Российские разработчики из МАИ предложили необычный способ распыливания компонентов топлива в жидкостном ракетном двигателе: вместо обычного круглого сечения струи авторы предлагают формировать сложный профиль, который непрерывно поворачивается вдоль канала. Это решение, согласно патентному описанию, должно усилить турбулентность потока и улучшить перемешивание компонентов топлива.
В основе конструкции лежит форсунка с полым наконечником и втулкой. Один компонент под давлением проходит через осевой канал наконечника, второй — через кольцевой зазор между наконечником и втулкой. На выходе формируется струя с некруглым поперечным сечением, которое постепенно меняет ориентацию по мере движения потока.
Для формирования такого канала предлагается использовать каналовую поверхность Иоахимсталя — сложную геометрическую поверхность, известную в математике и инженерном проектировании. В рассматриваемом изобретении она используется уже не как элемент оболочки конструкции, а для задания формы проточной части форсунки. Поперечное сечение струи может непрерывно поворачиваться на суммарный угол от 30° до 540°.
Для поверхностей второго и третьего типа границу сечения предлагают описывать косинусоидальным законом. Число лучей может составлять 3, 4, 5 или 6, а отношение амплитуды косинусоиды к базовому радиусу задано в диапазоне 0,4–1,3.
В патенте заявлен технический результат — повышение турбулентной кинетической энергии струи в 1,5–2 раза. В приведённом авторами расчётном примере численное моделирование показало рост среднемассовой турбулентной кинетической энергии в 1,5 раза. Предполагается, что это улучшит перемешивание компонентов и повысит полноту их сгорания.
При этом речь идёт именно о патентном техническом решении. Патент не содержит данных об экспериментальной проверке форсунки на работающем ЖРД; приведённый результат получен численным моделированием. Поэтому показатель в 1,5–2 раза корректно приводить как заявленный технический результат, а не как подтверждённую характеристику работающего двигателя.
Для жидкостного ракетного двигателя качество распыления имеет принципиальное значение: после выхода из форсунки жидкий компонент должен дробиться на капли и смешиваться с другим компонентом. От характеристик этого процесса зависят условия последующего горения и эффективность камеры.
Что говорит физика: сама идея усилить турбулентность за счёт изменения геометрии канала не противоречит базовой гидродинамике. При этом дополнительная турбулентность не возникает бесплатно — энергия потока берётся из его полного энергетического бюджета и связана с потерями давления при прохождении форсунки. Поэтому практическая ценность предложенной геометрии определяется тем, удастся ли получить более качественное распыление без чрезмерного увеличения гидравлических потерь. Это уже вопрос расчёта и эксперимента.
Читайте ещё материалы по теме:
- Макет двигателя НК-3 для сверхлёгкой ракеты «Воронеж» впервые показала ОДК
- В России создают двигатель, которого раньше не было — он откроет новый класс ракет
- Для космических исследований: новый жидкостный ракетный двигатель малой тяги создали в России