Инжектор Pintle - Pintle injector

Топливо красный, окислитель синий

В игольчатый инжектор это тип пропеллент инжектор для двухкомпонентное топливо ракетный двигатель. Как и любой другой инжектор, его цель - обеспечить соответствующую скорость потока и перемешивание порохов, поскольку они принудительно нагнетаются под высоким давлением в камера сгорания, так что может происходить эффективный и контролируемый процесс сгорания.^[1]

Ракетный двигатель на основе иглы может иметь больший диапазон дросселирования, чем двигатель на основе обычных форсунок, и очень редко будет иметь акустическую нестабильность горения, потому что форсунка на основе иглы имеет тенденцию создавать самостабилизирующуюся структуру потока.^[2][3] Таким образом, двигатели на основе игл особенно подходят для приложений, требующих глубокого, быстрого и безопасного дросселирования, таких как посадочные места.^[4]

Инжекторы Pintle начали как первые лабораторные экспериментальные устройства, используемые Калтех с Лаборатория реактивного движения в середине 1950-х годов для изучения времени реакции смешения и горения гиперголичный жидкое топливо. Инжектор иглы был доведен до практического применения и разработан Space Technology Laboratories (STL), затем подразделением Ramo-Wooldridge Corp., позже TRW, начиная с 1960 г.^[2]

Были построены двигатели на основе стержней, начиная от нескольких ньютоны тяги до нескольких миллионов, а конструкция цапфы была протестирована со всеми распространенными и многими экзотическими комбинациями пороха, включая гелеобразное топливо.^[2] Двигатели на основе пиноли были впервые использованы на пилотируемый космический корабль вовремя Программа Аполлона в Модуль лунной экскурсии с Спусковая двигательная установка,^[4][2][5] однако, только в октябре 1972 года дизайн был обнародован.^[2][3] и Патент США 3,699,772 был предоставлен изобретателю инжектора иглы Джерард У. Элверум мл.^[6] Форсунки Pintle в настоящее время используются в SpaceX с Мерлин семейство двигателей.^[5][7]

Описание

Принцип работы

Другой вид, более четко показывающий, как течет топливо и окислитель.

Инжектор иглы - это тип коаксиальный инжектор. Он состоит из двух концентрических трубок и центрального выступа. Пропеллент A (обычно окислитель, обозначенный на изображении синим цветом) протекает через внешнюю трубку, выходя цилиндрическим потоком, в то время как топливо B (обычно топливо, обозначенное красным на изображении) течет внутри внутренней трубки и падает на центральный игла -образный выступ, (по форме похож на тарельчатый клапан как те, что были найдены на четырехтактные двигатели ), распыляясь широким конусом или плоским листом, пересекающим цилиндрическую струю пороха А.^[2][3]

В типичной конструкции двигателя на основе стержня используется только один центральный инжектор, в отличие от пластин инжектора типа «душевая лейка», которые используют несколько параллельных отверстий инжектора.^[2]

Дросселирование может быть достигнуто либо путем размещения клапанов перед форсункой, либо путем перемещения внутренней иглы или внешней втулки.^[2]

Многие люди испытали опрыскиватели с дроссельной заслонкой в ​​виде стандартных садовых опрыскивателей на конце шланга.^[5]

Инжектор иглы показан во время испытание на текучесть на холоде. Внутренний путь потока активен.

Варианты

В поршневых двигателях, не требующих дросселирования, игла фиксируется на месте, а топливные клапаны для запуска и останова размещаются в другом месте.^[2]

Подвижный стержень обеспечивает возможность дросселирования, и, если подвижной частью является втулка, сама игла может действовать как клапан подачи топлива. Это называется штифтом отключения лица. Быстро движущаяся втулка позволяет двигателю работать в импульсном режиме, и это обычно делается в штыревой схеме. RCS двигатели и двигатели отклонения ракет.^[2]

В варианте стержня для торцевого отключения сам стержень гидравлически приводится в действие топливом через пилотный клапан, и никаких дополнительных клапанов между двигателем и баками не требуется. Это называется иглой FSO (Face Shutoff Only).^[2]

В некоторых вариантах стержень имеет канавки или отверстия, прорезанные в нем для создания радиальных струй в потоке топлива B, что позволяет дополнительному несгоревшему топливу сталкиваться со стенками камеры сгорания и обеспечивать охлаждение топливной пленки.^[2][8] Изображенная здесь игла принадлежит именно этому типу.

Инжектор иглы показан во время испытания на текучесть на холоду. Внешний путь потока активен.

Преимущества и недостатки

Преимущества

По сравнению с некоторыми конструкциями форсунок, игольчатые форсунки позволяют в большей степени регулировать расход двухкомпонентного топлива, хотя регулирование ракетных двигателей в целом по-прежнему очень сложно. Если используется только один центральный инжектор, массовый поток внутри камеры сгорания будет иметь две основные зоны рециркуляции, которые уменьшают акустическую нестабильность, не обязательно требуя акустических полостей или перегородок.^[2][3]

Конструкция игольчатого инжектора может обеспечить высокий КПД сгорания (обычно 96–99%).^[2][3]

Инжектор иглы показан во время испытания на текучесть на холоду. Оба пути потока активны.

Если для внутреннего потока выбрано топливо (что имеет место в большинстве двигателей с цапфой), инжектор можно настроить таким образом, чтобы любое излишнее топливо, которое не вступает в реакцию немедленно при прохождении через поток окислителя, попадало на стенки камеры сгорания. и охлаждает их за счет испарения, обеспечивая, таким образом, охлаждение топливной пленкой стенок камеры сгорания, не вызывая потери массы специальной подсистемы охлаждающей жидкости.^[2][8]

Хотя игольчатые форсунки были разработаны для применения в ракетных двигательных установках, из-за их относительной простоты их можно легко адаптировать для промышленных процессов обработки жидкостей, требующих высокого расхода и тщательного перемешивания.^[9]

Характеристики данного инжектора можно легко оптимизировать, изменяя геометрию кольцевого зазора внешнего пороха и центральных прорезей для пороха (и / или непрерывного зазора, если он используется). Поскольку для этого нужно изготовить только две новые детали, пробные варианты обычно дешевле и требуют меньше времени, чем с обычными форсунками.^[2][3]

Недостатки

Поскольку горение имеет тенденцию происходить на поверхности усеченный, пиковые термические напряжения локализуются на стенке камеры сгорания, а не более равномерно распределенное горение по сечению камеры и более равномерный нагрев. Это необходимо учитывать при проектировании системы охлаждения, иначе это может привести к прожогу.^[5][8][10]

Известно, что игольчатый инжектор вызывал проблемы с эрозией горла в ранних двигателях Merlin с абляционным охлаждением из-за неравномерного перемешивания, вызывающего горячие полосы в потоке, однако, по состоянию на 2019 год неясно, относится ли эта проблема ко всем поршневым двигателям. базировались двигатели, или если это была проблема конструкции Мерлина.^[8][11]

Штыревые форсунки очень хорошо работают с жидким топливом, и их можно заставить работать с загущенным топливом, но для применений газ-жидкость или газ-газ обычные форсунки остаются превосходными по характеристикам.^[10]

Форсунка с игольчатой ​​головкой желательна для двигателей, которые приходится многократно дросселировать или перезапускать, но она не обеспечивает оптимальной эффективности смешивания топлива и окислителя при любой заданной скорости дросселирования.^[10]

Зоны рециркуляции для одноинжекторного двигателя.

История

1950-е годы

В 1957 г. Джерард У. Элверум мл. был нанят Лаборатория реактивного движения, и работая под руководством Арт Грант для характеристики скорости реакции нового ракетного топлива с помощью устройства, состоящего из двух концентрических трубок, через которые топливо подавалось с известной скоростью потока, и набора термопары для измерения скорости их реакции. Устройство столкнулось с проблемами, потому что, поскольку порохы текли параллельно друг другу, не происходило большого перемешивания. Затем Элверум поместил наконечник на конец самой внутренней трубки, прикрепленный к внутренней опоре, которая заставляла внутреннее топливо вытекать наружу и смешиваться с внешним топливом. Это устройство отлично работало с ракетным топливом с низкой энергией, но когда начали испытываться комбинации с высокой энергией, оно оказалось непрактичным из-за почти мгновенного времени реакции в точке смешения. Чтобы устройство не разорвалось на части во время испытаний с высокой энергией, внешняя трубка была убрана, и тогда она превратилась в примитивный игольчатый инжектор.^[2]

Питер Стаудхаммер под руководством менеджера программы Элверума поручил техническому специалисту вырезать несколько прорезей на конце доступной внутренней трубы, и последующие испытания этой новой конфигурации показали существенное улучшение эффективности перемешивания.^[2][3]

1960-е

К 1960 году Элверум, Грант и Штаудхаммер перешли в недавно созданную Space Technology Laboratories, Inc. (позже TRW, Inc.), чтобы продолжить разработку одноразовое топливо и двухкомпонентное топливо ракетные двигатели. К 1961 году игольчатый инжектор был разработан в конструкцию, пригодную для использования в ракетных двигателях, а впоследствии конструкция игольчатого инжектора была усовершенствована и разработана рядом сотрудников TRW, добавив такие функции, как дросселирование, возможность быстрой пульсации и торцевое отключение.^[2]

Дросселирование было испытано в 1961 году. МИРА 500, от 25 до 500 фунт-сила (111–2224 N ) и его преемник 1962 г. МИРА 5000 от 250 до 5000 фунтов (от 1112 до 22 241 Н).^[2]

В 1963 году TRW представила МИРА 150А в качестве резервной копии для Тиокол ТД-339 верньер подруливающий для использования в Сюрвейерские зонды, и приступили к разработке Аполлон Модуль лунной экскурсии с Спусковая двигательная установка. Примерно в это же время для простоты и более низкой стоимости рассматривался инжектор иглы. Морской дракон.^[2]

Параллельно с этими проектами TRW продолжала разработку других поршневых двигателей, в том числе к 1966 году URSA (Универсальная ракета для космического применения ) серии. Это были двухкомпонентные двигатели с фиксированной силой тяги 25, 100 или 200 фунт-сил (111, 445 или 890 Н) с вариантами камер сгорания с абляционным или радиационным охлаждением. Эти двигатели были способны пульсировать на 35 Гц, с длительностью импульса всего 0,02 секунды, но также имел расчетный срок службы в установившемся режиме срабатывания более 10 000 секунд (с камерами с радиационным охлаждением).^[2]

В 1967 году двигательная установка «Аполлон» была допущена к полетам.^[2]

С 1968 по 1970 год был испытан двигатель мощностью 250 000 фунтов силы (1112 055 Н).^[2]

1970-е годы

В 1972 году производство двигательной установки Apollo Descent было прекращено, но начиная с 1974 года и продолжалось до 1988 года. TR-201, упрощенная, недорогая его производная с абляционным охлаждением и фиксированной тягой использовалась на второй стадии Дельта 2914 и 3914 ракеты-носители.^[2]

В октябре 1972 года конструкция игольчатого инжектора была запатентована и обнародована.^[2]

1980-е

В начале 80-х годов прошлого века к форсунке иглы был применен ряд усовершенствований, что позволило получить исключительно быстрые и повторяемые импульсы по команде и возможность линейного регулирования. Обеспечивая отключение пороха в точке его впрыска в камеру сгорания, игольчатый инжектор обеспечивал превосходный импульсный отклик, устраняя эффекты «капающего объема» инжектора.^[2]

Начиная с 1981 года, очень компактный, 8200 фунтов силы N₂О₄ /MMH двигатель, использующий эту функцию, был разработан в качестве подруливающего устройства по тангажу и рысканию для армейских SENTRY ракетная программа. Этот двигатель мог дросселировать в диапазоне тяги 19: 1 и выдавать повторяемые импульсы включения длительностью всего 8 миллисекунд на любом уровне тяги.^[2]

Дальнейшая доработка форсунки перекрытия забоя использовалась в командовании стратегической обороны армии. Подсистема экзоатмосферного корабля-перехватчика (ЭРИС). В его двигателях с боковым отводом 900 фунт-сил запорный элемент форсунки обеспечивал единственный контроль потока топлива. Большой двухкомпонентный клапан, обычно требуемый в таких двигателях, был заменен небольшим пилотным клапаном, который использовал топливо высокого давления (MMH ) для гидравлического приведения в действие подвижной втулки форсунки. Эта функция, получившая название FSO (Face Shutoff Only), значительно улучшила общую реакцию двигателя и значительно уменьшила размер и массу двигателя.^[2]

Еще одна проблема проектирования середины 1980-х - начала 1990-х годов заключалась в миниатюризации ракетных двигателей. В составе ВВС Блестящие камешки программа TRW разработала очень маленький 5 фунтов силы (22 Н) N₂О₄ /гидразин подруливающее устройство с помощью игольчатого инжектора. Этот двигатель с радиационным охлаждением весил 0,3 фунта (135 граммов) и был успешно испытан в августе 1993 года, проработав более 300 секунд. я_зр с коэффициентом расширения сопла 150: 1. Диаметр иглы был (1,6764 мм) и сканирующая электронная микроскопия требовалось для проверки размеров радиальных измерительных отверстий ± (0,0762 мм ± 0,00762 мм).^[2]

1990-е годы

Предыдущие технологические инновации позволили осуществить первое внеатмосферное кинетическое уничтожение имитируемой боеголовки с выходом из атмосферы. Атолл Кваджалейн 28 января 1991 г. в первый полет ЭРИС.^[2]

В конце 90-х игольчатые форсунки FSO использовались с гелеобразным топливом, имеющим нормальную консистенцию, как у гладкого топлива. арахисовое масло. В гелеобразных порохах обычно используется алюминиевый или угольный порошок для увеличения плотности энергии жидкой топливной основы (обычно MMH ) и они используют добавки для реологически соответствовать окислителю (обычно IRFNA на основе) к топливу. Для гелеобразного пороха, который будет использоваться на ракете, обязательно закрытие поверхности, чтобы предотвратить высыхание базовой жидкости во время простоя между импульсами, что в противном случае привело бы к тому, что твердые частицы в гелях забили каналы инжектора. Форсунки иглы FSO использовались в различных программах, Макдоннелл Дуглас Сиденье для эвакуационного экипажа - Экспериментальная программа (ACES-X) и ее преемник, Движущая сила системы эвакуации геля (GESP) программа.^[2]

Другим важным изменением конструкции в этот период времени было использование игольчатых форсунок с криогенный жидкий водород топливо. Начиная с 1991 года, TRW объединилась с McDonnell Douglas и Исследовательским центром NASA Lewis (ныне Glenn), чтобы продемонстрировать, что в поршневом двигателе TRW может использоваться прямой впрыск жидкого водорода для упрощения конструкции высокоэффективных бустерных двигателей. Попытки использовать прямой впрыск криогенного водорода в другие типы форсунок до тех пор постоянно приводили к возникновению нестабильности горения.^[2]

В конце 1991 и начале 1992 года, 16 000 фунтов-силы (71 172 Н) LOX /LH2 испытательный двигатель успешно работал с непосредственным впрыском жидкого водорода и жидкий кислород пропелленты. Всего было проведено 67 зажиганий, и двигатель продемонстрировал отличные характеристики и полное отсутствие нестабильности горения. Впоследствии этот же испытательный двигатель был адаптирован и успешно протестирован с LOX /LH2 при 40 000 фунтов-сил (177 929 Н) и с LOX /РП-1 на 13000 и 40000 фунтов. (57 827 и 177 929 с.ш.).^[2]

В то же время, TR-306 жидкостные апогейные двигатели использовались на Аник Е-1 / Е-2 и Intelsat K космический корабль.^[2]

В августе 1999 г. сдвоенный режим TR-308 был использован для размещения НАСА с Чандра космический корабль на последней орбите.^[2]

Ранние работы по разработке инжектора FSO и гелевого топлива в конце 1980-х и начале 1990-х годов привели к первым в мире полетам ракет с использованием гелеобразного окислителя и гелеобразного топлива на ракетах армии / AMCOM. Будущая интеграция ракетных технологий (FMTI), с первым полетом в марте 1999 года и вторым полетом в мае 2000 года.^[2]

2000-е

В начале 2000-х годов TRW продолжила разработку крупных LOX /LH2 pintle двигателей, и испытал TR-106 в НАСА Космический центр Джона К. Стенниса. Это был двигатель мощностью 650 000 фунтов-силы (2 892 000 Н), что на 16: 1 больше, чем у самого большого из предыдущих. LOX /LH2 pintle двигатель и примерно 3: 1 масштабирование от самого большого из предыдущих двигателей pintle, когда-либо тестированных. Диаметр стержня этого инжектора составлял 22 дюйма (56 см), что на сегодняшний день является самым большим из построенных на сегодняшний день.^[5]

В 2002 г. TR-107 был разработан.^[12]

Том Мюллер, который работал над TR-106 и TR-107, был нанят SpaceX и начал разработку двигателей Merlin и Kestrel.^[13][14]

2010-е

Двигатель Merlin оставался единственным действующим двигателем с форсункой, который использовался для всех полетов SpaceX Falcon 9 и Falcon Heavy.

2020 – настоящее время

Семейство двигателей Merlin продолжает летать.^[7]

Известно, что в двигателях используются форсунки со штифтом

Рекомендации

Эта статья включаетматериалы общественного достояния с веб-сайтов или документов Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства.