CC BY
1
Секция «Двигатели и энергетические установки летательных и космических аппаратов»
УДК 629.78
ВЫБОР СИСТЕМЫ ЗАЖИГАНИЯ ДЛЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ МАЛОЙ ТЯГИ, НАПЕЧАТАННОГО ПРИ ПОМОЩИ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Ю. Ю. Степанищев*, В. В. Зуев, Д. А. Коровин, И. А. Батранюк, Д. В. Шемет Научный руководитель - А. А. Зуев
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: vurastepanishchev@gmail.com
Выбор системы зажигания является одним из важнейших этапов проектирования ракетного двигателя, от выбора системы будут зависетьстабильное воспламенение компонентов топлива и возможность многократного запуска.
Ключевые слова: аддитивное производство, аддитивные технологии, ракетный двигатель малой тяги, система зажигания.
SELECTION OF IGNITION SYSTEM FOR AN ADDITIVELY PRINTED LOW-THRUST ROCKET ENGINE
Y. Y. Stepanishchev*, V.V. Zuev, D.A. Korovin, I. A. Batranyuk, D. V. Shemet Scientific Supervisor - A. A. Zuev
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *Е-mail: yurastepanishchev@gmail.com
The selection of the ignition system is one of the most important stages in the design of a rocket engine, stable ignition of the propellant components and the possibility of repeated launch will depend on the choice of the system.
Keywords: additivemanufacturing, additive technologies, low-thrust rocket engine,ignition system.
Развитие и внедрение аддитивных технологий производства является одним из приоритетных направлений научно-технологического прогресса в ракетно-космической промышленности. В связи с высокой сложностью и принципиальной новизной данных технологий, на предприятиях отрасли, а так же в научно-образовательных учреждениях проводится большой объём научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Предприятия ракетно-космической области России проявляют повышенный интерес к использованию аддитивных технологий для производства корпусных деталей и двигательных установок.
Определяющими факторами перехода с традиционного способа производства на аддитивные технологии, выступающими в качестве основных критериев их выбора, являются тенденции на сокращение затрат производства, короткий производственный цикл, значительное сокращение времени технологической подготовки производства для новых изделий, возможность использования принципиально новых конструкторско-технологических решений, высокий коэффициент использования материала, снижение трудоёмкости, а также улучшение массово-габаритных характеристик летательных
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
аппаратов. При разработке и изготовлении новых изделий, имеющих сложную форму остро стоит проблема выявления различных недоработок конструкции при создания первого опытного образца. При традиционном способе изготовления изделий или прототипов затрачивается от нескольких недель до нескольких месяцев, что в свою очередь заметно замедляет производственный цикл изделия и его дальнейшую доработку в связи с отсутствием новыхопытных образцов и возможной необходимостью изменения оснастки. Однако применение аддитивных технологий способно значительно упростить этот процесс за счёт значительного сокращения производственного цикла изделия и ненадобностью создания дополнительной оснастки. Данный способ позволяет в короткие сроки создавать реальные физические модели изделий, что способствует выявлению и устранению дефектов, позволяет скорректировать дальнейший процесс проектирования, провести доработку, а также провести прочностные или другие виды испытаний. С этой целью в Сибирском государственном университете разрабатывается проект ракетного двигателя малой тяги -демонстратора, изготовленного методом ЭБ-печати на принтере и работающего на экологически чистых газообразных компонентах: газообразный кислород 02и сжатый природный газ метан СН4. Предполагается проведение стендовых огневых испытаний двигателя.
Поскольку компоненты топлива 02 + СН4 являются несамовоспламеняющимися, задача данной работы заключается в выборе и обосновании системы зажигания топлива в стендовых условиях. Для реализации этой цели проведён технологический анализ систем и средств зажигания в зарубежном и отечественном ракетном двигателестроении.
Лазерное зажигание. Лазерное зажигание является перспективным способом зажигания топливной смеси, дающим возможность улучшить массово-габаритные характеристики двигательной установки. Так же достоинством данной системы является возможность осуществлять воспламенение топлива как на внутренней поверхности камеры сгорания, так и в её объёме за счёт размещения на смесительной головке или на боковой поверхности камеры сгорания. Однако из минусов стоит заметить необходимость стабилизации и подавления вибраций, для повышения фокусировки луча, а так же необходимость охлаждения, так как установка размещена непосредственно в камере сгорания, температура в которой может доходить до Э000°С[1].
Электроискровое зажигание. Данная система зажигания является одной из простейших в своём исполнении, а так же довольно надёжной для использования в многократных запусках двигателя, однако, как и остальные имеет ряд достоинств и недостатков.
К достоинствам электроискрового способа зажигания топливной смеси можно отнести большой опыт её использования в камерах двигателей с несамовоспламеняющимися компонентами топлива. При подборе требуемых соотношений компонентов, достаточно просто обеспечить стабильное воспламенение газовой смеси, а так же обеспечить многократные запуски двигателя без необходимости в дополнительном обслуживании между ними. Так же, благодаря большому ресурсу, питание на свечу можно подавать до поступления компонентов топлива в область камеры, что в свою очередь упрощает запуск двигателя.
К недостаткам можно отнести необходимость иметь запас пусковых компонентов, мощное электропитание, а так же ненадёжная работа высоковольтной электросистемы в условиях вакуума[2].
Химическое зажигание. Данный способ предусматривает использование самовоспламеняющихся компонентов топлива, запасённых в трубопроводах или специальных ёмкостях, отделённых от основного топлива мембранами свободного прорыва, однако использование данного способа ограниченно отсутствием возможности повторного запуска [Э].
Секция «Двигатеаи и энеуаетические установки летательных и ко с м I и че с к и х ааааратов»
В результате проведенного анализа проектируемой конструкции камеры-демонстратора жидкостного ракетного двигателя (изготавливаемого методами аддитивных технологий с учетом топологической оптимизации трактов подачи) и опыта ведущих мировых школ (Московского авиационного института кафедры 202 «Ракетные двигатели» и Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана кафедры Э1 «Ракетные двигатели»),было принято решение использовать электроискровое зажигание, так как оно обеспечивает стабильное воспламенение газообразных компонентов топлива, а так же простоту обслуживания и надёжность.В рамках проведённого анализа и учёта конструкции было принято решение использовать свечи для модельных двигателей фирмы КОК, так как они соответствуют габаритам камеры, её параметрам и используемым компонентам.
Библиографические ссылки
1. Патент № 2468240 С1 Российская Федерация, МПК Б02К 9/95. Камера жидкостного ракетного двигателя или газогенератора с лазерным устройством воспламенения компонентов топлива и способ ее запуска : № 2011144421/06 : заявл. 0Э.11.2011 : опубл. 27.11.2012 / С. Г. Ребров, В. А. Голубев, А. Н. Голиков ; заявитель Государственный научный центр Российской Федерации - федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша".
2. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей: Учебник для студентов вузов по специальности "Авиационные двигатели и энергетические установки" / Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др.; Под общ. ред. Г.Г. Гахуна. - М.: Машиностроение, 1989, - 424 с.: ил.
3. Системы питания и управления жидкостных ракетных двигательных установок: Учеб ник для студентов авиадвигателестроительных специальностей вузов. / А. А. Козлов, В.Н. Новиков, Е.В. Соловьев. - М.: Машиностроение, 1988. - Э52 с.: ил.
© Степанищев Ю. Ю., Зуев В. В., Коровин Д. А., Батранюк И. А., Шемет Д. В., 2022
