RU2527500C1 - Устройство для лазерного воспламенения топлива в газогенераторе жидкостного ракетного двигателя - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к ракетно-космической технике. В устройстве для лазерного зажигания газогенератора жидкостного ракетного двигателя, содержащего зоны сжигания и смешения компонентов топлива, содержащем источник электроэнергии, блок накачки с оптическим волокном, по меньшей мере, одну лазерную свечу зажигания с фокусирующей линзой, установленную на форсуночной плите камеры сгорания, имеющей внутреннюю и внешнюю стенки, отличающемся тем, что лазерная свеча зажигания установлена на периферии форсуночной плиты под углом к оси камеры сгорания и выполнена в виде пустотелого стакана, установленного снаружи газогенератора, соединенного металлической втулкой с внутренней полостью газогенератора, внутри стакана установлен, по меньшей мере, один микрочип-лазер, соединенный вакуумной трубкой с фокусирующей линзой на торце, загерметизированной относительно металлической втулки. Угол установки лазерной свечи к огневому днищу составляет от 60 до 80 градусов. Фокусировка лазера может быть выполнена в зоне сжигания компонентов топлива. Внутри каждого стакана установлено средство демпфирования. Средство демпфирования выполнено из материала, имеющего высокую теплопроводность. В качестве средства демпфирования может быть применена металлорезина. Внутри каждого стакана установлен аккумулятор тепла. Аккумулятор тепла выполнен в виде контейнера цилиндрической формы с центральным отверстием, полость которого полностью или частично заполнена теплоаккумулирующим материалом, и установлен концентрично оси стакана. В качестве теплоаккумулирующего материала применен тригидрат ацетата натрия. Фокусирующая линза установлена внутри металлической втулки и углублена в нее относительно внутренней поверхности внутренней стенки огневого днища газогенератора. Величина углубления фокусирующей линзы выполнена такой, что фокусирующая линза установлена внутри стакана, например около его днища. Изобретение обеспечивает повышение надежности устройства зажигания. 10 з.п. ф-лы, 17 ил.

Description

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть использовано для камер жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) многократного запуска, использующих как жидкие, так и газообразные ракетные топлива. Также возможно применение системы для двигателей однократного запуска при их испытаниях на стенде.

Известна система зажигания камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя по патенту РФ на изобретение №24666292, МПК F02K 9/95, опубл. 10.11.2012 г.

Система зажигания камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя содержит систему управления с бортовым компьютером и источником электроэнергии и несколько запальных пиротехнических устройств, установленных на форсуночной плите камеры сгорания.

Недостатками этой системы зажигания является ограниченное количество запусков ЖРД. Спроектировать двигатель с числом запусков более 2…3 проблематично из-за большого веса пиротехнических устройств и невозможности их размещения на головке камеры сгорания.

Известна конструкция ЖРД, работающего на несамовоспламеняющемся топливе, приведенная в [1]. Устройство включает основную камеру сгорания, предкамеру и раздельные линии подачи компонентов топлива в камеру сгорания и в предкамеру. Для воспламенения топлива в предкамере установлена электроискровая свеча.

Способ запуска ЖРД, реализованный в данном устройстве, состоит в следующем. Пусковые порции окислителя и горючего поступают в предкамеру ЖРД. После смешения компонентов до заданного состава, который определяется допустимой температурой в предкамере, смесь воспламеняется от включенной электроискровой свечи. Образующаяся струя продуктов сгорания воспламеняет основной расход топлива, поступающий в камеру сгорания.

Недостатками такого устройства и способа запуска являются:

- обязательное наличие предкамеры, в которой находится устройство воспламенения смеси, что усложняет конструкцию, увеличивает массу и габариты двигателя;

- наличие двух магистралей подачи в двигатель каждого из компонентов топлива;

- использование в качестве источника воспламенения электроискровой свечи, снижающей надежность работы двигателя при многократных включениях, так как в этом случае с попаданием на свечу относительно крупных капель жидких компонентов топлива свеча загрязняется продуктами неполного сгорания топлива в предкамере;

- необходимость подачи отдельной части компонентов в предкамеру с низкой полнотой сгорания топлива (для обеспечения допустимого уровня температур в предкамере), что приводит к снижению полноты сгорания топлива за импульс.

Известна конструкция ракетного двигателя малой тяги (РДМТ) по патенту РФ на изобретение №2400644, МПК F16L 11/08, опубл. 20.12.2010 г., работающего на несамовоспламеняющихся газообразном окислителе и жидком горючем, содержащем камеру сгорания с соплом, смесительную головку с каналами подвода компонентов и тангенциальными каналами для подачи топливной смеси в камеру сгорания с полостью закрутки и устройство воспламенения топливной смеси. Устройством воспламенения топливной смеси служит источник лазерного излучения с узлом ввода и фокусировки, герметично установленным непосредственно на смесительную головку, при этом лазерный луч направлен в осевой канал - зону первоначального воспламенения компонентов в точку фокусировки на поверхности осевого канала, либо в объеме топливной смеси.

Способ запуска такого РДМТ основан на подаче в смесительную головку двигателя горючего и окислителя, при этом весь расход горючего и окислителя подают в зону смешения компонентов с образованием там топливной смеси оптимального для работы двигателя состава. Образовавшуюся топливную смесь закручивают (за счет тангенциального расположения каналов) и подают одновременно в зону основного горения и в зону первоначального воспламенения компонентов топлива - в осевой канал, где полученную смесь воспламеняют путем фокусировки лазерного излучения в область оптического пробоя на поверхности камеры сгорания осевого канала, либо в объеме топливной смеси. Образовавшийся факел продуктов сгорания поджигает топливную смесь в области основного горения.

Недостатком такого устройства и способа запуска РДМТ является то, что устройство предполагает обязательное наличие в смесительной головке тангенциальных каналов, в которых происходит смешение и закрутка топливных компонентов для подготовки топливной смеси к последующему воспламенению, что усложняет конструкцию, а также увеличивает массу и габариты двигателя. К недостаткам способа следует отнести возможность работы только на топливной паре - газообразный окислитель и жидкое горючее.

Технической задачей, на решение которой направлена группа изобретений, является обеспечение надежного многократного воспламенения топлива в камере ЖРД или газогенератора, снижение массогабаритных характеристик системы зажигания, снижение массогабаритных характеристик ЖРД или газогенератора, упрощение процедуры поджига камеры, а также возможность работы ЖРД или газогенератора как на жидких, так и на газообразных несамовоспламеняющихся компонентах топлива.

Известно устройство для воспламенения топлива в газогенераторе ЖРД по патенту РФ №2179256, МПК F02K 9/64, опубл. 10.02.2002 г.

Это устройство предназначено для воспламенения топлива в газогенераторе двигателя НК 33 и содержит ампулу химического зажигания, установленную в патрубке горючего.

Недостатки - одноразовое действие системы зажигания и сложность конструкции.

Известна система зажигания газогенератора по патенту РФ на изобретение №2468240, МПК F02K 9/95, опубл. 27.11.2012 г., прототип.

Лазерное устройство воспламенения компонентов топлива по этому патенту состоит из малогабаритного источника лазерного излучения с узлом ввода и фокусировки. При этом узел ввода и фокусировки излучения выполнен таким образом, что он обеспечивает фокусировку лазерного излучения на элемент внутренней поверхности камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя или газогенератора или в ее объем. Узел может быть герметично установлен непосредственно на смесительную головку или на боковую поверхность камеры сгорания. Кроме того, устройство снабжено дополнительно, по крайней мере, одним малогабаритным источником лазерного излучения с узлом ввода и фокусировки, а также мишенью, устанавливаемой в камере сгорания в области фокусировки лазерного излучения. Способ запуска камеры жидкостного ракетного двигателя или газогенератора с лазерным устройством воспламенения компонентов топлива основан на подаче компонентов топлива и воспламенении топливной смеси путем подачи лазерного излучения и его фокусировки в область оптического пробоя, при этом весь расход окислителя и горючего подают непосредственно в зону горения, где осуществляют их воспламенение при соотношении компонентов, достаточном для воспламенения топливной смеси. Изобретение обеспечивает повышение надежности многократного воспламенения топлива в камере жидкостного ракетного двигателя или газогенератора, снижение массогабаритных характеристик системы зажигания, снижение массогабаритных характеристик жидкостного ракетного двигателя или газогенератора.

Недостатки этой системы зажигания следующие:

- недостаточное охлаждение лазерной свечи,

- отсутствие механизмов противодействия вибрациям,

- вероятность загрязнения фокусирующего объектива продуктами сгорания и тем самым невозможность многоразового запуска ЖРД.

Задачей создания изобретения является повышение надежности устройства зажигания.

Решение указанных задач достигнуто в устройстве для лазерного воспламенения топлива в газогенераторе жидкостного ракетного двигателя, содержащего камеру с зонами сжигания и смешения компонентов топлива, содержащее блок накачки с оптическим волокном, по меньшей мере, одну лазерную свечу зажигания с фокусирующей линзой, установленную на огневом днище камеры, при этом лазерная свеча зажигания установлена на периферии форсуночной плиты под углом к оси камеры сгорания и выполнена в виде пустотелого стакана, установленного снаружи газогенератора, соединенного металлической втулкой с внутренней полостью газогенератора, внутри стакана установлен, по меньшей мере, один микрочип-лазер, соединенный вакуумной трубкой с фокусирующей линзой на торце, загерметизированной относительно металлической втулки. Угол установки лазерной свечи к огневому днищу составляет от 60 до 80 градусов. Фокусировка лазера выполнена в зоне сжигания компонентов топлива. Внутри каждого стакана установлено средство демпфирования. Средство демпфирования выполнено из материала, имеющего высокую теплопроводность. В качестве средства демпфирования применена металлорезина. Внутри каждого стакана установлен аккумулятор тепла. Аккумулятор тепла выполнен в виде контейнера цилиндрической формы с центральным отверстием, полость которого полностью или частично заполнена теплоаккумулирующим материалом, и установлен концентрично оси стакана. В качестве теплоаккумулирующего материала применен тригидрат ацетата натрия. Фокусирующая линза установлена внутри металлической втулки и углублена в нее относительно внутренней поверхности огневого днища газогенератора. Фокусирующая линза углублена таким образом, что находится внутри стакана, например около днища стакана.

.

Сущность изобретения поясняется на чертежах фиг.1…17, где

- на фиг.1 приведена упрощенная схема газогенератора ЖРД,

- на фиг.2 приведен вид А,

- на фиг.3 приведено температурное поле в газогенераторе,

- на фиг.4 - схема лазерной свечи с демпфирующим устройством,

- на фиг.5 приведена схема лазерной свечи с демпфирующим устройством и аккумулятором тепла,

- на фиг.6 приведен первый вариант углубления фокусирующей линзы,

- на фиг.7 приведен второй вариант углубления фокусирующей линзы,

- на фиг.8 приведен чертеж газогенератора,

- на фиг.9 приведен разрез В-В,

- на фиг.10 приведен разрез С-С,

- на фиг.11 приведен внешний вид демпфирующего устройства,

- на фиг.12 приведен чертеж демпфирующего устройства,

- на фиг.13 приведен внешний вид аккумулятора тепла,

- на фиг.14 приведен чертеж аккумулятора тепла,

- на фиг.15 приведена фотография газогенератора двигателя НК33, для которого выполнен проект,

- на фиг.16 приведен разрез D-D,

- на фиг.17 приведена соединения лазерных свечей с микрочипами лазера.

Жидкостный ракетный двигатель - ЖРД (фиг.1…17) содержит камеру сгорания, турбонасосный агрегат (которые не показаны) и, по меньшей мере, один газогенератор 1.

Газогенератор 1 предназначен для сжигания компонентов топлива, при этом один из них является избыточным компонентом, а второй - дополнительным компонентом.

В свою очередь, газогенератор 1 содержит (фиг.1) головку 2, камеру 3, распределитель избыточного компонента 4, установленный вдоль оси камеры 3.

Камера 3 содержит две зоны: зону горения 5 и зону смешения 6. Первая из них предназначена для сгорания двух компонентов при оптимальном соотношении, а вторя - для подмешивания избыточного компонента.

Головка 2 содержит переднее днище 7 с патрубком подвода дополнительного компонента 8, среднее днище 9, огневое днище 10, форсунки избыточного компонента 11, форсунки дополнительного компонента 12. Между передним 7 и средним 9 днищами образована полость 13 для подвода дополнительного компонента к форсункам дополнительного компонента 12, а между огневым днищем 10 и средним днищем 9 образована полость 14 для подвода избыточного компонента к форсункам избыточного компонента 11. В среднем днище 9 выполнены пазы 15 для подвода избыточного компонента в полость 14.

Камера 3 газогенератора 1 содержит наружный корпус 16 и внутреннюю оболочку 17, между которыми имеется зазор 18 для прохода избыточного компонента.

На распределителе избыточного компонента 4 выполнены отверстия 19 для подачи избыточного компонента в зону смешения 6. Вдоль оси камеры 3 выполнен патрубок избыточного компонента 20.

На головке 2 установлена, по меньшей мере, одна свеча лазерного зажигания 21 (фиг.1), которая выполнена в виде стакана 22 с полостью 23, в которой установлен микрочип-лазер 24.

Наиболее распространенные типы лазерных кристаллов для лазеров на микрочипах являются: Nd:YAG и Nd:YVO₄ с длиной волны в диапазоне от 1-1,3 мкм, в исключительных случаях 0,95 мкм. Спектральный диапазон излучения достаточно широкий из-за короткой длины резонаторной области. Конструктивно лазер может быть выполнен с использованием еще одного элемента, который располагается между активной средой и торцами зеркал. Например, это может быть нелинейный кристалл, который используется как электрооптический модулятор для добротности или внутрирезонаторного удвоения частоты; также может быть использована нелегированная прозрачная пластина для увеличения мощности или эффективной площади. Лазеры на микрочипах с пассивной модуляцией добротности позволяют создавать частоту импульса свыше 100 кГц, а иногда даже нескольких мегагерц. При очень низких временах импульса пиковая мощность такого лазера может составлять несколько киловатт. Для воспламенения компонентов топлива в газогенераторе может понадобиться мощность, в несколько раз превышающая мощность запальных устройств камеры сгорания. Это обусловлено двумя причинами: применением криогенных компонентов топлива и неоптимальным соотношением компонентов топлива.

Полость 23 стакана 22 соединена металлической втулкой 25 с зоной горения 5. Внутри металлической втулки 25 установлена вакуумная трубка 26 с фокусирующей линзой 27 на конце. Другой конец вакуумной трубки 26 соединен с микрочип-лазером 24. Микрочип-лазер 24 оптическим волокном 28 соединен с блоком накачки 29. Блок накачки 29 электрической связью 30 соединен с блоком управления 31.

Более подробно конструкция лазерной свечи показана на фиг.4 и 5. Лазерная свеча 21 (фиг.4) содержит стакан 22, который, в свою очередь, содержит цилиндрический корпус 32 и днище 33. На днище 33 выполнен резьбовой участок 34 и отверстие 35 для прохода вакуумной трубки 26, которая уплотнена уплотнениями 36. Сверху стакан 22 закрыт заглушкой 37, имеющей осевое отверстие 38 для вывода оптического волокна 28, которое уплотнено уплотнением 39, поджато гайкой 40 с центральным отверстием 41. Заглушка 37 уплотнена относительно стакана 22 уплотнением 42

Микрочип-лазер 24 и вакуумная трубка 26 установлены внутри средства демпфирования 43 (фиг.4), которое выполнено из метеллорезины и содержит внутреннюю полость 44 и отверстие 45.

В качестве средства демпфирования 43, с учетом ранее сказанного, целесообразно применить цилиндрическую деталь, выполненную из металлорезины (фиг.11 и 12). Металлорезина - это материал, полученный из неплотно спрессованной стальной проволоки небольшого диаметра. Обычно материал проволоки - нержавеющая сталь. Металлорезина, кроме хороших демпфирующих свойств и стойкости при высоких температурах, обладает высокой теплопроводностью и хорошими теплоаккумулирующими свойствами.

Возможно, для повышения теплопроводности, кроме стальной проволоки, в состав металлорезины добавить 20% - 50% (по весу) медной проволоки. Это не ухудшит амортизирующих свойств демпфирующего устройства, зато в несколько раз увеличит его теплопроводность.

Кроме того, возможна установка внутри стакана 22 аккумулятора тепла 46, который может быть выполнен (фиг.5, 13 и 14) в виде контейнера 47 с внутренним каналом 48 и полостью 49, которая заполнена теплоаккумулирующим веществом 50. Контейнер 47 имеет заправочное отверстие 51, заглушенное пробкой 52.

Применение аккумулятора тепла 46 (фиг.5) позволит в течение 100…200 с (время работы ЖРД) отводить тепло от микрочип-лазера 24 и от вакуумной трубки 26, так как теплоаккумулирующее вещество в момент запуска ЖРД имеет температуру окружающей среды и сохраняет ее достаточно долго. Тепловой поток, передаваемый из камеры газогенератора при его работе нагреет аккумулятор тепла на несколько десятков градусов, т.е. будет выполнять роль охлаждающего устройства.

В качестве теплоаккумулирующего вещества 50 должен быть использован материал, имеющий максимальные удельные (на ед. массы) теплоемкость, теплопроводность и теплоту фазового перехода. Кроме того, плотность вещества должна быть достаточно большой, так объем контейнера 47 ограничен, а эффективность аккумулятора тепла 46 зависит и от его массы. Поэтому целесообразно применять жидкости или твердые вещества.

Теплоаккумулирующее вещество 50, это как отмечалось выше, материал, который имеет высокую теплоемкость и высокую удельную теплоту фазового перехода. Примером такого материала может служить тригидрат ацетата натрия.

Теплофизические свойства этого материала:

- теплота плавления 220 кДж/кг,

- теплоемкость твердой фазы 2 кДж/кг,

- теплоемкость жидкой фазы 2, 8 кДж/кг.

Теплоаккумулирующее вещество 50 может быть предварительно охлаждено.

Подробное описание газогенератора

Подробное описание газогенератора двигателя НК 33 позаимствовано из патента РФ на изобретение №2179256, МПК F02К 9/64, опубл. 10.02.2002 г.

Распределитель избыточного компонента 4, расположенный по оси газогенератора 1 (фиг.8…10), содержит цилиндр 53 с полостью избыточного компонента 54, смесительные элементы 55 и 56 в виде полых цилиндров 57, закрытых шатровыми головками 58 и перфорированных отверстиями 59. Перед каждым смесительным элементом 55 и 56 выполнены отверстия 19. Смесительные элементы 55 и 56 расположены в шахматном порядке, а их высота уменьшается по потоку газа.

Между огневым днищем 10 и смесительными элементами 55 и 56 могут быть расположены радиальные перфорированные пластины 60 с каналами 61 подачи избыточного компонента из полости 14 в полость камеры 3 газогенератора 1.

Распределитель избыточного компонента 4 закрыт днищем 62 в виде усеченного конуса, обращенного вершиной в сторону огневого днища 10, а в месте перехода цилиндра в днище и в вершине конуса выполнены отверстия 63 и 64.

На головке 2 под углом α к оси газогенератора 1 установлена, по меньшей мере, одна свеча лазерного зажигания 21. Угол установки лазерной свечи зажигания 21 острый, т.е. меньше 90°. Наиболее оптимальный диапазон угла установки относительно продольной оси газогенератора 1 α=10…30°.

Лазерные свечи 21 установлены в резьбовых втулках 65, которые при помощи сварочного шва 66 приварены к головке 2. (фиг.6, 7 и 15).

Доказательство оптимальности угла установки лазерной свечи

При углах установки α более 30° будет затруднена фокусировка лазерного луча в зоне горения и возможна его фокусировка на распределителе избыточного компонента 4 и прогар стенки последнего. При углах установки менее 10° фокусировка луча лазера окажется в пристенном слое, имеющем неоптимальное соотношение компонентов топлива (Угол установки свечей лазерного зажигания относительно огневого днища 10 составит от 60 до 80°).

Свечи лазерного зажигания 21 установлены на периферии огневого днища 10 для исключения воздействия на них высоких температур (фиг.3), т.е. в зоне пристенного слоя.

Пристенный слой - это газовый слой в камере сгорания, находящийся в непосредственной близости от стенки камеры, и состоящий преимущественно из паров горючего. Однако иногда для этих целей используют и окислитель. Для организации такого слоя по периферии смесительной головки устанавливаются только форсунки горючего. Ввиду избытка горючего и недостатка окислителя химическая реакция горения в пристенном слое происходит гораздо менее интенсивно, чем в центральной зоне камеры. В результате температура пристенного слоя оказывается значительно ниже, чем температура в центральной зоне камеры, и он изолирует стенку камеры от непосредственного контакта с наиболее горячими продуктами горения. Все это относится и к камерам сгорания и к газогенераторам.

В дальнейшем приведен конкретный пример устройства для конкретного двигателя НК-33, имеющего высокие удельные характеристики и надежность.

В газогенераторе двигателя НК 33 в качестве избыточного компонента использован окислитель - жидкий кислород, а в качестве дополнительного компонента - горючее - керосин.

В дальнейшем приведен пример с пятью свечами лазерного зажигания 21 по числу радиальных перфорированных пластин 60. Однако для осуществления воспламенения достаточно одной свечи лазерного зажигания 21, а дублирование элементов системы воспламенения позволяет повысить надежность запуска ЖРД

Для предотвращения загрязнения фокусирующей линзы 27 и улучшения ее охлаждения фокусирующая линза 27 углублена относительно огневого днища 10 (Фиг.6)

Возможно углубление фокусирующей линзы 27 таким образом, что она будет установлена внутри стакана 22, например, около его днища 33 (фиг.7). В этом случае она менее всего будет подвержена действию высоких температур.

Количество свечей лазерного зажигания 21 может соответствовать числу радиальных перфорированных пластин 60 (фиг.16), а выходные отверстия 67 металлических трубок 25 находятся между радиальными перфорированными пластинами 60 и на периферии огневого днища 10.

ПОДГОТОВКА ДВИГАТЕЛЯ К ЗАПУСКУ

Перед работой свечи лазерного зажигания 21 устанавливают в резьбовые втулки 65 (фиг.15). Если это предусмотрено технологией предварительно захолаживают теплоаккумулирующее вещество 50 при помощи криостата. (На фиг.1…17 криостат и система захолаживания не показана).

РАБОТА ГАЗОГЕНЕРАТОРА

При работе газогенератора, например, в составе ЖРД, установленного на ракете-носителе, дополнительный компонент через патрубок 8 поступает в полость 13 головки 2, откуда через форсунки дополнительного компонента 12 распыленным подается в зону горения 5 камеры 3. Избыточный компонент через патрубок 20 поступает по пазам 15 в полость 14, откуда по форсункам избыточного компонента 11 в распыленном виде подается в зону горения 5 камеры 3 и частично по зазору 18 поступает на охлаждение внутренней оболочки 17. Большая часть избыточного компонента поступает в полость 54 (фиг.8) распределителя избыточного компонента 4, откуда по смесительным элементам 55 и 56 через отверстия 59 поступает в поток горячего газа, идущий со стороны головки 2. Часть избыточного компонента из полости 54 поступает в поток по каналам 61 в радиальных перфорированных пластинах 60. Этим обеспечивается равномерная раздача избыточного компонента по всему сечению камеры 3 и равномерное его перемешивание с потоком горячего газа на коротком по длине участке. Коническое днище 62 распределителя избыточного компонента 4 обеспечивает плавный поворот потока избыточного компонента в полости 54 от осевого направления в радиальное, (в смесительные элементы 55 и 56) Часть избыточного компонента, поступающая через отверстия 63 и 64 в зону за днищем 62, сдувает зону завихрения за днищем 62. Радиальные перфорированные пластины 60 делят полость камеры 3, точнее ее зону горения 5 в районе головки 2 на ряд полостей, что препятствует распространению вибрационного горения из одной из этих полостей друг в друга и далее в камеру сгорания.

Воспламенение компонентов топлива происходит в точке «Ф», на которую сфокусирована фокусирующая линза 27. (фиг.1) При этом точка «Ф» должна обязательно находиться в зоне горения 5, т.е. соотношение компонентов топлива оптимально и для воспламенения и для горения. Кроме того, точка «Ф» должна находиться вне пристеночного слоя. Это обусловлено тем, что соотношение компонентов в пристеночном слое не оптимально и возможен прожиг внутренней оболочки 17 камеры 3. В то же время, выходные отверстия металлических трубок 25 должны находиться на периферии огневого днища 10, максимально близко к внутренней оболочке 17, и выходить только в пристеночный слой (фиг.16), для исключения воздействия на оптику свечи лазерного зажигания 21 высоких температур, порядка 3500…4000°С, которые возникают в зоне горения 5 газогенератора 1.

Конструкция известного газогенератора 1 (примененного на двигателе НК 33 (Российской разработки)) позволит обеспечить перемешивания на коротком участке, уменьшить длину газогенератора 1 и уменьшить его вес, а применение лазерного зажигания сделает его многоразовым.

Предложенное техническое решение может использоваться и для газогенераторов другой конструкции, но в любом случае должны быть применены мероприятия по исключению воздействия на оптику и электронику высоких температур и по предотвращению отложения твердых частиц продуктов сгорания на фокусирующей линзе.

Как упоминалось ранее, особое внимание при проектировании устройства для лазерного воспламенения топлива уделено его защите:

- от высоких температур внутри газогенератора особой компоновкой свеч лазерного зажигания и применение их охлаждения с использованием хладоресурса одного их компонентов топлива и аккумулятора тепла,

- от отложения твердых частиц неполного сгорания на фокусирующей линзе, ее удалением из зоны горения

- от огромных вибронагрузок, действующих на газогенератор применением демпфирующего устройства,

Охлаждение ответственных деталей свечи (свеч) лазерного зажигания 21 осуществляется следующим образом.

Избыточный компонент топлива проходит в полости 14 и в зазоре 18, охлаждая внутреннюю оболочку 17 камеры 3, огневое днище 10, металлическую втулку 25 с установленной в ней вакуумной трубкой 26 и фокусирующую линзу 27.

Применение уплотнения 42 позволит выдержать давление 250…400 атм в камере 2. Применение аккумулятора тепла 46 позволит в течение 100…200 с отводить тепло от микрочип-лазера 24, а средство демпфирования 43 предотвратит разрушение микрочип-лазера 24 и вакуумной трубки 26 из-за вибраций.

Применение изобретения позволит:

- неоднократно запускать ЖРД и в полете и при стендовых испытаниях без очистки фокусирующей линзы лазерной свечи зажигания, при этом уменьшение загрязнения линзы достигнуто углублением ее внутрь металлической трубки на определенное расстояние.

- повысить надежность устройства воспламенения топлива и запуска ЖРД за счет расположения лазерной свечи в зоне минимальных температур, улучшения охлаждения его оптической части, применением наклонного расположения лазерной свечи относительно оси камеры сгорания (огневой плиты), применения амортизирующего устройства выполненного из теплопроводного материала и установленного концентрично с ним аккумулятора тепла, который отбирает тепло от вакуумной трубки и микрочипа лазера.

Источники информации

1. «Конструкции и проектирование жидкостных ракетных двигателей». Под. ред. Г.Г. Гахуна, М., Машиностроение, 1989, стр.77, рис.4.7.

Claims (11)

1. Устройство для лазерного воспламенения топлива в газогенераторе жидкостного ракетного двигателя, содержащего камеру с зонами сжигания и смешения компонентов топлива, содержащее блок накачки с оптическим волокном, по меньшей мере, одну лазерную свечу зажигания с фокусирующей линзой, установленную на огневом днище камеры, отличающееся тем, что лазерная свеча зажигания установлена на периферии форсуночной плиты под углом к оси камеры сгорания и выполнена в виде пустотелого стакана, установленного снаружи газогенератора, соединенного металлической втулкой с внутренней полостью газогенератора, внутри стакана установлен, по меньшей мере, один микрочип-лазер, соединенный вакуумной трубкой с фокусирующей линзой на торце, загерметизированной относительно металлической втулки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол установки лазерной свечи к огневому днищу составляет от 60 до 80 градусов.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что фокусировка лазера выполнена в зоне сжигания компонентов топлива.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что внутри каждого стакана установлено средство демпфирования.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что средство демпфирования выполнено из материала, имеющего высокую теплопроводность.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве средства демпфирования применена металлорезина.

7. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что внутри каждого стакана установлен аккумулятор тепла.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что аккумулятор тепла выполнен в виде контейнера цилиндрической формы с центральным отверстием, полость которого полностью или частично заполнена теплоаккумулирующим материалом, и установлен концентрично оси стакана.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что в качестве теплоаккумулирующего материала применен тригидрат ацетата натрия.

10. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что фокусирующая линза установлена внутри металлической втулки и углублена в нее относительно внутренней поверхности огневого днища газогенератора.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что фокусирующая линза углублена таким образом, что находится внутри стакана, например около днища стакана.

Images