Принципиальные схемы ЖРД

В чем состоят преимущества объединенных ДУ?

Из каких основных частей состоит ДУ?

3. По каким признакам подразделяются ракетные двигатели и ракетные ДУ?

5. Какие основные узлы и агрегаты входят в состав ЖРД?

ГЛАВА 2

21. ВЫБОР СХЕМЫ ПОДАЧИ

Как уже отмечалось выше, конструкция и параметры ЖРД и ДУ в целом в значительной степени зависят от типа схемы подачи.

При использовании вьтеснительно подачи давление в топливных баках больше, чем в камере двигателя. Это обусловливает,с одной сторо­ны, понижение давления р_к, что снижает удельный импульс и приводит к большим размерам камеры, а с другой стороны, увеличение массы топ­ливных баков (из-за большой толщины их стенок), что ограничивает об­ласть использования вытеснительной подачи двигательными установка­ми с относительно небольшими значениями I_∑.

Для возможно большего снижения массы баков ДУ с вытеснительной подачей целесообразно применять компоненты топлива с повышенной плотностью и композиционные материалы с повышенной удельной проч­ностью для стенок бака.

В баках ДУ с насосной подачей давление обычно не превышает 0,2... 0,4 МПа, поэтому баки имеют относительно небольшую толщину стенки, а давление в камере сгорания можно выбирать большим (20 МПа и более). Это позволяет существенно уменьшить размеры камеры и повысить удель­ный импульс двигателя. Поэтому ДУ с насосной подачей имеют значительно меньшую удельную массу, чем ДУ с вытеснительной подачей.

Но сложность схемы и конструкции ДУ с насосной подачей (в основ­ном из-за наличия ТНА) вызывает большие затраты времени и средств для достижения требуемой надежности. Соответственно возрастают стои­мость разработки и изготовления ДУ с насосной подачей, а также риск неудачной разработки.

Однако стремление к максимальному снижению массы ДУ приводит к тому, что намечается тенденция к переходу в КК и КА на насосную подачу. Это связано также с достижениями в совершенствовании насосов малых размеров, с выявлением целесообразности применения электро­двигателя для их привода в ЖРД относительно небольшой тяги. Кроме того, созданы электрические аккумуляторы с большой энергоемкостью.

Поэтому в настоящее время за рубежом проводят разработки насосов и для ЖРД с очень малой тягой. Например, Лаборатория реактивного движения США выполняет программу разработки насосов для компонен­тов топлива N₂ 0₄ и ММГ для ЖРД тягой всего 4,45 Н для их использова­ния при летных испытаниях.

При проектировании конкретного ЛА наиболее эффективна та сис­тема подачи (насосная или вытеснительная), которая при заданном при­росте скорости ЛА _∇или при заданном значении I_∑обеспечивает мень­шую массу залитой ДУ, т.е. большее отношение I_∑ /m_ду если нет других ограничений (например, по затратам, срокам разработки и т.д.).

Отношения I_∑ /m_ду надо сравнивать при оптимальных давлениях в камере р_к для насосной и вытеснительной подач. Оптимальному дав­лению р_к соответствует максимум отношения I_∑ /m_ду при заданном дав­лении р_а.

Давление р_к для двигателей с вытеснительной подачей обычно не пре­вышает 2... 2,5 МПа; для КК, КА и ИСЗ в целом ряде случаев выбирают и более низкие давления р_к — до 0,7 МПа.

Для ЖРД с насосной подачей оптимальное давление р_к зависит от выбранной схемы двигателя. В ЖРД с дожиганием применяют высокие давления р_к — до 20... 25 МПа и более, а для ЖРД без дожигания р_к обычно не превышает 8 МПа. Одно из наиболее высоких значений дав­ления в камере ЖРД без дожигания (10 МПа) выбрано для ЖРД НМ-60, раз­рабатываемого в Западной Европе.

Для ИСЗ, КА и КК ДУ с насосной и вытеснительной схемами срав­нивают по трем критериям: по приращению или уменьшению скорости ЛА _∇, обеспечиваемому ДУ, и по массам залитой и сухой ДУ. При срав­нении по _∇значения массы ДУ выбирают из условия одинакового зани­маемого ею объема. При сравнении по массам залитой и сухой ДУ значе­ние _∇принимают одинаковым для сравниваемых ДУ.

Такое сравнение проводилось для ДУ орбитального маневрирования и ДУ РСУ для МТКК типа "Спейс шаттл" второго поколения. В МТКК "Спейс шаттл" обе указанные ДУ, работающие на топливе N₂0₄ + ММГ, используют вытеснительную подачу. Указанное выше сравнение приме­нительно к МТКК типа "Спейс шаттл" второго поколения показало, что в случае выбора топлива жидкий кислород и этиловый спирт ((0₂)_ж + С₂Н₅ОН) ДУ орбитального маневрирования и ДУ РСУ с насосной пода­чей обладают преимуществом перед ДУ с вытеснительной подачей по всем трем указанным выше критериям. В расчете для ДУ орбитального маневри­рования принят привод насосов с помощью турбины, работающей на про­дуктах сгорания ЖТ, а для ДУ РСУ наиболее эффективным оказался привод насосов с помощью электродвигателя. Применение электрических насосов повышает удельный импульс двигателей ориентации (отсутствуют потери, связанные с выбросом отработанного турбинного газа в окружающую среду).

При выборе системы подачи для ДУ межорбитального буксира США

(тяга ДУ 3,1 кН; топливо N₂0₄ + ММГ) предпочтение отдано тоже насос­ной подаче, причем для привода насосов намечено применить также электродвигатель с питанием от электрических аккумуляторов. Последние подзаряжаются от солнечных батарей в периоды пассивного полета меж­орбитального буксира. Расчеты по вариантам ДУ для указанного буксира показали, что при насосной подаче масса сухой ДУ снижается на 505 кг но сравнению с вытеснительной. Однако применение электрических акку­муляторов становится неэффективным в тех случаях, когда необходимо обеспечить очень высокий суммарный импульс (более 2,2 •10⁷ Н • с) при работе ДУ в непрерывном режиме.

В целом ряде случаев критерием оптимизации является не характерис­тическая скорость, а другие критерии: возможно меньшая стоимость или возможно меньший срок разработки ДУ.

Выбор оптимальных параметров ДУ зависит от назначения ЛА. На­пример, требования НАСА и Министерства обороны США к ракетам су­щественно различны. НАСА требуются ракеты с малыми затратами на из­готовление и обслуживание, которые в той или иной степени можно ис­пользовать многократно. Для Министерства обороны наиболее важно обеспечить постоянное состояние готовности и малое время обслуживания, а стоимость и масса полезного груза отступают на второй план.

2.2. СХЕМЫ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ С ВЫТЕСНИТЕЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ

Общая характеристика схем с вытеснительной подачей. Ранее отмеча­лось, что для вьтеснения компонентов топлива из баков можно использовать заранее запасенный газ высокого давления, а также продукты раз­ложения или продукты сгорания ЖГГ и продукты сгорания ТГГ. Возможно применение паров какой-либо жидкости, образующихся в теплообменнике, причем теплоносителем могут служить продукты сгорания или разложения, поступающие из специальных газогенераторов.

Возможных схем очень много, но в современных ДУ для вытеснения компонентов топлива почти повсеместно используется заранее запасен­ный газ высокого давления. В этом случае наиболее легко обеспечить многочисленные (в некоторых случаях до 10⁶) циклы работы ДУ, а вытесни-юльную схему применяют в основном в ДУ малой тяги, которые обычно должны многократно включаться для осуществления различных манев­ров КА.

Твердотопливные газогенераторы пригодны лишь для ДУ с одноразовым циклом работы и при относительно малом времени работы. В край­нем случае в ДУ с несколькими циклами работы можно использовать несколько ТГГ, но это приводит к увеличению сухой массы ДУ и требует защиты неработающих ТГГ от преждевременного воспламенения из-за воздействия продуктов сгорания работающего ТГГ.

ЖГГ обеспечивают многочисленные циклы работы ДУ с вытеснительной подачей, но они заметно усложняют ДУ: на каждом баке должен быть установлен отдельный ЖГГ (восстановительный - на баке горючего и окислительный - на баке окислителя); должны быть дополнительные (правда, относительно небольшие) топливные бачки и дополнительная система вытеснения компонентов топлива из этих бачков в ЖГГ баков. Поэтому хотя применение газа повышенной температуры и обеспечивает определенные преимущества (чем выше температура газа, тем меньше его расход для создания заданного давления газа в топливном баке) вытеснительная схема с использованием ЖГГ применяется редко. Поэтому основное внимание ниже уделено ДУ с вытеснением заранее запасенным газом высокого давления.

Применительно к двухкомпонентным ДУ с вытеснительной можно выделить их следующие основные схемы:

а) с монотонным падением давления газа в баках;

б) с дополнительной общей подачей газа в баки в процессе монотонного падения давления в них;

в) с дополнительной автономной подачей газа в баки в процессе падения давления в каждом из них;

г) с общим регулированием давления газа в баках;

д) с автономным регулированием давления газа в баках.

Автономные ДУ. Наиболее простой является схема ДУ с монотонным

падением давления р_б в процессе работы двигателя (рис. 2.1, а). Заправка компонентов топлива в баки более полная при низких давлениях, но при этом становятся существенными изменение коэффициента К_т и ухудшение характеристик двигателя. Поэтому предпочтителен диапазон давлений газа в баке 2,4... 1,0 МПа. В таких ДУ можно обеспечить начальный коэффициент объемного заполнения баков компонентами топлива Кv примерно 55 % (т.е. 45 % начального объема занимает газ). При указанном выше диапазоне снижения давления p_б удельный импульс уменьшается примерно на 30 и 100 м/с для двигателей тягой 445 и 22,5 Н соответственно.

Преимуществами таких ДУ являются простота, минимальная масса сухой ДУ, отсутствие баллонов высокого давления и редукторов давления.

Изменения коэффициента К_т (например, в диапазоне 1,44... 1,85 для топлива N₂0₄ + ММГ) могут привести лишь к небольшому изменению удельного импульса.

Для ДУ с большой массой компонентов топлива в баках (несколько сотен килограмм) оптимальной является схема с дополнительной подачей газа в баки и общей системой вытеснения для обоих баков.

Схемы ДУ с дополнительной подачей газа в процессе монотонного падения давления в баках приведены на рис. 2.1, б и в. Указанная пода­ча обеспечивается при достижении в одном из баков заданного минималь­ного значения давления путем соединения газовой полости баков с бал­лоном, содержащим газ высокого давления. Дополнительная подача газа позволяет обеспечить более полную заправку баков компонентами топлива причем достигается меньший диапазон изменения давления на вхо­де и двигатель, что приводит к соответствующему улучшению характе­ристик двигателя.

Для дополнительной подачи газа в баки срабатывают нормально зак­рытые пироклапаны 7 и такие же клапаны 11 (см. рис. 2.1, б), предотвра­щающие соприкосновение паров окислителя и горючего до указанной дополнительной подачи. После завершения указанного процесса подается Команда на срабатывание нормально открытых пироклапанов 9, при этом герметизируется газовая область каждого бака и предотвращаются про­никновение паров компонентов топлива в гелиевый баллон и их конденсации и их конденсации в нем. Кроме того, при этом дополнительно предотвращается соп­рикосновение паров окислителя и горючего. Указанные особенности особенно важны, если предусматривается многоразовое использование. В схе­ме, приведенной на рис. 2.1, в, исключается надобность в обратных кла­панах.

Рис. 2.1. Схемы ДУ с падением давления газа в баках: с монотонным падением давления газа в баках; б -с дополнительной общей подаей газа в баки в процессе монотонного падения его давления; в - с дополнитель­ной автономной подачей газа в баки в процессе монотонного падения его давления; 1- заправочно-дренажный газовый клапан; 2 - топливный бак;

3 – капиллярно-заборное устройство; 4 - заправочно-сливной топливный клапан; 5-топливный фильтр; 6 - баллон с газом высокого давления; 7,11 – нормально закрытые пиро-клапаны; 8 - расходная шайба; 9 - нормально открытый пироклапан; 10 - обратный клапан; 12 - сдвоенный пуско-отсечной клапан; 13 - счетверенный пуско-отсечной клапан камеры; 14 - камера;

Ок - окислитель; Г –горючее

Для диапазона падения давления газа в баке 2,4... 1,0 МПа обеспечи­вается значение Кv, равное 80 %. Увеличение диапазона падения давления или введение двухразовой дополнительной подачи газа (последнее, естест­венно, соответственно усложняет схему ДУ) позволяет дополнительно увеличить заполнение баков компонентами топлива.

Хотя выше рассмотрены схемы двухкомпонентных ДУ, следует отметить, что впервые подача топлива с монотонным падением давления газа в баки была отработана и широко применена в однокомпонентных ДУ. В последнее время такие схемы находят все большее применение для двухкомпонентных ДУ. Схемы однокомпонентных ДУ с монотонным па­дением давления газа в баках рассмотрены ниже применительно к объединенным ДУ.

В ДУ с регулируемым давлением в баках (рис. 2.2) обеспечивается значение Кv, равное 90... 95 %, и регулирование давления основано на известных параметрах камеры. Кроме того, при постоянном режиме рабо­ты улучшается сгорание топлива и достигается стабильность рабочих харак-

Рис. 2.2. Схемы ДУ с регулированием в баках:

а – с общим; б – с автономным; 1 – нормально закрытый пироклапан; 2 – редуктор давления газа; 3 – счетверенный обратный клапан; 4 – дренажно-предохранительный клапан; 5 – нормально открытый пироклапан; Не – гелий

теристик. Заданный режим работы ЖРД при такой схеме обеспечивается настройкой редукторов давления. Однако последние относятся к числу южных агрегатов автоматики. Указанные ДУ характеризуются повышенной сложностью и стоимостью; из-за наличия относительно большого давления в газовых баллонах возрастает вероятность утечек.

В схеме, приведенной на рис. 2.2, а, используются счетверенные обратные клапаны для герметизации полости баков при неработающей ДУ и нор­мально открытые пироклапаны для герметизации полости баков в кон­це работы ДУ (например, многоразового ИСЗ). Две ветви последователь­но дублированных редукторов давления обеспечивают повышенную надеж­ность ДУ, а отсечные клапаны, расположенные выше редукторов давления, используются для предотвращения воздействия газа высокого давления, если в этом возникает необходимость. Дренажно-предохранительный кла­пан 4 предохраняет баки от воздействия чрезмерно большого давления газа в случае выхода из строя редуктора давления.

Схема с общим регулированием давления в баках обеспечивает точ­ное поддержание соотношения компонентов топлива, но не исключает возможности соприкосновения паров компонентов топлива. Поэтому ее применяют в ДУ с относительно небольшим числом циклов работы, в частности в ДУ орбитального маневрирования МТКК "Спейс шаттл".

Схема ДУ с автономным регулированием давления в баках имеет го же значение Кv, что и ДУ с общим регулированием, но линии вытес­няющего газа для каждого бака в обеих схемах автономные. Обратные клапаны и нормально открытые пироклапаны в этой схеме отсутству­ют, соприкосновение паров окислителя и горючего исключается, но для обеспечения той же степени надежности требуется большее число редукторов давления. Такая схема более пригодна для ДУ с частым включе­нием, ее применяют, в частности, в ДУ РСУ МТКК "Спейс шаттл".

Наличие постоянного давления в баках в рассмотренных выше двух схемах позволяет точно рассчитать толщину их стенок и выбрать их опти­мальное значение с целью максимального снижения массы баков.

Если давление в баках перед запуском ЛА довести до верхнего преде­ла редуктора давления, то некоторое время (до начала работы редуктора давления) ДУ может работать при уменьшающемся давлении в баках; такой режим работы использовался в ДУ орбитального маневрирования и ДУ РСУ МТКК "Спейс шаттл".

Для обеспечения требуемых расходов компонентов топлива на топливных магистралях устанавливают расходные шайбы или кавитирующие трубки Вентури. Для ДУ с одноразовой дополнительной подачей газа в топливные баки могут возникать наибольшие отклонения коэффициента К_т от заданного значения. Применение кавитирующих трубок Вентури позволяет уменьшить разброс значений К_т.

Объединенные ДУ. Эти ДУ имеют схемы, аналогичные рассмотренным выше, но они включают двигатели или блоки двигателей разной тяги, ра­ботающие в различное время.

Рис. 2.3. Схема ДУ ИСЗ IUE:

1 – упругая диафрагма; 2 – разъемное соединение трубопроводов; 3 – блок вспомогательных камер тягой по 0,89 Н; 4 – блок основных камер тягой по 22,3 Н; р – датчик давления

Рис. 2.4. Схема объединенной ДУ 'Марк-II':

1 – основной двигатель тягой 445 Н; 2 – вспомогательный двигатель; 3 – электрообогреватель блока фильтров и отсеченных клапанов; 4 – электрообогреватель магистрали; 5 – капиллярно-заборное устройство; 6 – электрообогреватель топливного бака; 7 – топливный коллектор; Т – датчик температуры; р – датчик давления.

Примером объединенной однокомпонентной ДУ с монотонным паде­нием давления в баке является ДУ ИСЗ IUE, работающая на гидразине (рис. 2.3). Гелий отделяется от гидразина упругой диафрагмой 1. Дав­ление гелия снижается в процессе работы ДУ в диапазоне 2,07... 0,69 МПа.

В ходе полета каждый блок вспомогательных камер и каждую из основных камер можно заменить, используя разъемные соединения 2. Ос­новные камеры Б и Г являются дублирующими. В случае отказа основ­ных камер их могут дублировать вспомогательные камеры.

ДУ "Марк-II", разрабатываемая Центром космических полетов

им. Годдарда (США) для многоцелевого блочного многоразового ИСЗ (рис. 2.4), является примером многоразовой высоконадежной стандартной однокомпонентной ДУ с монотонным падением давления азота в баках в диапазоне 2,41... 0,482 МПа (т.е. давление азота уменьшается в пять раз). ДУ состоит из четырех блоков, в каждом из которых имеется одни основ­ной (корректирующий) ЖРД тягой 445 Н и три вспомогательных ЖРД (ЖРД ориентации) тягой по 22,3 Н.

Для выравнивания давления в баках при заправке азотом газовые полости баков соединяются через коллектор, а при эксплуатации на ор­бите они изолированы друг от друга.

В этой ДУ использован ряд конструктивных и схемных решений с целью обеспечения максимальной надежности. Заправочно-дренажный азотный клапан имеет устройство с тройным резервированием уплотнения.

Рис. 2.5. Схема объединенной ДУ ИСЗ 'Инсат';

1 – редуктор давления; 2 – ЖРД маневрирования тягой 22 Н; 3 – апогейный ЖРД тягой 490 Н

Все топливные баки снабжены капиллярным заборным устройством, обеспечивающим запуск ДУ в невесомости. Топливные магистрали каждой пары баков (т.е. баков всего четыре) с установленными на них фильтра­ми и пуско-отсечными клапанами дублированы. В каждой паре баки со­единены друг с другом, причем они имеют общие датчики и заправочно-сливной клапан. Топливные магистрали всех баков имеют общий коллектор 7, в котором предусмотрены клапаны продувки и датчик давления. Вклапанах намечено использовать не одно, а два седла. На входе в каждую камеру последовательно установлено по два пуско-отсечных клапана. Бло­ки камер могут включаться попарно (расположенные по диагонали) или нее вместе.

ДУ имеет также развитую телеметрическую систему (с датчиками дав­ления и температуры), с помощью которой обеспечивается контроль и управление функционированием отдельных элементов.

На рис. 2.5 показана схема объединенной двухкомпонентной ДУ с общим регулированием давления в баках.

Рассмотренные выше схемы ДУ хорошо отработаны, обладают высо­кой надежностью и широко применяются в современных ИСЗ, КА и КК.

Некоторым их общим недостатком является относительно высокое давление вытесняющего газа; особенно это относится к ДУ, имеющей и своем составе баллоны с газом высокого давления. Газовые баллоны должны обладать очень высокой герметичностью (особенно, если учесть, что гелий обладает высокой проницаемостью через малейшие неплотнос­ти в стенках баллона), причем она должна обеспечиваться в целом ряде ИСЗ и КА в течение многих лет эксплуатации или полета в условиях космического пространства. Наличие относительно больших баллонов со сжатым газом низкой плотности (особенно с гелием) в некоторой степе­ни ухудшает компоновку и увеличивает сухую массу ДУ.

2.3.СХЕМЫ ЖРД С НАСОСНОЙ ПОДАЧЕЙ

Основные особенности схем. В схемах ЖРД с насосной подачей компо­ненты топлива подаются из баков в камеру центробежными насосами, приводимыми во вращение турбиной, которые вместе составля­ют ТНА. Привод турбины осуществляется рабочим телом — генератор­ным газом. В большинстве случаев генераторный газ вырабатывается в специальной камере — ЖГГ, входящем в состав двигателя.

Основной особенностью всех схем с турбонасосной подачей компо­нентов топлива является то, что топливные баки во время работы двига­теля находятся лишь под небольшим избыточным давлением наддува, необходимым для обеспечения бескавитационной работы насосов и не зависящим от значения давления в камере сгорания. Благодаря этому массовые характеристики баков и систем наддува практически также не зависят от давления в камере.

Вместе с тем стремление повышать давление в камере сгорания впол­не обосновано. Рост р_к, с одной стороны, позволяет увеличивать эконо­мичность двигателя, т.е. повышать удельный импульс путем увеличения степени расширения газов в come р_к/р_а; причем для двигателей первой ступени РН увеличение р_к — единственный способ повышения р_к/р_а, так как давление на срезе сопла р_а ограничено средним по траектории атмос­ферным давлением и выбирается примерно равным р_а = (0,4...0,6) • 10⁵ Па.

С другой стороны, с ростом р_к умень­шаются продольные и поперечные размеры двигателя. На рис. 2.6 представлены контуры двух двигателей с одинаковыми тягой и давлением на срезе, но с разным р_к. Как видно, контур двигателя с большим р_к и, естественно, большей степенью расширения р_к/р_а полностью вписывается в контур дви­гателя с меньшим р_к и меньшей степенью расширения.

Рис. 2.6. Газодинамические контуры камер сгорания двигателей с одинаковыми значениями тяг в пустоте и давления в срезе, но разными давлениями в камере сгорания

Это обстоятельство приводит к тому, что рост р_к практически не сказывается на удельной массе двигателя. Последняя в основном зависит от тяги, давления на срезе сопла и вида компонентов топлива. Примерная зависимость т_уд =m_дв/Р_п приведена на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Зависимость удельной массы 'сухого' двигателя от тяги.

Таким образом, при насосной подаче с повышенным р_к массовые характеристики ЛА в отличие от ЛА с двигателями с вытеснительной по­дачей ухудшаться на будут. Тем не менее ограничения на выбор значения целесообразного давления в камере сгорания имеют место и при насосной подаче. Однако здесь в отличие от вытеснительной подачи ограничения вызываются другими специфическими обстоятельствами, определяемыми чипом насосной схемы подачи, разновидностей которых очень много.

На рис. 2.8 приведена общая классификация ЖРД с насосными систе­мами подачи топлива.

Кроме приведенных на рис. 2.8 особенностей — признаков классифи­кации различных насосных схем двигателей — последние классифициру­ются еще и по другим признакам, например по виду генераторного газа (окислительный или восстановительный), охлаждающему, компоненту (окислитель или горючее или используются оба компонента), числу ка­мер и тд. Последний признак — число камер — имеет большое значение. В этом отношении двигатели классифицируются на однокамерные, много­камерные и блочные многокамерные.

Многокамерные отличаются тем, что имеют один ТНА, от которого питаются все камеры. Причем камеры могут иметь разную тягу. Блочные многокамерные состоят из нескольких автономных одно- или многока­мерных двигателей, объединенных общей рамой и системой управления. Наконец, имеются однокамерные двигатели, но с двумя ТНА — ТНА подачи окислителя и ТНА подачи горючего; есть двигатели, которые кроме ос­новного ТНА имеют еще дополнительный — вспомогательный или бустерный ТНА.

Насосные схемы подачи без дожигания генераторного газа — доволь­но распространенная схема ЖРД. Классификация двигателей с турбонасосной подачей топлива приведена на рис. 2.8. На рис. 2.9. схематично пред­ставлены наиболее характерные ЖРД этого типа. Схема а отличается однокомпонентным ЖГГ, работающим на разложении специального вспомо­гательного, "третьего" компонента, например перекиси водорода. В схе­ме б — тоже однокомпонентный ЖГГ, но работающий на разложении како­го-либо компонента основного топлива, например НДМГ. Схема в отли­чается двухкомпонентным ЖГГ, работающим на основных компонентах, сжигаемых в нем с большим избытком горючего.

Рис. 2.8. Общая классификация двигателей с турбонасосной подачей топлива

Рис. 2.9. Турбонасосные схемы ЖРД без дожигания генераторного газа:

Ок – окислитель; Г – горючее; НО – насос окислителя; НГ – насос горючего; НВ – насос вспомогательного компонента; Т – турбина; - - - - передача вращения от турбины

Все эти двигатели объединяет общий признак схемы — выброс отрабо­танного на турбине генераторного газа наружу через выхлопную систему. Часто в конце выхлопной системы находятся реактивные сопла, на кото­рых "срабатывается" определенный перепад давлений, и они создают замет­ную тягу, используемую в системе управления вектором тяги (см. рис. 2.9, б). Наконец, иногда отработанный генераторный газ направляется вщель сопла основной камеры в зоне малых давлений, образуя на этом участке заградительное его охлаждение (см. рис. 2.9, в).

Несмотря на большое различие конкретных схем выброса отрабо­танного генераторного газа, все они имеют определенные потери удельного импульса на привод ТНА. Эти потери могут быть оценены коэффициентом

где т _г.г = m _г._г/(m_к ⁺ m_г.г) - относительный расход генераторного газа; I_г.г — удельный импульс выхлопной системы генераторного газа; I_к -удельный импульс камеры.

С учетом коэффициента φ_тна эффективный удельный импульс двига­теля

Iдв ⁼ I_кφ_ТНА

В крайнем случае, пренебрегая удельным импульсом, создаваемым выхлопом генераторного газа, получим, что максимальное снижение удель­ного импульса двигателя по сравнению с удельным импульсом камеры оп­ределяется относительным расходом генераторного газа:

Iдв = Iк (1 –m_г.г)

Устройство реактивного выхлопа, который в зависимости от наруж­ного давления может иметь (I _г.г / I_K) = 0,2... 0,4, снижает потери на при­вод ТНА и приближает эффективный удельный импульс к удельному им­пульсу камеры двигателя.

Повышение давления в камере требует и более высокого давления подачи компонентов, которое увеличивает мощность ТНА, а это вызывает рост относительного расхода генераторного газа. Последнее обстоятельст­во и накладывает ограничение на предел обоснованному повышению давле­ния в камере. На рис. 2.10 показано, что с ростом р_к удельный импульс камеры непрерывно возрастает, но из-за увеличения потерь на привод ТНА эффективный удельный импульс двигателя растет только до опре­деленных пределов. После этого прирост удельного импульса камеры уже не компенсирует возрастающих потерь на привод ТНА.

Поэтому снижение потерь на привод ТНА - важная задача. Она в основном решается совершенствованием конструкции ТНА, рациональ­ным выбором его параметров и эффективной организации выхлопа ге­нераторного газа. У современных ЖРД без дожигания генераторного га­за максимальные р_к находятся в пределах 10... 12 МПа.

Рис. 2.10. Качественная зависимость удельного импульса от давления в камере сгорания и области оптимальных р_к для различных схем подачи топлива (ВП – вытеснительная подача)

Насосные схемы подачи с дожиганием генераторного газа. За послед­ние годы ЖРД с такими системами также получили большое распростра­нение. Общее, что их объединяет, — генераторный газ, полученный из ос­новных компонентов, после срабатывания на турбине ТНА, затем направляется по газоводу в основную камеру, где он и дожигается с остальными компонентами топлива. Благодаря этому, потери на привод ТНА в этой схеме двигателя полностью отсутствуют, т.е. коэффициент _ТНА = 1 и

I_дв=I_к

Тем не менее максимально достижимое давление в камере сгорания и в этой схеме имеет ограничение, которое вызывается главным образом располагаемой мощности) ТНА, определяемой расходом генераторного газа через турбину и его термодинамическими параметрами — темпера­турой и видом газа (восстановительный или окислительный). Другое ограничение может возникнуть из-за необходимости иметь слишком боль­шие давления подачи. Например, давление больше 60... 70 МПа по техни­ческим и технологическим причинам не всегда может быть надежно обес­печено.

В соответствии с приведенной на рис. 2.8 классификацией эта схема двигателя также отличается большим многообразием ее вариантов. На рис. 2.11 схематично приведены некоторые из них. Схема а является "клас­сической " для неводородных ЖРД; окислительный ЖГГ, охлаждение камеры горючим; схема б — схема водородного ЖРД; после насоса го­рючего большая часть водорода направляется в восстановительный ЖГГ, а меньшая часть — в охлаждающий тракт сопла, пройдя который, эта часть водорода затем используется на организацию внутреннего охлажде­ния (завесного). Цилиндрическая часть камеры охлаждается жидким кислородом.

Схема в — также схема водородного ЖРД. Особенность схемы — два ТНА: ТНА подачи кислорода и ТНА подачи водорода. Каждый ТНА при­водится во вращение восстановительным генераторным газом, выраба­тываемым в двух ЖГГ. Причем после насоса горючего большая часть водо­рода направляется в ЖГГ, а меньшая часть — в охлаждающий тракт ка­меры.

Схема г - тоже схема водородного ЖРД. Основная ее особенность -отсутствие ЖГГ. Водород после насоса направляется в охлаждающий тракт камеры, в котором он газифицируется. Из охлаждающего тракта газообразный водород поступает в турбину ТНА и далее - в камеру сго­рания.

Схему д иногда называют предельной. Она отличается тем, что в двух ЖГГ — окислительном и восстановительном — газифицируются оба компо­нента. Каждый ЖГГ приводит свой ТНА: окислительный - ТНА подачи окислителя, восстановительный — ТНА подачи горючего. В данной схеме ввиду использования для привода ТНА расходов обоих компонентов достигается максимальная мощность ТНА и соответственно давление по­дачи компонентов. Последнее обеспечивает реализацию предельных зна­чений давления в камере сгорания.

Рис. 2.11. Турбонасосные схемы ЖРД с дожиганием генераторного газа:

ОкЖГГ – окислительный ЖГГ; ВЖГГ – восстановительный ЖГГ; Ок – окислитель; Г – горючее; НО – насос окислителя; НГ – насос горючего; Т – турбина.

В настоящее время схемы двигателей с дожиганием одного генера­торного газа, в которых газифицируется только один компонент, т.е. двигатели типа газ + жидкость (Г + Ж) могут обеспечить достижение р_к =

= 25… 30 МПа. Схемы с дожиганием двух генераторных газов, т.е. двигате­ли типа газ + газ (Г + Г) могут обеспечить достижение р_к = 40... 50 МПа. Эти значения р_к нанесены на график, приведенный на рис. 2.11.

Двигатель с насосной подачей топлива включает в себя камеру, ТНА, ЖГГ, системы автоматики, наддува баков, зажигания, управления векто­рам пни и раму двигателя. А в ДУ помимо перечисленного входят топлив­ные баки с их оборудованием.

Наиболее полно состав двигателя или ДУ отражается на так называемой пневмогидравлической схеме (ПГС). На ней в наглядной форме изоб­ражены все основные агрегаты и устройства двигателя или ДУ и их соеди­нения между собой функциональными гидравлическими, пневматически­ми и механическими связями так, что можно видеть взаимодействие этих агрегатов и устройств на всех режимах работы двигателя или ДУ.

Кроме полной ПГС, которая является проектной основой двигателя или ДУ, на практике широко используются неполные ПГС. Причем в зависимости от целей и задач неполнота ПГС может быть различной. Наиболее упрощенной ПГС является схематическая, или структурная. На структур­ной ПГС изображаются только главные агрегаты и устройства с их основ­ными, как правило, гидравлическими функциональными связями.

Неполные ПГС, или структурные схемы двигателя, используются при анализе и расчетах предполагаемых проектных параметров двигателя на стадии начала проектирования и служат затем основой для разработки

технических заданий на проектирование полной ПГС и ее составляющих

элементов.

Вопросы для самопроверки

1. В чем заключаются достоинства схем двигателей с вытеснительной пода­ чей?

Дата добавления: 2014-01-20