require special damping cylinders to be installed after the pumps.
Сложность и дороговизна компрессора с электроприводом, используемого в прототипе и в предшествующих аналогах, определяется высокой степенью сжатия (в ~50 раз и более), требуемой для периодической «зарядки» водородного ресивера запасом газообразного водорода, расходуемым на режиме запуска двигателя в каждом из его включений. Это определяет большое число ступеней сжатия в составе компрессора (как минимум 3 ступени), а также относительно высокую температуру сжатого водорода на выходе компрессора, что определяет большие объем (~200 л и более) и массу водородного ресивера для размещения в нем требуемого запаса водорода.The complexity and high cost of the electric compressor used in the prototype and in the previous analogues is determined by the high compression ratio (~ 50 times or more) required for periodic “charging” of the hydrogen receiver with a supply of gaseous hydrogen consumed at the engine start mode in each of its starts . This determines the large number of compression stages in the compressor (at least 3 stages), as well as the relatively high temperature of the compressed hydrogen at the compressor outlet, which determines the large volume (~ 200 l or more) and the mass of the hydrogen receiver to accommodate the required hydrogen supply.
При своей новизне, конструктивной сложности, сложности условий работы и требуемого большого ресурса работы криогенные насосы и высоконапорный компрессор будут критическими элементами в плане общей надежности прототипа и аналогов.With its novelty, structural complexity, complexity of working conditions and the required long service life, cryogenic pumps and a high-pressure compressor will be critical elements in terms of the overall reliability of the prototype and analogues.
Цель настоящего изобретения состоит в создании высокоэффективного ЖРД многократного включения с упрощенной, безнасосной системой подачи топлива при обеспечении:The purpose of the present invention is to create a highly efficient multiple-injection rocket engine with a simplified, pump-free fuel supply system while providing:
- более высокой надежности, конструктивной простоты и низкой стоимости ЖРД;- higher reliability, structural simplicity and low cost of rocket engines;
- снижения электропотребления ЖРД, снижения мощности и массы ЭХГ с уменьшением потерь топлива на выработку в нем электроэнергии;- reducing power consumption of the liquid propellant rocket engine, reducing the power and mass of the ECG with a decrease in fuel losses for the generation of electricity in it;
- улучшения условий хранения криогенных компонентов топлива в баках РБ и МБ.- improving storage conditions for cryogenic fuel components in the tanks of the Republic of Belarus and MB.
Поставленная цель достигается в двух вариантах двигателя.The goal is achieved in two engine options.
В первом варианте ЖРД многократного включения, содержащего камеру двигателя (КД) с рубашкой охлаждения, источник электропитания в виде электрохимической АБ с ЗРУ и ЭХГ на базе батареи ТЭ, баки с жидкими горючим и окислителем, системы подачи топлива с ресиверами горючего и окислителя, для подачи каждого компонента топлива (горючего и окислителя) из бака в камеру двигателя используют промежуточный баллон с запорными клапанами на входе и выходе, внутри промежуточного баллона имеется мерная емкость с расширительным соплом и теплообменником, причем выход промежуточного баллона горючего соединен с входом в ресивер горючего и через регулятор давления с входом в рубашку охлаждения камеры двигателя, а выход промежуточного баллона окислителя соединен с входом в ресивер окислителя и через регулятор давления с входом в форсуночную головку КД, кроме этого входы теплообменников промежуточных баллонов через запорные клапаны подсоединены к выходу рубашки охлаждения КД, а выходы теплообменников соединены с входом горючего в форсуночную головку КД.In the first embodiment, a multiple-injection rocket engine containing an engine chamber (CD) with a cooling jacket, an electric power source in the form of an electrochemical AB with an indoor switchgear and ECG based on a TE battery, tanks with liquid fuel and oxidizer, a fuel supply system with fuel and oxidizer receivers, for supply each component of the fuel (fuel and oxidizer) from the tank to the engine chamber uses an intermediate cylinder with shut-off valves at the inlet and outlet, inside the intermediate cylinder there is a measuring tank with an expansion nozzle and a heat exchanger, moreover, the output of the intermediate cylinder of fuel is connected to the entrance to the receiver of the fuel and through the pressure regulator to the inlet of the cooling jacket of the engine chamber, and the output of the intermediate cylinder of the oxidizer is connected to the entrance to the receiver of the oxidizer and through the pressure regulator to the inlet of the KD nozzle, in addition to the inputs of the intermediate heat exchangers cylinders through shut-off valves are connected to the outlet of the CD cooling jacket, and the exits of the heat exchangers are connected to the fuel inlet to the nozzle of the CD.
Отличительными признаками является то, что в системе подачи каждого компонента используют промежуточный баллон с запорными клапанами на входе и выходе, внутри промежуточного баллона имеется мерная емкость с расширительным соплом и теплообменником, причем выход промежуточного баллона горючего соединен с входом в ресивер горючего и через регулятор давления с входом в рубашку охлаждения КД, а выход промежуточного баллона окислителя соединен с входом в ресивер окислителя и через регулятор давления с входом в форсуночную головку КД; кроме этого входы теплообменников промежуточных баллонов через запорные клапаны подсоединены к выходу рубашки охлаждения КД, а выходы теплообменников соединены с входом горючего в форсуночную головку КД.Distinctive features are that in the supply system of each component an intermediate cylinder is used with shut-off valves at the inlet and outlet, inside the intermediate cylinder there is a measuring tank with an expansion nozzle and a heat exchanger, and the output of the intermediate fuel cylinder is connected to the inlet to the fuel receiver and through a pressure regulator with the entrance to the KD cooling jacket, and the output of the intermediate oxidizer cylinder is connected to the entrance to the oxidizer receiver and through the pressure regulator with the entrance to the KD nozzle head; in addition, the inputs of the heat exchangers of the intermediate cylinders through the shut-off valves are connected to the outlet of the CD cooling jacket, and the outputs of the heat exchangers are connected to the fuel inlet to the nozzle of the CD.
Отличия, принятые для этого варианта, позволяют осуществить:The differences adopted for this option allow you to implement:
1) газификацию в промежуточных баллонах всей массы компонентов топлива теплом, отбираемым из рубашки охлаждения КД (с отказом от использования специального теплообменника-газификатора окислителя и электронагревателя в ресивере окислителя);1) gasification in the intermediate cylinders of the entire mass of fuel components with heat taken from the CD cooling jacket (with the refusal to use a special oxidizer-gasifier heat exchanger and electric heater in the oxidizer receiver);
2) наиболее простой и надежный способ подачи компонентов топлива в камеру на установившемся режиме работы ЖРД - газобаллонный, за счет вытеснения компонентов из промежуточных баллонов внутренним давлением (с отказом от использования поршневых насосов и баллонов-демпферов, сглаживающих пульсации давления после насосов);2) the simplest and most reliable way of supplying fuel components to the chamber at the steady-state mode of operation of the liquid-propellant rocket engine is a gas balloon by displacing the components from the intermediate cylinders with internal pressure (with the abandonment of the use of piston pumps and damping cylinders that smooth pressure pulsations after the pumps);
3) наиболее простой способ многократной «зарядки» ресиверов для реализации запусков двигателя - путем вытеснения газообразных компонентов внутренним давлением непосредственно из промежуточных баллонов (с отказом от водородного компрессора и от системы впрыска и газификации кислорода в ресивере электронагревателем).3) the easiest way to repeatedly “charge” the receivers for starting the engine — by displacing the gaseous components with internal pressure directly from the intermediate cylinders (with the hydrogen compressor and the injection and gasification of oxygen in the receiver electrically heated).
Таким образом, принятые отличия позволяют значительно упростить, понизить стоимость и повысить надежность двигателя благодаря возможности отказа от ряда сложных, критических в плане надежности и дорогих агрегатов, имеющих к тому же большую совокупную массу, составляющую основную долю массы двигателя-прототипа:Thus, the adopted differences can significantly simplify, lower cost and increase engine reliability due to the possibility of abandoning a number of complex, critical in terms of reliability and expensive units, which also have a large total mass, which makes up the bulk of the mass of the prototype engine:
- поршневых насосов;- piston pumps;
- баллонов-демпферов на выходе насосов;- cylinder dampers at the outlet of the pumps;
- высоконапорного компрессора с электроприводом;- high-pressure compressor with electric drive;
- теплообменника-газификатора окислителя;- heat exchanger-gasifier oxidizer;
- электронагревателя в ресивере окислителя.- an electric heater in an oxidizer receiver.
С устранением компрессора отпадает необходимость в использовании в водородном баке специальной термодинамической системы. Эта система должна гарантировать отбор из бака и подачу в компрессор полностью газифицированного водорода в любой момент времени как при работающем двигателе, так и на пассивных участках полета РБ (т.е. в отсутствие осевой перегрузки, когда пузыри жидкого водорода занимают произвольное положение в баке). Термодинамическая система включает в себя расположенные внутри бака заборное устройство, расширительное сопло и крупногабаритный теплообменник.With the elimination of the compressor, there is no need to use a special thermodynamic system in the hydrogen tank. This system should guarantee the selection from the tank and the supply to the compressor of fully gasified hydrogen at any time both with the engine running and in passive sections of the flight of the Republic of Belarus (i.e., in the absence of axial overload when liquid hydrogen bubbles occupy an arbitrary position in the tank) . The thermodynamic system includes an intake device located inside the tank, an expansion nozzle, and a large-sized heat exchanger.
В дополнение к этому устранение компрессора с электроприводом и электронагревателя в ресивере окислителя приводит к снижению электропотребления в двигателе до минимально возможного уровня, когда потребителями электроэнергии остаются только электроклапаны, воспламенитель запального устройства, регуляторы режимов работы и датчики. Это позволяет сделать предельно минимальными требуемую мощность и массу ЭХГ, а также минимизировать непроизводительные (с точки зрения создания тяги ЖРД) затраты компонентов топлива на выработку электроэнергии в ЭХГ.In addition to this, elimination of the electric compressor and electric heater in the oxidizer receiver leads to a decrease in the electric power consumption in the engine to the minimum possible level, when only electric valves, the igniter of the ignition device, the regulators of the operating modes and sensors remain the consumers of electric energy. This makes it possible to minimize the required power and mass of the ECG, as well as to minimize the unproductive (from the point of view of creating thrust LRE) costs of the components of the fuel to generate electricity in the ECG.
Кроме того, устранение насосов позволяет ликвидировать и связанные с ними дополнительные паразитные теплопритоки к криогенным компонентам топлива в баках, обусловленные в прототипе и двигателях-аналогах размещением насосов внутри баков с целью обеспечения нахождения насосов в постоянно захоложенном состоянии (что необходимо для предотвращения больших суммарных потерь криогенных компонентов топлива на захолаживание двигателя при многократных его включениях).In addition, elimination of the pumps allows eliminating the additional parasitic heat inflows to the cryogenic fuel components in the tanks associated with them in the prototype and analogous engines by placing the pumps inside the tanks in order to ensure that the pumps are in a constantly cold state (which is necessary to prevent large total losses of cryogenic fuel components to cool the engine when it is turned on repeatedly).
Во втором варианте конструкции, так же, как и первом варианте, ЖРД многократного включения содержит КД с рубашкой охлаждения, источник электропитания в виде электрохимической АБ с ЗРУ и ЭХГ на базе батареи ТЭ, баки с жидкими горючим и окислителем, системы подачи топлива с ресиверами горючего и окислителя, рубашка охлаждения КД разделена на секцию охлаждения горючим и секцию охлаждения окислителем, а для подачи каждого компонента топлива из баков в КД используют промежуточный баллон с запорными клапанами на входе и выходе, внутри промежуточного баллона имеется мерная емкость с расширительным соплом и теплообменником, при этом выходы промежуточных баллонов горючего и окислителя соединены с соответствующими ресиверами компонентов топлива и через регуляторы давления соединены с входами в секции рубашки охлаждения КД горючим и окислителем соответственно, кроме этого входы теплообменников промежуточных баллонов горючего и окислителя через запорные клапаны присоединены к выходам соответствующих секций охлаждения КД, а выходы теплообменников промежуточных баллонов горючего и окислителя соединены с соответствующими входами этих компонентов в форсуночную головку КД.In the second version of the design, as well as the first version, the multiple-rocket engine contains a CD with a cooling jacket, an electric power source in the form of an electrochemical battery with a switchgear and ECG based on a TE battery, tanks with liquid fuel and oxidizer, a fuel supply system with fuel receivers and oxidizer, the KD cooling jacket is divided into a fuel cooling section and an oxidizer cooling section, and for supplying each component of fuel from the tanks to the KD, an intermediate cylinder with shut-off valves at the inlet and outlet is used, inside There is a measuring tank with an expansion nozzle and a heat exchanger, while the outputs of the intermediate cylinders of fuel and oxidizer are connected to the corresponding receivers of the fuel components and, through pressure regulators, are connected to the inputs to the sections of the cooling jacket of the fuel and oxidizer, respectively, in addition to the inputs of the heat exchangers of the intermediate cylinders of fuel and oxidizer through the shut-off valves are connected to the outputs of the respective sections of the cooling CD, and the outputs of the heat exchangers of the intermediate cylinders burn it and oxidant are connected to respective inputs of these components in the nozzle head KD.
Этот вариант конструкции ЖРД многократного включения, так же, как и описанный выше первый вариант, для подачи компонентов топлива из баков в КД использует промежуточные баллоны с запорными клапанами на входе и выходе, имеющие внутри мерную емкость с расширительным соплом и теплообменником, что обеспечивает все те же преимущества в сравнении с прототипом [1]. Однако, в отличие от первого варианта, рубашка охлаждения КД здесь состоит из двух раздельных секций (охлаждаемых горючим и окислителем по отдельности), а теплообменник промежуточного баллона окислителя использует в качестве теплоносителя окислитель (а не горючее, как в первом варианте) со своим отдельным источником тепла - секцией рубашки охлаждения КД окислителем. Это позволяет предельно разнести и сделать независимыми контуры подачи компонентов топлива, минимизировав возможность контакта окислителя и горючего внутри двигателя, что обеспечит более высокую надежность и повышенную безопасность его эксплуатации.This embodiment of the multiple-injection rocket engine, as well as the first option described above, uses intermediate cylinders with shut-off valves at the inlet and outlet to supply the fuel components from the tanks to the CD, having an internal measuring tank with an expansion nozzle and a heat exchanger, which provides all of these same advantages in comparison with the prototype [1]. However, unlike the first option, the CD cooling jacket here consists of two separate sections (separately cooled by the fuel and oxidizer), and the heat exchanger of the oxidizer intermediate cylinder uses an oxidizer (rather than fuel, as in the first embodiment) with its own separate source heat - section cooling jacket KD oxidizer. This allows you to maximize the spread and make independent the contours of the supply of fuel components, minimizing the possibility of contact of the oxidizer and fuel inside the engine, which will provide higher reliability and increased safety of its operation.
Предлагаемые технические решения иллюстрируются чертежами, представленными на Фиг.1 - Фиг.3. На Фиг.1 изображена схема первого варианта ЖРД многократного включения (ЖРД №1). На Фиг.2 изображена схема второго варианта ЖРД многократного включения (ЖРД №2). На фиг.3 изображена схема промежуточного баллона с запорными клапанами и с размещенными внутри мерной емкостью с соплом и теплообменником, которая представлена единой как для окислителя и горючего, так и для вариантов ЖРД №1 и №2 (при различных для окислителя и горючего объемах баллонов).The proposed technical solutions are illustrated by the drawings presented in figure 1 - figure 3. Figure 1 shows a diagram of the first embodiment of multiple-engagement rocket engines (LRE No. 1). Figure 2 shows a diagram of a second embodiment of multiple rocket engines (LRE No. 2). Figure 3 shows a diagram of an intermediate cylinder with shut-off valves and with a measuring container located inside the nozzle and heat exchanger, which is the same for both the oxidizer and fuel, and for the variants of the liquid-propellant rocket No. 1 and No. 2 (for different cylinder volumes )
В обоих вариантах (Фиг.1, 2) ЖРД многократного включения содержит ЭХГ 1, электрохимическую аккумуляторную батарею 2 с зарядно-разрядным устройством 3, регуляторы давления окислителя 4 и горючего 5 перед ЭХГ, бак с жидким окислителем 6, бак с жидким горючим 7, систему подачи окислителя с промежуточным баллоном 8, регулятором давления 9, клапанами, трубопроводами и т.п., систему подачи горючего с промежуточным баллоном 10, регулятором давления 11, клапанами, трубопроводами и т.п., ресивер газообразного горючего 12, ресивер газообразного окислителя 13, камеру двигателя 14 с форсуночной головкой 15. В первом варианте (Фиг.1) ЖРД многократного включения имеет единую рубашку охлаждения 16, а во втором варианте (Фиг.2) - рубашку с раздельными секциями охлаждения окислителем 17 и горючим 18.In both versions (Fig. 1, 2), the multiple-rocket engine contains an
На схеме промежуточного баллона (Фиг.3) показаны основной бак с жидким окислителем 6 (или с жидким горючим 7), снабженный заборным устройством 19, промежуточный баллон 8 (или 10) с запорными клапанами на входе 20 и на выходе 21 и расположенная внутри баллона мерная емкость 22 с расширительным соплом 23 и теплообменником 24, имеющим входной 25 и выходной 26 патрубки.The diagram of the intermediate cylinder (Figure 3) shows the main tank with a liquid oxidizing agent 6 (or with liquid fuel 7), equipped with a
В обоих вариантах предлагаемого ЖРД (Фиг.1, 2) промежуточные баллоны окислителя 8 и горючего 10 функционируют одинаковым образом. Рассмотрим их работу на примере баллона окислителя.In both versions of the proposed LRE (FIGS. 1, 2), the intermediate cylinders of the oxidizing
В исходном положении ЖРД начинает работать на газообразных компонентах топлива из ресиверов 12 и 13 (см. Фиг.1, 2); при этом промежуточный баллон 8 (Фиг.3) вакуумирован (т.е. давление рвнутр=0), запорные клапаны 20 и 21 закрыты. Жидкий окислитель находится в основном баке 6 в осажденном положении (у заборного устройства 19 на нижнем днище бака) за счет действия осевой перегрузки от тяги ЖРД.In the initial position, the LRE starts to work on the gaseous components of the fuel from the
При открытии запорного клапана 20 под действием небольшого давления внутри бака 6 (давление рбак≤0,2 МПа) жидкий окислитель вытесняется в мерную емкость 22. После ее заполнения клапан 20 закрывается и на вход теплообменника 25 подается теплоноситель, нагретый в рубашке охлаждения работающего двигателя (горючее из рубашки 16 в варианте ЖРД №1 на Фиг.1 или окислитель из секции 17 рубашки охлаждения в варианте ЖРД №2 на Фиг.2). Под действием подводимого тепла окислитель испаряется и, проходя через расширительное сопло 23 (на Фиг.3), полностью газифицируется, заполняя весь объем промежуточного баллона 8; при этом давление в баллоне 8 быстро возрастает. При достижении рабочего уровня давления в промежуточном баллоне 8 выходной клапан 21 открывается и окислитель поступает из баллона 8 либо в форсуночную головку двигателя 15 в варианте ЖРД №1 (Фиг.1), либо в секцию 17 рубашки охлаждения в варианте ЖРД №2 (Фиг.2), при этом одновременно прекращается поступление в двигатель окислителя из ресивера 13. Двигатель выходит на установившийся режим питания окислителем. Аналогичные и одновременные процессы в промежуточном баллоне горючего 10 завершаются выходом на установившийся режим питания двигателя горючим из баллона 10 и прекращением поступления горючего в двигатель из ресивера 12.When the shut-off
На установившемся режиме работы двигателя производится «зарядка» ресиверов 13 и 12 газообразными окислителем и горючим, осуществляемая путем их выдавливания в ресиверы избыточным внутренним давлением из промежуточных баллонов 8 и 10 соответственно. Корпус промежуточных баллонов 8 и 10 выполняется высоконапорным, способным выдержать внутреннее давление рбалл=40 МПа (с учетом возможных забросов давления при газификации окислителя и горючего). При необходимости интенсивность газификации окислителя и горючего в баллонах 8 и 10 на установившемся режиме работы двигателя может быть снижена путем временного (частичного или полного) прекращения поступления теплоносителя в теплообменники промежуточных баллонов.At a steady engine operating mode, the
С израсходованием порций окислителя и горючего давление в промежуточных баллонах 8 и 10 падает ниже рабочего уровня и двигатель либо выключается, либо переходит на питание из ресиверов горючего 12 и окислителя 13 с дальнейшим повторением описанного выше цикла заправки и работы промежуточных баллонов. Для этого остатки газообразных окислителя и горючего из промежуточных баллонов 8 и 10 эффективно используются (например, частично для подпитки ресиверов вспомогательной ДУ управления полетом РБ, а остальное сбрасывается через осевые сопла, создающие тягу) и полости баллонов вакуумируются с приведением двигателя в исходное состояние.With the use of portions of the oxidizer and fuel, the pressure in the
В обоих вариантах предлагаемого ЖРД, как и в прототипе [1], используется ЭХГ 1 (Фиг.1, 2) на базе ТЭ, работающих на основных компонентах топлива. Подача газообразных компонентов топлива в ЭХГ 1 осуществляется их вытеснением из ресиверов горючего 12 и окислителя 13 под действием внутреннего давления, которое в любой момент времени всегда выше рабочего давления подачи компонентов в ТЭ. Подача окислителя и горючего в ЭХГ 1 осуществляется через регуляторы давления 4 и 5 соответственно. В полете ЭХГ 1 работает непрерывно, подпитывая электрохимическую аккумуляторную батарею 2. Поскольку в обоих вариантах предлагаемого ЖРД состав внутренних потребителей электроэнергии (с устранением компрессора с электроприводом и электронагревателя в ресивере окислителя) сделан предельно минимальным, то основными потребителями электроэнергии, вырабатываемой в ЭХГ, здесь являются бортовые служебные системы разгонного блока. Таким образом, предлагаемый ЖРД выполняет не только собственные функции (как движителя), но и функции энергоустановки РБ в длительном многовитковом полете. Это дает дополнительный эффект, позволяя упростить состав РБ, снизить массу его конструкции и, соответственно, увеличить массу выводимого полезного груза.In both versions of the proposed liquid propellant rocket engine, as in the prototype [1], ECG 1 (Figs. 1, 2) based on fuel cells operating on the main components of the fuel is used. The supply of gaseous components of the fuel in the
Предлагаемый ЖРД позволяет реализовывать те же эффективные многовитковые схемы межорбитальных перелетов (с включениями маршевого двигателя в апсидальных точках промежуточных орбит) и такую же общую продолжительность перелета, что и прототип [1]. Например, здесь реально достижение продолжительности выведения КА с низкой опорной орбиты на ГСО, не превышающей 4…7 суток, что, как минимум, не хуже показателей по оперативности доставки геостационарных КА средствами, традиционными для мировой практики, - верхними ступенями ракет-носителей и апогейными ДУ КА.The proposed rocket engine allows you to implement the same effective multi-turn schemes of interorbital flights (with the main engine in apsidal points of intermediate orbits) and the same total duration of the flight as the prototype [1]. For example, here it is realistic to achieve the spacecraft launch duration from the low reference orbit to the GSO, not exceeding 4 ... 7 days, which is at least no worse than the performance indicators for the delivery of geostationary spacecraft by means traditional for world practice - the upper stages of launch vehicles and apogee DU KA.
При этом оба варианта предлагаемого ЖРД имеют аналогичные с прототипом [1] достоинства. Здесь могут быть реализованы, как минимум, такие же давление в камере сгорания и удельный импульс тяги. Наличие в ЖРД (Фиг.1, 2) ресиверов 12 и 13 обеспечивает простой и надежный многократный его запуск в условиях невесомости на газообразных компонентах топлива, а их полная газификация на установившемся режиме работы - высокую полноту сгорания топлива, малые потери удельного импульса тяги и упрощенное регулирование режимов работы. Для обоих вариантов предлагаемого ЖРД также просто и эффективно решается проблема его унификации как для РБ различной размерности, так и для решения ими различных транспортных задач. Это достигается вариацией числа включений ЖРД - чем выше грузоподъемность используемого носителя (т.е. выше масса орбитального блока) и чем более энергоемка выполняемая транспортная задача, тем больше должно быть число орбитальных витков и число включений двигателя.In this case, both versions of the proposed LRE have similar advantages with the prototype [1]. Here, at least, the same pressure in the combustion chamber and specific impulse of thrust can be realized. The presence in the LRE (Figs. 1, 2) of
Оценка сравнительной (в сравнении с прототипом [1]) энергобаллистической эффективности применения в составе РБ предлагаемого ЖРД многократного включения была проведена применительно к топливу «кислород + водород» на примере задачи доставки КА на ГСО при использовании РН «Союз-2-1б», стартующей с Байконура. Считалось, что оба варианта предлагаемого ЖРД (вариант с единой рубашкой охлаждения и вариант с раздельными секциями рубашки охлаждения горючим и окислителем) имеют одинаковые массогабаритные параметры. Предложен ЖРД, имеющий аналогичные с прототипом [1] характеристики: давление в камере сгорания рк=1,5 МПа, тяга R=750 Н, удельный импульс тяги Iу=4500 м/с при соотношении расходов кислорода и водорода Km=5,0.Evaluation of the comparative (in comparison with the prototype [1]) energy-ballistic efficiency of the use of the proposed multiple-injection rocket engine in the RB was carried out in relation to oxygen + hydrogen fuel using the Soyuz-2-1b launch vehicle as an example of the SC delivery task from Baikonur. It was believed that both versions of the proposed rocket engine (version with a single cooling jacket and the option with separate sections of the cooling jacket for fuel and oxidizer) have the same weight and size parameters. A liquid propellant rocket engine having characteristics similar to the prototype [1] is proposed: pressure in the combustion chamber p k = 1.5 MPa, thrust R = 750 N, specific thrust impulse I y = 4500 m / s with a ratio of oxygen and hydrogen consumption K m = 5 , 0.
Получено, что для прототипа [1] требуемый уровень мощности, генерируемой в ЭХГ 1, составляет Nэл≈1 кВт. Масса ДУ, включая ЖРД многократного включения (без ЭХГ 1, аккумуляторной батареи 2 и зарядно-разрядного устройства 3), рулевые приводы, блоки двигателей управления полетом, получена равной 107 кг, включая массу 83 кг системы подачи топлива. В результате баллистических расчетов получено, что использование РБ с ЖРД-прототипом в комплексе с РН «Союз-2-16» позволяет выводить на ГСО КА массой 1500 кг за время не более 5,7 суток. Общее число включений ЖРД в процессе выведения КА с низкой опорной орбиты на ГСО составило nвкл=40. При этом выработка электроэнергии для питания электропривода компрессора и электронагревателя, газифицирующего жидкий кислород в ресивере, потребовала расхода компонентов топлива в ЭХГ, равного 22,5 кг. Выбросы компонентов топлива из баков через дренажно-предохранительные клапаны (ДПК) здесь приняты нулевыми (с учетом возможности использования компрессора для отсоса из водородного бака излишних паров водорода и возможности использования этих паров для охлаждения бака кислорода).It was found that for the prototype [1] the required level of power generated in
В варианте предложенного ЖРД с промежуточными баллонами (Фиг.1, 2) имеют место аналогичные показатели по времени полета на ГСО, общему числу включений ЖРД и массе выведенного на ГСО орбитального блока. Из расчета на потребление 0,25 кВт бортовыми системами РБ в режиме ожидания (на пассивных участках полета) мощность ЭХГ 1 здесь составила 0,35 кВт, что в ~3 раза меньше, чем в варианте с ЖРД-прототипом. Соответствующее снижение массы системы электроснабжения РБ составило 13 кг. Суммарная масса изымаемых, в сравнении с прототипом [1], элементов системы подачи топлива (пневмонасосов с баллонами-демпферами, компрессора с электроприводом, теплообменника-газификатора кислорода и электронагревателя из ресивера кислорода) составила 47 кг, а суммарная масса добавляемых элементов (промежуточных баллонов 8 и 10 с мерной емкостью, расширительным соплом и теплообменником, а также дополнительных регуляторов давления 9 и 11) составила 46 кг. При этом массы силовых оболочек промежуточных баллонов окислителя 8 (объемом 50 л) и горючего 10 (объемом 100 л) равны, соответственно, 11 кг и 22 кг (по данным исследований, проводимых на предприятии) в предположении, что силовые оболочки выполнены из углепластика исходя из максимального внутреннего рабочего давления, равного рбалл=40 МПа.In the variant of the proposed LRE with intermediate cylinders (Fig.1, 2) there are similar indicators for the flight time on the GSO, the total number of LRE inclusions and the mass of the orbital block displayed on the GSO. Based on the consumption of 0.25 kW onboard RB systems in standby mode (on passive flight sections), the
Для предложенного ЖРД, в сравнении с прототипом, также были оценены и учтены:For the proposed rocket engine, in comparison with the prototype, were also evaluated and taken into account:
- увеличение на 36 кг суммарной массы ресиверов 12 и 13 горючего, обусловленное четырехкратным увеличением массы их разовой «зарядки» компонентами топлива и времени работы (с ~15 до ~60 секунд) для обеспечения не только начального прогрева камеры, но и газификации гарантированного количества компонентов топлива в промежуточных баллонах 8 и 10 для их очередного включения в работу;- an increase of 36 kg in the total mass of the
- дополнительные потери водорода в размере 23,5 кг из-за выбросов через ДПК бака за время полета РБ (в связи с изъятием компрессора из состава двигателя);- additional hydrogen losses in the amount of 23.5 kg due to emissions through the tank’s duct during the flight of the Republic of Belarus (due to the removal of the compressor from the engine);
- снижение массы бака водорода на 32 кг из-за изъятия термодинамической системы (включавшей для прототипа [1] заборное устройство, расширительное сопло и крупногабаритный теплообменник).- a decrease in the mass of the hydrogen tank by 32 kg due to the removal of the thermodynamic system (which included a sampling device, an expansion nozzle, and a large-sized heat exchanger for the prototype [1]).
В целом получено, что для предложенного ЖРД, в сравнении с прототипом [1], имеет место небольшое суммарное уменьшение массы конструкции РБ, составляющее:In General, it was found that for the proposed LRE, in comparison with the prototype [1], there is a small total decrease in the mass of the design of the RB, comprising:
ΔmΣ=-13-47+46+36-32=-10 кг,Δm Σ = -13-47 + 46 + 36-32 = -10 kg,
где ΔmΣ - суммарное уменьшение массы конструкции РБ.where Δm Σ is the total decrease in the mass of the RB structure.
С учетом этого и практически равных непроизводительных потерь топлива у прототипа [1] (из-за увеличенного расхода в ЭХГ 1) и у предлагаемого ЖРД (из-за выбросов через ДПК) можно считать, что предлагаемый ЖРД, как минимум, не уступает прототипу [1] по массе КА, выводимого на ГСО. При этом, как показано выше, предложенный ЖРД обладает такими важными преимуществами, как более высокая надежность, конструктивная простота, низкая стоимость, пониженное электропотребление и улучшенные условия хранения криогенных компонентов топлива благодаря отсутствию встроенных в баки агрегатов двигателя.Given this and almost equal unproductive fuel losses, the prototype [1] (due to the increased consumption in ECG 1) and the proposed LRE (due to emissions through the WPC), we can assume that the proposed LRE, at least, is not inferior to the prototype [ 1] by mass of the spacecraft displayed on the GSO. Moreover, as shown above, the proposed liquid propellant rocket engine has such important advantages as higher reliability, structural simplicity, low cost, reduced power consumption and improved storage conditions for cryogenic fuel components due to the absence of engine assemblies built into the tanks.
Использованная литератураReferences
1. Патент РФ на изобретение №2364742 «Жидкостный ракетный двигатель многократного включения (варианты)». Приоритет 17.04.2008 г., опубл. 20.08.2009 г.1. RF patent for the invention No. 2364742 "Liquid multiple-launch rocket engine (options)". Priority 04/17/2008, publ. 08/20/2009
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011101528/06A RU2447313C1 (en) | 2011-01-18 | 2011-01-18 | Restartable liquid-propellant engine (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011101528/06A RU2447313C1 (en) | 2011-01-18 | 2011-01-18 | Restartable liquid-propellant engine (versions) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2447313C1 true RU2447313C1 (en) | 2012-04-10 |
Family
ID=46031735
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011101528/06A RU2447313C1 (en) | 2011-01-18 | 2011-01-18 | Restartable liquid-propellant engine (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2447313C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2638705C1 (en) * | 2016-05-23 | 2017-12-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Лин Индастриал" | Liquid miscellaneous engine with perfect pneumon pump unit |
RU2641802C2 (en) * | 2013-01-11 | 2018-01-22 | Снекма | System and method for feeding fuel to rocket engine |
RU2642711C2 (en) * | 2013-01-11 | 2018-01-25 | Снекма | Fuel supply circuit and cooling method |
RU2659112C2 (en) * | 2013-08-06 | 2018-06-28 | Снекма | Device for supplying propellant to rocket engine |
RU214360U1 (en) * | 2022-03-15 | 2022-10-25 | Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (АО "ЦНИИмаш") | CRYOGENIC ROCKET TANK WITH LIQUID ROCKET ENGINE |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5027596A (en) * | 1988-07-16 | 1991-07-02 | Erno Raumfahrttechnik Gmbh | High performance propulsion thruster, especially for attitude and orbit control of a space flight body |
US5279484A (en) * | 1992-03-11 | 1994-01-18 | Loral Aerospace Corporation | Manned space vehicle with low-level hydrogen-oxygen-carbon dioxide propulsion unit |
RU2176744C2 (en) * | 1999-08-06 | 2001-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие Конструкторское бюро химавтоматики | Liquid- propellant rocket engine |
RU2197630C1 (en) * | 2002-03-15 | 2003-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша" | Solar heat rocket engine and method of its operation |
RU2364742C1 (en) * | 2008-04-17 | 2009-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Liquid-propellant rocket engine of multiple start-up (versions) |
-
2011
- 2011-01-18 RU RU2011101528/06A patent/RU2447313C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5027596A (en) * | 1988-07-16 | 1991-07-02 | Erno Raumfahrttechnik Gmbh | High performance propulsion thruster, especially for attitude and orbit control of a space flight body |
US5279484A (en) * | 1992-03-11 | 1994-01-18 | Loral Aerospace Corporation | Manned space vehicle with low-level hydrogen-oxygen-carbon dioxide propulsion unit |
RU2176744C2 (en) * | 1999-08-06 | 2001-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие Конструкторское бюро химавтоматики | Liquid- propellant rocket engine |
RU2197630C1 (en) * | 2002-03-15 | 2003-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша" | Solar heat rocket engine and method of its operation |
RU2364742C1 (en) * | 2008-04-17 | 2009-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" | Liquid-propellant rocket engine of multiple start-up (versions) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2641802C2 (en) * | 2013-01-11 | 2018-01-22 | Снекма | System and method for feeding fuel to rocket engine |
RU2642711C2 (en) * | 2013-01-11 | 2018-01-25 | Снекма | Fuel supply circuit and cooling method |
RU2659112C2 (en) * | 2013-08-06 | 2018-06-28 | Снекма | Device for supplying propellant to rocket engine |
RU2638705C1 (en) * | 2016-05-23 | 2017-12-15 | Общество с ограниченной ответственностью "Лин Индастриал" | Liquid miscellaneous engine with perfect pneumon pump unit |
RU214360U1 (en) * | 2022-03-15 | 2022-10-25 | Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (АО "ЦНИИмаш") | CRYOGENIC ROCKET TANK WITH LIQUID ROCKET ENGINE |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9850008B2 (en) | Integrated vehicle fluids | |
US10844808B2 (en) | Rocket engine systems with an independently regulated cooling system | |
CN111005821B (en) | Expansion cycle liquid oxygen methane upper-level engine system | |
US11181076B2 (en) | Rocket engine bipropellant supply system including an electrolyzer | |
US11982249B1 (en) | Integrated vehicle fluids | |
RU2647353C2 (en) | Propellant feed circuit and cooling method | |
US20120156059A1 (en) | Continuous flow thermodynamic pump | |
EP3199792B1 (en) | Device and method for pressurizing and supplying fluid | |
US10717550B1 (en) | Integrated vehicle fluids | |
US20200102101A1 (en) | Integration of fuel cell with cryogenic source for cooling and reactant | |
RU2447313C1 (en) | Restartable liquid-propellant engine (versions) | |
US10371098B2 (en) | Device for pressurizing a propellant tank of a rocket engine | |
CN113404621A (en) | Solid-liquid mixed engine and method for Mars ascending aircraft | |
RU2364742C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine of multiple start-up (versions) | |
RU2492342C1 (en) | Pumpless cryogenic liquid propellant rocket engine (versions) | |
Zegler | An integrated vehicle propulsion and power system for long duration cryogenic spaceflight | |
US11897636B2 (en) | Rocket propulsion system, method, and spacecraft | |
RU2197630C1 (en) | Solar heat rocket engine and method of its operation | |
ES2907280T3 (en) | Turbopump rocket engine having a motor-generator | |
RU2742516C1 (en) | Propulsion system with a rocket engine | |
RU2309092C2 (en) | Orbital filling module | |
RU2773694C1 (en) | Liquid rocket engine powered by cryogenic fuel | |
CN116025485A (en) | Carrier rocket attitude control power system based on electric pump and application method thereof | |
Zhu et al. | Scheme design and assessment of hybrid pump feed system with energy management for throttleable liquid rocket engine | |
Valentian et al. | Low Cost Cryogenic Propulsion Module with Fuel Cell Power Supply |