RU2538190C1

RU2538190C1 - Power pack of reaction control system of flight vehicle

Info

Publication number: RU2538190C1
Application number: RU2013145740/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Морозов; Михаил Владимирович Мальцев; Владимир Александрович Панченко; Алексей Геннадиевич Яковлев
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-01-10

Abstract

FIELD: motors and pumps.

SUBSTANCE: power pack comprising the tanks with circuits 1, 2, boosting system 3, gas-producer 4 with ignition device 5 for transforming of liquid cryogenic oxidant into gaseous oxidant with preset temperature and storage receiver 6 for gaseous oxidants as a fuel for motor units 7, contains the heat exchanger 8 for transforming of liquid cryogenic fuel into gaseous fuel with heating up to preset temperature comprised by heat transfer path into the circuit downstream the gas-producer 4, by the heat receiving path - into the circuit for supply of cryogenic liquid fuel, storage receiver 9 for gaseous combustible fuel for power supply of motor units 7, comprised in the circuit downstream the heat receiving path of the heat exchanger 8, gas liquid mixer 10, comprised in the circuit between the output of the heat receiving path of the heat exchanger 8 and input of the storage receiver 6 for gaseous oxidants, meanwhile the fluid input of the mixer 10 is connected with the circuit of liquid oxidant supply to the gas-producer through the pipeline 11 with the adjusting throttle washer 12 installed.

EFFECT: improvement of reliability of power packs of reaction control systems using liquid cryogenic fuels.

1 dwg

Description

Изобретение относится к ракетно-космической технике и может быть применено в конструкциях систем питания импульсных ракетных двигателей двигательных установок, использующих жидкие криогенные компоненты топлива и предназначенных для реактивных систем управления (РСУ) летательных аппаратов (ЛА).The invention relates to rocket and space technology and can be used in the design of power systems for pulsed rocket engines of propulsion systems using liquid cryogenic fuel components and intended for reactive control systems (DCS) of aircraft (LA).

Требуемые системой управления ЛА динамические характеристики управляющих импульсов тяги двигательных установок РСУ невозможно обеспечить при подаче в двигатели жидких криогенных компонентов топлива, так как это связано со значительной задержкой их воспламенения, обусловленной низкими температурами воспламеняемой смеси из-за низких температур компонентов и затрат тепла в начальной стадии процесса воспламенения на их испарение; приемлемая динамика импульсных двигателей может быть обеспечена лишь при использовании таких компонентов в газообразном состоянии.The dynamic characteristics of the control impulses of the thrust of the RSU propulsion systems required by the aircraft control system cannot be ensured when liquid cryogenic fuel components are supplied to the engines, since this is associated with a significant delay in their ignition due to the low temperatures of the flammable mixture due to the low temperatures of the components and the heat consumption in the initial stage the process of ignition for their evaporation; acceptable dynamics of pulsed motors can be ensured only by using such components in a gaseous state.

Известна двигательная установка, использующая газообразные компоненты топлива с подачей их в двигатели из баллонов высокого давления (заявка на изобретение №2011143826/06 от 28.10.2011, по которой принято решение о выдаче патента на изобретение от 7.02.2013).Known propulsion system that uses gaseous fuel components with their supply to the engine from high pressure cylinders (application for invention No. 20111143826/06 of 10/28/2011, which decided to grant a patent for the invention of 02/07/2013).

Особенностью такой двигательной установки (ДУ) является ее относительно большая масса вследствие больших объемов баллонов высокого давления, предназначенных для хранения газообразных компонентов топлива, что практически исключает ее использование при больших запасах топлива, характерных, например, для ДУ РСУ возвращаемых ракетных блоков.A feature of such a propulsion system (DU) is its relatively large mass due to the large volumes of high-pressure cylinders intended for storing gaseous fuel components, which practically excludes its use for large fuel reserves, which are typical, for example, for DOCs of returned missile units.

Известна принятая за прототип предлагаемого изобретения ДУ РСУ такого возвращаемого блока - многоразового орбитального корабля (МОК) «Буран» (см. книгу Многоразовый орбитальный корабль «Буран», Москва, Машиностроение, 1995 г. раздел 5, стр.195…214).Known adopted for the prototype of the proposed invention, the remote control system of such a returned unit - the reusable orbiter (IOC) “Buran” (see the book The reusable orbiter “Buran”, Moscow, Mechanical Engineering, 1995, section 5, page 195 ... 214).

В ДУ РСУ МОК «Буран», использующей криогенный компонент топлива - жидкий кислород - в качестве окислителя и в качестве горючего - керосин - предусмотрена система преобразования жидкого кислорода в газообразный посредством процессов сжигания части расхода кислорода с керосином в газогенераторе с испарением остального кислорода за счет образовавшегося в процессе горения тепла при общем соотношении расходов кислорода и керосина 70…100, что обеспечивает образование газообразных окислительных продуктов газогенерации с температурой, приемлемой для элементов конструкции (не более 800°C).The system of conversion of liquid oxygen to gaseous through the processes of burning part of the flow of oxygen with kerosene in a gas generator with the evaporation of the remaining oxygen due to the formed oxygen is provided in the remote control system of the Buran IOC using a cryogenic fuel component - liquid oxygen - as an oxidizing agent and as fuel - kerosene. in the process of heat combustion with a general ratio of oxygen and kerosene consumption of 70 ... 100, which ensures the formation of gaseous oxidative products of gas generation with temperature, accept for mine construction elements (no more than 800 ° C).

Горючее ДУ РСУ МОК «Буран» - керосин - содержит достаточный запас тепла, обеспечивающий в начальной стадии воспламенения высокую температуру смеси в камерах импульсных двигателей, которая инициирует высокую скорость предпламенных реакций в процессе воспламенения (кинетическая стадия реакции) и, следовательно, малую задержку воспламенения смеси, что допускает использование этого горючего в качестве компонента топлива импульсного двигателя.The fuel ДУ RSU MOK “Buran” - kerosene - contains a sufficient heat reserve, which ensures in the initial stage of ignition a high temperature of the mixture in the chambers of pulsed engines, which initiates a high rate of pre-flame reactions during the ignition process (kinetic reaction stage) and, therefore, a small delay in ignition of the mixture that allows the use of this fuel as a component of the fuel of a pulsed engine.

В случае применения 2-х жидких криогенных компонентов топлива ДУ РСУ для уменьшения задержки воспламенения в камерах импульсных двигателей необходимо преобразование в газообразный компонент топлива импульсных двигателей не только жидкого криогенного окислителя, как в прототипе, но и жидкого криогенного горючего, только так возможно обеспечить приемлемые динамические характеристики импульсных двигателей такой ДУ РСУ.In the case of using 2 liquid cryogenic fuel components, remote control systems to reduce the ignition delay in the chambers of pulsed engines, it is necessary to convert into the gaseous component of the fuel of pulsed engines not only a liquid cryogenic oxidizer, as in the prototype, but also liquid cryogenic fuel, it is only possible to provide acceptable dynamic characteristics of pulse motors of such a remote control system.

Однако преобразование жидкого криогенного горючего в газообразное по способу прототипа (посредством газогенератора) в случае применения углеводородных горючих, таких как, например, метан, сопровождается выделением твердой фазы (сажи) в газообразных продуктах газогенерации при необходимых для получения низкотемпературного газообразного горючего низких соотношениях расходов жидких компонентов топлива в газогенераторе (для метана величина Кгг≤0,3). Образовавшаяся при газогенерации твердая фаза, накапливаясь в трактах питания двигателей газообразным горючим, может привести к существенным изменениям гидравлических характеристик трактов и, как следствие, отклонениям основных параметров двигателей, например соотношения расходов газообразных компонентов топлива в камере, потерям герметичности клапанов двигателей, нарушению охлаждения камер, и, в итоге, к нарушению работоспособности и даже разрушению материальной части, например к прогару камер двигателей. В целом возможность развития указанных негативных явлений существенно снижает надежность ДУ РСУ, реализующей преобразование жидкого криогенного углеводородного горючего в газообразный компонент топлива двигателей способом прототипа - газогенерацией, что является ее основным недостатком.However, the conversion of liquid cryogenic fuel to gaseous according to the method of the prototype (by means of a gas generator) in the case of the use of hydrocarbon fuels, such as, for example, methane, is accompanied by the release of a solid phase (soot) in gaseous products of gas generation when low flow rates of liquid components are necessary to obtain low-temperature gaseous fuel fuel in the gas generator (for methane, the value is Kg≤0.3). The solid phase formed during gas generation, accumulating in the engine gas supply paths with gaseous fuel, can lead to significant changes in the hydraulic characteristics of the paths and, as a result, deviations of the main engine parameters, for example, the ratio of the gaseous components of the fuel in the chamber, loss of tightness of the engine valves, impaired cooling of the chambers, and, as a result, to impaired performance and even destruction of the material part, for example, burnout of engine chambers. In general, the possibility of developing these negative phenomena significantly reduces the reliability of the remote control system, which implements the conversion of liquid cryogenic hydrocarbon fuel into the gaseous component of engine fuel by the prototype method - gas generation, which is its main drawback.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение надежности ДУ РСУ, использующих жидкие криогенные компоненты топлива, в том числе криогенное углеводородное горючее. Этот результат обеспечивается тем, что ДУ РСУ, включающая магистрали подачи жидких криогенных компонентов топлива, импульсные ракетные двигатели, использующие газообразные компоненты топлива, окислительный газогенератор-преобразователь жидкого криогенного окислителя в газообразный с заданной температурой, ресивер-накопитель газообразного окислителя для питания двигателей, содержит теплообменник-испаритель для преобразования жидкого криогенного горючего с нагревом его до заданной температуры, включенный теплопередающим трактом в магистраль на выходе газогенератора, теплопринимающим трактом - в магистраль подачи криогенного жидкого горючего, ресивер-накопитель газообразного горючего для питания импульсных двигателей, включенный в магистраль на выходе теплопринимающего тракта теплообменника; газожидкостный смеситель, включенный в магистраль между выходом теплопринимающего тракта теплообменника и входом в ресивер - накопитель газообразного окислителя, при этом жидкостный вход смесителя сообщен с магистралью подачи жидкого окислителя в газогенератор трубопроводом с установленной в нем регулирующей дроссельной шайбой (статическим дросселем).The present invention is aimed at improving the reliability of remote control systems using liquid cryogenic fuel components, including cryogenic hydrocarbon fuel. This result is ensured by the fact that the remote control system of the DCS, including the supply lines for liquid cryogenic fuel components, pulsed rocket engines using gaseous fuel components, an oxidizing gas generator-converter of a liquid cryogenic oxidizer into a gaseous with a given temperature, a receiver-accumulator of a gaseous oxidizer for powering engines, contains a heat exchanger - an evaporator for converting liquid cryogenic fuel with heating it to a predetermined temperature, turned on by a heat transfer path to the line at the outlet of the gas generator, the heat-receiving path - to the line for supplying cryogenic liquid fuel, the receiver-accumulator of gaseous fuel for powering pulse engines, included in the line at the outlet of the heat-receiving path of the heat exchanger; a gas-liquid mixer included in the line between the output of the heat-receiving path of the heat exchanger and the input to the receiver - the gaseous oxidizer storage ring, while the liquid inlet of the mixer is connected to the supply line of the liquid oxidizer to the gas generator by a pipe with a regulating throttle washer (static choke) installed in it.

Такое исполнение ДУ РСУ обеспечивает преобразование жидкого криогенного горючего в газообразное горючее посредством его испарения и последующего нагрева до заданной температуры в теплопринимающем тракте теплообменника за счет отбора тепла от горячего газа, вырабатываемого окислительным газогенератором, в результате чего получается свободное от примесей газообразное горючее, пригодное для питания двигателей.This design of the remote control system of the DCS provides the conversion of liquid cryogenic fuel into gaseous fuel by evaporation and subsequent heating to a predetermined temperature in the heat-receiving path of the heat exchanger by taking heat from the hot gas generated by the oxidizing gas generator, resulting in a gaseous fuel free of impurities suitable for power engines.

При этом для уменьшения массы теплообменника в предлагаемой ДУ РСУ предусмотрено техническое решение, направленное на уменьшение потребной эффективной площади теплообмена за счет увеличения температурного напора между теплопередающим и теплопринимающим трактами теплообменника - введение перепуска части расхода окислителя в обвод газогенератора для уменьшения расхода жидкого окислителя в газогенератор с повышением температуры вырабатываемого газогенераторного окислительного газа до максимально допустимой для конструкции газогенератора и теплообменника величины, что обеспечивает максимальный температурный напор в теплообменнике и перемешивание расхода перепуска жидкого окислителя с расходом горячего окислительного газа после теплообменника в смесителе, обеспечивающее испарение жидкой фазы и выравнивание температуры компонентов смеси на уровне, допускающем использование газа на выходе смесителя в качестве горючего двигателей ДУ РСУ.At the same time, to reduce the mass of the heat exchanger, the proposed remote control system provides a technical solution aimed at reducing the required effective heat transfer area by increasing the temperature head between the heat transfer and heat receiving paths of the heat exchanger - introducing the bypass part of the oxidizer flow rate into the bypass of the gas generator to reduce the flow rate of the liquid oxidizer into the gas generator with increasing temperature of the generated gas-generating oxidizing gas to the maximum permissible for the gas-gas construction non-heatsink and heat exchanger values, which provides the maximum temperature head in the heat exchanger and mixing the flow rate of the liquid oxidizer bypass with the flow of hot oxidizing gas after the heat exchanger in the mixer, providing evaporation of the liquid phase and equalizing the temperature of the components of the mixture at a level that allows the use of gas at the outlet of the mixer as fuel engines Remote control system.

Сущность изобретения поясняется представленной на чертеже схемой ДУ РСУ.The invention is illustrated in the drawing, the scheme of remote control DCS.

В состав ДУ РСУ входят баки с магистралями подачи криогенных окислителя 1 и горючего 2, система наддува 3 баков, окислительный газогенератор-преобразователь 4 жидкого криогенного окислителя в газообразный окислитель с заданной температурой, запальное устройство 5 газогенератора 4, ресивер-накопитель 6 газообразного окислителя для подачи его в блоки двигателей 7, теплообменник-испаритель 8 - преобразователь жидкого криогенного горючего в газообразное горючее с заданной температурой, ресивер-накопитель 9 газообразного горючего для подачи его в блоки двигателей 7, газожидкостный смеситель 10 высокотемпературных окислительных продуктов сгорания с жидким криогенным окислителем, магистраль 11 подачи жидкого криогенного окислителя в смеситель 10 с установленной в ней регулирующей (настроечной) дроссельной шайбой 12.The control system for the control system includes tanks with supply lines for cryogenic oxidizer 1 and fuel 2, a pressurization system for 3 tanks, an oxidizing gas generator 4 of a liquid cryogenic oxidizer into a gaseous oxidizer with a predetermined temperature, an ignition device 5 of a gas generator 4, a receiver-accumulator 6 of a gaseous oxidizer for feeding it into engine blocks 7, a heat exchanger-evaporator 8 is a converter of liquid cryogenic fuel into gaseous fuel with a given temperature, the receiver-drive 9 of gaseous fuel for supplying e about 7 in engine blocks, a gas-liquid mixer 10 the high-temperature oxidizing combustion products with a liquid cryogenic oxidizer manifold 11 supplying cryogenic liquid oxidizer to a mixer 10 installed therein regulatory (tuning) of the throttle washer 12.

При работе ДУ РСУ жидкие криогенные компоненты топлива под давлением газа, поступающего из системы наддува 3, подаются через магистрали 1, 2 из баков с открытыми клапанами в газогенератор 4, где большая часть расхода окислителя и небольшой расход горючего после воспламенения запальным устройством 5 сгорают при высоком соотношении расходов, образуя высокотемпературные окислительные продукты сгорания; при этом основная часть жидкого криогенного горючего поступает в теплообменник 8, где за счет теплопритока от окислительного высокотемпературного газа, поступающего из газогенератора 4 в теплообменник 8, испаряется и нагревается до заданной температуры при одновременном охлаждении окислительного газа в теплообменнике 8 за счет теплоотдачи. Часть жидкого криогенного окислителя через трубопровод 11 с расходом, регламентированным регулирующей шайбой 12, подается в смеситель 10, где, смешиваясь с окислительным газом, поступающим в смеситель 10 из теплопередающего тракта теплообменника 8, за счет теплосодержания окислительного газа испаряется и нагревается до заданной средней температуры смеси. Образовавшиеся газообразные компоненты топлива поступают в ресиверы 6, 9: газообразный окислитель - с выхода смесителя 10, газообразное горючее - с выхода теплопринимающего тракта теплообменника 8, где накапливаются и оттуда расходуются при включениях импульсных двигателей в блоках двигателей 7.During operation of the DCS, the liquid cryogenic components of the fuel under the pressure of the gas coming from the boost system 3 are fed through lines 1, 2 from the tanks with open valves to the gas generator 4, where most of the oxidizer flow rate and a small amount of fuel after ignition by the ignition device 5 are burned at high cost ratio, forming high-temperature oxidative products of combustion; while the bulk of the liquid cryogenic fuel enters the heat exchanger 8, where due to the heat influx from the oxidizing high-temperature gas coming from the gas generator 4 to the heat exchanger 8, it evaporates and heats up to a predetermined temperature while cooling the oxidizing gas in the heat exchanger 8 due to heat transfer. A part of the liquid cryogenic oxidizing agent through the pipe 11 with a flow rate regulated by the regulating washer 12 is supplied to the mixer 10, where, mixed with the oxidizing gas supplied to the mixer 10 from the heat transfer path of the heat exchanger 8, it evaporates and heats up to the set average temperature of the mixture due to the heat content of the oxidizing gas . The resulting gaseous components of the fuel enter the receivers 6, 9: the gaseous oxidizer from the outlet of the mixer 10, the gaseous fuel from the outlet of the heat-receiving path of the heat exchanger 8, where it is accumulated and consumed when switching on the pulse engines in the engine blocks 7.

Использование предлагаемого изобретения позволит реализовать в виде работоспособных конструкций с достаточно высоким уровнем надежности ДУ РСУ, использующие жидкие криогенные компоненты топлива, в частности углеводородное горючее, которое в сочетании с жидким криогенным окислителем представляет собой эффективное топливо, обеспечивающее существенное повышение энергомассовых характеристик ДУ РСУ с импульсными двигателями. Так, ДУ РСУ на топливе жидкий метан-жидкий кислород может обеспечивать повышение эффективного удельного импульса ДУ РСУ на величину более 10% по сравнению с высококипящим топливом АТ+НДМГ и на величину более 4% по сравнению с топливом прототипа изобретения. Кроме того, топливо на основе криогенных компонентов жидкий кислород+жидкий метан является экологически чистым в отличие от экологически грязного высококипящего топлива и условно чистого топлива жидкий кислород+керосин.Using the present invention will allow us to implement in the form of workable structures with a fairly high level of reliability of the remote control system using liquid cryogenic fuel components, in particular hydrocarbon fuel, which in combination with a liquid cryogenic oxidizing agent is an effective fuel that provides a significant increase in the energy-mass characteristics of the remote control system with pulse motors . Thus, the remote control system of a fuel-based liquid methane-liquid oxygen fuel can provide an increase in the effective specific impulse of a remote control system of a control system by more than 10% compared to the high boiling fuel AT + UDMH and by more than 4% compared to the fuel of the prototype of the invention. In addition, fuel based on cryogenic components liquid oxygen + liquid methane is environmentally friendly, in contrast to environmentally dirty high boiling fuel and relatively pure fuel liquid oxygen + kerosene.

Claims

A propulsion system for a reactive control system of an aircraft, including tanks with highways for supplying liquid fuel components, a pressurization system for tanks, pulsed rocket engines using gaseous fuel components, an oxidizing gas generator that converts a liquid cryogenic oxidizer to a gaseous one with a given temperature, and a receiver reservoir of a gaseous oxidizer as an engine fuel component, characterized in that it comprises a heat exchanger-evaporator for converting liquid to IOGEN gaseous fuel in a heating it to a predetermined temperature, the heat transfer path is included in the output line of the gas generator, teploprinimayuschim tract - in cryogenic liquid supply line from the fuel tank; a gaseous fuel receiver reservoir for powering the engines included in the line at the outlet of the heat-receiving path of the heat exchanger, a gas-liquid mixer included in the line between the outlet of the heat-transfer path of the heat exchanger and the inlet of the gaseous oxidizer in the receiver, while the liquid inlet of the mixer is in communication with the liquid oxidizer supply line with the regulating (tuning) throttle washer installed in it.