Вытеснительная система подачи топлива
Эта система наиболее проста и надежна в эксплуатации. Суть ее заключается в том, что в топливный бак подается сжатый газ, и над зеркалом жидкости устанавливается давление, величина которого должна быть достаточной /в 1,4 – раза больше давления в КС/ для преодоления как противодействия со стороны КС, так и гидравлических потерь в питающих трактах /сюда включаются трубопроводы, клапаны, форсунки, охлаждающие тракты и пр./ (см. рис. 1.1. а, б, в, г).
При очевидной простоте вытеснительная система подачи обладает существенным недостатком: в тракт высокого давления полностью включаются и топливные баки. Стенки баков по условиям прочности необходимо выполнять более толстыми, и это приведет к увеличению их веса. Для небольших ракет перетяжеление баков может быть допустимо из-за простоты конструкции, но для больших баллистических ракет оно недопустимо.
Весовые характеристики ракеты при вытеснительной системе подачи снижаются вследствие того ,что на борту ракеты должен быть запас рабочего тела – вытесняющего газа. 1 кубометр сжатого воздуха при Р=40 кгс/см2 весит около 50 кг. Но 40 кгс/см2 в баке – это примерно 25 кгс/см2 в камере сгорания. Это не высокое давление в КС и его желательно повысить, а значит надо повышать давление в баках, а значит, повышать вес самих баков и вес вытесняющего рабочего тела.
В связи с этим применение вытеснительной системы подачи имеет ограничения объемом вытесняемого топлива, весом полезного груза, эксплуатационными требованиями и др.
Наиболее просто обеспечить подачу топлива в КС, стравливая в топливные баки сжатый газ из баллонов высокого давления через редуктор. Это так называемая баллонная система подачи. Недостатком баллонной системы является большой вес баллонов высокого давления, несмотря на это, из-за простоты регулирования давления, повышается надежность системы, хорошо может быть обеспечена многократность запуска ДУ, все это обеспечивает широкое применение баллонной подачи топлива в космической технике. В частности, в двигатели посадочной и взлетной ступеней лунного корабля «Аполлон» имеют баллонную систему подачи. В ДУ включены развитые средства автоматики, а в место сжатого воздуха рабочим телом служит легкий гелий, который для большей эффективности подогревается.
Баллонная система подачи применяется и во вспомогательных ДУ космических кораблях /КК/, например, для ориентации КК, коррекции орбиты спутника.
Вытеснительной подаче не обязательно быть баллонной. Можно получить рабочее тело для вытеснения и подачи компонентов топлива в КС путем газификации компонентов находящихся в твердой или жидкой фазе. В частности можно сжигать пороховой заряд, так называемый пороховой аккумулятор давления /ПАД/.(рис. 1.1. в)) ПАД широко распространения не получил в связи с тем что расход горячих пороховых газов плохо поддается регулировке и большого труда стоит обеспечить ту надежность, которая позволила в последнее время возродится баллонной системе.
И, наконец, жидкостный аккумулятор давления – система, в которой реактор – генератор горячих газов – располагается непосредственно в топливных баках (Рис. 1.1 г).
У верхней крышки каждого топливного бака устанавливаются форсуночные головки, через которые подаются вспомогательные самовоспламеняющиеся компоненты – горючее и окислитель. Подача вспомогательных компонентов производится при помощи сжатого газа, запасенного в небольшом баллоне. В процессе сгорания вспомогательных компонентов образуется газ внутри топливных баков, под давлением которого основные компоненты топлива подаются в КС.
Эта система подачи с жидкостным аккумулятором давления /ЖАД/ обладает высокими весовыми характеристиками, достаточной надежностью и допускает простое регулирование изменением расхода вспомогательных компонентов.
Система подачи с ЖАД нашла применение в ракетах небольшой дальности. Для более мощных ракет применение ее как и вообще вытеснительных систем подачи нерационально.
Для космических кораблей система подачи с ЖАД не нашла применения из-за слишком высокой температуры продуктов сгорания вспомогательного топлива, вызывающий нагрев стенок топливных баков и, как следствие, необходимость изготовлять их из жаростойких сталей вместо легких алюминиево-магниевых сплавов.
a) – с ВАД ; б) – с ВАД (с подогревом); в)- c ПАД; г)- с ЖАД; д)- с ТНА; 1- камера сгорания;
2 – бак с горючим; 3 – бак с окислителем; 4 – ВАД; 5 – ГГ; 6 – топливо для газогенератора; 7 – камера подогрева; 8 – редуктор; 9 – ТНА.
Рис1. Принципиальные схемы систем подачи топлива:
Описание двигательной установки
На пилотируемых космических кораблях и беспилотных космических летательных аппаратах для различных целей применяются ракетные двигатели малой мощности.
Одним из таких двигателей является корректирующая установка конструкции А.М. Исаева, служащая для коррекции орбит спутников связи «Молния» и траектории полета автоматических межпланетных станций типа «Марс», «Зонд», «Венера».
Основными системами изучаемой двигательной установки являются:
Система подачи топлива. Предназначена для транспортировки жидких компонентов топлива - окислителя и горючего из баков в камеру сгорания /КС/ и впрыска их в камеру под высоким давлением.
Баки с топливом.
Камера сгорания – цилиндрическая часть и сужающе-расширяющееся сопло. Камера сгорания является основной частью двигателя, которая создает реактивную тягу. В камере топливо распыляется помощью форсунок, испаряется, перемешивается и сгорает, затем в виде продуктов сгорания разгоняется в сопловой части и выбрасывается с большой скоростью, создавая тем самым реактивную тягу.
Система запуска и останова двигателя.
Дополнительные вспомогательные устройства /приводы шарнирного подвеса и др./ (см. рис. 2.1.)
Система подачи топлива имеет два баллона, заправляемых газообразным гелием под давлением около 300 атм. Из баллонов газ подается по системе трубопроводов через клапаны и редуктор в баки окислителя и горючего. В редукторе давление газа понижается до 25 атм. Под этим давлением осуществляется вытеснение топлива из баков в камеру сгорания.
Таким образом, редуктор обеспечивает дозированный расход компонентов топлива через форсуночную головку КС, во время работы двигателя поддерживает требуемое давление в КС, в результате обеспечивается необходимая по величине тяга двигателя.
Баки с окислителем и горючим объединены в единую конструкцию, имеющую вид сферы, внутри которой установлена перегородка, разделяющая баки окислителя и горючего. Такая сферическая форма является оптимальной, т.к. она обеспечивает наименьший вес бака и лучшее распределение напряжений в его конструкции. Использование баков такой конструкции выгодно в космических полетах, где нет аэродинамических воздействий /сопротивления атмосферы и нагрева/. В снарядах наземного применения шаровая форма баков нежелательна, т.к. в этом случае неэкономно используется имеющийся в наличии объем снаряда.
Баки могут быть высокого и низкого давления. Баки низкого давления применяются в ЖРД с турбонасосной системой подачи топлива. В таких баках давление может быть не более 4-5 атм. Баки высокого давления применяются на снарядах небольших размеров, в которых ввиду малости объема баков обеспечивается достаточная прочность при сравнительно малой толщине стенок. Баки высокого давления применяются в ЖРД с вытеснительной системой подачи.
Внутри баков космических объектов имеются диафрагмы, поджимающие топливо к топливозаборным устройствам, заполняя коммуникации двигателя до запорных клапанов /КА/. Это необходимо для запуска двигателя в условиях невесомости
Камера сгорания. Выполнена из 2-х стенок: внутренней /огневой/ и наружной, называемой рубашкой камеры. В головке камеры размещен набор форсунок окислителя и горючего. Между стенками камеры протекает к форсункам окислитель. Протекание окислителя обеспечивает охлаждение огневой стенки камеры сгорания. Давление в камере работающего двигателя составляет примерно 16 атм. При таком давлении двигатель развивает тягу 200 кг.
Система запуска и останова двигателя представляет собой набор дистанционных переключателей /ДП/ - клапанов одноразового действия. Команды на срабатывания клапанов подаются с Земли.
Дополнительные вспомогательные устройства. Основную их часть составляют рама с шарнирным подвесом, к которому крепится КС и две рулевые машинки, которые по командам с Земли осуществляют поворот КС в требуемом направлении, в результате чего изменяется направление вектора тяги двигателя. К дополнительным устройствам также относятся датчики телеметрической системы, которые производят контроль за работой систем ДУ.
Работа двигателя
При запуске двигателя с Земли подаются команды на срабатывание клапанов, открывающих доступ газа наддува из баллонов в баки окислителя и горючего, и клапанов, открывающих доступ компонентов топлива из баков в КС.
Газ наддува, поступающий в баки из баллонов через редуктор, подходит к пневмоклапанам и открывает их. При открытии пневмоклапанов газ после редуктора передается в топливные баки для вытеснения компонентов топлива в КС. На линиях из баков в КС сначала открывается клапан доступа в КС окислителя, т.к. линия окислителя длиннее линии горючего, а затем, спустя установленное время, открывается клапан горючего, таким образом, чтобы начало впрыска в камеру сгорания окислителя и горючего было одновременным.
Компоненты топлива, применяемые в данном двигателе, самовоспламеняющиеся, и при их соединении в КС начинается процесс сгорания топлива.
Для останова двигателя с Земли подается команда на закрытие дистанционных переключателей, закрывающих доступ окислителя и горючего в камеру сгорания и доступ газа наддува в баки. Одновременно открываются клапаны, обеспечивающие сброс давления из баков. Поступление компонентов топлива в КС прекращается и двигатель выключается.
Рассматриваемый двигатель одноразового действия.
Рис 2.1. Принципиальная схема двигателя КА “Молния”