Запуск и останов ЖРД

8.1. Основные требования к запуску и останову.

Этапы запуска и останова

Запуск и останов ЖРД – ответственные и сложные режимы работы. Это связано с тем, что в этот период большинство систем двигателя работает на нестационарных режимах: включаются и выключаются многочисленные клапаны, возникают гидравлические удары и вибрации; при запуске происходит раскрутка ТНА и нарастание давления подачи; начинается поступление компонентов в камеру и ЖГГ и их горение. При останове прекращается поступление компонентов в камеру и ЖГГ, опорожняются полости за отсечными клапанами.

Начало горения при запуске и догорание при останове часто происходят при неуправляемом изменении соотношения компонентов как по сечению смесительной головки, так и в среднем по камере. Это может приводить к возникновению колебаний давления, хлопкам и сильным вибрациям конструкции. При запуске может быть так называемый заброс давления в камере выше его номинального значения, т.е. возникает перегрузка. При останове могут возникнуть моменты, при которых возможны опасные раскрутки ТНА, повышение местных значений давления и температуры выше их номинальных значений.

Все эти явления при неблагоприятных их сочетаниях могут привести к разрушению двигателя. Как показывает опыт, многие неполадки и аварии возникают на режиме запуска, меньше – на режиме останова. В целом, по зарубежным данным, на запуск и останов приходится до 86% отказов. Поэтому отладка запуска и останова двигателя - большая и сложная часть работы при создании нового двигателя.

На рис. 8.1 показаны характерные виды запусков ЖРД.

Рис. 8.1 Характерные виды запусков:

1 – идеальный; 2 – для ЖРДМТ; 3 – пушечный для атмосферных условий;

4 – пушечный в космических условиях; 5 – плавный;

6 – программированный; 7 – двухступенчатый

Изменения относительной величины тяги (или давления в камере) начинаются после периода запаздывания воспламенения топлива. При этом предполагается, что кривая выгорания топлива для исходных начальных условий аппроксимируется скачком с чистым запаздыванием τ_{зап N}. Уровень настройки контрольных агрегатов автоматики показан штрихпунктирными линиями. Уровень 0,1 Р_кN (индекс N относится к обозначению номинальной величины рассматриваемого параметра) контролирует фактическое начало запуска; уровень 0,5 Р_кN - переход двигателя на основную ступень запуска; уровень 0,9 Р_кN - контролирует как факт состоявшегося запуска, так и его быстродействие (по отношению к уровню 0,1· Р_кN).

Для двигателей больших тяг характерен медленный запуск. Он выполняется либо двухступенчатым (кривая 7), либо программированным (кривая 6). Медленный характер изменения тяги обусловлен ограничением перегрузок как на элементы двигателя, так и на корпус ЛА.

Для двигателей средних уровней тяг предпочтителен плавный запуск (кривая 5). Характер этого запуска близок к экспоненциальному и требует регулирования.

«Пушечный» запуск (кривая 3) применяется в основном для двигателей малых или средних тяг, если в стартовый период имеет место дефицит времени, и производится путем подачи топлива на вход в камеру двигателя при номинальном давлении подачи. При этом в камеру поступает наибольшее количество топлива по сравнению с любым последующим режимом работы ЖРД. Вследствие этого при «пушечном» запуске, как правило, имеет место заброс давления и колебательный характер установления режима работы. Если двигатель с теми же параметрами запускать в условиях космической среды (кривая 4), то из-за увеличения запаздывания воспламенения топлива (τ_зап.Н → ∞), в начальный момент воспламенения в камере накапливается больше топлива, чем при запуске в атмосферных условиях (при τ_{зап N}), и запуск двигателя становится “жестче”, т.е. увеличиваются скорость нарастания давления, заброс и степень колебательности процесса установления основного режима работы.

Идеальным следует считать запуск с прямоугольным фронтом нарастания давления (пунктирные прямые 1). Ближе всего к идеальному реализуется запуск ЖРДМТ (кривая 2). Этому способствует малый объем камеры и заклапанных полостей двигателя и термостатирование топлива в его форсуночной и клапанных полостей (или прогрев этих полостей от предыдущего включения), которое уменьшает запаздывание воспламенения топлива до исходного значения несмотря на то, что ЖРДМТ включается в условиях космической среды.

Запуск. Запуск характеризуется несколькими параметрами. Одним из них является время запуска – время с момента подачи команды на запуск и до выхода на расчетный режим. У современных "полноразмерных" ЖРД оно равно 0,8...5 с.

Другими важными параметрами запуска являются темп набора давления (dР_к/dt)_ср,и перегрузка n=(Р_{к max}/Р_кN). Оба эти параметра определяют "жесткость" запуска, т.е. характер нарастания инерционных перегрузок, определяющих прочность как элементов конструкции двигателя, так и ЛА в целом. При нормальном или "мягком" запуске обычно (dР_к/dt)_ср = 15...20 МПа/с и n≈ 1,0. Если (dР_к/dt)_ср = 25...30 МПа/с и n= 1,15..1,20, имеет место "жесткий" запуск, который не всегда допустим.

Наконец, важной характеристикой запуска является количество расходуемого топлива ΔМ₃ из баков ЛА за период запуска. У современных двигателей это значение должно быть в пределах

Эти параметры строго оговариваются в технических условиях на проектирование двигателя.

Останов. Останов двигателя характеризуется параметрами: временем останова. Это время с момента подачи команды на останов и до полного прекращения горения и опорожнения объема камеры от газообразных продуктов. Другим важным параметром является импульс последействия, т.е. импульс тяги, создаваемый на режиме останова и его так называемый разброс. Последним называется отклонение импульса последействия от его среднего – номинального значения, вызываемого различием условий работы двигателя. Эти величины, т.е. время останова, импульс последействия и его разброс, также строго регламентируются техническим заданием на проектирование двигателя.

Останов двигателя в общем случае происходит в два этапа (рис. 8.2).

Рис. 8.2. График изменения тяги двигателя при переключении с основного режима на конечную ступень тяги и при останове

1. Начальный, или подготовительный период останова, включающийперевод двигателя на пониженный режим; выключение системы подачи – останов ТНА закрытием отсечных клапанов подачи компонентов в ЖГГ; выключение наддува баков; прекращение подачи компонентов в камеру двигателя закрытием главных клапанов подачи компонентов в камеру. Как правило, закрытие клапанов, также как и при запуске, происходит не одновременно – обеспечивается установленная последовательность прекращения поступления окислителя и горючего;

2. Завершающий период останова. На этом этапе осуществляются: включение продувки инертным газом полостей за отсечными клапанами. В некоторых случаях одновременно с продувкой открываются дренажные клапаны слива компонентов из этих полостей.

8.2. Системы раскрутки турбонасосного агрегата

Одной из ответственных операций запуска является включение или раскрутка ТНА. Эта операция – центральная при запуске двигателя с насосной подачей топлива.

Можно выделить следующие схемы:

1) от основного ЖГГ;

2) от специального стартового газогенератора;

3) от специальной стартовой турбины;

4) от сжатого газа.

1. Раскрутка ТНА от основного ЖГГ – достаточно распространенная схема. Главное в этой схеме – включить, или "запустить" ЖГГ двигателя. Существует несколько вариантов схем включения ЖГГ:

а) На рис. 8.3 а показана схема, в которой при запуске в ЖГГ поступают пусковые компоненты топлива из специальных пусковых баллонов, имеющих вытеснительную подачу. После раскрутки ТНА и подъема давления за насосами работа ЖГГ переключается на питание от основных трубопроводов, а пусковая система отключается. Эта схема позволяет обеспечить многократный запуск.

Рис. 8.3. Схемы раскрутки ТНА от основного ЖГГ, в который поступают

пусковые расходы компонентов:

а – из пусковых бачков; б – из пусковых поршневых насосов;

в – от наземной системы

б) В схеме запуска основного ЖГГ, представленной на рис. 8.3, б вместо пусковых баллонов для компонентов установлены пусковые поршневые насосы – цилиндры с поршнями и соответствующей автоматикой. При запуске давление газа воздействует на поршень и вытесняет пусковые расходы компонентов в ЖГГ. После перехода ЖГГ на питание от основных трубопроводов автоматика обеспечивает заполнение цилиндров новой порцией компонентов.

Таким образом, эта схема может обеспечить не только многократный запуск в полете, но и запуск в невесомости.

в) Наиболее простая разновидность схемы включения основного ЖГГ в работу – подача пусковых расходов компонентов в основной ЖГГ от наземных систем. Этот способ раскрутки ТНА подходит для двигателей первой ступени РН. Например, такая схема запуска основного ЖГГ осуществлена на двигателях РН "Восток" (рис. 8.3, в).

2. Раскрутка турбины ТНА от стартерного гаэогенератора – это распространенная схема пуска одноразовых двигателей без дожигания генераторного газа. Здесь турбина ТНА оборудована специальным – стартерным ТГГ, как показано на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Схема раскрутки ТНА от стартерного ТГГ

По соответствующей команде твердое топливо в ТГГ воспламеняется, и его продукты сгорания обычно устремляются через свой сопловой аппарат на турбину и быстро ее раскручивают. Давление компонентов за насосами повышается, и по достижении определенного значения включаются клапаны подачи основных компонентов в ЖГГ. Причем, если компоненты несамовоспламеняющиеся, то предварительно должно включаться зажигание в ЖГГ.

Стартовый ТГГ обычно работает в течение 1,2...1,5 с. Этого времени вполне достаточно, чтобы раскрутить турбину и включить в работу основной ЖГГ, на котором завершается выход двигателя на режим.

Эта схема раскрутки вполне надежная, и поэтому она довольно распространена, особенно для запуска двигателя со сравнительно небольшой тягой (Р < 100...150 кН). Причем, если на турбине установить несколько стартерных ТГГ, например 2...4, то можно осуществить соответственно 2...4-кратный запуск в полете.

3. Раскрутка ТНА от специальной стартовой турбины. В этой схеме на оси ТНА конструктивно установлен специальный стартовый блок – турбина с ТГГ. Ось стартовой турбины соединяется с осью ТНА через муфту сцепления (рис. 8.5).

Рис.8.5. Схема раскрутки ТНА специальной стартерной турбиной

Работа схемы состоит в следующем. После включения ТГГ раскручивается стартовая турбина, которая через муфту сцепления раскручивает ТНА. По достижении определенной частоты вращения и включении основного ЖГГ в работу муфта сцепления автоматически отключает стартовую турбину.

Эта схема раскрутки ТНА двигателя с дожиганием достаточно надежна и обеспечивает быстрый (1,5...2,0 с) запуск двигателя. Если стартерный блок оборудовать несколькими ТГГ, то можно обеспечить и многократный запуск в полете. Для устройства многоразового запуска со многими пусками удобно вместо ТГГ применить стартерный ЖГГ, питаемый пусковыми компонентами из специальных баллонов или поршневых насосов, по схеме многоразового запуска двигателя без дожигания (см. рис. 8.3 и 8.4).

4. Раскрутка турбины ТНА сжатым газом – это наиболее простая и надежная схема запуска. От бортовой сети или наземного оборудования сжатый газ поступает в газовод основного ЖГГ и, пройдя через сопловой аппарат турбины, ее раскручивает.

Основной недостаток этой схемы – большой расход газа (в 2...3 раза больший, чем расход генераторного газа). При запуске двигателя первой ступени РН от наземной системы это не так важно. Однако при запуске двигателя от бортовой сети (вторая и последующие ступени) для раскрутки турбины на борту должен быть достаточный запас газа.

8.3. Система зажигания и воспламенения топлива

Особенно усложняется организация воспламенения топлива в двигателях, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах. В этих случаях воспламенение обеспечивается предварительным включением зажигания – специального устройства или блока зажигания, которые должны быть в составе таких двигателей.

Важным параметром воспламенения является так называемая задержка воспламенения – это время τ_с смомента контакта (поступления обоих компонентов в камеру сгорания или ЖГГ) и до начала интенсивного.подъема давления (момента распространения пламени по всему объему камеры сгорания). За это время в камеру сгорания или ЖГГ успевает натечь определенное количество компонентов топлива, которое теперь выгорает.

Задержка воспламенения во многом определяет характер запуска: темп набора давления, возможную перегрузку при выходе на режим. Чем меньше время задержки воспламенения, тем меньше успевает натечь в объем камеры сгорания или ЖГГ компонентов до их воспламенения и тем спокойнее будет характер запуска.

К настоящему времени разработаны и применяются в эксплуатации много различных схем и способов зажигания несамовоспламеняющихся компонентов. Рассмотрим некоторые из них, получивших наиболее широкое применение.

Химическое зажигание. Имеются две схемы конструктивного выполнения такого зажигания.

Первая схема представлена на рис. 8.6, а. Здесь в трубопроводе горючего перед камерой выделен или "врезан" объем, отделенный прорывными мембранами от остальной части трубопровода. Этот объем заполняется пусковым горючим, которое самовоспламеняется с используемым в двигателе окислителем. Например, при азотнокислотном окислителе (смеси HNO₃ и N₂O₄) – самовоспламеняющимся компонентом обычно служит смесь триэтиламина (C₂H₅)₃N и ксилидина (СНз)₂С₆Н₃NH₂.

При открытии главного клапана горючего, последнее устремляется по трубопроводу и заполняет его. При определенном давлении последовательно разрываются обе мембраны, и пусковое горючее первым поступает в камеру сгорания и там самовопламеняется споступившим окислителем.

Рис. 8.6. Схемы химического зажигания:

а – одноразовая; б – многоразовая; 1 – капсула с самовоспламеняющимся компонентом с данным окислителем; 2 –аккумулятор давления; 3 – форсунка впрыска пускового горючего

Поступающий затем расход основного горючего с окислителем зажигается от продуктов сгорания пускового горючего с этим же окислителем. Эта схема зажигания достаточно надежная. Она может использоваться для запуска как малых двигателей, так и больших. Основной ее недостаток – однократность запуска.

Вторая схема представлена на рис. 8.6, б. Здесь в составе двигателя имеется специальная пусковая система: бачок с пусковым горючим, которое самовоспламеняется с данным окислителем, система его подачи и трубопровод с клапанами. Обычно трубопровод соединен со специальной пусковой двухкомпонентной форсункой, расположенной на смесительной головке. Например, при окислителе О₂ воспламеняющимся с газообразным О₂ компонентом служит смесь триэтилалюминия (С₂Н₅)₃Al и триэтилбора (С₂Н₅)₃В.

При запуске с открытием главного клапана окислителя открывается и клапан подачи пускового горючего в форсунку. Происходит самовоспламенение и образование очага горения – запального факела. После поступления в камеру основного горючего, последнее воспламеняется от этого факела. Как только камера вышла на рабочий режим, подача пускового горючего прекращается, а пусковая форсунка переключается на питание основным горючим.

Эта схема запуска также надежна. Основное ее достоинство – возможность осуществления многократного запуска в полете. По этой схеме запускаютсямногие двигатели, например, двигатель F-1 РН "Сатурн-5".

Количество пусковых компонентов выбирается в зависимости от требуемой интенсивности пускового факела. При проектировании потребное количество пускового компонента может быть определено по эмпирической формуле

(8.1)

где К = 1,2п^0,5 – коэффициент, учитывающий влияние программирования запуска;

n – количество ступеней при программированном ступенчатом запуске (при плавном программировании n = 1,5);

– секундный массовый расход топлива после выхода двигателя на режим;

τ_пр – время пребывания топлива в КС (газогенераторе).

Каталитическое зажигание. Применяют в том случае, если для заданных топливных компонентов можно подобрать катализатор, обеспечивающий их эффективное воспламенение в заданных эксплуатационных условиях. Катализаторы могут быть жидкими и твердыми. Например, при использовании перекиси водорода в сочетании с углеводородными горючими перекись водорода разлагается при контакте с твердым (активированная платина или серебро в виде сеток) или жидким (перманганат калия) катализатором. Температура образующихся продуктов разложения должна быть достаточна для воспламенения топливной смеси.

Преимущество каталитического зажигания – возможность обеспечения многократного запуска. Основной недостаток – сложность защиты твердого катализатора от высоких температур в КС. Ниже приведены некоторые сочетания топлив и катализаторов.

Пиротехническое зажигание. Это зажигание может выполняться по двум конструктивным схемам.

Первая схема представлена на рис. 8.7, а и б. В данном случае в камеру сгорания со стороны сопла вводится пирозапальное устройство (ПЗУ). Оно состоит из штанги, на конце которой располагается пиротехнический, т.е. твердотопливный патрон – запал. Причем для двигателей первой ступени РН ПЗУ располагается непосредственно на стартовом столе (см. рис. 8.7, а), а для двигателей верхних ступеней ПЗУ может укрепляться на заглушке сопла (см. рис. 8.7, б).

Рис. 8.7. Пиротехнические схемы зажигания. Расположение пирозапального устройства ПЗУ: а – на стартовом столе; б – на сопловой заглушке;

в – на корпусе камеры сгорания и корпусе ЖГГ

Вторая схема приведена на рис. 8.7, в. В отличие от предыдущей схемы здесь пирозапальное устройство представляется в виде специальной камеры, в которой размещается пиротехнический заряд. Пирозапальные камеры располагаются непосредственно на камере и ЖГГ двигателя. Обычно для надежности их устанавливают по две-три штуки.

При запуске в обеих схемах после включения зажигания в камере сгорания и в ЖГГ образуется мощный факел из продуктов сгорания пиротехнического заряда. Этот факел легко воспламеняет смесь основных компонентов, поступающих через смесительную головку в камеру сгорания и ЖГГ.

Пиротехническое зажигание работает вполне надежно. Основной его недостаток – однократность запуска. По этой схеме запускается многокамерная двигательная установка РН "Восток".

Электроискровое зажигание используется главным образом при запуске кислородно-водородных двигателей. Одна из схем электроискрового зажигания представлена на рис. 8.8. Здесь в центре смесительной головки находится гнездо, в котором располагается запальный блок. Есть также конструкции, при которых запальный блок устанавливается сбоку камеры сгорания и ЖГГ.

Рис. 8.8. Электроискровое зажигание: 1 – трубопроводы подачи пусковых газообразных компонентов (кислорода и водорода и др.);

2 – форкамера электрозажигания; 3 – электроискровая свеча;

4 – смесительная головка камеры сгорания

Запальный блок представляет собой камеру, в которую через форсунки поступают газообразные пусковые компоненты – кислород и водород. Пусковые порции компонентов поджигаются электроискровой свечой, установленной в камере пускового блока. Если подобрать определенное соотношение и расходы пусковых компонентов, можно получить достаточно мощный поток продуктов сгорания из запальной камеры. Запальный факел надежно воспламеняет основные компоненты, поступающие через форсунки смесительной головки в камеру сгорания и ЖГГ. Электроискровое зажигание используется в ряде двигателей, например, в двигателе SSME.

Недостатками электроискрового зажигания являются: необходимость иметь запас пусковых газообразных компонентов; мощное электропитание; ненадежная работа высоковольтной электросистемы в условиях вакуума, чувствительность электроискровых свечей к отказам в условиях недостаточно чистой "атмосферы" в запальной камере при компонентах, кроме водорода и кислорода. Поэтому поиски и разработки новых принципов и схем зажигания несамовоспламеняющихся компонентов в ЖРД продолжаются.

Дата добавления: 2013-12-13