Трехкомпонентная жидкостная ракетная установка на криогенных экологически чистых компонентах - RU172588U1

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к области ракетной техники, в частности к конструкции ракетных двигателей на криогенных топливах.

Уровень техники

С начала 1970-х годов в СССР и США изучалась концепция трехкомпонентных двигателей, которые бы имели один бак с окислителем и два бака с разными горючими. Такие ЖРД должны работать на одном и том же окислителе, но попеременно использовать разные баки с горючим. В России были разработаны трехкомпонентные двигатели РД-701, РД-704 и РД-0750, однако они не были доведены до стадии создания опытных образцов.

Также разрабатывались ракетные двигатели, использующие только один бак с горючим, но это горючее было двухкомпонентным - являлось смесью двух веществ. Например, ракетные двигатели ОРМ-4 и ОРМ-5, разработанные в газодинамической лаборатории в 1930-х годах, использовали в качестве топлива смесь бензина (50%) и бензола (50%). Однако широкого распространения такая схема ЖРД, работающего на трех компонентах, два из которых смешаны в одном баке, не получила по различным причинам.

В настоящее время в России эксплуатируется большое количество ракет-носителей (РН) и разгонных блоков (РБ), использующих в качестве топлива гидразин либо несимметричный диметилгидразин (НДМГ), а в качестве окислителя - тетраоксид азота (AT). Эти вещества очень ядовиты и обладают довольно низким удельным импульсом, но при этом имеют одно крайне важное достоинство - они не криогенные и долгохранимые.

Другими словами, они находятся в жидком состоянии при температуре и давлении при нормальных условиях, поэтому практически не выкипают при длительном хранении в заправленной ракете.

Из уровня техники известно ракетное топливо для жидкостных ракетных двигателей. Ракетное топливо для жидкостных ракетных двигателей состоит из жидкого окислителя, предпочтительнее жидкого кислорода, и горючего в виде раствора горючего компонента в жидком аммиаке. В качестве горючего компонента применен ацетилен, при этом концентрация раствора ацетилена в жидком аммиаке составляет от 40 до 90 мас.%, см. RU 2442904, опубл. 20.02.2012.

Из уровня техники известна двигательная установка. Известная установка снабжена (как минимум по одному конструктивному элементу) дополнительной емкостью высокого давления для компонента топлива, газогенератором для выработки рабочего тела турбины БТНА путем сжигания в нем компонентов топлива, причем газовая «подушка» дополнительной емкости высокого давления соединена трубопроводом с баллоном сжатого газа, жидкостная часть этой емкости соединена с форсунками газогенератора, выход газогенератора соединен со входом в турбину БТНА, а выхлопной патрубок турбины соединен с газовой «подушкой» топливного бака и/или с окружающей средой, см. RU 2451199 С1, опубл. 20.05.2012.

Замена топливных пар «гидразин+АТ» и «НДМГ+АТ» на криогенные (т.е. жидкие только при сверхнизких температурах) топливные пары в РН и РБ теоретически увеличит удельный импульс, грузоподъемность и прочие характеристики РН и РБ, но практически не может быть проведена без кардинальной переделки как ракет и разгонных блоков, так и наземной инфраструктуры.

Производство криогенных топлив придется производить на месте пуска, баки под криогенное топливо придется теплоизолировать, а элементы конструкции, теряющие работоспособность при низких температурах, заменить. Если в качестве горючего использовать жидкий водород, то ко всем перечисленным модификациям придется добавить значительное увеличение баков, т.к. жидкий водород обладает гораздо меньшей плотностью, чем все остальные распространенные и перспективные ракетные горючие (керосин, сжиженный природный газ, гидразин, НДМГ).

Увеличение баков, в свою очередь, это не только радикальное изменение конструкции РН и РБ, но и изменение инфраструктуры под большие размеры изделий (возможное расширение различных арок, проемов, высоты монтажно-испытательного корпуса, мачт обслуживания, изменение размеров транспортировочных контейнеров и т.д.).

Решение проблемы: использование в старых РН и РБ нового ЖРД, рассчитанного на использование в качестве окислителя высококонцентрированного пероксида водорода (некриогенной, долгохранимой жидкости), а в качестве горючего - ацетама (смеси аммиака и ацетилена, являющейся жидкостью при нормальной температуре и умеренно высоком давлении).

Вдобавок, пероксид водорода и ацетам практически не токсичны по сравнению с парами «гидразин+АТ» и «НДМГ+АТ», обладают более высоким удельным импульсом и примерно одинаковой плотностью, поэтому могут заливаться в баки объема, схожего с объемом баков старых РН и РБ.

Сущность изобретения

Задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является увеличение удельного импульса, грузоподъемности РН и РБ без кардинальной переделки как РН и РБ, так и наземной инфраструктуры.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении удельного импульса тяги двигательной установки.

Технический результат заявленной полезной модели достигается за счет того, что трехкомпонентная жидкостная ракетная установка, содержащая жидкостный ракетный двигатель, бак окислителя и бак горючего, шар-баллон со сжатым газом, а также трубопроводы с запорной и управляющей арматурами, причем бак окислителя заполнен пероксидом водорода, бак горючего заполнен смесью аммиака и ацетилена, при этом бак горючего и бак окислителя выполнены из композиционного материала, а бак окислителя дополнительно содержит тонкостенный алюминиевый лейнер.

В частном случае реализации заявленной полезной модели бак окислителя и бак горючего выполнены из углепластика.

В частном случае реализации заявленной полезной модели шар-баллон заполнен гелием.

Краткое описание чертежа

Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного ракетного двигателя с использованием чертежа, на котором показано:

фиг. 1 - принципиальное устройство ЖРД.

На фигуре цифрами обозначены следующие позиции:

1 - шар-баллон с газом наддува высокого давления (гелий); 2, 3 - редукционные клапаны; 4 - композитный бак ацетама; 5 - композитный бак пероксида водорода; 6 - лейнер из алюминия; 7 - демпфер; 8 - демпфер; 9 - камера сгорания и сопло.

Раскрытие полезной модели

Данный ЖРД состоит из шар-баллона, наполненного газом (гелием) под большим давлением, который используется для вытеснения горючего и окислителя в камеру сгорания ЖРД. Подача газа наддува в баки осуществляется через редукционные клапаны.

Во-вторых, это собственно баки, изготовленные из композиционного материала (углепластик). При этом бак окислителя дополнительно защищен от непосредственного контакта с перекисью водорода тонкостенным алюминиевым лейнером.

В третьих, в состав ЖРД входят магистрали, по которым подается топливо, демпферы для сглаживания возможных скачков давления в магистралях и, наконец, камера сгорания, где ацетам горит, соединяясь с пероксидом водорода.

Предлагается использовать в старых РН и РБ, использующих в качестве топлива пары «гидразин+АТ» и «НДМГ+АТ», ЖРД, рассчитанный на использование в качестве окислителя высококонцентрированного пероксида водорода (некриогенной, долгохранимой жидкости), а в качестве горючего - ацетама (смеси двух компонентов - аммиака и ацетилена, являющейся жидкостью при нормальной температуре и умеренно высоком давлении).

Топливо залито в новые баки: баки окислителя выполнены из материалов, совместимых с пероксидом водорода, а баки горючего выдерживают высокое давление, поскольку ацетам является жидкостью при нормальной температуре, но при давлении около 120 бар. Решение проблемы - использование композитных баков (из углепластика).

Если бак ацетама выполнен просто из углепластика, то бак окислителя изнутри дополнительно защищен от непосредственного контакта с перекисью водорода тонкостенным алюминиевым лейнером.

Благодаря такому решению бак получается, с одной стороны, легким и прочным (поскольку все силовые нагрузки берет на себя углепластик), а, с другой стороны, - совместимым с перекисью водорода, которая при контакте с незащищенным углепластиком начала бы разлагаться на воду и кислород с выделением тепла.

Поскольку средняя результирующая плотность топливной пары «пероксид водорода+ацетам» примерно совпадает с данным показателем для пар «гидразин+АТ» и «НДМГ+АТ», то общий объем баков на РН и РБ останется неизменным.

Вдобавок, пероксид водорода и ацетам по сравнению с парами «гидразин+АТ» и «НДМГ+АТ» практически нетоксичны и обладают более высоким удельным импульсом. Еще одно полезное свойство ацетама - он почти не дает нагара на камере сгорания ЖРД, а значит подходит для создания многоразовых двигателей и многоразовых РН.

Таким образом, для перехода существующих РН и РБ с ядовитых компонентов топлива на экологически безопасные необходимо только поставить ЖРД и поставить новые баки прежнего размера. Остальная конструкция, а также значительная часть наземной инфраструктуры останется неизменной (придется переделать заправочную инфраструктуру под пероксид водорода).

В настоящее время успешно эксплуатируется семейство РБ «Фрегат». Они оснащены маршевым ЖРД С5.92, использующим топливную пару «АТ+НДМГ». Указанный ЖРД имеет следующие существенные для настоящего исследования характеристики:

давление в камере сгорания 9,61 МПа;

геометрическая степень расширения 153,787;

удельный импульс 3208 м/с.

При замене С5.92 на ЖРД, который работает на ацетаме с соотношением ацетилена и аммиака 50:50 и на 95%-ной перекиси водорода, давлением в камере сгорания 9,61 МПа и геометрической степенью расширения сопла 153,787, то получим следующие характеристики:

давление на срезе сопла 3,8294 кПа;

коэффициент избытка окислителя 1;

теоретический удельный импульс 3430 м/с.

При давлении 120 бар плотность ацетама с содержанием аммиака 50 мас.% - ~600 кг/м³, расчетная результирующая плотность топлива «ацетам-50+пероксид водорода-95» - 1152 кг/м³.

Для справки приведем результирующую плотность наиболее популярных топливных пар:

жидкий кислород+жидкий водород 320 кг/м³;

жидкий кислород+керосин 1040 кг/м³;

жидкий кислород+аммиак 840 кг/м³;

AT+НДМГ 1195 кг/м³;

AT+гидразин 1230 кг/м³;

пероксид водорода (95%)+ацетам-50 1152 кг/м³.

Пара «пероксид водорода (95%)+ацетам-50» намного ближе по плотности к парам «гидразин+АТ» и «НДМГ+АТ» и превосходит их по удельному импульсу (~3430 м/с против ~3158 м/с и ~3208 м/с соответственно), а это значит, что потребуется заправлять в бак меньше нового топлива.

Таким образом, РБ могут быть модифицированы с помощью предлагаемого технического решения.

Чтобы оценить эффективность такой замены, приведем пример для некоторых РБ максимальную характеристическую скорость - скорость, достигаемую полностью заправленным РБ без полезной нагрузки после полной выработки топлива:

РБ «Фрегат-СБ»: максимальная характеристическая скорость в текущем варианте - 7728,52 м/с, на топливе «пероксид водорода (95%)+ацетам-50» 8208,14 м/с, прирост 6,2%;

РБ «Бриз-М»: 8451 м/с, 9077,07 м/с, прирост в 7,4%.

Также приведем пример изменения грузоподъемности на низкую околоземную орбиту (высота 200 км). Ракетоноситель «Циклон-3» при переходе с топлива «НДМГ+АТ» на «пероксид водорода (95%)+ацетам-50» увеличивает грузоподъемность с 2800 до 5750 кг.

Реферат

Полезная модель относится к области ракетной техники, в частности к конструкции ракетных двигателей на криогенных топливах. Ракетная двигательная установка, содержащая жидкостный ракетный двигатель, бак окислителя и бак горючего, шар-баллон со сжатым газом, а также трубопроводы с запорной и управляющей арматурой, отличающаяся тем, что бак окислителя заполнен пероксидом водорода, бак горючего заполнен смесью аммиака и ацетилена, при этом бак горючего и бак окислителя выполнены из композиционного материала, а бак окислителя дополнительно содержит тонкостенный алюминиевый лейнер, Установка, отличающаяся тем, что шар-баллон наполнен гелием. Использование полезной модели позволяет повысить удельный импульс тяги двигательной установки. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Формула