Двигатели верхних ступеней ракет.

[Salo]

А Энергомаш вроде бы уже обещал корейцам что-то однокамерное 30-тонное ?

В принципе тридцати тонный однокамерник открытой схемы можно сделать на базе серийных компонентов при некоторой кооперации КБ.
Берём газогенератор и ТНА от РД-0110, а камеру сгорания от РД-108А. Ставим углерод-углеродный неохлаждаемый сопловый насадок с большой степенью расширения и будет нам счастье.

[hecata]

А Энергомаш вроде бы уже обещал корейцам что-то однокамерное 30-тонное ?

....
Берём газогенератор и ТНА от РД-0110, а камеру сгорания от РД-108А. Ставим углерод-углеродный неохлаждаемый сопловый насадок с большой степенью расширения и будет нам счастье.

Однако больно давления разные. Дефорсировать ТНА - тяга меньше получится. Кроме того, закрытая схема скорее потребует переделки гидравлической схемы КС...

[Дмитрий В.]

А Энергомаш вроде бы уже обещал корейцам что-то однокамерное 30-тонное ?

....
Берём газогенератор и ТНА от РД-0110, а камеру сгорания от РД-108А. Ставим углерод-углеродный неохлаждаемый сопловый насадок с большой степенью расширения и будет нам счастье.

Однако больно давления разные. Дефорсировать ТНА - тяга меньше получится. Кроме того, закрытая схема скорее потребует переделки гидравлической схемы КС...

Да несильно разные там давления в КС.

[hecata]

Да несильно разные там давления в КС.

Мда, почему-то прочитал вместо РД-110 РД-0124

[Salo]

[Salo]

У РД-0110 соотношение компонентов 2,183; тяга 30,48 тс в вакууме и давление 6,8 Мпа.

У РД-108А соотношение компонентов 2,39; тяга без РА 94 тс в вакууме (23,5 тс на камеру) и давление 5,44 Мпа.

У РД-107А соотношение компонентов 2,47; тяга без РА 99 тс в вакууме (24,75 тс на камеру) и давление 6,0 Мпа.

[Salo]

http://www.lpre.de/energomash/RD-107/index.htm

[Salo]

Геометрическая степень расширения сопла РД-107 равна 18,86 при диаметре 720 мм. Если поставить сопловый насадок с диаметром среза сопла 1440 мм, то геометрическая степень расширения сопла возрастёт вчетверо и составит 4*18,86=75,44. Думаю УИ возрастёт на 10-15 секунд.
Одновременно возрастёт и тяга. Можно увеличить соотношение компонентов с 2,18 до 2,39 с одновременным снижением давления до приемлемых для камеры РД-108А величин.

К сожалению по камере РД-0110 данных у меня нет. Диаметр среза сопла, насколько я могу судить, равен 1100 мм  при длине 1400-1500 мм (по данным на РД-0105-0109).

[Salo]

Ничего, обгадятся-прибегут... Движки ракетные делать не всем дано.

А вот  водородник на 40 т тяги на "мятом" газе нужен... Причем без теплообменника, черпающнго тепло из КС, ПМСМ, не обойтись. И делать его нужно уже сейчас. Лезть в диапазон РЛ-60 и Винчи-отдать фору...

Слабо представляю где и как там можно теплообменник разместить. :roll:

[октоген]

Эх... Если найду ПДФ-ки то выложу. Вроде они выложены были на ветке Гостя 22. Там про японские изыскания мельком было. По памяти что-то вроде возле форсуночной головки, как бы не кольцом вокруг форсунок не вылазя за концы форсунок. А теплообмен, нужно полагать, за счет водорода вдуваемого через днище ФГ и лучистый.

[Salo]

Доклады по японским безгенераторным двигателям:

MB-60:
http://www.lpre.de/resources/articles/2009-a-03.pdf

LE-X:
http://www.lpre.de/resources/articles/2009-a-04.pdf
http://www.lpre.de/resources/articles/2009-a-05.pdf

По LE-X и MB-60 интересная информация. Но схема там другая: безгазогенераторная с открытым циклом. LE-X они собираются на первую ступень ставить.



И для увеличения теплоотдачи им пришлось камеру сгорания удлинять.

[Salo]

http://ru-patent.info/21/80-84/2183759.html
http://www.sibpatent.ru/patent.asp?nPubl=2183759&mpkcls=F02K009&ptncls=F02K009/48&sort=2

КИСЛОРОДО-ВОДОРОДНЫЙ ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Патент Российской Федерации

Суть изобретения:   Кислородо-водородный жидкостный ракетный двигатель предназначен для использования в транспортных космических системах. Двигатель включает камеру с трактом регенеративного охлаждения водородом и автономные турбонасосные агрегаты. Кислородный насос одного турбонасосного агрегата снабжен приводом по замкнутой безгазогенераторной схеме с дожиганием. Водородный насос другого турбонасосного агрегата снабжен приводом по открытой газогенераторной схеме на основных компонентах топлива. Выходная полость турбины турбонасосного агрегата кислорода сообщена газоводом со смесительной головкой газогенератора привода турбонасосного агрегата водорода. Изобретение позволяет увеличить удельный импульс тяги двигателя и уменьшить его габариты при неизменной степени расширения сопла за счет повышения давления в камере, достигаемого повышением давления за насосом первого турбонасосного агрегата.


Номер патента:   2183759

Класс(ы) патента:   F02K9/48

Номер заявки:   2000102271/06

Дата подачи заявки:   27.01.2000

Дата публикации:   20.06.2002

Заявитель(и):   Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая
корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"

Автор(ы):   Иванов Н.Ф.

Патентообладатель(и):   Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"

Описание изобретения:

   Кислородо-водородный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) относится к ракетно-космической технике и предназначен для транспортных космических систем (ТКС), хотя бы один из компонентов топлива которых является криогенной жидкостью.
Конкурентоспособность современных ТКС определяется стоимостью выведения единицы массы полезного груза (ПГ) на заданную орбиту и их надежностью. Существенное снижение стоимости выведения возможно на многоразовых ТКС. Первые многоразовые системы "Спейс-Шаттл" [1] и "Буран" [2] не дали ожидаемых результатов снижения стоимости выведения. Во многом это объясняется попыткой решения новых задач старыми методами - для повышения удельного импульса ЖРД максимально форсировалось давление в камере сгорания (свыше 200 кГс/см2). Это привело к необходимости выполнения их двигателей по замкнутой газогенераторной схеме с дожиганием, характеризующейся предельно напряженным режимом работы турбонасосных агрегатов (ТНА). В результате, для обеспечения приемлемой надежности, кислородо-водородные двигатели "Шаттла" приходится перебирать после каждого полета при прогнозировании ресурса в 55 полетов [1, с.87] , а кислородо-водородные ЖРД "Бурана" обеспечили только однократное применение. О значении надежности при современной стоимости ПГ говорят, например, потери из-за аварий ракет-носителей (РН) только в США за неполный год в сумме 3,5 млрд. долл. [3]. Опыт создания и эксплуатации первых многоразовых систем показал необходимость системного подхода к надежности, ресурсу и удельному импульсу ЖРД.
Известны ЖРД открытой схемы с выбросом продуктов привода ТНА после турбины во внешнюю среду, обеспечивающие высокую надежность ТКС. Например, РН типа "Союз" с такими двигателями эксплуатируются уже несколько десятилетий и зарекомендовали себя самыми надежными средствами выведения ПГ [4]. Новейшая европейская тяжелая РН "Ариан 5" имеет на первой ступени кислородо-водородный ЖРД "Вулкан", выполненный по открытой схеме [5, с.85].
Однако такие двигатели не нашли применения в многоразовых ТКС несмотря на их простоту и высокую надежность из-за ограниченного давления в камере сгорания (не превышает 100 кГс/см2).
Известны кислородо-водородные ЖРД замкнутой безгазогенераторной схемы с дожиганием типа RL10, также десятилетиями эксплуатации подтвердившие свою высокую надежность [5, с.47]. Привод турбины ТНА этого двигателя обеспечивается газифицированным в тракте регенеративного охлаждения камеры водородом.
К недостаткам этого ЖРД относится еще более ограниченное давление в камере сгорания (не превышает 50 кГс/см2).
Известен кислородо-водородный ЖРД ( США, патент 4171615, кл. F 02 К 9/02 ), принятый за прототип предлагаемого изобретения. Храктерной особенностью этого кислородо-водородного ЖРД является применение комбинированной системы подачи компонентов топлива - замкнутой безгазогенераторной, аналогичной двигателю RL10, и открытой газогенераторной. Такая комбинация, сочетая простоту и надежность указанных систем, позволяет существенно повысить давление в камере сгорания, увеличивая тем самым удельный импульс тяги и сокращая габариты двигателя при неизменной степени расширения сопла. Для кислородо-водородного двигателя достижимое давление в камере сгорания поднимается за счет автономного привода каждого ТНА до уровня около 120-150 кГс/см2 в зависимости от соотношения компонентов топлива. Кислородо-водородный ЖРД включает камеру с трактом регенеративного охлаждения и автономные ТНА топливных компонентов, первый из которых снабжен приводом по замкнутой безгазогенераторной схеме с дожиганием, второй ТНА снабжен приводом по открытой газогенераторной схеме на основных компонентах топлива. При этом отборы компонентов топлива для газогенератора выполнены сразу за насосами, тем самым исключая часть компонента топлива из тракта регенеративного охлаждения и привода турбины первого ТНА с соответствующим ограничением давления за насосом этого ТНА.
Задачей изобретения является увеличение удельного импульса тяги двигателя и сокращение его габаритов при неизменной степени расширения сопла за счет повышения давления в камере, достигаемого повышением давления за насосом первого ТНА.
Поставленная задача достигается тем, что в кислородо-водородном ЖРД, включающем камеру с трактом регенеративного охлаждения водородом и автономные ТНА, кислородный насос которых снабжен приводом по замкнутой безгазогенераторной схеме с дожиганием, водородный насос снабжен приводом по открытой газогенераторной схеме на основных компонентах топлива в отличие от известных решений, выходная полость турбины ТНА кислорода сообщена газоводом со смесительной головкой газогенератора привода ТНА водорода.

Изобретение поясняется чертежами на примере кислородно-водородного двигателя в двух вариантах:
фиг.1 - схема кислородо-водородного ЖРД с сопловым насадком;
фиг.2 - схема кислородо-водородного ЖРД с соплами крена.



фиг.1 - схема кислородо-водородного ЖРД с сопловым насадком;
На чертеже представлены следующие позиции:
1 - камера двигателя;
2 - ТНА кислорода;
3 - ТНА водорода;
4 - газогенератор;
5 - регулятор тяги;
6 - регулятор соотношения компонентов;
7 - тракт регенеративного охлаждения;
8 - смесительная головка камеры;
9 - смесительная головка газогенератора;
10 - сопловой насадок;
11 - насос кислорода;
12 - турбина кислорода;
13 - входная полость турбины кислорода;
14 - выходная полость турбины кислорода;
15 - насос водорода;
16 - турбина водорода;
17 - входная полость турбины водорода;
18 - выхлопные патрубки;
19 - отсечной клапан кислорода;
20 - отсечной клапан водорода;
21 - газовод турбины кислорода;
22 - входной газовод газогенератора;
23 - трубопровод кислорода газогенератора;
24 - напорная магистраль кислорода;
25 - выходной газовод газогенератора;
26 - патрубок сброса водорода;
27 - коллектор сброса газа;
28 - сопла крена.

Кислородо-водородный ЖРД включает камеру 1, создающую основную тягу двигателя, первый ТНА (кислорода) 2 и второй ТНА (водорода) 3, обеспечивающие подачу компонентов, газогенератор 4 привода ТНА 3. Регулятор тяги 5 служит для поддержания тяги двигателя в заданном диапазоне, регулятор соотношения компонентов 6 поддерживает расход водорода, соответствующий расходу кислорода. Тракт регенеративного охлаждения 7 обеспечивает допустимый температурный режим камеры 1 и привод ТНА 2. Смесительные головки 8 камеры 1 и 9 газогенератора 4 создают условия для нормального горения компонентов топлива. Сопловой насадок 10 увеличивает степень расширения продуктов сгорания камеры 1 и газогенератора 4, создавая дополнительную тягу (один из вариантов утилизации продуктов сгорания). Насос кислорода 11 создает давление, необходимое для подачи компонента в камеру 1 и газогенератор 4. Привод насоса 11 обеспечивает турбина кислорода 12. Входная полость турбины кислорода 13 создает условия для нормальной работы турбины 12, выходная полость турбины кислорода 14 формирует поток газа для подачи в смесительные головки 8 и 9. Насос водорода 15 создает давление для подачи компонента в тракт регенеративного охлаждения 7, привод насоса 15 обеспечивает турбина водорода 16. Входная полость турбины водорода 17 создает условия для нормальной работы турбины 16. Отработанные газы отводятся от турбины 16 выхлопными патрубками 18. Отсечные клапаны кислорода 19 и водорода 20 открывают или отсекают подачу компонентов в камеру 1 и газогенератор 4. Газовод турбины кислорода 21 сообщает тракт регенеративного охлаждения 7 с входной полостью турбины 13. Входной газовод газогенератора 22 соединяет выходную полость турбины кислорода 14 со смесительной головкой 9, трубопровод кислорода газогенератора 23 сообщает напорную магистраль кислорода 24 со смесительной головкой 9. Выходной газовод газогенератора 25 служит для подвода газа к входной полости 17. Патрубок сброса водорода 26 обеспечивает сброс газифицированного водорода в обход турбины 12 для регулирования тяги. Коллектор сброса газа 27 равномерно распределяет отработанный на турбине 16 газ по периферии соплового насадка 10. Качающиеся сопла крена 28 (фиг.2) создают дополнительную тягу и обеспечивают управление летательным аппаратом по крену (второй вариант утилизации продуктов сгорания газогенератора).
В исходном состоянии насосы кислорода 11 и водорода 15 сообщены с баками компонентов топлива расходными магистралями и захоложены до рабочего состояния. Функционирование двигателя начинается с открытия отсечного клапана водорода 20, при этом жидкий водород под баковым давлением или при дополнительной раскрутке турбины 16 от бортовых баллонов поступает в тракт регенеративного охлаждения 7, где газифицируется за счет аккумулированного конструкцией тепла. Через газовод 21 водород подается на турбину 12 и далее в камеру 1, а через газовод 22 - в газогенератор 4 и на турбину 16, истекая через патрубки 18 и сопловой насадок 10 или сопла крена 28 (фиг.2). По достижении расчетного давления открывается отсечной клапан кислорода 19 и окислитель через напорную магистраль 24 поступает в смесительную головку 8, а по трубопроводу 23 - в смесительную головку 9. В камере 1 и газогенераторе 4 компоненты зажигаются от источника воспламенения, интенсифицируется процесс подогрева газа в тракте регенеративного охлаждения 7. Регулятором тяги 5 и соотношения компонентов 6 двигатель выводится на расчетный режим тяги. Выключение ЖРД начинается переводом регулятора 5 на режим малой тяги за счет сброса части водорода через патрубок 26 в обход турбины 12. Падает расход кислорода через камеру 1 и газогенератор 4, ТНА 3 так же переходит на малый расход водорода. По достижении расчетного давления за насосами кислорода 11 закрывается отсечной клапан 19, прекращается горение в камере 1 и газогенераторе 4. Закрывается отсечной клапан 20, прекращается подача водорода в двигатель.
Для предлагаемого кислородо-водородного ЖРД проведена оценка возможного повышения давления за насосом ТНА кислорода, являющегося определяющим для достижимого давления в камере сгорания.
Исходные данные для расчета представлены в табл.1.
На основании этих исходных данных определены относительные расходы водорода в двигателе, приведенные в табл.2.
Таким образом, повышение давления за насосом кислорода по сравнению с прототипом, пропорциональное увеличению расхода газифицированного водорода через турбину ТНА кислорода, составит 2/12,3•100%=16,3%.
Указанный уровень достижимых давлений в камере сгорания делает реальным применение предлагаемого двигателя не только на разгонных блоках, но и на ракетах-носителях. Кроме того, облегчается компоновка ЖРД на изделии за счет уменьшения габаритов двигателя.
Комплектующие указанного кислородо-водородного ЖРД освоены отечественной промышленностью.

ЛИТЕРАТУРА
1. "МТКС "Спейс Шаттл". Часть 1. Технико-экономическое обоснование и основные характеристики". ГОНТИ - 4 (РКК "Энергия"), 1976.
2. "Многоразовый орбитальный корабль "Буран". 1995 г., М.: Машиностроение.
3. "Президент США распорядился провести расследование причин шести неудачных запусков". Еженедельник "Аэрокосмос", 20, 1999, "ИТАР-ТАСС". М.: ИТАР-ТАСС.
4. "Ракеты-носители государственного космического центра "Прогресс". "Отечественные ракеты-носители", Санкт-Петербург, 1996.
5. В. В. Андреев, В. А. Мазарченков "Зарубежные ракетные двигатели". "Министерство обороны РФ", 1997 г.

Формула изобретения:   Кислородо-водородный жидкостный ракетный двигатель, включающий камеру с трактом регенеративного охлаждения водородом и автономные турбонасосные агрегаты, кислородный насос которых снабжен приводом по замкнутой безгазогенераторной схеме с дожиганием, водородный насос снабжен приводом по открытой газогенераторной схеме на основных компонентах топлива, отличающийся тем, что выходная полость турбины турбонасосного агрегата кислорода сообщена газоводом со смесительной головкой газогенератора привода турбонасосного агрегата водорода.

[Salo]

Похожий вариант предлагал и я, но с ТНА горючего, выполненным по замкнутой безгазонераторной схеме, и ТНА окислителя замкнутой схемы на окислительном газогенераторном газе.
http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/phpBB2/viewtopic.php?p=509199#509199

На ЖК/пропане (ЖК/метане) можно реализовать полубезгазогенераторную схему газ-газ.
Используем два ТНА: один для кислорода и второй для пропана.
Весь кислород подаём в газогенератор, где и сжигаем с небольшим количеством пропана. Кислый газ подаём на турбину кислородного ТНА, а после неё в КС. Пропан пропускаем через рубашку КС, затем подаём на турбину пропанового ТНА, а после неё в КС.
Это позволит снизить мощность кислородного ТНА, а значит и температуру кислого газа.
Кроме того упрощаются сами ТНА, поскольку снижаются требования к уплотнениям между насосами и турбиной.
Правда придётся повозиться с синхронизацией ТНА. И остаётся проблема с медленным выходом на мощность.

В принципе такой гибрид возможен и в открытой схеме, поскольку снижается количество топлива сжигаемого в газогенераторе, а значит растёт УИ.

[Salo]

Такие гибридные схемы позволяют снять ограничение в 30 тс тяги, характерное для двигателей расширительного цикла, и/или поднять давление в КС.

[hecata]

...Патент Российской Федерации...

Похожий вариант предлагал и я, но с ТНА горючего, выполненным по замкнутой безгазонераторной схеме, и ТНА окислителя замкнутой схемы на окислительном газогенераторном газе.

Надо было патентовать....

[hecata]

Такие гибридные схемы позволяют снять ограничение в 30 тс тяги, характерное для двигателей расширительного цикла, и/или поднять давление в КС.

Такие схемы явно имеют недостатки по сравнению с классической с дожиганием (вялый старт, сложность синхронизации ТНА), а вот преимущества что-то не очевидны (ГГ мы уже добавили).

В чем же profit?

[Salo]

Там патент от 2002 года. :wink:
Правда на гибридную открытую схему.

Профит для безгазогенераторника: преодоление барьера в 30 тс тяги  и/или повышение удельных параметров.
Профит для замкнутой схемы: резкое снижение количества и параметров газогенераторного газа и как следствие повышение надёжности.

[октоген]

Профит в возможности обойти ограничение на теплосъем с КС для "мятия газа" и ГГ тут будет далекий от вылизанности его в нормальных движках.

Водородник с поноценным ГГ и ТНА дороже чем на "мятом газе", но у последнего ограничение по максимальной достижимой тяге в 25-30 т, которое и пытаемся обойти. 10-тонник для 2 ступени маловат и 25-тонник тоже. Нужно 40-50 т.


П.С. Что перевесит я не уверен. Но схема на жизнь имеет право.

[Salo]

Положим замкнутый водородник с дожиганием  сладкого газогенераторного газа будет проще.
Но для метана и пропана  схему можно использовать.

[hecata]

Там патент от 2002 года. :wink:
Правда на гибридную открытую схему.

Профит для безгазогенераторника: преодоление барьера в 30 тс тяги  и/или повышение удельных параметров.
Профит для замкнутой схемы: резкое снижение количества и параметров газогенераторного газа и как следствие повышение надёжности.

Безгазогенераторником двигатель с ГГ я бы не рискнул уже называть

Ну в общем, видимо преимущества не оправдывают недостатков. Не зря все выполняют этот диапазон в традиционной схеме.

Тут еще можно вспомнить про холивар - два или один ТНА...