RU93468U1

RU93468U1 - LIQUID ROCKET ENGINE CAMERA MODEL

Info

Publication number: RU93468U1
Application number: RU2009146039/22U
Authority: RU
Inventors: Вадим Всеволодович Миронов; Владимир Владимирович Кошлаков; Эльза Петровна Юкина; Вадим Владимирович Тлевцежев
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2010-04-27

Abstract

1. Модель камеры жидкостного ракетного двигателя, содержащая камеру сгорания с неподвижным стационарным соплом, с размещенным на нем сдвигаемым насадком, отличающаяся тем, что на закритической части неподвижного стационарного сопла установлена сетчатая рама, представляющая собой кольцо и служащая опорой сетчатому направляющему цилиндру с расположенными на его боковой поверхности направляющими для осевого перемещения по ним сдвигаемого насадка, при этом неподвижное стационарное сопло, сдвигаемый насадок, сетчатый направляющий цилиндр, сетчатая рама и камера сгорания выполнены неохлаждаемыми из композиционных материалов, армированных углеродными и комбинированными волокнами. ! 2. Модель камеры жидкостного ракетного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя и внешняя поверхности камеры сгорания, неподвижного стационарного сопла и сдвигаемого насадка снабжены покрытиями на основе тугоплавких материалов. ! 3. Модель камеры жидкостного ракетного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что сдвигаемый насадок снабжен внешней теплозащитой, выполненной из материала с низкой теплопроводностью. 1. A model of a chamber of a liquid propellant rocket engine containing a combustion chamber with a stationary stationary nozzle and a movable nozzle placed on it, characterized in that a mesh frame is installed on the supercritical part of the stationary stationary nozzle, which is a ring and serves as a support for the mesh guide cylinder with its located on it side surfaces with guides for axial movement of a movable nozzle along them, while a stationary stationary nozzle, movable nozzles, mesh guide cylinder p, mesh frame and uncooled combustion chamber made of composite material reinforced by carbon fibers and combined. ! 2. The model of a chamber of a liquid-propellant rocket engine according to claim 1, characterized in that the inner and outer surfaces of the combustion chamber, stationary stationary nozzle, and movable nozzle are provided with coatings based on refractory materials. ! 3. The model of the chamber of a liquid propellant rocket engine according to claim 1, characterized in that the movable nozzle is provided with external thermal protection made of a material with low thermal conductivity.

Description

Полезная модель относится к ракетной технике, а именно к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД). В современных конструкциях ЖРД применяют сопла с выдвигаемыми насадками, изготовляемыми из металлических материалов. Выдвижение насадков в рабочее положение может осуществляться после разделения ступеней ракеты. Различают два способа раздвижки насадков в рабочее положение: до запуска двигателя-холодная раздвижка и после запуска двигателя-горячая раздвижка. Для реализации схем холодной раздвижки необходим интервал времени между разделением ступеней и запуском двигателя. В общем случае, этот интервал, являющийся фактически неуправляемым участком полета ракеты, определяется совокупностью таких факторов, как относительные скорости отделения ступеней, а также возмущения от действия отраженных струй.The utility model relates to rocket technology, namely to liquid-propellant rocket engines (LRE). In modern designs of liquid propellant rocket engines, nozzles with extendable nozzles made of metal materials are used. The extension of the nozzles to the working position can be carried out after separation of the rocket stages. There are two ways to extend the nozzles into the working position: before starting the engine — cold expansion and after starting the engine — hot expansion. To implement cold sliding schemes, an interval of time is required between the separation of stages and the engine starting. In the general case, this interval, which is actually an uncontrolled portion of the rocket’s flight, is determined by a combination of factors such as relative separation rates of the steps, as well as disturbances from the action of the reflected jets.

Преимуществом способа холодной раздвижки является то, что параметры выдвижения насадков, в частности, время выдвижения насадков из исходного положения в рабочее, кинетическая энергия насадков в момент достижения ими конечного положения отрабатываются в процессе автономных испытаний. Надежность работы сопел с телескопически выдвигаемым насадком достигается обеспечением соосности насадка с неподвижным стационарным соплом, что особенно важно в конце движения насадка.The advantage of the cold expansion method is that the parameters of the extension of the nozzles, in particular, the time of extension of the nozzles from the initial position to the working, kinetic energy of the nozzles at the time they reach the final position are worked out in the process of autonomous tests. The reliability of nozzles with a telescopically extendable nozzle is achieved by ensuring alignment of the nozzle with a stationary stationary nozzle, which is especially important at the end of the nozzle movement.

Известен двигатель RL 10B-2 (AIAA 98-3363, Joint Propulsion Conference and Exhibit, july 13-15 1998), в котором камера сгорания является охлаждаемой, а в качестве материалов для ее изготовления используются металлические сплавы. Выдвижение насадка в рабочее положение осуществляется телескопическим механизмом.Known engine RL 10B-2 (AIAA 98-3363, Joint Propulsion Conference and Exhibit, july 13-15 1998), in which the combustion chamber is cooled, and metal alloys are used as materials for its manufacture. The extension of the nozzle to the working position is carried out by a telescopic mechanism.

Недостатком этой конструкции является то, что при выдвижении соплового насадка отсутствуют механизмы центрирования, обеспечивающее соосное выдвижение соплового насадка относительно неподвижного сопла. Кроме того, камера сгорания выполнена из металлического сплава и является охлаждаемой, что приводит к утяжелению конструкции.The disadvantage of this design is that when the nozzle nozzle is extended, there are no centering mechanisms providing coaxial extension of the nozzle nozzle relative to the stationary nozzle. In addition, the combustion chamber is made of a metal alloy and is cooled, which leads to a heavier structure.

Технический результат, достигаемый с помощью предлагаемой полезной модели, состоит в обеспечении уменьшения осевого габарита камеры сгорания и сопла, соосности выдвижения насадка относительно неподвижного стационарного сопла при осевых и изгибных нагрузках во время запуска двигателя, в повышении прочности и надежности системы выдвижения сдвигаемого насадка при одновременном снижении его массы и уменьшении затрат при его изготовлении, что приводит к снижению полетной массы сопла и всего двигателя в целом, а также в исключении системы регенеративного охлаждения камеры сгорания и сопла, изготовляемых из высокотемпературных композиционных материалов, что исключает использование дорогостоящих технологических операций фрезерования и вакуумной пайки оболочек.The technical result achieved using the proposed utility model is to reduce the axial dimension of the combustion chamber and the nozzle, alignment of the extension of the nozzle relative to the stationary stationary nozzle under axial and bending loads during engine start-up, and increase the strength and reliability of the extension system of the movable nozzle while reducing its mass and cost reduction in its manufacture, which leads to a decrease in the flight mass of the nozzle and the entire engine as a whole, as well as in the exclusion of the system regenerative cooling of the combustion chamber and nozzle made of high-temperature composite materials, which eliminates the use of expensive technological operations of milling and vacuum brazing of shells.

Технический результат достигается тем, что на закритической части неподвижного стационарного сопла установлена сетчатая рама, представляющая собой кольцо и служащая опорой сетчатому направляющему цилиндру с расположенными на его боковой поверхности направляющими для осевого перемещения по ним сдвигаемого насадка. При этом камера сгорания, неподвижное стационарное сопло, сдвигаемый насадок, сетчатый направляющий цилиндр, сетчатая рама выполнены неохлаждаемыми из композиционных материалов, армированных углеродными и комбинированными волокнами.The technical result is achieved by the fact that a mesh frame is installed on the supercritical part of the stationary stationary nozzle, which is a ring and serves as a support for the mesh guide cylinder with guides located on its side surface for axial movement of the movable nozzle along them. In this case, the combustion chamber, stationary stationary nozzle, movable nozzles, mesh guide cylinder, mesh frame are made uncooled from composite materials reinforced with carbon and combined fibers.

Применение композиционного материала, обладающего высокой удельной прочностью при растяжении вдоль волокна позволяет достигнуть массового совершенства конструкции по сравнению с традиционными металлическими сплавами. Композиционные материалы, используемые в конструкции ЖРД, представляют собой гетерогенные среды, жесткость и прочность которых определяется армирующими элементами (волокнами, нитями, жгутами, тканями), а совместная работа этих элементов определяется изотропным связующим.The use of a composite material with high specific tensile strength along the fiber allows to achieve mass design perfection in comparison with traditional metal alloys. Composite materials used in the design of liquid-propellant rocket engines are heterogeneous media, the rigidity and strength of which is determined by reinforcing elements (fibers, threads, tows, fabrics), and the joint work of these elements is determined by an isotropic binder.

Кроме того, внутренняя и внешняя поверхности камеры сгорания, неподвижного стационарного сопла и сдвигаемого насадка могут иметь покрытия на основе тугоплавких материалов, а внешняя теплозащита сдвигаемого насадка может быть выполнена из материала с низкой теплопроводностью, например, углеродного войлока или войлокарба-22.In addition, the inner and outer surfaces of the combustion chamber, the stationary stationary nozzle, and the movable nozzle may have coatings based on refractory materials, and the external thermal protection of the movable nozzle may be made of a material with low thermal conductivity, for example, carbon felt or felt-22.

Предлагаемая полезная модель камеры жидкостного ракетного двигателя поясняется фиг.1, где изображена камера сгорания (1) с неподвижным стационарным соплом (2). На фиг.2 представлено пространственное изображение предлагаемой модели камеры ЖРД.The proposed utility model of a liquid-propellant rocket engine chamber is illustrated in FIG. 1, which shows a combustion chamber (1) with a stationary stationary nozzle (2). Figure 2 presents a spatial image of the proposed model of the camera rocket engine.

Система раздвижки сопла содержит сдвигаемый сопловой насадок (3), коаксильно размещенный относительно неподвижного стационарного сопла (2), на закритической части которого установлена сетчатая рама (4). Сетчатая рама (4) представляет собой кольцо и является опорой для сетчатого направляющего цилиндра (5). Этот цилиндр (5) образован пересекающимися спиральными и кольцевыми ребрами, выполненными из нескольких слоев ленты на основе композиционного материала. На сетчатом цилиндре (5) расположены направляющие для осевого перемещения по ним сдвигаемого насадка. Камера сгорания (1), неподвижное стационарное сопло (2), сдвигаемый сопловой насадок (3), сетчатый направляющий цилиндр (5) и сетчатая рама (4) выполнены неохлаждаемыми из композиционных материалов, армированных углеродными и комбинированными волокнами, в т.ч. стеклянными, металлическими. Связующее может быть как полимерным, так и металлическим.The nozzle extension system comprises a movable nozzle nozzle (3) coaxially placed relative to a stationary stationary nozzle (2), on the supercritical part of which a mesh frame (4) is installed. The mesh frame (4) is a ring and is a support for the mesh guide cylinder (5). This cylinder (5) is formed by intersecting spiral and annular ribs made of several layers of tape based on composite material. On the mesh cylinder (5) there are guides for axial movement of the movable nozzle along them. The combustion chamber (1), the stationary stationary nozzle (2), the movable nozzle nozzles (3), the mesh guide cylinder (5) and the mesh frame (4) are made uncooled from composite materials reinforced with carbon and combined fibers, including glass, metal. The binder can be either polymeric or metallic.

Внутренняя и внешняя поверхности камеры сгорания, стационарного сопла и сдвигаемого насадка могут иметь антиокислительное покрытия на основе тугоплавких материалов, например, AlN,SiC,HfC. Данное покрытие, благодаря особой микроструктуре, обладает высокими эксплуатационными свойствами: термической и коррозионной стойкостью, низкой газопроницаемостью. На наружную поверхность сдвигаемого соплового насадка может быть нанесено ТЗП из материала с низкой теплопроводностью (углеродный войлок, войлокарб-22), обеспечивающее защиту агрегатов ДУ от внешних тепловых воздействий со стороны сопла. Система раздвижки сопла работает следующим образом:The inner and outer surfaces of the combustion chamber, the stationary nozzle, and the movable nozzle may have antioxidant coatings based on refractory materials, for example, AlN, SiC, HfC. This coating, due to its special microstructure, has high performance properties: thermal and corrosion resistance, low gas permeability. On the outer surface of the movable nozzle nozzle can be applied TZP from a material with low thermal conductivity (carbon felt, felt-carb-22), which protects the remote control units from external heat from the nozzle. The nozzle extension system operates as follows:

Выдвижение соплового насадка (3) проводится по команде от системы управления, с помощью гидравлического, пневматического, электрического, или пиротехнического привода, например пироболта (на схеме не показан). При поступлении команды от системы управления срабатывает пироболт (детонирующий состав в полости болта разрушает стенку корпуса пироболта), происходит расфиксация сдвигаемого соплового насадка (3) и неподвижного стационарного сопла (2). Страгивание выдвигаемого соплового насадка (3) и его дальнейшее движение происходит под действием сил привода выдвижения.The extension of the nozzle nozzle (3) is carried out on command from the control system, using a hydraulic, pneumatic, electric, or pyrotechnic drive, for example pyro-bolt (not shown in the diagram). When a command is received from the control system, a pyro-bolt is triggered (a detonating composition in the bolt cavity destroys the wall of the pyro-bolt body), the movable nozzle nozzle (3) and the stationary stationary nozzle (2) are released. The movement of the extended nozzle nozzle (3) and its further movement occurs under the action of the drive forces of the extension.

Насадок (3) вместе с направляющим цилиндром (5) перемещаются до фиксации насадка (3) на неподвижном стационарном сопле (2). Боковые силы, действующие на сдвигаемый сопловой насадок (3) и стремящиеся вывести его из соосного положения с неподвижным раструбом (2), воспринимаются сетчатым направляющим цилиндром (5) на участке движения сетчатого направляющего цилиндра со сдвигаемым сопловым насадком (3).The nozzles (3) together with the guide cylinder (5) are moved until the nozzle (3) is fixed on the stationary stationary nozzle (2). The lateral forces acting on the movable nozzle nozzles (3) and tending to bring it out of alignment with the fixed bell (2) are perceived by the mesh guide cylinder (5) in the motion section of the mesh guide cylinder with the movable nozzle nozzle (3).

Данная конструкция направляющего устройства позволяет обеспечивать его соосное движение в широком диапазоне возмущающих боковых сил, и тем самым, обеспечивать надежную стыковку с неподвижным раструбом.This design of the guide device allows for its coaxial movement in a wide range of perturbing lateral forces, and thereby ensure reliable docking with a fixed bell.

В ФГУП "Центр Келдыша" была изготовлена модель камеры ЖРД из углепластика со следующими параметрами:In FSUE Keldysh Center, a model of carbon-fiber rocket engine was manufactured with the following parameters:

- диаметр камеры сгорания (Dkc), мм - 80- diameter of the combustion chamber (Dkc), mm - 80

- длина камеры сгорания (Lkc), мм - 193 - length of the combustion chamber (Lkc), mm - 193

- топливо-жидкий кислород + жидкий водород - fuel-liquid oxygen + liquid hydrogen

- диаметр среза стационарного сопла (Dcp1), мм - 232- diameter of a cut of a stationary nozzle (Dcp1), mm - 232

- диаметр среза сдвигаемого сопла (Dcp2), мм - 600- shear nozzle shear diameter (Dcp2), mm - 600

- общая масса двигателя, кг-13- total engine weight, kg-13

При этом масса аналога из традиционных металлических сплавов составляет 60 кг.The mass of the analogue of traditional metal alloys is 60 kg.

Огневые испытания этой модели показали следующие технические характеристики:Fire tests of this model showed the following technical characteristics:

-номинальная тяга в пустоте, кгс - 2000rated thrust in a vacuum, kgf - 2000

-время работы двигателя, с - 150- engine operating time, s - 150

-максимальная температура на поверхности сопловых насадков, К-1800-maximum temperature on the surface of nozzle nozzles, K-1800

Кроме того, в ФГУП «Центр Келдыша» была изготовлена модель камеры сгорания с соплом из стеклопластика диаметром 18 мм. Изготовленная камера сгорания прошла огневые испытания при температурах потока 2000 К.In addition, a model of a combustion chamber with a nozzle made of fiberglass with a diameter of 18 mm was manufactured at FSUE Keldysh Center. The manufactured combustion chamber passed fire tests at flow temperatures of 2000 K.

Claims

1. A model of a chamber of a liquid propellant rocket engine containing a combustion chamber with a stationary stationary nozzle and a movable nozzle placed on it, characterized in that a mesh frame is installed on the supercritical part of the stationary stationary nozzle, which is a ring and serves as a support for the mesh guide cylinder with its located on it side surfaces with guides for axial movement of a movable nozzle along them, while a stationary stationary nozzle, movable nozzles, mesh guide cylinder p, mesh frame and uncooled combustion chamber made of composite material reinforced by carbon fibers and combined.

2. The model of a chamber of a liquid-propellant rocket engine according to claim 1, characterized in that the inner and outer surfaces of the combustion chamber, stationary stationary nozzle, and movable nozzle are provided with coatings based on refractory materials.

3. The model of the chamber of a liquid propellant rocket engine according to claim 1, characterized in that the movable nozzle is provided with external thermal protection made of a material with low thermal conductivity.