Результат интеллектуальной деятельности: Жидкостный ракетный двигатель

Изобретение относится к ракетной технике и может быть использовано в конструкциях жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с бустерными насосными агрегатами.

Бустерные насосные агрегаты в составе ЖРД широко используются для снижения потребных давлений компонентов топлива на входах в двигатель и, следовательно, в баках, что обеспечивает уменьшение затрат рабочего тела наддува баков и его остаточных масс в баках двигательной установки (ДУ) после ее выключения, а также масс топливных баков и баллонов для хранения газа наддува двигательной установки.

Наиболее простыми в конструктивном отношении являются бустерные струйные насосные агрегаты эжекторного типа, которые устанавливаются в магистралях входа компонентов топлива в двигатель, использующие в качестве активных рабочих тел эжекторов соответствующие компоненты топлива с высоким давлением, отбираемые с выходов основных насосов ЖРД (см. книгу «Основы теории и расчеты жидкостных ракетных двигателей» по ред. В.М. Кудрявцева, Москва, «Высшая школа», 1975 г., стр. 460, рис. 13.22). Недостатки этого технического решения обусловлены низкими коэффициентами полезного действия струйных насосов (~0,05), при которых, из-за необходимости большого расхода активного рабочего тела эжектора каждого из них, существенно повышаются расходы компонентов топлива через насосы турбонасосного агрегата (ТНА), что, например, в случае ЖРД, выполненного по схеме без дожигания связано со значительным уменьшением его основного экономического показателя - удельного импульса тяги.

В известном маршевом ЖРД разгонного блока «Бриз М», принятом за прототип изобретения, в магистралях компонентов топлива на входах в насосы ТНА установлены бустерные насосные агрегаты с приводом от гидротурбин, использующие также, как в указанном выше аналоге, в качестве рабочих тел компоненты топлива, отбираемые с выходов насосов ТНА. Коэффициенты полезного действия бустерных насосных агрегатов в этом случае значительно выше и, в зависимости от необходимых напоров бустерных насосов, находятся в диапазоне величин от 0,1 до 0,15. Соответственно, по сравнению с аналогом, в 2…3 раза уменьшаются потребные расходы компонентов топлива высокого давления на привод бустерных агрегатов. Однако и в ЖРД по прототипу потери удельного импульса из-за загрузки насосов ТНА дополнительным расходом компонентов топлива для питания гидротурбин бустерных агрегатов могут достигать величины ~3 с, например, при необходимости повышения давлений компонентов топлива бустерными насосами на входах в двигатель-прототип на 4 атм для обеспечения запуска двигателя или при расположении бустерных агрегатов в баках ДУ.

Изобретение направлено на повышение экономичности ЖРД с бустерными насосными агрегатами. Результат обеспечивается тем, что в состав жидкостного ракетного двигателя, включающего бустерные насосные агрегаты, турбонасосный агрегат, камеру и газогенератор, включена автономная аккумуляторная батарея, приводы бустерных насосов выполнены в виде синхронных электродвигателей, а в конструкцию ТНА между насосами встроен синхронный электрогенератор с ротором на валу и статором в корпусе ТНА, причем клеммы электродвигателей и электрогенератора скоммутированы с клеммами аккумуляторной батареи через преобразователь электрического напряжения постоянного тока в фазные напряжения переменного тока, обеспечивающий также функцию обратного преобразования. При таком исполнении ЖРД с бустерными насосными агрегатами исключаются расходы компонентов на привод бустерных насосов, однако появляются затраты располагаемой мощности ТНА на электрогенератор, связанные с дополнительными расходами рабочего тела турбины, что в ЖРД без дожигания хотя и приводит к потерям удельного импульса, но значительно меньшим, чем в ЖРД - прототипе.

Это следует из следующего сравнительного анализа коэффициентов полезного действия (к.п.д.) электропривода бустера предлагаемого двигателя и гидротурбинного привода двигателя - прототипа.

В предложенном ЖРД:

к.п.д. электрогенератора η_эг≈0,95

к.п.д. электродвигателя η_эд≈0,95

к.п.д. бустерного насоса η_н≈0,5

Полный к.п.д. по затратам мощности на привод бустерного агрегата предлагаемого ЖРД:

В ЖРД - прототипе:

к.п.д. гидротурбины η_т≤0,2

к.п.д. бустерного насоса η_н≤0,5

Полный к.п.д. по затратам мощности на привод бустерного агрегата:

.

Как следует из сравнения электропривод бустерных агрегатов в предлагаемой конфигурации в ~4,5 раза эффективнее, чем гидротурбина в прототипе, следовательно, связанные с ним потери удельного импульса ЖРД (типа маршевого двигателя РБ «Бриз М») в 4,5 раза меньше, то есть равны ~0,7 с, что на 2,3 с меньше, чем у прототипа.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого жидкостного ракетного двигателя. В состав двигателя входят камера 1, турбонасосный агрегат 2 со встроенным в его конструкцию электрогенератором 3 - с функцией электродвигателя 3, газогенератор 4, бустерные насосные агрегаты 5, 6 с электродвигателями 7, 8, преобразователь 9 электрического напряжения, аккумуляторная батарея 10 с коммутирующим элементом 11.

При запуске двигателя коммутирующий элемент 11 замыкает электрическую цепь питания через преобразователь 9 электродвигателей 7, 8 бустерных агрегатов 5, 6 и электрогенератора 3 в режиме электродвигателя.

Электрогенератор 3 в режиме электродвигателя раскручивает вал ТНА, насосы которого повышают давление компонентов топлива в предварительно заполненных магистралях двигателя.

Электродвигатели 7, 8 приводят во вращение насосы бустерных насосных агрегатов 6, 5, повышая давление на входах в насосы ТНА 2. Компоненты под напорами насосов поступают в камеру 1 и газогенератор 4, где самовоспламеняются. Продукты сгорания из камеры 1 истекают в окружающее пространство, создавая тягу двигателя. Продукты сгорания из газогенератора 4 поступают в турбину, посредством которой увеличивается вращающий момент на валу ТНА 2. Обороты ротора ТНА 2 увеличиваются, электрическое напряжение на клеммах электрогенератора 3 возрастает и после превышения величины напряжения над величиной напряжения, поступающего из преобразователя 9, электрогенератор 3 переходит из режима «Двигатель» в режим «Генератор». Вырабатываемый электрогенератором 3 ток поступает на питание электродвигателей 7, 8 и, через преобразователь 9, на подзарядку аккумуляторной батареи 10.

Двигатель выходит на установившийся режим работы.

Через заданное время при окончании подзарядки батареи 10 коммутирующий элемент 11 автоматически размыкает электрическую цепь коммутации аккумуляторной батареи 10 с электрогенератором 3 и электродвигателями 7, 8.

Использование предлагаемого ЖРД в составе космического объекта типа РБ «Бриз И» вместо ЖРД-прототипа, несмотря на наличие в его составе дополнительных электроагрегатов, существенно увеличивает массу полезной нагрузки объекта, что следует из приведенного ниже сравнительного анализа.

Массы электроагрегатов электроприводов бустерных насосных агрегатов при следующих потребных мощностях бустерных насосов окислителя и горючего двигателя - прототипа 2,148 КВт и 1,97 КВт (соответствующих повышению давления в насосах бустеров на 4 атм) и современных величинах удельных масс электродвигателей и электрогенераторов, соответственно, Мэд=0,2; Мэг=0,3 равны:

электродвигателя бустера окислителя - 0,43

электродвигателя бустера горючего - 0,394

Масса электрогенератора мощностью 4,118 КВт ~1,235 кг

Масса преобразователя ~2 кг

Масса электрических кабелей ~0,4 кг

Масса аккумуляторов батареи, предназначенной для высоковольтного питания электроприводов бустерных насосных агрегатов в период запуска ЖРД при современной удельной энергоемкости литий-ионных аккумуляторов ~200 вт⋅час/кг, времени запуска двигателя ~5 с при 20 включениях ЖРД в одном полете и суммарной мощности энергопотребления, указанной выше (4,118 КВт), ~0,6 кг, а масса блока питания не превысит 1,5 кг.

Итого, масса агрегатов, обеспечивающих привод бустерных насосов, равна ~6 кг.

Масса гидротурбин по прототипу с магистралями подвода рабочего тела к бустерным агрегатам равна 2×0,5=1 кг.

Кроме этого в предлагаемом двигателе исключена необходимость в агрегатах запуска двигателя-прототипа массой ~4 кг (раскрутка ТНА и прочие пусковые операции обеспечиваются электродвигателями бустеров и электрогенератором в режиме «Электродвигатель»).

Таким образом проигрыш по массе двигателю-прототипу ΔМк=6-4-1=1 кг.

Массовый эквивалент удельного импульса для разгонного блока «Бриз М» составляет M_J=15 кг/с.

Следовательно, выигрыш по массе конечной нагрузки РБ «Бриз М» при использовании в нем предлагаемого двигателя с электроприводом бустерных насосов составит ΔJ⋅M_J-ΔMк=2,3⋅15-1=33,5 кг.