жидкостная ракетная двигательная установка

Формула изобретения

Жидкостная ракетная двигательная установка, включающая баки жидкого водорода и жидкого кислорода с газовыми подушками в каждом баке, магистрали подачи жидкого кислорода и жидкого водорода в реактивную камеру с последовательно установленными в этих магистралях клапанами подачи водорода и кислорода соответственно бустерными насосами водорода и кислорода и основными насосами водорода и кислорода, на валах которых установлены турбины водорода и кислорода, магистраль выхода водорода из реактивной камеры, к которой подсоединен трубопровод с клапаном водорода, состыкованный с газовой подушкой бака жидкого водорода, и трубопроводы, состыкованные с входами в газогенераторы водорода и кислорода, выходы которых соединены патрубками с входами турбин по каждому компоненту; выходы из турбин соединены трубопроводами подачи компонентов в реактивную камеру, магистраль выхода кислорода из реактивной камеры, к которой подсоединен трубопровод с клапаном кислорода, состыкованный с газовой подушкой бака жидкого кислорода, и трубопроводы, состыкованные с входами в газогенераторы водорода и кислорода, выходы которых соединены патрубками с входами турбин по каждому компоненту, отличающаяся тем, что в нее введены электрохимический генератор с входом и выходом кислорода и входом и выходом водорода, эжектор кислорода, эжектор водорода и два электродвигателя, один из которых соединен с валом бустерного насоса кислорода, а другой - с валом бустерного насоса водорода, при этом вход кислорода электрохимического генератора соединен трубопроводом с газовой подушкой бака с жидким кислородом, а выход соединен трубопроводом с входом эжектора кислорода, выход которого подсоединен к трубопроводу подачи кислорода; вход водорода электрохимического генератора соединен трубопроводом с газовой подушкой бака с жидким водородом, а выход соединен трубопроводом с входом эжектора водорода, выход которого подсоединен к трубопроводу подачи водорода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к жидкостным ракетным двигательным установкам (ЖРДУ) с турбонасосными агрегатами (ТНА).

Известна ЖРДУ [1], включающая баки с жидкими компонентами, например с водородом и с кислородом, с газовыми подушками в каждом баке, реактивную камеру, агрегаты турбонасосной системы подачи, магистрали газа и жидких топливных компонентов с патрубком для подсоединения приводной турбины к источнику сжатого пускового газа.

Использование сжатого газа для первоначальной раскрутки турбонасосного агрегата (ТНА) в известном техническом решении для запуска ЖРДУ в применении к современным высокоэффективным двигателям, выполненным по схеме с дожиганием газа в реактивной (тяговой) камере, имеет большие недостатки. Причиной тому является низкий перепад давлений, характерный для приводной турбины основного ТНА, вследствие этого подача сжатого газа на основную турбину по известному техническому решению в процессе заполнения топливных магистралей при отсутствии противодавления приводит к весьма быстрой раскрутке ротора ТНА с неизбежным кавитационным срывом топливных насосов. В результате этого пуск летательного аппарата (ЛА) с ЖРДУ завершается аварией.

С целью повышения надежности в ЖРДУ, взятой за прототип [2], включающей баки с жидкими компонентами, например с водородом и с кислородом, с газовыми подушками в каждом баке, реактивную камеру, в магистрали подачи жидких топливных компонентов в реактивную камеру последовательно устанавливают бустерный и основной насосы с установленными на их валах турбинами. Вход основной турбины соединен с газогенератором, а выход - с реактивной камерой, а бустерная турбина связана с источником пускового газа высокого давления и патрубком питания бустерной турбины.

Пусковой газ высокого давления, согласно прототипу, подают на турбину бустерного насоса. Это исключает кавитационный срыв топливных насосов, но не исключает кавитационный срыв бустерных насосов, что также может привести к аварии.

Существенным недостатком прототипа является также невозможность многократного запуска двигателя. Это связано с тем, что запасы сжатого газа ограничены массогабаритными характеристиками космического объекта.

Настоящее изобретение решает техническую задачу обеспечения надежного многократного запуска ЖРДУ. Ожидаемый технический результат состоит в том, что запуск ЖРДУ не связан с наличием источника газа высокого давления, который может привести к кавитационному режиму работы насосов и позволяет обеспечить многократный запуск двигателя, так как не связан с запасами газа высокого давления, запасы которого ограничены.

Указанная техническая задача решается тем, что в жидкостную ракетную двигательную установку, включающую баки жидкого водорода и жидкого кислорода с газовыми подушками в каждом баке, магистрали подачи жидкого кислорода и жидкого водорода в реактивную камеру, с последовательно установленными в этих магистралях клапанами подачи водорода и кислорода, соответственно бустерными насосами водорода и кислорода, и основными насосами водорода и кислорода, на валах которых установлены турбины водорода и кислорода, магистраль выхода водорода из реактивной камеры, к которой подсоединен трубопровод с клапаном водорода, состыкованный с газовой подушкой бака жидкого водорода, и трубопроводы, состыкованные с входами в газогенераторы водорода и кислорода, выходы которых соединены патрубками с входами турбин по каждому компоненту; выходы из турбин соединены трубопроводами подачи компонентов в реактивную камеру, магистраль выхода кислорода из реактивной камеры, к которой подсоединен трубопровод с клапаном кислорода, состыкованный с газовой подушкой бака жидкого кислорода и трубопроводы, состыкованные с входами в газогенераторы водорода и кислорода, выходы которых соединены патрубками с входами турбин по каждому компоненту, введены электрохимический генератор с входом и выходом кислорода и входом и выходом водорода, эжектор кислорода, эжектор водорода и два электродвигателя, один из которых соединен с валом бустерного насоса кислорода, а другой - с валом бустерного насоса водорода, при этом вход кислорода электрохимического генератора соединен трубопроводом входа кислорода в электрохимический генератор с газовой подушкой бака с жидким кислородом, а выход соединен трубопроводом выхода кислорода из электрохимического генератора с входом эжектора кислорода, выход которого подсоединен к трубопроводу подачи газообразного кислорода; вход водорода электрохимического генератора соединен трубопроводом входа водорода в электрохимический генератор с газовой подушкой бака с жидким водородом, а выход соединен трубопроводом выхода водорода из электрохимического генератора с входом эжектора водорода, выход которого подсоединен к трубопроводу подачи газообразного водорода

На чертеже представлена функциональная схема ЖРДУ, которая включает в себя:

1 - электрохимический генератор (ЭХГ);

2 - газовая подушка бака с жидким водородом;

3 - газовая подушка бака с жидким кислородом;

4 - бак жидкого водорода;

5 - бак жидкого кислорода;

6 - магистраль подачи жидкого водорода;

7 - магистраль подачи жидкого кислорода;

8 - клапан подачи водорода;

9 - клапан подачи кислорода;

10 - бустерный насос водорода;

11 - бустерный насос кислорода;

12 - основной насос водорода;

13 - основной насос кислорода;

14 - электродвигатель;

15 - электродвигатель;

16 - турбина водорода;

17 - турбина кислорода;

18 - газогенератор водорода;

19 - газогенератор кислорода;

20 - трубопровод подачи водорода;

21 - трубопровод подачи кислорода

22 - магистраль выхода водорода;

23 - магистраль выхода кислорода;

24 - клапан водорода;

25 - клапан кислорода;

26 - трубопровод;

27 - трубопровод;

28 - эжектор водорода;

29 - эжектор кислорода;

30 - патрубок;

31 - патрубок;

32 - трубопровод;

33 - трубопровод;

34 - реактивная камера.

ЖРДУ содержит электрохимический генератор 1, вход водорода которого соединен трубопроводом 32 с газовой подушкой 2 бака с жидким водородом 4, а вход кислорода - трубопроводом 33 с газовой подушкой 3 бака с жидким кислородом 5. На магистрали подачи жидкого водорода 6 в реактивную камеру 34 последовательно установлены клапан подачи водорода 8, бустерный насос водорода 10 и основной насос водорода 12. На магистрали подачи жидкого кислорода 7 в реактивную камеру 34 последовательно установлены клапан подачи кислорода 9, бустерный насос кислорода 11 и основной насос кислорода 13.

К валу бустерного насоса водорода 10 подсоединен электродвигатель 14. Вход турбины водорода 16 соединен патрубком 30 с выходом газогенератора водорода 18, а выход - через трубопровод подачи водорода 20 с реактивной камерой 34.

К валу бустерного насоса кислорода 11 подсоединен электродвигатель 15. Вход турбины кислорода 17 соединен патрубком кислорода 31 с выходом газогенератора кислорода 19, а выход - через трубопровод подачи кислорода 21 с реактивной камерой 34.

К входам газогенератора кислорода 19 поступает незначительная часть водорода по магистрали выхода водорода 22 и основная часть кислорода по магистрали выхода кислорода 23.

К входам газогенератора водорода 18 поступает незначительная часть кислорода по магистрали выхода кислорода 23 и основная часть водорода по магистрали выхода водорода 22. Трубопровод 26 соединен через эжектор водорода 28 с трубопроводом подачи водорода 20.

Трубопровод 27 соединен через эжектор кислорода 29 с трубопроводом подачи кислорода 21. Клапан кислорода 25 объединяет магистраль выхода кислорода 23 с газовой подушкой бака с жидким кислородом 3.

Клапан водорода 24 объединяет магистраль выхода водорода 22 с газовой подушкой бака с жидким водородом 2.

ЖРДУ работает следующим образом. По команде «Пуск» открываются клапан подачи водорода 8 и клапан подачи кислорода 9, и жидкий водород из бака жидкого водорода 4, под действием газообразного водорода, находящегося в газовой подушке бака с жидким водородом 2, заполняет магистраль подачи жидкого водорода 6 и бустерный насос водорода 10, а жидкий кислород из бака жидкого кислорода 5, под действием газообразного кислорода, находящегося в газовой подушке бака с жидким кислородом 3, заполняет магистраль подачи жидкого кислорода 7 и бустерный насос кислорода 11. После чего включают электродвигатель 14, на валу которого установлен бустерный насос водорода 10, и электродвигатель 15, на валу которого установлен бустерный насос кислорода 11.

Водород из бака жидкого водорода 4 начинает поступать в реактивную камеру 34 и далее по магистрали выхода водорода 22 в газогенератор водорода 18. В этот же газогенератор по трубопроводу выхода кислорода 23 поступает заданное количество кислорода. Топливная смесь воспламеняется, образуя газообразную смесь с большим избытком водорода, которая поступает по патрубку 30 на вход турбины водорода 16. В результате чего турбина водорода 16, на валу которой находится основной насос водорода 12, начинает вращаться и водород начинает поступать по магистрали подачи жидкого водорода 6 в реактивную камеру 34 и далее по магистрали выхода водорода 22 в газогенератор водорода 18 уже под воздействием двух насосов 10 и 12.

В результате этого увеличивается количество топливной смеси, поступающей в газогенератор водорода 18. Турбина водорода 16, на валу которой находится основной насос водорода 12, начинает вращаться с большей скоростью, достигая заданного необходимого значения, и газообразная смесь с большим избытком водорода и с большим давлением начинает поступать по трубопроводу подачи водорода 20 в реактивную камеру 34.

То же самое происходит по линии кислорода. Кислород из бака жидкого кислорода 5 начинает поступать в реактивную камеру 34 и далее по магистрали выхода кислорода 23 в газогенератор кислорода 19. В этот же газогенератор по трубопроводу выхода водорода 22 поступает заданное количество водорода.

Топливная смесь, поступающая в газогенератор кислорода 19, воспламеняется, образуя газообразную смесь с большим избытком кислорода, которая поступает по патрубку кислорода 31 на вход турбины кислорода 17.

В результате чего турбина кислорода 17, на валу которой находится основной насос кислорода 13, начинает вращаться и кислород начинает поступать по магистрали подачи жидкого кислорода 7 в реактивную камеру 34 и далее по магистрали выхода кислорода 23 в газогенератор кислорода 19 уже под воздействием двух насосов 11 и 13.

В результате этого увеличивается количество топливной смеси, поступающей в газогенератор кислорода 19. Турбина кислорода 17, на валу которой находится основной насос кислорода 13, начинает вращаться с большей скоростью, достигая заданного необходимого значения, и газообразная смесь с большим избытком водорода и с большим давлением начинает поступать по трубопроводу подачи кислорода 21 в реактивную камеру 34.

В реактивной камере 34 газообразная смесь с избытком водорода, поступающая по трубопроводу подачи водорода 20, и газообразная смесь с избытком кислорода, поступающая по трубопроводу подачи кислорода 21, поджигаются, создавая реактивную тягу и превращая в пар жидкий водород, заполняющий магистрали выхода водорода 22, и жидкий кислород, заполняющий магистраль выхода кислорода 23. После этого открывается клапан водорода 24, заполняя газообразным водородом газовую подушку 2 бака с жидким водородом 4, и клапан кислорода 25, заполняя газообразным кислородом газовую подушку 3 бака с жидким кислородом 5.

Избыточное количество газообразного водорода и кислорода позволяет электрохимическому генератору 1 работать в форсированном режиме, выдавая большее количество электроэнергии, сбрасывая тепло и воду, образующуюся в результате реакции соединения кислорода с водородом, по трубопроводу 26 выхода водорода из ЭХГ и трубопроводу 27 выхода кислорода из ЭХГ. Тепло, продукты реакции электрохимического генератора (пары воды), водород, продуваемый через эжектор водорода 28, а также кислород, продуваемый через эжектор кислорода 29, поступают по трубопроводам 26 и 27 водорода и кислорода в реактивную камеру 34, что позволяет увеличить реактивную тягу двигателя.

Описанная на конкретном примере жидкостная двигательная установка обеспечивает быстрое включение ЖРДУ в работу, что экономит жидкое ракетное топливо летательного аппарата. Наряду с этим предотвращает возможность резкого разгона ТНА с незаполненными жидким топливом насосами, что гарантирует надежный запуск ЖРДУ без срывов работы насосов и разрушений материальной части и увеличить реактивную тягу двигателя. В этом и состоит технический результат от применения изобретения.

Источники информации

1. Гахун Г.Г. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1989, с.68-69.

2. Патент RU 2084677, МПК6 F 02 K 9/48 от 20.07.97.