RU2386845C2 - Method to operate oxygen-kerosine liquid-propellant rocket engines and fuel composition therefor - Google Patents
Method to operate oxygen-kerosine liquid-propellant rocket engines and fuel composition therefor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2386845C2 RU2386845C2 RU2006145410/06A RU2006145410A RU2386845C2 RU 2386845 C2 RU2386845 C2 RU 2386845C2 RU 2006145410/06 A RU2006145410/06 A RU 2006145410/06A RU 2006145410 A RU2006145410 A RU 2006145410A RU 2386845 C2 RU2386845 C2 RU 2386845C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- oxygen
- liquid
- ammonia
- kerosene
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
- Liquid Carbonaceous Fuels (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Предлагаемое техническое решение относится к жидкостным ракетным двигателям, конкретно - к ракетным двигателям кислородно-керосинового класса.The proposed solution relates to liquid-propellant rocket engines, specifically to oxygen-kerosene-class rocket engines.
Предшествующий уровень техникиState of the art
В современной ракетно-космической отрасли широко используются кислородно-керосиновые жидкостные ракетные двигатели, выполненные по схеме с дожиганием турбогаза в камере сгорания и характеризуемые высокой энергетической эффективностью в сочетании с доступностью и экологической чистотой компонентов топлива.In the modern rocket and space industry, oxygen-kerosene liquid rocket engines are widely used, made according to the scheme with afterburning of turbogas in the combustion chamber and characterized by high energy efficiency combined with the availability and environmental friendliness of the fuel components.
Способ работы таких двигателей состоит в том, что турбина турбонасосного агрегата, питаясь рабочим газом из газогенератора, приводит в действие насосы, которые подают компоненты топлива в газогенератор и камеру сгорания, причем рабочий газ из газогенератора после срабатывания на турбине турбонасосного агрегата попадает в камеру сгорания, где происходит его дожигание. Таким образом, энергия топлива используется максимально полно (см., например, книгу: Козлов А.А. и др. Система питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок. М. Машиностроение, 1988, стр.115-125).The method of operation of such engines is that the turbine of the turbopump unit, feeding on working gas from the gas generator, drives pumps that supply fuel components to the gas generator and the combustion chamber, and the working gas from the gas generator after operation on the turbine of the turbopump unit enters the combustion chamber, where its afterburning occurs. Thus, fuel energy is used to the fullest extent possible (see, for example, the book: Kozlov A.A. et al. Power supply and control system for liquid-propellant rocket propulsion systems. M. Mashinostroenie, 1988, pp. 115-125).
Данное решение принимаем за аналог.We take this decision as an analog.
Однако такой схеме присущи и недостатки, поскольку при использовании для привода турбины высокотемпературного окислительного газа сохраняется потенциальная опасность возгорания проточной части окислительного тракта. Кроме того, в некоторых случаях возникают трудности, связанные с ограниченной охлаждающей способностью керосина.However, such a scheme also has disadvantages, since when a high-temperature oxidizing gas is used to drive a turbine, the potential danger of ignition of the flow path of the oxidizing path remains. In addition, in some cases there are difficulties associated with the limited cooling ability of kerosene.
В способе-прототипе (патент РФ №2273754, МПК F02K 9/48) для охлаждения камеры кислородно-керосинового двигателя применяется сжиженный гелий, который также является добавкой к топливной композиции. При этом гелий с выхода из насоса входит в каналы регенеративного охлаждения камеры двигателя и затем поступает в газогенератор. В газогенераторе обеспечивается стехиометрическое (α=1) сгорание кислорода и керосина, а необходимое последующее снижение температуры полученного газа до значений, допускаемых используемыми конструкционными материалами турбины, реализуется за счет его балластировки вводом в газогенератор гелия. Полученный таким образом рабочий газ поступает на привод турбины, а далее - в камеру сгорания.In the prototype method (RF patent No. 2273754, IPC F02K 9/48), liquefied helium is used to cool the chamber of the oxygen-kerosene engine, which is also an additive to the fuel composition. In this case, helium from the pump outlet enters the regenerative cooling channels of the engine chamber and then enters the gas generator. The gas generator provides stoichiometric (α = 1) combustion of oxygen and kerosene, and the necessary subsequent decrease in the temperature of the obtained gas to the values allowed by the used structural materials of the turbine is realized due to its ballasting by introducing helium into the gas generator. Thus obtained working gas is supplied to the turbine drive, and then to the combustion chamber.
Использование гелия в кислородно-керосиновой топливной паре позволяет существенно повысить энергетические характеристики двигателей. Так, например, при введении добавки гелия в количестве 10% от массового расхода топлива удается увеличить удельный импульс двигателя на ~20 сек, а с учетом отказа от завесного охлаждения камеры - до ~30 сек.The use of helium in oxygen-kerosene fuel vapor can significantly increase the energy characteristics of engines. So, for example, with the introduction of helium additives in an amount of 10% of the fuel mass flow rate, it is possible to increase the specific impulse of the engine by ~ 20 sec, and taking into account the rejection of the screen cooling of the chamber, to ~ 30 sec.
Однако использование гелия в топливной композиции кислородно-керосиновых двигателей ограничивается его высокой стоимостью, а также трудностями, связанными с его хранением в баке ракеты и последующим нагнетанием до высоких давлений.However, the use of helium in the fuel composition of oxygen-kerosene engines is limited by its high cost, as well as by the difficulties associated with its storage in the rocket tank and subsequent injection to high pressures.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Предлагаемое техническое решение выполняет задачу, обеспечивающую надежную работу кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя с новой топливной композицией, недорогой и по своим теплофизическим свойствам превосходящей керосин.The proposed technical solution fulfills the task of ensuring reliable operation of an oxygen-kerosene liquid rocket engine with a new fuel composition, which is inexpensive and superior in terms of thermophysical properties to kerosene.
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе работы кислородно-керосинового жидкостного ракетного двигателя, основанном на использовании топливной добавки, используемой в качестве хладоагента для проточного охлаждения камеры и затем вводимой в газогенератор, имеющий подвод топлива от напорных магистралей кислорода и керосина, сжигаемых при стехиометрическом соотношении, топливная добавка используется для балластировки "нейтрального газа" и снижения его температуры до значений, допускаемых используемыми конструкционными материалами турбины, а полученный газ после срабатывания на турбине подают в камеру сгорания, в которую также поступает окислитель и горючее, причем в качестве топливной добавки применяется сжиженный аммиак (NH3), доля которого составляет от 10% до 35% от массового расхода всего топлива, при этом газ с аммиачной добавкой после срабатывания на турбине дожигается в камере двигателя.The stated technical problem is solved in that in a method for operating an oxygen-kerosene liquid propellant rocket engine based on the use of a fuel additive used as a coolant for flow cooling of a chamber and then introduced into a gas generator having a fuel supply from pressure lines of oxygen and kerosene burned during stoichiometric ratio, the fuel additive is used to ballast the "neutral gas" and reduce its temperature to the values allowed by the designs used GOVERNMENTAL turbine materials, and the produced gas after triggering the turbine is fed into the combustion chamber, into which also enters an oxidizer and fuel, and as a fuel additive used liquefied ammonia (NH 3), the proportion of which is from 10% to 35% of the mass flow total fuel, while the gas with ammonia additive after operation on the turbine is burned in the engine chamber.
Отличительной особенностью предлагаемого технического решения является новая топливная композиция.A distinctive feature of the proposed technical solution is a new fuel composition.
Топливная композиция для кислородно-керосиновых жидкостных ракетных двигателей содержит топливную пару, включающую сжиженный кислород и жидкий керосин, а также топливную добавку, улучшающую эксплутационные и энергетические характеристики двигателей, причем в качестве топливной добавки используется сжиженный аммиак (NH3), процентная доля которого составляет от 10% до 30% от суммарного массового расхода топлива.The fuel composition for oxygen-kerosene liquid propellant rocket engines contains a fuel vapor comprising liquefied oxygen and liquid kerosene, as well as a fuel additive that improves the operational and energy characteristics of the engines, and liquefied ammonia (NH 3 ) is used as a fuel additive, the percentage of which is from 10% to 30% of the total mass fuel consumption.
При введении аммиачной добавки в количестве (10-20)% удельный импульс кислородно-керосинового двигателя увеличивается до ~5 сек (относительно исходного варианта), при этом уменьшается расход керосина в 2-4 раза за счет его соответствующего замещения аммиаком, а при увеличении добавки до 35% прирост удельного импульса практически исчезает, в то же время естественно, что расход керосина замещается аммиаком в существенно большей степени.With the introduction of an ammonia additive in the amount of (10-20)%, the specific impulse of the oxygen-kerosene engine increases to ~ 5 sec (relative to the initial version), while the consumption of kerosene decreases by 2-4 times due to its corresponding replacement with ammonia, and with an increase in the additive up to 35%, the increase in specific impulse practically disappears, while at the same time it is natural that the consumption of kerosene is replaced by ammonia to a much greater extent.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1 и 2:The proposed technical solution is illustrated in figures 1 and 2:
на фиг.1 представлена схема жидкостного ракетного двигателя;figure 1 presents a diagram of a liquid rocket engine;
на фиг.2 представлена зависимость идеального удельного импульса двигателя (Iуд) от соотношения расходов компонентов топлива (Кm) в камере (отношение массового расхода кислорода к массовому расходу керосина) для различных по величине (в % к суммарному расходу компонентов топлива) аммиачных добавок.figure 2 shows the dependence of the ideal specific impulse of the engine (I beats ) on the ratio of the flow rates of the fuel components (K m ) in the chamber (the ratio of the mass flow rate of oxygen to the mass flow rate of kerosene) for ammonia additives of various magnitude (in% of the total flow rate of fuel components) .
Пример реализации изобретенияAn example implementation of the invention
Жидкостный ракетный двигатель (фиг.1) содержит камеру 1 с форсуночной головкой 2 и соплом 3, турбонасосный агрегат 4, который включает соосно установленные насос окислителя 5 с подкачивающей ступенью 6, керосиновый насос 7 с подкачивающей ступенью 8, аммиачный насос 9 и газовую турбину 10. Своим питающим коллектором 11 турбина подключена к газогенератору 12, а выходным патрубком 13 - к форсуночной головке 2 камеры 1.The liquid rocket engine (Fig. 1) comprises a
Питание газогенератора 12 жидкими окислителем и горючим осуществляется от высоконапорных магистралей 14 и 15, которые подсоединены к подкачивающим ступеням 6 и 8 насосов окислителя и горючего соответственно. Питание камеры 1 жидкими окислителем и горючим осуществляется от высоконапорных магистралей 16 и 17, которые подключены к первым ступеням насоса окислителя 5 и насоса горючего 7 соответственно. Насос сжиженного аммиака 9 соединен высоконапорным патрубком 18 с трактом регенеративного проточного охлаждения камеры и сопла 19 и 20, который подключен выходом к газогенератору 12.The
Работа жидкостного ракетного двигателяLiquid rocket engine operation
Сжиженный кислород поступает в насос 5, из которого по трубопроводу 16 подается в форсуночную головку 2 камеры 1, а из подкачивающей ступени 6 по трубопроводу 14 в газогенератор 12. Жидкий керосин поступает в насос 7, из которого по трубопроводу 17 поступает в форсуночную головку 2 и в подкачивающую ступень 8 и далее - по трубопроводу 15 в газогенератор 12. Сжиженный аммиак поступает в насос 9, из которого по трубопроводу 18 подается в тракт 19 и 20 регенеративного охлаждения камеры сгорания 1 и сопла 3, а далее - в газогенератор 12.Liquefied oxygen enters the
В результате стехиометрического сжигания жидких компонентов топлива (кислорода и керосина) в газогенераторе образуется "нейтральный" газ высокой температуры, который затем охлаждается до значений допускаемых материалом турбины за счет ввода прошедшего тракт регенеративного охлаждения камеры аммиака. Полученный турбогаз поступает на лопатки турбины 10, которая приводит во вращение насосы 5, 6, 7, 8, 9 через общий с ней вал. С выхода из турбины газ по трубопроводу 13 поступает в форсуночную головку 2 камеры сгорания 1. В ней отработавший на турбине 10 газ дожигается с жидким окислителем и горючим, а высокотемпературные продукты сгорания далее расширяются в реактивном сопле 3, создавая тягу жидкостного ракетного двигателя.As a result of stoichiometric combustion of the liquid fuel components (oxygen and kerosene), a “neutral” high-temperature gas is formed in the gas generator, which is then cooled to the values allowed by the turbine material by introducing the ammonia chamber that passed through the regenerative cooling path. The resulting turbogas enters the blades of the
Для предложенного способа были сделаны расчеты зависимости достижимого удельного импульса двигателя от соотношения компонентов топлива (Кт) для различных по величине (в % от суммарного расхода компонентов топлива) аммиачных добавок (см. фиг.2). Здесь для серии добавок аммиака в количестве (10-20)% - кривые А - прирост удельного импульса из-за улучшения термодинамических характеристик топлива в сумме с приростом удельного импульса, обусловленным возможностью уменьшения расхода на завесное охлаждение камеры при использовании аммиачной схемы охлаждения оценивается ~5 сек. А при дальнейшем увеличении аммиачной добавки до (25 - 30)% - кривые В - происходит существенное замещение массового расхода керосина на аммиак.For the proposed method, calculations were made of the dependence of the achievable specific impulse of the engine on the ratio of fuel components (K t ) for ammonia additives of various magnitude (in% of the total consumption of fuel components) (see figure 2). Here, for a series of ammonia additives in the amount of (10-20)% - curves A - increase in specific impulse due to the improvement of the thermodynamic characteristics of the fuel in total with an increase in specific impulse due to the possibility of reducing the flow rate for curtain cooling of the chamber using an ammonia cooling scheme, ~ 5 is estimated sec And with a further increase in ammonia additives to (25 - 30)% - curves B - there is a significant substitution of the mass flow of kerosene to ammonia.
Таким образом, применение топливной добавки (от (10-30)%) в виде сжиженного аммиака к топливной композиции (кислород-керосин) позволяет улучшить энергетические характеристики кислородно-керосиновых жидкостных ракетных двигателей.Thus, the use of fuel additives (from (10-30)%) in the form of liquefied ammonia to the fuel composition (oxygen-kerosene) can improve the energy characteristics of oxygen-kerosene liquid rocket engines.
Промышленная применяемостьIndustrial applicability
Предлагаемый ЖРД и топливная композиция найдут применение в двигателях как ЖРД малых тяг, так и мощных двигателей ракет-носителей.The proposed LRE and fuel composition will find application in engines of both small thrust engines and powerful engines of launch vehicles.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006145410/06A RU2386845C2 (en) | 2006-12-21 | 2006-12-21 | Method to operate oxygen-kerosine liquid-propellant rocket engines and fuel composition therefor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006145410/06A RU2386845C2 (en) | 2006-12-21 | 2006-12-21 | Method to operate oxygen-kerosine liquid-propellant rocket engines and fuel composition therefor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006145410A RU2006145410A (en) | 2008-06-27 |
RU2386845C2 true RU2386845C2 (en) | 2010-04-20 |
Family
ID=39679635
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006145410/06A RU2386845C2 (en) | 2006-12-21 | 2006-12-21 | Method to operate oxygen-kerosine liquid-propellant rocket engines and fuel composition therefor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2386845C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2452764C1 (en) * | 2010-12-27 | 2012-06-10 | Николай Евгеньевич Староверов | Fuel (versions) |
RU2486230C1 (en) * | 2012-07-04 | 2013-06-27 | Николай Евгеньевич Староверов | Combustible rocket propellant (versions) and method for preparation thereof |
-
2006
- 2006-12-21 RU RU2006145410/06A patent/RU2386845C2/en active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2452764C1 (en) * | 2010-12-27 | 2012-06-10 | Николай Евгеньевич Староверов | Fuel (versions) |
RU2486230C1 (en) * | 2012-07-04 | 2013-06-27 | Николай Евгеньевич Староверов | Combustible rocket propellant (versions) and method for preparation thereof |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006145410A (en) | 2008-06-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4531015B2 (en) | Booster rocket engine using gaseous hydrocarbons in catalytic cracking gas generator cycle | |
RU2158839C2 (en) | Liquid-propellant rocket reheat engine | |
US8572948B1 (en) | Rocket engine propulsion system | |
US3910037A (en) | Dual fuel rocket engine | |
US6505463B2 (en) | Pre-burner operating method for rocket turbopump | |
US5267437A (en) | Dual mode rocket engine | |
RU2352804C1 (en) | Liquid propellant jet engine | |
Haeseler et al. | Recent developments for future launch vehicle LOX/HC rocket engines | |
RU2386845C2 (en) | Method to operate oxygen-kerosine liquid-propellant rocket engines and fuel composition therefor | |
RU2095607C1 (en) | Cryogenic propellant rocket engine | |
RU2302547C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine | |
RU2382223C1 (en) | Three-component liquid propellant rocket engine and method of its operation | |
RU2299345C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine and the method of its starting | |
RU2300657C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine | |
RU2301352C1 (en) | Liquid propellant rocket engine (versions) | |
WO2016039993A1 (en) | Liquid propellant rocket engine with afterburner combustor | |
US9200596B2 (en) | Catalytically enhanced gas generator system for rocket applications | |
JP2001329911A (en) | Hybrid rocket engine and its pump driving method | |
RU2451202C1 (en) | Method of augmenting liquid-propellant rocket engine thrust and liquid-propellant rocket engine | |
KR101596659B1 (en) | Full Flow Staged Combustion Cycle Liquid Rocket Engine System Using Liquid Methane and Liquid Oxygen | |
RU2789943C1 (en) | Liquid rocket engine with accessor | |
RU2733460C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine | |
RU2273754C2 (en) | Liquid-propellant rocket engine operating on fuel containing helium additive | |
RU2095608C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine | |
RU2187684C2 (en) | Method of operation of liquid-propellant rocket engine and liquid-propellant rocket engine for realization of this method |