RU2609547C1 - Return stage of rocket vehicle and method of its operation - Google Patents
Return stage of rocket vehicle and method of its operation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2609547C1 RU2609547C1 RU2015147935A RU2015147935A RU2609547C1 RU 2609547 C1 RU2609547 C1 RU 2609547C1 RU 2015147935 A RU2015147935 A RU 2015147935A RU 2015147935 A RU2015147935 A RU 2015147935A RU 2609547 C1 RU2609547 C1 RU 2609547C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas turbine
- gas
- combustion chamber
- launch vehicle
- return stage
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/14—Space shuttles
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к ракетной технике и может быть применена для многоразовых возвращаемых ракетно-космических систем, способных совершать пилотируемый полет в атмосфере.The group of inventions relates to rocket technology and can be applied to reusable returnable space rocket systems capable of performing a manned flight in the atmosphere.
В авиакосмической технике известен многоразовый орбитальный корабль «Буран», содержащий фюзеляж, крыло с двумя консолями, левый и правый блоки двигателей управления, размещенные в хвостовой части фюзеляжа, и носовой блок двигателей управления, расположенный в носовой части фюзеляжа ([1], стр. 40, 41, 193). На участке выведения на орбиту орбитальный корабль является полезной нагрузкой для ракеты-носителя (маршевые двигатели на орбитальном корабле «Буран» отсутствуют). После выполнения космического полета орбитальный корабль совершает бездвигательный спуск в атмосфере (воздушно-реактивные двигатели отсутствуют), при этом управление движением орбитального корабля вокруг его центра масс при полете в верхних слоях атмосферы осуществляется с помощью двигателей управления, расположенных в левом и правом блоках двигателей управления хвостовой части фюзеляжа. При этом оси сопел двигателей управления тангажом и креном перпендикулярны продольной оси (оси ОХ) орбитального корабля, образуют углы в 30(с нормальной осью (осью OY) орбитального корабля, а оси сопел двигателей управления рысканием параллельны поперечной оси (оси OZ) орбитального корабля.In aerospace engineering, the reusable orbiter Buran is known which contains the fuselage, the wing with two consoles, the left and right blocks of control engines located in the rear of the fuselage, and the bow block of control engines located in the nose of the fuselage ([1], p. 40, 41, 193). At the orbital site, the orbital ship is a payload for the launch vehicle (there are no cruise engines on the Buran orbital ship). After performing a space flight, the orbital ship makes a non-motor descent in the atmosphere (there are no jet engines), while the motion of the orbital ship around its center of mass during flight in the upper atmosphere is controlled by control engines located in the left and right blocks of the tail control engines parts of the fuselage. In this case, the axis of the nozzles of the pitch and roll control engines are perpendicular to the longitudinal axis (ОХ axis) of the orbital ship, form angles of 30 (with the normal axis (OY axis) of the orbital ship, and the axis of the nozzles of the yaw control engines are parallel to the transverse axis (OZ axis) of the orbital ship.
Недостатком этого проекта является невозможность использования его компоновки для многоразового ракетного блока. Блоки двигателей управления не могут быть размещены ни в хвостовой, ни в носовой частях фюзеляжа, т.к. в хвостовой части фюзеляжа ракетного блока размещена маршевая двигательная установка первой ступени ракеты-носителя, работающая на участке выведения, а в носовой части фюзеляжа возвращаемого ракетного блока располагаются воздушно-реактивные двигатели, работающие на участке возвращения возвращаемого ракетного блока к аэродрому в районе старта ракеты-носителя. Размещение блоков двигателей управления в средней части фюзеляжа нецелесообразно, т.к. в этом случае двигатели управления будут неэффективны из-за малых величин плеч управляющих сил.The disadvantage of this project is the inability to use its layout for a reusable missile unit. The control engine blocks cannot be placed either in the rear or in the nose of the fuselage, because in the rear part of the fuselage of the rocket block there is a marching propulsion system of the first stage of the launch rocket operating in the launch area, and in the nose of the fuselage of the return rocket block there are air-jet engines operating in the area of return of the return rocket block to the airfield in the launch area of the launch vehicle . The placement of control engine blocks in the middle of the fuselage is impractical, because in this case, the control motors will be ineffective due to the small shoulders of the control forces.
Другим недостатком этого проекта является сильное влияние воздушного потока на газовые струи двигателей управления, в особенности на струи двигателей рыскания, оси сопел которых ориентированы вдоль поперечной оси OZ орбитального корабля перпендикулярно направлению полета. Наконец, еще одним недостатком является влияние силы тяги двигателей рыскания, возникающей при их срабатывании, на величины измеряемой датчиками системы управления поперечной перегрузки и угла скольжения. Двигатели управления неработоспособны в условиях космоса и на больших высотах в разреженной атмосфере, а управляющие моменты на больших высотах небольшие из-за низких тяг газотурбинных двигателей (ГТД) на высоте.Another drawback of this project is the strong influence of the air flow on the gas jets of the control engines, especially on the jets of the yaw engines, the axis of the nozzles of which are oriented along the transverse axis OZ of the orbital ship perpendicular to the direction of flight. Finally, another drawback is the influence of the yaw force of the yaw engines that occur when they are triggered on the values of the transverse overload control system and sliding angle measured by the sensors. The control engines are inoperative in space and at high altitudes in a rarefied atmosphere, and the control moments at high altitudes are small due to the low thrust of gas turbine engines (GTE) at altitude.
Известна ракета-носитель по патенту РФ на изобретение №2482030, МПК B64G 1/14, опубл. 10.05.2013 г.Known launch vehicle according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2482030, IPC
Эта ракета-носитель содержит соединенный со второй ступенью многоразовый ускоритель с реактивной системой стабилизации, состоящий из ракетного блока с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД), соединенного с самолетным комплектом, выполненным в виде планера с крыльями переменной стреловидности с органами аэродинамического управления, соединенного с ракетным блоком по схеме «низкоплан», стабилизатора, шасси, воздушно-реактивных двигателей с их топливным баком, носового отсека, а также содержит многократно используемые элементы, при этом установленный на ракетном блоке носовой отсек снабжен пилотской кабиной и оснащен управляемыми поворотными козырьками, количество которых равно количеству точек соединения носового отсека со второй ступенью, в местах соединения со второй ступенью в носовом отсеке выполнены карманы, воздушно-реактивные двигатели закреплены на верхних поверхностях крыльев переменной стреловидности и снабжены управляемыми защитными экранами, стабилизатор выполнен в виде двух килей, установленных на крыльях, в ракетном блоке многоразового ускорителя вокруг его продольной оси и симметрично относительно его поперечной оси, параллельной крыльям, установлено четное число дросселируемых ракетных двигателей.This launch vehicle contains a reusable accelerator with a reactive stabilization system connected to the second stage, consisting of a rocket unit with liquid rocket engines (LRE), connected to an aircraft kit made in the form of a glider with variable sweep wings with aerodynamic control elements connected to the rocket block according to the “low-wing” scheme, stabilizer, landing gear, jet engines with their fuel tank, bow compartment, and also contains reusable elements, at The nose compartment mounted on the rocket block is equipped with a pilot's cabin and is equipped with controllable rotary visors, the number of which is equal to the number of points of connection of the nose section with the second stage, pockets are made in the places of connection with the second stage, air-propelled engines are mounted on the upper surfaces of the variable wings sweeps and equipped with controlled protective shields, the stabilizer is made in the form of two keels mounted on the wings, accelerate the reusable missile block I about its longitudinal axis and symmetrically with respect to its transverse axis parallel wings installed even number throttled rocket engines.
Недостатки: плохие аэродинамические качества ракеты на старте из-за громоздкости фюзеляжа и наличия громоздких крыльев, неработоспособность ГТД в высотных условиях и в космосе при отсутствии воздуха, необходимого для их работы, неуправляемость возвращаемой ступени на больших высотах. Применение громоздких, имеющих большой вес крыльев переменной стреловидности не оправдано из-за того, что единственной задачей создания возвращаемой ступени является ее посадка, а не совершение сложных маневров на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях.Disadvantages: poor aerodynamic performance of the rocket at launch due to the bulkiness of the fuselage and the presence of bulky wings, the inoperability of a gas turbine engine in high-altitude conditions and in space in the absence of air necessary for their operation, the uncontrollability of the return stage at high altitudes. The use of bulky, heavily weighted sweep wings is not justified due to the fact that the only task of creating a return stage is to land it, and not to perform complex maneuvers at subsonic and supersonic speeds.
Известна ракета-носитель с возвращаемой ступенью по патенту РФ на изобретение №2495799, МПК B64G 1/14, опубл. 20.10.2013 г., прототип устройства и способа.Known launch vehicle with a return stage according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2495799, IPC
Эта ракета-носитель содержит многоразовый возвращаемый ракетный блок, содержащий, в свою очередь, фюзеляж, крыло с двумя консолями, левый и правый блоки газотурбинных двигателей управления, левый и правый блоки двигателей управления размещены в гондолах на законцовках консолей крыла. Кроме того, возвращаемая ступень содержит сопла двигателей управления тангажом и креном и рыскания.This launcher contains a reusable returnable missile unit, which, in turn, contains a fuselage, a wing with two consoles, left and right blocks of gas turbine control engines, left and right blocks of control engines are located in nacelles at the tips of the wing consoles. In addition, the return stage contains nozzles for pitch and roll control engines and yaw.
При возвращении ступени газотурбинные двигателя запускают на относительно-небольшой высоте, например 15000…20000 м. Полет до этой высоты полностью неуправляемый.When the stage returns, the gas turbine engines are started at a relatively low altitude, for example 15,000 ... 20,000 m. The flight to this altitude is completely uncontrollable.
Недостатком этого технического решения является также низкое аэродинамическое качество фюзеляжа возвращаемой, т.е. первой ступени, из-за размещения газотурбинных двигателе на консолях крыльев, которые имеют значительную толщину для передачи реактивной тяги и управляющего момента. Это приводит к неоправданному ухудшению характеристик ракеты-носителя при старте. Кроме того, ракета-носитель имеет очень сложную систему управления по углам тангажа, рыскания и крена.The disadvantage of this technical solution is also the low aerodynamic quality of the returned fuselage, i.e. the first stage, due to the placement of the gas turbine engine on the wing consoles, which have a significant thickness for the transmission of jet thrust and control torque. This leads to an unjustified deterioration in the characteristics of the launch vehicle at launch. In addition, the launch vehicle has a very sophisticated control system for pitch, yaw and roll angles.
Задачами создания изобретения являются улучшение стартовых характеристик ракеты-носителя и упрощение системы управления по углам тангажа, рыскания и крена, обеспечение ее работоспособности на любых высотах и обеспечение надежной посадки возвращаемой ступени в любую погоду.The objectives of the invention are to improve the launch characteristics of the launch vehicle and simplify the control system by pitch, yaw and roll angles, ensure its operability at any altitudes and ensure a reliable landing of the return stage in any weather.
Достигнутые технические результаты - обеспечение работоспособности газотурбинных двигателей на всех высотах и обеспечение посадки возвращаемой ступени.Technical results achieved - ensuring the operability of gas turbine engines at all heights and ensuring the landing of the return stage.
Решение указанных задач достигнуто в способе работы возвращаемой ступени ракеты-носителя, включающем ее разгон на активном участке траектории при помощи ЖРД, управление при помощи рулевых камер и возвращение при помощи двух ГТД, тем, что ГТД запускают в разреженных слоях атмосферы, используя вспомогательный газогенератор, компенсирующий нехватку атмосферного воздуха для работы ГТД, а при полете в плотных слоях атмосферы вспомогательные газогенераторы выключают.The solution to these problems has been achieved in the way the return stage of the launch vehicle operates, including its acceleration in the active part of the trajectory by means of a liquid-propellant rocket engine, control by means of steering chambers and return by means of two gas-turbine engines, in that gas-turbine engines are launched in rarefied atmospheric layers using an auxiliary gas generator, compensating for the lack of atmospheric air for gas turbine engine operation, and when flying in dense atmospheric layers, auxiliary gas generators are turned off.
Решение указанных задач достигнуто в возвращаемой ступени ракеты-носителя, содержащей фюзеляж, баки окислителя и горючего, крылья и по меньшей мере один жидкостный ракетный двигатель, тем, что к фюзеляжу прикреплены два боковых блока, в которых установлены газотурбинные двигатели, газотурбинные двигатели, основную камеру сгорания и вспомогательный газогенератор, соединенный с основной камерой сгорания, а в верхней части боковых блоков выполнены воздухозаборники.The solution of these problems was achieved in the return stage of the launch vehicle containing the fuselage, oxidizer and fuel tanks, wings and at least one liquid rocket engine, in that two side blocks are attached to the fuselage, in which gas turbine engines, gas turbine engines, and the main chamber are mounted combustion and auxiliary gas generator connected to the main combustion chamber, and air intakes are made in the upper part of the side blocks.
Газотурбинный двигатель, может содержать перед основной камерой сгорания кольцевой коллектор, с которым соединен газовод, а полость кольцевого коллектора сообщается с воздушным трактом отверстиями или патрубками. Газотурбинный двигатель может содержать перед основной камерой сгорания соединенный с газоводом кольцевой перфорированный коллектор, установленный внутри воздушного тракта. Газотурбинный двигатель может содержать перед основной камерой сгорания кольцевой коллектор. Основная камера сгорания может содержать, по меньшей мере, одно запальное устройство, газогенератор содержит, по меньшей мере, одно запальное устройство. Газогенератор может быть соединен трубопроводами окислителя и горючего с турбонасосным агрегатом, имеющим насосы горючего, окислителя и турбину.A gas turbine engine may contain in front of the main combustion chamber an annular manifold to which a gas duct is connected, and the cavity of the annular manifold communicates with the air path through openings or nozzles. The gas turbine engine may comprise, in front of the main combustion chamber, an annular perforated manifold connected to the gas duct and installed inside the air duct. The gas turbine engine may comprise an annular manifold in front of the main combustion chamber. The main combustion chamber may contain at least one ignition device, the gas generator comprises at least one ignition device. The gas generator can be connected by pipelines of the oxidizer and fuel with a turbopump unit having fuel pumps, oxidizer and a turbine.
Газотурбинные двигатели могут быть оборудованы соплом с управляемым вектором тяги.Gas turbine engines can be equipped with a nozzle with a controlled thrust vector.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…18, где:The invention is illustrated in FIG. 1 ... 18, where:
- на фиг. 1 приведен внешний вид ракеты-носителя на стартовом столе,- in FIG. 1 shows the appearance of the launch vehicle on the launch pad,
- на фиг. 2 приведен внешний вид возвращаемой 1-й ступени в проекции с нижнего торца, вид А, в процессе приземления,- in FIG. 2 shows the appearance of the returned 1st stage in the projection from the bottom, view A, in the process of landing,
на фиг. 3 приведен внешний вид возвращаемой 1-й ступени в проекции с нижнего торца, вид А, в процессе полета,in FIG. 3 shows the appearance of the returned 1st stage in the projection from the bottom, view A, during the flight,
- на фиг. 4 приведен внешний вид четырехкамерного ЖРД,- in FIG. 4 shows the appearance of a four-chamber rocket engine,
- на фиг. 5 приведен вид однокамерного ЖРД,- in FIG. 5 shows a view of a single-chamber rocket engine
- на фиг. 6 приведен разрез А-А,- in FIG. 6 shows a section aa,
- на фиг. 7 приведен разрез В-В,- in FIG. 7 shows a section bb,
- на фиг. 8 приведена конструкция маршевого двигателя - ЖРД,- in FIG. 8 shows the design of the main engine - LRE,
- на фиг. 9 приведена конструкция газотурбинного двигателя,- in FIG. 9 shows the design of a gas turbine engine,
- на фиг. 10 приведена схема подачи компонентов топлива в газотурбинный двигатель,- in FIG. 10 shows a diagram of the supply of fuel components to a gas turbine engine,
на фиг. 11 приведена схема подвода газогенераторного газа в основную камеру сгорания, первый вариант,in FIG. 11 shows a diagram of the supply of gas generating gas into the main combustion chamber, the first option,
- на фиг. 12 приведена схема подвода газогенераторного газа в основную камеру сгорания, второй вариант- in FIG. 12 shows a diagram of the supply of gas generating gas into the main combustion chamber, the second option
- на фиг. 13 приведена схема подвода газогенераторного газа в основную камеру сгорания, третий вариант,- in FIG. 13 shows a diagram of the supply of gas generating gas into the main combustion chamber, the third option,
- на фиг. 14 приведена принципиальная схема газогенератора,- in FIG. 14 shows a schematic diagram of a gas generator,
- на фиг. 15 приведен вид С,- in FIG. 15 shows view C,
- на фиг. 16 приведена схема газогенератора двигателя НК-33,- in FIG. 16 shows a diagram of a gas generator of the engine NK-33,
- на фиг. 17 приведено реактивное сопло с регулируемым вектором тяги,- in FIG. 17 shows a jet nozzle with an adjustable thrust vector,
- на фиг. 18 приведена система наддува бака окислителя.- in FIG. 18 shows the oxidizer tank pressurization system.
Ракета-носитель (фиг. 1…18) может содержать не менее одной ступени. В дальнейшем описание ракеты-носителя составлено на примере двухступенчатой ракеты с одной (первой) возвращаемой ступенью.The launch vehicle (Fig. 1 ... 18) may contain at least one stage. In the following, the description of the launch vehicle is compiled using the example of a two-stage rocket with one (first) return stage.
РАКЕТА-НОСИТЕЛЬCARRIER ROCKET
Ракета-носитель (фиг. 1…18) содержит возвращаемую ступень 1 с центральным фюзеляжем 2, и соединенные с ней соосно два боковых блока 3.The launch vehicle (Fig. 1 ... 18) contains a
Возвращаемая ступень 1 содержит прикрепленные к боковым блокам 3 крылья 4, которые выполнены стреловидной формы и установлены в средней части возвращаемой ступени 1. Возвращаемая ступень 1 (фиг. 1 и 2) содержит два комплекта двигательных установок: маршевую, представляющую собой один или несколько жидкостно-ракетных двигателей (ЖРД) 6 и не менее двух рулевых двигателей 7 в каждом боковом блоке 3 (двигатель типа малоразмерного ЖРД) и два газотурбинных двигателя (сокращенно ГТД) - 8, установленных по одному в боковых ступенях 3.The
Жидкостных ракетных двигателей 6 в возвращаемой ступени 1 может быть установлено или один, или несколько. Возможна установка одного или нескольких четырехкамерных ЖРД 6 (фиг. 3) или несколько однокамерных, например 4 однокамерных ЖРД 6 (фиг. 2-6). Примеры четырехкамерного и однокамерного ЖРД 6 приведены на фиг. 4 и 5.
Возвращаемая ступень 1 содержит переднее шасси 9 и два задних шасси 10. Переднее шасси 9 в момент старта находится внутри корпуса 2, а задние шасси 10 - в боковых блоках 3 и выпускаются при посадке (фиг. 2 и 3).The
В центральном фюзеляже установлены один или несколько ЖРД 6 и рулевые двигатели 7 (фиг. 6)In the central fuselage installed one or more liquid
Особенностью газотурбинного двигателя 8 является наличие вспомогательного газогенератора 11, который газоводом 12 соединен с газотурбинным двигателем 8 (фиг. 7).A feature of the
Вспомогательный газогенератор 11 является важным и необходимым элементом ГТД 8 для обеспечения его работоспособности на любых высотах, его конструкция и возможные варианты выполнения описаны ниже.The
ЖРД 6 (фиг. 8) содержит камеру сгорания 13 и ТНА 14. ЖРД 6 установлены на силовой раме 15 на шарнире 16. Внутри центрального фюзеляжа 2 установлены бак окислителя 17 и бак горючего 18 (фиг. 7). К баку окислителя 17 присоединен трубопровод окислителя 19, а к баку горючего 18 - трубопровод горючего 20.The LRE 6 (Fig. 8) contains a
Также в верхней части боковых ступеней 3 выполнены воздухозаборники 21, соединенные воздушным трактом с входами в ГТД 8 (фиг. 6).Also, in the upper part of the side steps 3, air intakes 21 are made, connected by an air path to the entrances to the gas turbine engine 8 (Fig. 6).
ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬLIQUID ROCKET ENGINE
Жидкостный ракетный двигатель 6 (фиг. 7 и 8) содержит камеру сгорания 13 и ТНА 14, подстыкованный к камере сгорания 12 посредством газовода 22. На ТНА 14 установлен газогенератор 23.The liquid-propellant rocket engine 6 (FIGS. 7 and 8) comprises a
ТНА 14 содержит, в свою очередь, турбину 24, насос окислителя 25, насос горючего 26. Турбонасосный агрегат 14 может содержать дополнительный насос горючего 27.
Выход из насоса горючего 26 соединен трубопроводом 28 с входом в дополнительный насос горючего 27 (при его наличии). Камера сгорания 13 содержит головку 29, цилиндрическую часть 30 и сопло 31.The output from the
Возможная пневмогидравлическая схема ЖРД приведена на фиг. 8 и содержит трубопровод горючего 32, подсоединенный одним концом к выходу из насоса горючего 24, содержащий пускоотсечной клапан 33, выход этого трубопровода соединен с главным коллектором 34 камеры сгорания 12. Выход из насоса окислителя 23 трубопроводом окислителя 35, содержащим пускоотсечной клапан окислителя 36, соединен с газогенератором 21. Также выход из дополнительного насоса горючего 25 трубопроводом горючего 37, содержащим пускоотсечной клапан горючего 38, соединен с газогенератором 21. На газогенераторе 21, на камере сгорания 12 установлены, по меньшей мере, по одному запальному устройству 39 и 40. Запальные устройства 39 и 40 соединены энергетическими связями 41 с энергетическим блоком 42.A possible pneumohydraulic scheme of the LRE is shown in FIG. 8 and contains a
Двигатель оборудован блоком управления 43, который электрическими связями 44 соединен с энергетическим блоком 42 и с пускоотсечными клапанами 33, 36 и 38. Особенностью ЖРД 6 является то, что ТНА 14 жестко закреплен на камере сгорания 13.The engine is equipped with a
Для управления по углам тангажа, рыскания и крена при старте и в полете ракеты-носителя применяют не менее двух рулевых двигателей 7 установленных в боковых блоках 3. То есть всего на ракете-носителе применено не менее 4-х рулевых двигателей 7, что достаточно для управления. Фактически рулевые двигатели 7 являются и маршевыми при возвращении возвращаемой ступени 1 на землю.To control the pitch, yaw and roll angles at launch and in flight of the launch vehicle, at least two
Конструкция и схема питания окислителем и горючим рулевых двигателей 7 приведена на фиг. 8. Главной особенностью рулевых двигателей 7 является то, что каждый из них имеет собственный малоразмерный ТНА 45, к которому присоединены трубопровод окислителя 46 и трубопровод горючего 47. К выходу из малоразмерного ТНА 45 присоединен трубопровод окислителя высокого давления 48 с отсечным клапаном окислителя 49 и трубопровод горючего высокого давления 50 с отсечным клапаном горючего 51. Рулевой двигатель 7 закреплен на шарнирной подвеске 52 с возможностью качания в одной плоскости для управления по углам тангажа и крена. По углам рыскания управление ракетой-носителем на активном участке полета осуществляется рассогласованием тяг рулевых двигателей 7.The design and power scheme of the oxidizer and
Рулевые двигатели 7 имеют собственные запальные устройства 53 для повторного включения при возвращении возвращаемой ступени 1 и используются одновременно как маршевые в вакууме и для управления полетом и стабилизации положения возвращаемой ступени 1 при ее возвращении на землю для повторного использования.The
ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬGAS TURBINE ENGINE
Газотурбинные двигатели 8 (фиг. 9) установлены в боковых блоках 3 и содержит корпус 54, входное устройство 55, компрессор 56, воздушный тракт 57, основную камеру сгорания 58, турбину 59 и реактивное сопло 60. Компрессор 56 содержит направляющие аппараты 61 и рабочие колеса 62, турбина 59 содержит сопловые аппараты 63 и рабочие колеса 64. Компрессор 56 и турбина 59, точнее их рабочие колеса 62 и 64 соединены валом 65. Валов 65 может быть два или три в зависимости от конструкции газотурбинного двигателя 8. Вал 65 установлен на опорах 66 и 67.Gas turbine engines 8 (Fig. 9) are installed in the side blocks 3 and includes a
Основная камера сгорания 58 (фиг. 9) содержит жаровую трубу 68, форсуночную плиту 69 с топливными форсунками 70 и топливным коллектором 71. Под жаровой трубой 68 установлен внутренний кожух 72, между которым и жаровой трубой 68 выполнен внутренний канал 73. Между жаровой трубой 68 и корпусом 54 выполнен внешний канал 74. Внутренний и внешний каналы 73 и 74 предназначены для ввода воздуха (или газогенераторного газа) из воздушного тракта 57 внутрь жаровой трубы 68 через отверстия 75, выполненные в ней, а также для охлаждения самой жаровой трубы 68.The main combustion chamber 58 (Fig. 9) contains a
Газотурбинный двигатель 8 (фиг. 10) имеет систему топливоподачи, содержащую топливопровод низкого давления 76, топливный насос 77, имеющий привод 78, топливопровод высокого давления 79, вход которого соединен с топливным насосом 77, а выход соединен с топливным коллектором 71, который соединен с топливными форсунками 70 основной камеры сгорания 58.The gas turbine engine 8 (Fig. 10) has a fuel supply system comprising a low
Газотурбинный двигатель 8 оборудован системами подачи горючего и окислителя от бака окислителя 16 и бака горючего 17 и дополнительным турбонасосным агрегатом 80. Турбонасосный агрегат 80 может отсутствовать, а подача горючего и окислителя в ГТД 8 может быть осуществлена применением вытеснительной подачи компонентов ракетного топлива (это возможно на очень больших высотах). Кроме того, газотурбинный двигатель 8 обязательно оборудован вспомогательным газогенератором 11, который газоводом 12 соединен с воздушным трактом 57 до основной камеры сгорания 58.The
Дополнительный турбонасосный агрегат 80 содержит корпус 81, установленные на валу 82 насос горючего 83, насос окислителя 84 и турбину 85. Выход из бака окислителя 16 соединен трубопроводом окислителя 86, содержащим клапан окислителя 87 с насосом окислителя 81, а выход из бака горючего 17 трубопроводом горючего 86, содержащим клапан горючего 89, соединен с входом в насос горючего 84. Выход из насоса окислителя 83 трубопроводом высокого давления окислителя 90, содержащим отсечной клапан окислителя 91, соединен с входом в газогенератор 12. Выход из насоса горючего 84 трубопроводом горючего высокого давлении 92, содержащим отсечной клапан 93 и регулятор расхода 94, соединен с входом в газогенератор 11. Выход вспомогательного газогенератора 11 соединен с входом в турбину 85, а выход из турбины 85 газоводом 12 соединен с коллектором смешения 95 с газовыми форсунками 96, установленным в воздушном тракте 57 перед основной камерой сгорания 58.The
Возможны несколько вариантов исполнения соединения газовода 12 с воздушным трактом 57 (фиг. 11…12).Several options for the connection of the
На фиг. 11 приведен первый вариант соединения газовода 12 с воздушным трактом 57. На корпусе 54 газотурбинного двигателя 8 в районе воздушного тракта 57 выполнен кольцевой коллектор 97, полость 98 которого отверстиями 99 соединена с воздушным трактом 57.In FIG. 11 shows the first embodiment of connecting the
На фиг. 12 приведен второй вариант также с кольцевым коллектором 97, полость 98 которого отверстиями 99 сообщается с радиальными патрубками 100, которые перфорированы по всей высоте отверстиями 101 для более равномерного ввода генераторного газа в воздух, проходящий в воздушном тракте 57.In FIG. 12, the second variant is also provided with an
На фиг. 13 приведен третий вариант. По этому варианту в воздушном тракте 57 установлен внутренний кольцевой коллектор 102, имеющий полость 103 и отверстия 104. К внутреннему кольцевому коллектору 102 присоединен газовод 12. Этот вариант обеспечивает более равномерную подачу генераторного газа в основную камеру сгорания 58. Это необходимо, чтобы обеспечить равномерное температурное поле на входе в турбину 59 и предотвратить местный перегрев деталей рабочих колес 66.In FIG. 13 shows the third option. According to this option, an internal
Вспомогательный газогенератор газотурбинного двигателяAuxiliary gas turbine engine generator
Для предложенного газотурбинного двигателя 8 вспомогательный газогенератор 11 может быть специально спроектирован или использован доведенный газогенератор жидкостных ракетных двигателей НК-33 или РД-170. Принципиальная схема вспомогательного газогенератора 11 показана на фиг. 14 и 15. Вспомогательный газогенератор 11 предназначен для сжигания компонентов топлива (горючего и окислителя), при этом один из них является избыточным компонентом, а второй - дополнительным компонентом. Наиболее предпочтительно в качестве горючего использовать керосин, а в качестве окислителя - кислород.For the proposed
Вспомогательный газогенератор 11 содержит (фиг. 14) головку 105, камеру 106, распределитель окислителя (избыточного компонента) 107, установленный вдоль оси камеры 106.The
Камера 106 содержит две зоны: зону горения 108 и зону смешения 109. Первая из них предназначена для сгорания двух компонентов при оптимальном соотношении, а вторая - для подмешивания окислителя.The
Головка 105 содержит переднее днище 110 с патрубком подвода горючего 111, среднее днище 112, огневое днище 113, форсунки окислителя 114, форсунки горючего 115. Между передним 110 и средним 112 днищами образована полость 116 для подвода горючего к форсункам горючего 115, а между огневым днищем 113 и средним днищем 112 образована полость 117 для подвода окислителя к форсункам окислителя 114. В среднем днище 112 выполнены пазы 118 для подвода окислителя в полость 117. Камера 106 вспомогательного газогенератора 11 содержит наружный корпус 119 и внутреннюю оболочку 120, между которыми имеется зазор 121 для прохода окислителя. На распределителе окислителя 107 выполнены отверстия 122 для подачи избыточного компонента в зону смешения 108. Вдоль оси камеры 106 выполнен патрубок окислителя 123. Основные камеры сгорания 58 имеют устройства воспламенения 124 (фиг. 11…13), а вспомогательные газогенераторы 11 имеют устройства воспламенения 125 (фиг. 14).The
Описание газогенератора двигателя НК-33, применяемого в качестве вспомогательногоDescription of the gas generator engine NK-33, used as an auxiliary
Как упоминалось ранее, для предложенного газотурбинного двигателя 8 может быть применен газогенератор двигателя НК-33. Подробное описание вспомогательного газогенератора 11 двигателя НК 33 приведено в патенте РФ на изобретение №2179256, МПК А02К 9/24, опубл. 10.02.2002 г.As mentioned earlier, for the proposed
Далее приведено описание газогенератора двигателя НК-33 (фиг. 14…16). Вспомогательный газогенератор 11 имеет головку 105. Распределитель окислителя 107, расположенный по оси вспомогательного газогенератора 11, содержит цилиндр 126 с полостью окислителя 127, смесительные элементы 128 и 129 в виде полых цилиндров 130, закрытых шатровыми головками 131 и перфорированных отверстиями 132. Перед каждым смесительным элементом 128 и 129 выполнены отверстия 133. Смесительные элементы 128 и 129 расположены в шахматном порядке, а их высота уменьшается по потоку газа.The following is a description of the gas generator of the NK-33 engine (Fig. 14 ... 16). The
Между огневым днищем 113 и смесительными элементами 128 и 129 могут быть расположены радиальные перфорированные пластины 134 с каналами 135 подачи окислителя из полости 127 в полость камеры 108 вспомогательного газогенератора 11.Between the
Распределитель окислителя 107 закрыт днищем 136 в виде усеченного конуса, обращенного вершиной в сторону огневого днища 113, а в месте перехода цилиндра 126 в днище 135 и в вершине усеченного конуса выполнены отверстия 137 и 138.The
На головке 105 под углом к оси вспомогательного газогенератора 11 установлено, по меньшей мере, одно устройство воспламенения 125, которое соединено энергетическими связями 41 с энергетическим блоком 42 (или с блоком накачки для свеч лазерного воспламенения).At least 105
РЕАКТИВНОЕ СОПЛОJet nozzle
На газотурбинном двигателе 8 может быть применено реактивное сопло 60 с управляемым вектором тяги (фиг. 17). Такие сопла известны, например, из патентов РФ на полезные модели №21220, МПК F02K 1/05, опубл. 27.12.2001 г. и №105683, МПК F02K 1/12, опубл. 27.12.2010 г., однако их применение в ракетной технике предложено впервые. Реактивное сопло 60 содержит створки 140, соединенные с ними гидроцилиндры 141 и канал охлаждения 142, предназначенный для охлаждения гидроцилиндров 141, управляющих вектором тяги реактивного сопла 60.On a
СИСТЕМА НАДДУВА БАКОВTANK CHARGING SYSTEM
Система наддува бака окислителя 17 приведена на фиг. 18 и содержит трубопровод наддува 143 с клапаном наддува 144. Трубопровод наддува 143 присоединен к выходу из вспомогательного газогенератора 11, т.е. наддув осуществляется газогенераторным газом, содержащим 90…95% кислорода. Наддув баков горючего осуществляется гелием. Система наддува бака горючего 18 на фиг. 1…18 не показана.The oxidizer
РАБОТА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ЗАПУСКЕ И ВОЗВРАЩЕНИИ ВОЗВРАЩАЕМОЙ СТУПЕНИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯGAS-TURBINE ENGINE OPERATION AT STARTING AND RETURNING THE RETURNED STAGE OF THE ROCKER-CARRIER
При запуске ракеты-носителя одновременно запускают все двигатели: ЖРД 6, рулевые двигатели 7 и ГТД 8. При этом вспомогательные газогенераторы 11, обслуживающие ГТД 8, не работают (фиг. 1).When the launch vehicle is launched, all engines are simultaneously launched: the liquid
При выходе ракеты-носителя в разреженные слои атмосферы (на высоте 10…30 км) включают вспомогательные газогенераторы 11 для компенсации недостатка воздуха, поступающего на вход в ГТД 8.When the launch vehicle enters the rarefied atmosphere (at an altitude of 10 ... 30 km),
При выходе ракеты-носителя в вакуум ГТД 8 выключают. ЖРД 6 и рулевые двигатели 7 продолжают работу до завершения программы полета на активном участке траектории, после чего они выключаются. Отсоединяют вышестоящие ступени или полезную нагрузку, после чего включают рулевые двигатели 7 и направляют возвращаемую ступень 1 к земле. При входе в разреженные слои атмосферы (на высоте от 30 до 10 км) включают ГТД 8 с одновременным включением обслуживающих их вспомогательных газогенераторов 11.When the launch vehicle enters the vacuum, the
Для этого осуществляют запуск двух ГТД 8 путем подачи электроэнергии на стартер от источника энергии (не показано). Одновременно включают привод 78 топливного насоса 77 (фиг. 91), и топливный насос 77 подает топливо в топливный коллектор 71 основной камеры сгорания 58 и далее через топливные форсунки 70 внутрь жаровой трубы 68, где оно воспламеняется при помощи устройства воспламенения 125. Рабочие колеса 64 турбины 59 раскручиваются и раскручивают через вал 65 рабочие колеса 62 компрессора 56. Реактивное сопло 60 создает тягу.To do this, launch two
Практически одновременно или через 20-30 с запускают вспомогательные газогенераторы 11, обслуживающие ГТД 8. Для этого открывают пускоотсечные клапаны 87 и 89 и подают окислитель и горючее во вспомогательные газогенераторы 11, где воспламеняют при помощи устройства воспламенения 125 (фиг. 9). Газогенераторный газ проходит через турбину 85 и поступает через коллектор смешения 95 и форсунки 96 в воздушный тракт 57 перед основной камерой сгорания 58 для компенсации недостатка воздуха, предназначенного для нормальной работы ГТД 8. В этом режиме управление возвращаемой ступенью 1 осуществляют рулевые двигатели 7.Almost simultaneously or after 20-30 s,
При переходе возвращаемой ступени 1 в плотные слои атмосферы (на высоте 3…4 км) выключают вспомогательные газогенераторы 11 и ГТД 8 продолжают работать, используя только скоростной напор атмосферного воздуха, поступающего через воздухозаборники 21 (фиг. 7 и 9).Upon transition of the
Если применено реактивное сопло 60 с управляемым вектором тяги (фиг. 17), его можно использовать для управления возвращаемой ступенью. При этом рулевые двигатели 7 выключают.If a
Изменение режима работы газотурбинного двигателя 8 в высотных условиях осуществляется регулятором расхода 93 (фиг. 10), а при полете летательного аппарата, оборудованного таким двигателем, - в плотных слоях атмосферы при помощи привода 78 насоса 77. Подача горючего и окислителя во вспомогательный газогенератор 11 может быть значительно уменьшена или полностью прекращена.Changing the operating mode of the
При переходе первой ступени в более плотные слои атмосферы отключают вспомогательный газогенератор 11, для этого перекрывают отсечные клапаны 87 и 89 и прекращают подачу окислителя и горючего и газотурбинный двигатель 8 переходит на использование в качестве окислителя атмосферного воздуха, что более экономично.When the first stage moves to denser atmospheric layers, the
Для управления в полете и частично в режиме возвращения первой ступени 1 ракеты-носителя применяют рулевые двигатели 7 (фиг. 18).To control in flight and partially in the mode of returning the
Посадка возвращаемой ступени 1 выполняется на взлетно-посадочную полосу ВПП на аэродроме. Для этого выпускают шасси 9 и 10 (фиг. 2). Для окончательного выключения газотурбинного двигателя 8 после посадки первой ступени 1 прекращают подачу топлива насосом 77.Landing of the
Естественно, что в случае применения многоступенчатых ракет-носителей возвращаемой может быть выполнена не только первая ступень, но и последующие ступени.Naturally, in the case of the use of multi-stage return rockets, not only the first stage, but also the subsequent stages can be performed.
Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:
1. Обеспечить надежное возвращение одной или нескольких ступеней ракет-носителей для повторного использования.1. Ensure the reliable return of one or more stages of launch vehicles for reuse.
2. Обеспечить работоспособность газотурбинного авиационного двигателя на очень больших высотах (более 30000 м и в космосе).2. Ensure the operability of a gas turbine aircraft engine at very high altitudes (more than 30,000 m in space).
3. Значительно повысить тягу газотурбинного двигателя за счет применения вспомогательного газогенератора.3. Significantly increase the thrust of the gas turbine engine through the use of auxiliary gas generator.
4. Улучшить надежность запуска газотурбинного двигателя, особенно в высотных условиях за счет использования при запуске горячего газогенераторного газа и устройств воспламенения многократного использования.4. To improve the reliability of starting a gas turbine engine, especially in high-altitude conditions due to the use of hot gas-generating gas and reusable ignition devices when starting up.
4. Обеспечить многоразовость запуска ЖРД и ГТД за счет применения на них многоразовых запальных устройств (электрических или лазерных).4. To ensure multiple launch of the rocket engine and gas turbine engine through the use of reusable ignition devices on them (electric or laser).
5. Обеспечить управление ракетой-носителем по углам тангажа, рыскания и крена как на активном участке траектории, так и при возвращении.5. Ensure control of the launch vehicle in pitch, yaw and roll angles both in the active section of the trajectory and upon return.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. Ю.П. Семенов, Г.Е. Лозино-Лозинский, В.Л. Лапыгин, В.А. Тимченко и др. Многоразовый орбитальный корабль «Буран». М., «Машиностроение», 1995 г., 448 с.1. Yu.P. Semenov, G.E. Lozino-Lozinsky, V.L. Lapygin, V.A. Timchenko and others. Reusable orbiter "Buran". M., "Engineering", 1995, 448 S.
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015147935A RU2609547C1 (en) | 2015-11-06 | 2015-11-06 | Return stage of rocket vehicle and method of its operation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015147935A RU2609547C1 (en) | 2015-11-06 | 2015-11-06 | Return stage of rocket vehicle and method of its operation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2609547C1 true RU2609547C1 (en) | 2017-02-02 |
Family
ID=58457245
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015147935A RU2609547C1 (en) | 2015-11-06 | 2015-11-06 | Return stage of rocket vehicle and method of its operation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2609547C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022100531A1 (en) * | 2020-11-11 | 2022-05-19 | 李晓波 | Auxiliary propulsion device for aerospace liquid propeller |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5014508A (en) * | 1989-03-18 | 1991-05-14 | Messerschmitt-Boelkow-Blohm Gmbh | Combination propulsion system for a flying craft |
US6612522B1 (en) * | 1998-03-17 | 2003-09-02 | Starcraft Boosters, Inc. | Flyback booster with removable rocket propulsion module |
RU2442727C1 (en) * | 2010-09-20 | 2012-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" | Reusable missile and aircraft unit and way to return it to spaceport |
RU2495799C1 (en) * | 2012-08-15 | 2013-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" | Shuttlecraft |
-
2015
- 2015-11-06 RU RU2015147935A patent/RU2609547C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5014508A (en) * | 1989-03-18 | 1991-05-14 | Messerschmitt-Boelkow-Blohm Gmbh | Combination propulsion system for a flying craft |
US6612522B1 (en) * | 1998-03-17 | 2003-09-02 | Starcraft Boosters, Inc. | Flyback booster with removable rocket propulsion module |
RU2442727C1 (en) * | 2010-09-20 | 2012-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Лётно-исследовательский институт имени М.М. Громова" | Reusable missile and aircraft unit and way to return it to spaceport |
RU2495799C1 (en) * | 2012-08-15 | 2013-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева" | Shuttlecraft |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022100531A1 (en) * | 2020-11-11 | 2022-05-19 | 李晓波 | Auxiliary propulsion device for aerospace liquid propeller |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7762077B2 (en) | Single-stage hypersonic vehicle featuring advanced swirl combustion | |
US6966174B2 (en) | Integrated bypass turbojet engines for air craft and other vehicles | |
US9249758B2 (en) | Propulsion assembly and method | |
US20030192303A1 (en) | Integrated bypass turbojet engines for aircraft and other vehicles | |
US20080128547A1 (en) | Two-stage hypersonic vehicle featuring advanced swirl combustion | |
EP1534945A2 (en) | Integrated bypass turbojet engines for aircraft and other vehicles | |
US11643994B2 (en) | Rocket propulsion systems and associated methods | |
GB2222635A (en) | A propulsion system for an aerospace vehicle | |
US11976612B2 (en) | Ramjet propulsion method | |
RU2384473C2 (en) | Hypersonic airplane with combat air craft laser | |
RU2609539C1 (en) | Rocket vehicle, return stage of rocket vehicle and method of its launch upon return and system of helicopter pick-up of return stage | |
RU2602656C1 (en) | Return carrier rocket stage, method of its operation and gas turbine engine | |
RU2366593C1 (en) | Military-space airplane with aviation-based fighting laser | |
RU2603305C1 (en) | Return carrier rocket stage | |
RU2742515C1 (en) | Compound propulsion system of reusable first stage launcher | |
KR20150094606A (en) | Combined steering and drag-reduction device | |
RU2609547C1 (en) | Return stage of rocket vehicle and method of its operation | |
Siebenhaar et al. | The strutjet rocket based combined cycle engine | |
RU2609549C1 (en) | Return stage of rocket vehicle and method of its operation | |
RU2380282C1 (en) | Hypersonic aircraft and onboard combat laser | |
US4007892A (en) | Aircraft flight method and apparatus for boosting an aircraft to a very high altitude and thereafter boosting the aircraft to a high rate of forward speed | |
RU2710841C1 (en) | Reusable carrier of krishtop (rck), hybrid power unit (hpu) for rck and method of functioning with hpu (versions) | |
RU2380651C1 (en) | Multistaged air-defense missile | |
RU2609664C1 (en) | Return stage of rocket vehicle, method of its operation and gas turbine engine | |
RU2378158C1 (en) | Hypersonic aircraft and its jet engine |