Исследование влияния развитой поверхности тракта охлаждения камеры на энергетические параметры кислородно-водородного ЖРД безгазогенераторной схемы

Верхние ступени ракет-носителей и разгонные блоки оснащены безгазогенераторными жидкостными ракетными двигателями (ЖРД), основные особенности которых заключаются в отсутствии газогенератора и приводе турбины турбонасосного агрегата подогретым в тракте охлаждения камеры сгорания горючим. Такое схемное решение двигателя повышает его надежность и обеспечивает высокий уровень удельного импульса тяги. Однако современные кислородно-водородные безгазогенераторные жидкостные ракетные двигатели не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к их удельным параметрам — давлению в КС и удельному импульсу тяги. Определение оптимальных значений этих параметров двигателя, построенного по такой схеме, зависит от оптимизации энергетической увязки, интенсификации теплообмена в тракте охлаждения и эффективного теплосъема с конструкции камеры сгорания. Предложен способ интенсификации теплообмена в тракте охлаждения за счет развитой поверхности теплообмена, созданной с помощью дополнительного оребрения огневой стенки камеры сгорания. С помощью разработанной математической модели расчета энергетических и геометрических параметров ЖРД выявлены экстремумы по интенсификации теплообмена и удельного импульса тяги в зависимости от давления в камере сгорания и энергетических характеристик агрегатов турбонасосного агрегата.
EDN: IDJYXF, https://elibrary/idjyxf

Литература

[1] Нестеров В.Е., Рудаков В.Б., Макаров В.И. Анализ основных задач экспериментальной отработки многоразовой ракетно-космической системы. Bестник МАИ, 2013, т. 20, № 5, с. 77–85.

[2] Боровик И.Н. Разработка технического облика двигательной установки межорбитального транспортного аппарата многократного использования. Дисс. … канд. тех. наук. Москва, МАИ, 2011. 165 c.

[3] Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. 461 с.

[4] Калмыков Г.П., Лебединский Е.В., Тарарышкин В.И. и др. Безгенераторный ЖРД тягой 200 т.с. на углеводородном горючем. Space Launcher Liquid Propulsion. 4th Int. Conf. on Launcher Technology, 2002. URL: http://www.lpre.de/resources/articles/expander_200.pdf (дата обращения: 10.06.2025).

[5] Коротеев А.С., ред. Компьютерные модели жидкостных ракетных двигателей. Москва, Машиностроение, 2009. 376 с.

[6] Беляков В.А., Василевский Д.О. Перспективные схемные решения безгазогенераторных двигателей. Вестник ПНИПУ Аэрокосмическая техника, 2019, № 58, с. 69–86, doi: https://doi.org/10.15593/2224-9982/2019.58.06

[7] Беляков В.А., Василевский Д.О., Ермашкевич А.А. и др. Развитие концепции многоразового жидкостного ракетного двигателя на трехкомпонентном топливе. Сибирский аэрокосмический журнал, 2021, т. 22, № 1, с. 121–136, doi: https://doi.org/10.31772/2712-8970-2021-22-1-121-136

[8] Шляхов В.И. Пневмогидросистемы криогенных двигательных установок межорбитальных буксиров. Москва, Изд-во МАИ, 1991. 61 с.

[9] Калмыков Г.Р., Лебединский Е.В., Тарарышкин В.И. Рабочие процессы в жидкостном ракетном двигателе и их моделирование. Москва, Машиностроение, 2008. 511 с.

[10] Гахун Г.Г. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. Москва, Машиностроение, 1989. 424 с.

[11] Беляков В.А. Выбор энергетических параметров кислородно-водородного безгазогенераторного жидкостного ракетного двигателя. Сибирский аэрокосмический журнал, 2022, т. 23, № 3, с. 424–436, doi: https://doi.org/10.31772/2712-8970-2022-23-3-424-436

[12] Василевский Д.О. Повышение удельного импульса кислород-водородного жидкостного ракетного двигателя за счет увеличения теплоотдачи в камере сгорания. Сибирский аэрокосмический журнал, 2022, т. 23, № 4, с. 671–687, doi: https://doi.org/10.31772/2712-8970-2022-23-4-671-687

[13] Бережинский Р.А., Соколов С.А., Гудкова С.Р. и др. Моделирование рабочих процессов и конструкция элементов камеры ЖРД. Воронеж, ВГТУ, 2001. 169 с.

[14] Гахун Г.Г., ред. Атлас конструкций ЖРД. Ч. 1. Москва, МАИ, 1969. 224 с.

[15] Naraghi M.H., Dunn S., Coats D. Dual regenerative cooling circuits for liquid rocket engines. 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf. & Exhibit, 2006, paper AIAA 2006-4367, doi: https://doi.org/10.2514/6.2006-4367

[16] Загашвили Ю.В., Левихин А.А., Кузьмин А.М. Технология получения водорода с использованием малогабаритных транспортабельных установок на основе высокотемпературных газогенераторов синтез-газа. Вопросы материаловедения, 2017, № 2, с. 92–109.

[17] Загашвили Ю.В., Левихин А.А., Кузьмин А.М. Основы проектирования трехкомпонентных газогенераторов синтез-газа. Нефтегазохимия, 2017, № 4, с. 9–16.

[18] Загашвили Ю.В., Левихин А.А., Кузьмин А.М. Опытные установки на основе высокотемпературных реакторов для решения задач газохимии, нефтехимии и экологии. В: Проблемы геологии, разработки и эксплуатации месторождений и транспорта трудно извлекаемых запасов углеводородов. Ухта, УГТУ, 2018, с. 229–234.

[19] Полякова Т.В. Состояние и перспективы водородной энергетики в России и мире. URL: https://mgimo.ru/files/120132/polyakova_vodorod.pdf (дата обращения: 10.04.2025).

[20] Пиунов В.Ю., Назаров В.П., Коломенцев А.И. Совершенствование энергетических характеристик кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей разгонных блоков методов оптимизации конструктивных схем. Bестник МАИ, 2017, т. 24, № 3, с. 23–33.

[21] Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. Москва, Машиностроение, 1986. 376 с.

[22] Беляков В.А., Василевский Д.О., Ермашкевич А.А. и др. Проектирование системы охлаждения многоразового жидкостного ракетного двигателя на трехкомпонентном топливе. Сибирский аэрокосмический журнал, 2021, т. 22, № 2, с. 316–327, doi: https://doi.org/10.31772/2712-8970-2021-22-2-316-327

[23] Хорлокк Дж.Х. Осевые турбины. Москва, Машиностроение, 1972. 212 с.

[24] Иевлев В.М. Турбулентное движение высокотемпературных сплошных сред. Москва, Наука, 1975. 256 с.

[25] Беляков В.А. Повышение энергетических характеристик безгазогенераторных кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей. Дисс. … канд. тех. наук. Москва, МАИ, 2022. 142 с.

[26] Василевский Д.О. Способы увеличения удельного импульса тяги за счет интенсификации теплообмена в системе охлаждения камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя. Дисс. … канд. тех. наук. Москва, МАИ, 2022. 150 с.