Способ повышения энергетических характеристик серийно изготавливаемых жидкостных ракетных двигателей

Изобретение относится к области ракетной техники и, в частности, к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД), работающим на земле и в пустоте в составе ракетного блока.

При эксплуатации современных ракет-носителей (РН) регулярно возникает потребность повышения энергетических характеристик ЖРД для увеличения массы выводимого полезного груза (ПГ). Для этого проводится модернизация маршевых двигателей ракет-носителей (РН) и разгонных блоков, направленная на повышение удельного импульса I_y и тяги Р.

Известен способ повышения энергетических характеристик ЖРД за счет применения более эффективных компонентов ракетного топлива, так в серийно изготавливаемом двигателе 11Д511Ф был получен прирост удельного импульса тяги двигателя на 6,5 с за счет применения более эффективного углеводородного горючего «синтин» вместо керосина.

Известен способ повышения энергетических характеристик ЖРД за счет изменения элементов конструкции камеры двигателя, так в серийно изготавливаемых двигателях 14Д21(14Д22) был получен прирост удельного импульса тяги двигателя на 6,5 с за счет применения улучшенной конструкции смесительной головки с однокомпонентными центробежными форсунками.

Известен способ повышения энергетических характеристик ЖРД за счет повышения давления в камере сгорания. При этом одновременно повышается и удельный импульс тяги двигателя. Однако в области высоких давлений в камере сгорания р_к = 250-300 кгс/см² удельный импульс зависит от р_к очень слабо. Форсирование по тяге проводилось, например, при модернизации двигателя первой ступени РН «Зенит» и «Ангара» от РД171М (давление в КС р_к = 250 кгс/см²) к РД191 (р_к = 262,6 кгс/см²) на компонентах топлива кислород-керосин. При модернизации указанных двигателей геометрия сопел оставалась неизменной.

Задачей изобретения является создание способа повышения энергетических характеристик серийно изготавливаемого ЖРД, при котором за счет увеличения давления в камере сгорания ЖРД происходит повышение тяги и удельного импульса тяги двигателя, причем без существенного изменения элементов конструкции двигателя.

Эта задача решается за счет того, что в способе повышения энергетических характеристик серийно изготавливаемого ЖРД, характеризующимся тем, что осуществляют увеличение давления в камере сгорания ЖРД и повышают геометрическую степень расширения сопла за счет установки соплового насадка на его срезе.

Технический результат заключается в том, что достигается существенное повышение энергетических характеристик серийно изготавливаемых ЖРД, что, в конечном счете, приводит к повышению массы, выводимого на орбиту ПГ.

На фиг. показана схематически камера 1 серийно изготавливаемого ЖРД, и сопловой насадок 2, устанавливаемый на срезе сопла указанной камеры.

Суть изобретения поясняется на примере серийно изготавливаемых камер ЖРД РД171М и РД191. Камера двигателя РД191 имеет более высокие энергетические характеристики, так как на номинальном режиме она форсирована по тяге по отношению к режиму работы двигателя РД171М на 5% путем увеличения давления в камере сгорания р_к. Как известно, камеры ЖРД РД171М и РД191 имеют одинаковые конструкцию и геометрические параметры. Сопла этих камер имеют геометрическую степень расширения . При этом удельный импульс тяги двигателя РД191 увеличился очень незначительно. В таблице представлены результаты вариантов расчета повышения удельного импульса в пустоте I_уп и тяги в пустоте Р_п серийно изготавливаемой камеры ЖРД РД191и с установленным на ее срез сопловым насадком при форсировании по отношению к тяге двигателя РД171М на 5%, 10 и 15%%. Степень расширения камеры с насадком во всех вариантах расчета выбиралась такой, чтобы давление в выходном сечении насадка р_а было равно давлению на срезе сопла серийно изготавливаемой камеры двигателя РД171М р_а = 0,789 кгс/см².

Как видно из представленных в табл. данных, при увеличении давления в камере сгорания ЖРД р_к возрастает, соответственно, давление на срезе сопла р_а, так как газодинамическая степень расширения сопла р_к/p_a однозначно определяется геометрической степенью расширения сопла . При установке на срез сопла соплового насадка происходит дальнейшее расширение продуктов сгорания и давление на выходе из насадка становится меньше, чем на срезе сопла. Степень снижения давления в сопловом насадке определяется заданным профилем его контура и выбирается с учетом следующего условия: давление на выходе из соплового насадка не должно становится меньше значения, при котором начинается отрыв потока продуктов сгорания от стенок на выходе из сопла с сопловым насадком на режимах дросселирования.

Увеличение степени расширения сопла может быть реализовано путем изменения контура последних секций сопла.

Данный способ наиболее применим как на первых, так и на 2-х -3-х ступенях РН в однокамерных ЖРД, так как в многокамерных двигателях увеличение длины и диаметра выходного сечения камер не всегда реализуемо на практике из-за габаритных ограничений.

Изобретение найдет применение в ракетной технике при модернизации серийно изготавливаемых ЖРД. Это применение позволяет повысить тягу и удельный импульс тяги и, соответственно, увеличить полезную нагрузку РН, выводимую на околоземную орбиту.