Практическое применение лазерного воспламенения для топливных компонентов жидкостных ракетных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Решетневскуе чтения. 2017

УДК 621.45.048.3

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В. Б.Злобин

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 E-mail: [email protected]; mailto:[email protected]

Раскрываются перспективы практического применения лазерного воспламенения для воспламенения топлива ракетных двигателей. Описываются преимущества и недостатки данного способа воспламенения. Сделан вывод о перспективе данного способа воспламенения в ракетостроении.

Ключевые слова: лазер, лазерное воспламенение, лазерное зажигание, камера сгорания.

PRACTIAL APPLICATION OF ROCKET FUEL LASER IGNITION IN LIQUID

FUEL ROCKET ENGINES

V. B. Zlobin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]; mailto:[email protected]

This research covers the practical issues of laser ignition for liquid rocket fuel engines. Advantages and disadvantages of this ignition method are described and conclusion about future prospects of this method is drawn.

Keywords: laser, laser ignition, combustion chamber.

Применение лазерного воспламенения в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД) имеет немало преимуществ перед устоявшимися способами воспламенения. Например, оно позволяет выбрать зону инициации горения в широких пределах без изменения конструкции камеры сгорания.

Современное развитие лазерной техники уже сейчас позволяет добиться снижения массогабаритных характеристик лазерных систем зажигания по сравнению с электроискровыми. Кроме этого стоит отметить возможность многоразовых включений таких систем, что обуславливает их преимущества по сравнению с химическим и пиротехническим способами и особенно актуально для жидкостных двигателей малой тяги.

Использование лазерного зажигания в запальных устройствах оправдано, когда традиционно используемые системы, такие как электроискровые, не могут обеспечить надежное воспламенение, например, при криогенных температурах компонентов, или при неблагоприятных для воспламенения соотношениях компонентов [1]. Использование таких лазеров в крупногабаритных камерах сгорания требует применения нескольких лазеров для обеспечения равномерности воспламенения по объему камеры. В недавнем прошлом, компоненты установок для лазерного зажигания значительно продвинулись в технологическом отношении, что делает их очень интересным вариантом обеспечения возгорания топливных компонентов, которая обладает такими качествами как малый вес, простота в обращении, а так же позволяет

обеспечить высокую точность в определении времени и места возгорания топлива [2].

Применение данной системы создает определенные трудности. Осуществление многократного принудительного воспламенения топлива непосредственно в камере сгорания представляется затруднительным из-за невозможности обеспечения сохранности воспламенителя (свечи) при размещении его в камере сгорания или в непосредственной близости от нее. Использование электрических систем зажигания связано с расходованием электроэнергии, и наиболее выгодный способ её экономии - использовать такое топливо, которое легко воспламеняется в определенной среде. В этом отношении очень перспективным выглядит водород в сочетании с кислородом. Экспериментальные образцы показывают работоспособность данной технологии при давлении, достигающим 150 бар, и задержку воспламенения не более 50 мс. Для обеспечения достаточной надежности возгорания проводятся опыты с установлением нейтрального фильтра плотности, поглощающего до 75 % энергии лазера, что гарантирует возгорание даже при отклонении оси лазера, значительно превышающей возможные отклонения вследствие неполадок отдельных компонентов оптической системы [3].

Таким образом, были выявлены преимущества и недостатки лазерной системы воспламенения. Можно заключить, что данная система имеет важные преимущества, главное из которых - возможность многократного включения. Так же рассматриваемая система легче в обращении и дешевле пиротехнических уст-

Проектирование, производство и испытания двигателей летательных аппаратов

ройств [3]. Данную систему воспламенения возможно применять как в камере сгорания, так и в газогенераторе. Но до недавнего времени вопрос практического применения такой системы воспламенения рассматривался только теоретически. В связи с появлением достаточно высокотехнологичных компонентов, способных обеспечить требуемые условия воспламенения компонентов в камере ЖРД, данный способ активно рассматривается как перспективный вариант для использования в двигателях, допускающих многократное включение и работающих на криогенных топливных компонентах, таких как жидкий кислород - жидкий водород или сжиженный природный газ. Другие альтернативные способы, такие как искровое воспламенение пока что не демонстрируют достаточной надежности и легкости использования в камере сгорания и газогенераторе, поэтому можно предположить, что лазерное воспламенение будет широко применяться в жидкостных ракетных двигателях ближайшего будущего.

Библиографические ссылки

1. Ребров С. Г., Голиков А. Н., Голубев В. А. Лазерное воспламенение ракетных топлив в модельной камере сгорания // Журнал «Труды МАИ». Вып. 53. М. : МАИ, 2012.

2. Кочанов А. В., Клименко А. Г., Ребров С. Г. Влияние механизма воспламенения топлива искрой и нагретой поверхностью на запуск кислородно-

водородного ракетного двигателя малой тяги // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. М. : МГТУ им. Баумана, 2017. С. 31-40.

3. Application Of Laser-Ignition Systems In Liquid Rocket Engines / S. Soller, N. Rackemann, A. Preuss, G. Kroupa // Space Propulsion Conference. 2016.

References

1. Rebrov S. G., Golikov A. N., Golubyev V. A. Lasernoye vosplamenenie rakentih topliv v model'noy kamere sgorania [Laser ignition of rocket fuels in modeled combustion chamber] Trudi MAI. 2012, no. 53 (In Russ).

2. Kochanov A. V., Climenko A. G., Rebrov S. G. Vliyanie mehanisma vosplamenenia topliva iskroi i nagretoi poverhnostyu na zapusk kislorodno-vodorodnyh raketnih dvigatelei maloi tyagi. [Influence of ignition by spark and heated surface on the liquid oxygen-liquid hydrogen rocket engine of small thrust.] // Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. N. E. Baumana. Seriya "Mashino-stroyeniye". M. : MGTU im. Baumana, 2017. Р. 31-40.

3. Application Of Laser-Ignition Systems In Liquid Rocket Engines / S. Soller, N. Rackemann, A. Preuss, G. Kroupa // Space Propulsion Conference. 2016.

© Злобин В. Б., 2017