RU2580232C1 - Способ воспламенения компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе и устройство лазерного воспламенения для реализации этого способа - Google Patents

Способ воспламенения компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе и устройство лазерного воспламенения для реализации этого способа Download PDF

Info

Publication number
RU2580232C1
RU2580232C1 RU2015117481/06A RU2015117481A RU2580232C1 RU 2580232 C1 RU2580232 C1 RU 2580232C1 RU 2015117481/06 A RU2015117481/06 A RU 2015117481/06A RU 2015117481 A RU2015117481 A RU 2015117481A RU 2580232 C1 RU2580232 C1 RU 2580232C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ignition
laser
cavity
fuel components
mixing head
Prior art date
Application number
RU2015117481/06A
Other languages
English (en)
Inventor
Николай Александрович Братухин
Валентина Петровна Космачева
Original Assignee
Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" filed Critical Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики"
Priority to RU2015117481/06A priority Critical patent/RU2580232C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2580232C1 publication Critical patent/RU2580232C1/ru

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02KJET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/95Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof characterised by starting or ignition means or arrangements

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД) на несамовоспламеняющихся компонентах топлива, например для ЖРД с многократным включением в полете. В способе воспламенения компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе, основанном на нагреве, газификации и воспламенении горючей смеси, путем подачи энергетического импульса от лазерного источника согласно изобретению фокусирование лазерного луча осуществляют одной или несколькими линзами таким образом, что оптический пробой осуществляют в заполненной смесью компонентов топлива полости по крайней мере одной форсунки многофорсуночной смесительной головки с воспламенением смеси компонентов топлива в полости этой форсунки и последующим воспламенением всего расхода топлива, выходящего из смесительной головки, продуктами сгорания из этой форсунки. Способ реализуется в устройстве лазерного воспламенения, содержащем лазер с узлом накачки, оптический световод, фокусирующую линзу, установленную в корпусе, согласно изобретению внутренняя полость корпуса с фокусирующей линзой соединена с полостью смесительной головки. Изобретение обеспечивает воспламенение компонентов топлива лазерной системой сначала в полости одной или нескольких форсунок смесительной головки, а далее во всем объеме камеры сгорания, что повышает надежность воспламенения. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области энергетических установок, а именно к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД), и может быть использовано при разработке и создании ЖРД на несамовоспламеняющихся компонентах топлива, имеющих повышенные требования к энергомассовым характеристикам и надежности запуска, особенно для ЖРД с многократным включением в полете.
Одной из основных проблем при создании ЖРД, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах топлива, является обеспечение надежной работы системы воспламенения с одновременным обеспечением ее минимальной массы, а также минимальной стоимости отработки и изготовления.
Наиболее распространенными способами воспламенения компонентов топлива в существующих ЖРД являются:
- химический способ (использование пускового горючего, самовоспламеняющегося с окислителем);
- пиротехнический способ (использование высокотемпературных продуктов сгорания от автономного порохового запальника);
- электроплазменный способ (использование высокотемпературных продуктов сгорания компонентов топлива, образующихся в автономном электроплазменном запальнике).
Указанные выше способы воспламенения имеют ряд недостатков:
- повышенные требования к безопасности эксплуатации (для химического и пиротехнического способов);
- экологически «грязные» продукты сгорания (для химического и пиротехнического способов);
- сложная пневмогидравлическая схема (для химического и электроплазменного способов);
- необходимость перезарядки для проведения повторного включения (для химического и пиротехнического способов).
Известен также способ воспламенения компонентов топлива, при котором для их воспламенения используется энергия лазерного излучения.
Применение лазерного воспламенения компонентов топлива для запуска ракетных двигателей, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах топлива, имеет ряд преимуществ перед традиционными способами. Среди них в первую очередь можно отметить безопасность при использовании, а также простоту конструкции и соответственно более высокую надежность за счет упрощения пневмогидравлической схемы двигателя.
Известны способ лазерного воспламенения горючей смеси двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления (патент РФ №2436991, МПК F02P 23/04, опубл. 2011 г.). Способ лазерного зажигания горючей смеси двигателя внутреннего сгорания и система для его осуществления, заключающийся в том, что горючую смесь воспламеняют с помощью лазерного оптического разряда, для его интенсификации лазерный луч концентрируют на металлическую поверхность поршня двигателя.
Одним из недостатков указанного способа является наличие мишени, которой является поршень двигателя и поверхность которой подвергается эрозии под действием лазерного излучения. Для воспламенения компонентов топлива в ЖРД потребная мощность лазерного излучения существенно выше, чем в двигателе внутреннего сгорания, поэтому и интенсивность эрозии поверхности, на которую концентрируют лазерный луч, будет выше.
Известны способ лазерного воспламенения компонентов топлива в камере сгорания ракетного двигателя и устройство для его осуществления (патент РФ №2326263, МПК F02K 9/95, опубл. 2008 г. - прототип). Данный способ основан на раздельной и разновременной подаче пусковых порций компонентов топлива, подаче энергии и воспламенении смеси компонентов топлива с получением факела продуктов сгорания, воспламеняющего основной расход компонентов топлива, при этом воспламенение осуществляют путем фокусировки лазерной энергии в область оптического пробоя, причем подачу компонентов топлива и подачу лазерной энергии осуществляют таким образом, чтобы соотношение компонентов топлива в этой области было оптимальным для воспламенения.
Основными недостатками указанного способа воспламенения являются:
- малая величина пусковых расходов компонентов топлива и соответственно необходимость реализации на запуске ракетного двигателя промежуточной ступени, усложняющей конструкцию агрегатов, обеспечивающих запуск;
- подача топлива в область оптического пробоя при оптимальном для воспламенения соотношении компонентов требует специального автономного устройства для его обеспечениям и усложняет пневмогидравлическую схему двигателя.
Известны способ лазерного воспламенения горючей смеси двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления (патент РФ №2436991, МПК F02P 23/04, опубл. 2011 г. - прототип). В устройстве для реализации способа фокусирующая линза в верхней части через световод соединена с лазером, а со стороны цилиндра двигателя имеет упорную втулку с защитным окном, отделяющим оптическую систему от продуктов сгорания цилиндра двигателя.
Недостатком указанного выше устройства для углеводородных горючих (керосин, метан и т.п.) является то, что при воспламенении компонентов топлива на оптических элементах, выводящих лазерное излучение в камеру сгорания, оседают твердые частицы продуктов сгорания (копоть). Это затрудняет повторное воспламенение компонентов топлива в ЖРД многократного включения в одном полете.
Задачей изобретения является создание ЖРД, в котором воспламенение компонентов топлива осуществляется лазерной системой сначала в полости одной или нескольких форсунок смесительной головки, а далее во всем объеме камеры сгорания, что обеспечивает повышение надежности.
Поставленная задача достигается тем, что в предложенном способе воспламенения компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе, основанном на нагреве, газификации и воспламенении горючей смеси, путем подачи энергетического импульса от лазерного источника согласно изобретению фокусирование лазерного луча осуществляют одной или несколькими линзами таким образом, что оптический пробой осуществляют в заполненной смесью компонентов топлива полости, по крайней мере, одной форсунки многофорсуночной смесительной головки с воспламенением смеси компонентов топлива в полости этой форсунки и последующим воспламенением всего расхода топлива, выходящего из смесительной головки, продуктами сгорания из этой форсунки.
Кроме того, фокусирующее устройство располагают в полости смесительной головки, заполняемой при работе оптически прозрачным компонентом топлива.
Кроме того, в зоне пробоя обеспечивают оптимальный для осуществления воспламенения состав смеси как по расходу, так и по соотношению компонентов топлива за счет расходных и геометрических характеристик форсунок.
Указанный способ реализуется в устройстве лазерного воспламенения, содержащем лазер с узлом накачки, оптический световод, фокусирующую линзу, установленную в корпусе, согласно изобретению внутренняя полость корпуса с фокусирующей линзой соединена с полостью смесительной головки.
Кроме того, оптический световод закреплен в корпусе герметично.
Сущность изобретения иллюстрируется фигурой 1.
Система воспламенения для осуществления способа содержит узел накачки лазера (1), лазер (2), световод (3), по которому проходит лазерное излучение, и фокусирующее устройство, состоящее из корпуса (4) и одной или нескольких линз (5).
Корпус (4) с фокусирующей линзой (5) располагаются в полости (6) оптически прозрачного компонента топлива (А), что позволяет исключить контакт линзы с высокотемпературными продуктами сгорания, образующимися в камере сгорания (9) агрегата.
Полость корпуса (4) соединена с полостью (6) смесительной головки (7), например, с помощью отверстий (8) или пазов. Это позволяет исключить силовое воздействие на фокусирующую линзу от давления компонента топлива, поступающего в полость (6). При этом фокус (10) линзы (5) располагается в полости форсунки (11) в зоне, где реализуются наиболее оптимальные для воспламенения соотношение компонентов топлива и расходы оптически прозрачного (А) и второго (Б) компонентов топлива.
Использование предложенного технического решения позволит повысить надежность воспламенения компонентов топлива особенно для ЖРД многократного включения, а также улучшить массово-габаритные характеристики ЖРД и снизить стоимость отработки системы воспламенения за счет:
- исключения загрязнения поверхности фокусирующей линзы химическими элементами и соединениями, содержащимися в продуктах сгорания;
- использования менее мощных, а следовательно, менее габаритных и более легких лазерных устройств для воспламенения компонентов топлива, так как с помощью лазерного устройства происходит воспламенение малой части (проходящей через одну или несколько форсунок) общего расхода компонентов топлива. Основная часть топлива поджигается от продуктов сгорания, образующихся в отдельной форсунке;
- оптимизации характеристик топливной смеси в зоне воспламенения изменением расходных и геометрических характеристик форсунок;
- исключения воздействия на фокусирующую линзу высокотемпературных продуктов сгорания, образующихся в «горячих» агрегатах во время их работы. Таким образом, не требуется дополнительной защиты фокусирующей линзы от воздействия высокой температуры;
- исключения воздействия на фокусирующую линзу сил от давления компонента топлива, что позволяет использовать оптимальную линзу и упрощает ее заделку в корпусе;
- отработки системы воспламенения на модельной однофорсуночной установке.

Claims (4)

1. Способ воспламенения компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе, основанный на нагреве, газификации и воспламенении горючей смеси, путем подачи энергетического импульса от лазерного источника, отличающийся тем, что фокусирование лазерного луча осуществляют одной или несколькими линзами таким образом, что оптический пробой осуществляют в заполненной смесью компонентов топлива полости по крайней мере одной форсунки многофорсуночной смесительной головки с воспламенением смеси компонентов топлива в полости этой форсунки и последующим воспламенением всего расхода топлива, выходящего из смесительной головки, продуктами сгорания из этой форсунки.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фокусирующее устройство располагают в полости смесительной головки, заполняемой при работе оптически прозрачным компонентом топлива.
3. Устройство лазерного воспламенения для осуществления способа, содержащее лазер с узлом накачки, оптический световод, фокусирующую линзу, установленную в корпусе, отличающееся тем, что внутренняя полость корпуса с фокусирующей линзой соединена с полостью смесительной головки.
4. Устройство лазерного воспламенения по п. 3, отличающееся тем, что оптический световод закреплен в корпусе герметично.
RU2015117481/06A 2015-05-07 2015-05-07 Способ воспламенения компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе и устройство лазерного воспламенения для реализации этого способа RU2580232C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015117481/06A RU2580232C1 (ru) 2015-05-07 2015-05-07 Способ воспламенения компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе и устройство лазерного воспламенения для реализации этого способа

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015117481/06A RU2580232C1 (ru) 2015-05-07 2015-05-07 Способ воспламенения компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе и устройство лазерного воспламенения для реализации этого способа

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2580232C1 true RU2580232C1 (ru) 2016-04-10

Family

ID=55793966

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015117481/06A RU2580232C1 (ru) 2015-05-07 2015-05-07 Способ воспламенения компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе и устройство лазерного воспламенения для реализации этого способа

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2580232C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2691704C1 (ru) * 2018-08-13 2019-06-17 Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" Способ воспламенения компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе
RU2770975C2 (ru) * 2019-06-20 2022-04-25 Акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко" Устройство лазерного воспламенения компонентов топлива в камере сгорания или газогенераторе жидкостного ракетного двигателя

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2326263C1 (ru) * 2007-05-14 2008-06-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" (ФГУП "Центр Келдыша") Способ воспламенения компонентов топлива в камере сгорания ракетного двигателя и устройство для его осуществления (варианты)
WO2009150069A2 (de) * 2008-06-09 2009-12-17 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Brennkammervorrichtung und verfahren zum betrieb einer brennkammervorrichtung
RU2468240C1 (ru) * 2011-11-03 2012-11-27 Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" Камера жидкостного ракетного двигателя или газогенератора с лазерным устройством воспламенения компонентов топлива и способ ее запуска
RU2533262C1 (ru) * 2013-08-05 2014-11-20 Общество с ограниченной ответственностью "Спектралазер" Устройство для лазерного воспламенения топлива в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2326263C1 (ru) * 2007-05-14 2008-06-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" (ФГУП "Центр Келдыша") Способ воспламенения компонентов топлива в камере сгорания ракетного двигателя и устройство для его осуществления (варианты)
WO2009150069A2 (de) * 2008-06-09 2009-12-17 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Brennkammervorrichtung und verfahren zum betrieb einer brennkammervorrichtung
RU2468240C1 (ru) * 2011-11-03 2012-11-27 Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша" Камера жидкостного ракетного двигателя или газогенератора с лазерным устройством воспламенения компонентов топлива и способ ее запуска
RU2533262C1 (ru) * 2013-08-05 2014-11-20 Общество с ограниченной ответственностью "Спектралазер" Устройство для лазерного воспламенения топлива в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2691704C1 (ru) * 2018-08-13 2019-06-17 Акционерное общество "Конструкторское бюро химавтоматики" Способ воспламенения компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе
RU2770975C2 (ru) * 2019-06-20 2022-04-25 Акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко" Устройство лазерного воспламенения компонентов топлива в камере сгорания или газогенераторе жидкостного ракетного двигателя

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8616006B2 (en) Advanced optics and optical access for laser ignition for gas turbines including aircraft engines
RU2326263C1 (ru) Способ воспламенения компонентов топлива в камере сгорания ракетного двигателя и устройство для его осуществления (варианты)
US7806094B2 (en) Laser ignition apparatus
CN101463790B (zh) 激光点火装置
JP5997434B2 (ja) 航空エンジンを含むガスタービンのための改良型レーザ点火装置
DE1252974B (de) Gleichraumbrennkammer
RU2576099C1 (ru) Двигатель внутреннего сгорания
EP2772689A1 (en) Supplementary Laser Firing for Combustion Stability
RU2580232C1 (ru) Способ воспламенения компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе и устройство лазерного воспламенения для реализации этого способа
RU2436991C1 (ru) Способ воспламенения топливной смеси в двигателе внутреннего сгорания лазерным оптическим разрядом и устройство для его осуществления
RU2468240C1 (ru) Камера жидкостного ракетного двигателя или газогенератора с лазерным устройством воспламенения компонентов топлива и способ ее запуска
EP0816674A1 (en) Ignition methods and apparatus using broadband laser energy
US8490381B2 (en) Systems involving fiber optic igniters transmitting fuel and laser light
JP2010138897A (ja) エンジン
RU2339840C2 (ru) Способ зажигания топливной смеси в камере сгорания двигателя и устройство для его осуществления
RU2383764C1 (ru) Ракетный двигатель твердого топлива
RU2691704C1 (ru) Способ воспламенения компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе
KR950001328B1 (ko) 가스터어빈 엔진 광자 점화시스템
RU2451818C1 (ru) Лазерное устройство воспламенения компонентов топлива (варианты)
RU85620U1 (ru) Устройство многоразового лазерного поджига ракетных топливных смесей
RU2406863C1 (ru) Способ многоразового лазерного поджига ракетных топливных смесей и устройство, его реализующее
RU2533262C1 (ru) Устройство для лазерного воспламенения топлива в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя
RU2674090C1 (ru) Камера сгорания газотурбинного двигателя, система зажигания камеры сгорания газотурбинного двигателя и способ зажигания камеры сгорания газотурбинного двигателя
RU2770975C2 (ru) Устройство лазерного воспламенения компонентов топлива в камере сгорания или газогенераторе жидкостного ракетного двигателя
RU2679949C1 (ru) Способ запуска камеры жидкостного ракетного двигателя или газогенератора с лазерным воспламенением топлива и устройство для его осуществления