Этапы запуска и останова

Основные требования к запуску и останову.

Запуск и останов ЖРД

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. 7.1 показаны характерные виды запусков ЖРД.

Рис. 7.1 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 двигателя в общем случае происходит в два этапа (рис. 7.2).

Рис. 7.2. График изменения тяги двигателя при переключении с основного режима на конечную ступень тяги и при останове

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.

1. Начальный, или подготовительный период останова, включающий перевод 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.

Дата добавления: 2014-01-04