6.3. Система управления вектором тяги

Стабилизация положения осей ЛА в пространстве и угол θ_к конечного участка активного полета ЛА обеспечиваются системой управления вектором тяги.

Газовые рули (рис. 6.5, а), выполненные из жаропрочного графита, изменяют направление струи газов на выходе из сопла двигателя при помощи поворотного устройства. Недостаток этого способа состоит в том, что установленные в поток газов на выходе из сопла рули создают, во-первых, постоянное сопротивление газовому потоку. Кроме того, за время работы двигателя, во-вторых, поверхность газовых рулей выгорает примерно на половину от первоначальной.

Этого недостатка можно избежать установкой на срезе сопла периферийных рулей (рис. 6.5, б), которые управляют вектором тяги за счет погружения щитковой поверхности руля в поток газа на срезе сопла двигателя. В нейтральном положении периферийные рули не создают сопротивления газовому потоку.

Поворот камеры или сопла. Вместо поворота камеры возможен поворот только сопла двигателя (рис. 6.5, в) или тороидального дефлектора, установленного на срезе сопла (рис. 6.5, г), или вращение сопла с косым срезом (рис. 6.5, д).

Рис. 6.5. Возможные способы управления вектором тяги ЖРДУ

Вдув газа в закритическую часть сопла. Особого внимания заслуживает способ изменения вектора тяги с помощью вдува в закритическую часть сопла жидкости или газа (рис. 6.5, е). Жидкость (или газ) размещается в баллоне 1 и по команде системы управления через клапаны 2 поступает с небольшим избыточным давлением в расширяющуюся часть сопла 3 под углом α. Вблизи стенки сопла, на границе сверхзвукового потока и паровой фазы жидкости 4 (или газа), реализуется скачок уплотнения 5. За скачком уплотнения образуется область повышенного давления (на рис. 6.5, е график Р_с=f(l_c)), где происходит отклонение газовой струи в сторону оси сопла, которое вызывает отклонение всего газового потока и создает тем самым эксцентриситет тяги сопла с направлением, противоположным отклонению газового потока. При вдуве 1% расхода жидкости по отношению ко всему расходу газов через сопло возникает поперечная составляющая тяги, равная 0,5% от суммарной продольной тяги двигателя. Таким образом, вдув газа или жидкости в закритическую часть сопла применяется для точного (прецизионного) управления вектором тяги.

Перспективным является также способ управления вектором тяги за счет перераспределения расходов топлива между жестко закрепленными на ЛА камерами в многокамерной двигательной установке. Однако широкое применение этого способа сдерживается техническими трудностями реализации регуляторов перераспределения расходов топлива с одновременным сохранением соотношения компонентов топлива, организацией их взаимодействия с системами РКС и СОБ и одновременным ограничением глубины изменения режимов работы камер двигателя.

6.4. Система наддува баков

Центробежные насосы ТНА для нормальной работы без кавитации требуют создания определенного давления на входе в насос:

. (6.1)

Это давление определяется давлением насыщенных паров жидкости Рн, зависящим от вида жидкости и ее температуры, и скоростным напором потока ρ·С²/2 на входе в крыльчатку насоса. Этот напор зависит от параметров и особенностей конструкции насоса – чем больше частота вращения, т.е. давление подачи, и меньше габаритные размеры насоса, тем выше будет скоростной напор на входе в колесо. Наоборот, тихоходный и крупногабаритный насос будет иметь меньший скоростной напор на входе. Составляющая ΔРз - конструктивный запас.

Таким образом, если учесть гидравлическое сопротивление входной магистрали ΔР_вх, то для бескавитационной работы насосов ТНА давление на выходе из баков должно быть в соотношении

. (6.2)

Это давление создается специальной вытеснительной подачей, называемой системой наддува баков. Следовательно, при насосной подаче топлива ДУ имеет и вытеснительную подачу. Основное отличие системы наддува от вытеснительной подачи топлива – небольшое давление в баках, которое редко превышает значение

(6.3)

При проектировании системы надува баков большое внимание уделяется снижению ее массы. Поэтому важное значение придается всем техническим путям усовершенствования системы наддува, направленным на снижение ее массы.

Схемы наддува баков можно классифицировать по способу получения вытесняющего газа – рабочего тела системы наддува.

1. Г азовый аккумулятор давления.

Рис. 6.6. Схемы наддува баков с газовым аккумулятором давления:

а – вытеснительная схема; б - с хранением баллона со сжатым газом при температуре криогенного компонента и с последующим его подогревом в теплообменнике

Вытесняющий газ получается редуцированием сжатого газа высокого давления, находящегося в баллоне – аккумуляторе давления (рис. 6.6, а). Это наиболее простая, надежная и распространенная схема наддува баков. Сжатым газом служит азот или гелий. В отдельных случаях может быть и осушенный воздух.

На рис. 6.6, б показана усовершенствованная схема. Здесь баллон со сжатым газом, например азотом или гелием, помещен в бак с криогенным компонентом, например в бак жидкого кислорода. Редуцированный холодный газ перед поступлением на наддув бака проходит через теплообменник. Последний установлен в выхлопной системе турбины ТНА, где газ подогревается до 500 ... 600 К.

Хранение сжатого газа при низкой температуре снижает необходимый объем аккумулятора давления, а подогрев в теплообменнике уменьшает расход, т.е. запас газа. Все это вместе взятое заметно уменьшает массу системы наддува баков.

2. Жидкостная испарительная схема наддува.

В ытесняющий газ получают из жидкого компонента путем его испарения в теплообменнике.

Рис. 6.7. Испарительные схемы наддува баков:

а - получение газа из жидкого азота; б - получение газа из криогенных основных компонентов; в - получение газообразного водорода для наддува – бака с водородом: НА – насос азота; НО – насос окислителя;

НГ – насос горючего

На рис. 6.7, а показана схема, в которой для наддува служит жидкий азот. Последний хранится в специальном баке, откуда насосом, установленном на ТНА, подается в теплообменник, встроенный в выхлопной узел турбины. Из теплообменника газообразный и подогретый азот через обратные клапаны поступает на наддув баков с окислителем и горючим.

На рис. 6.7, б показана схема, в которой вытесняющий газ получается из основного криогенного компонента – кислорода или водорода, которые испаряются в теплообменнике, расположенном в газоводе двигателя с дожиганием генераторного газа.

На рис. 6.7, в показана схема, в которой вытесняющий газ – водород, используемый для наддува водородного бака, получается газификацией водорода в охлаждающем тракте камеры.

3. Газогенераторная схема наддува.

Вытесняющий газ получается в специальных "наддувных" ЖГГ, работающих на основных компонентах топлива двигателя. Наддув бака с окислителем требует получения окислительного генераторного газа, а наддув бака с горючим –

восстановительного генераторного газа.

а)

б)

Рис. 6.8. Газогенераторные схемы наддува баков:

а) – схема двухкомпонентного наддувного ЖГГ;

б) – схема газогенератора – смесителя наддува

Особенность наддувных ЖГГ – более низкие температуры газа и расход по сравнению с ЖГГ привода турбины двигателя без дожигания. Это создает определенные трудности в организации рабочего процесса (рис. 6.8, а). Горение организуется в двух зонах:

- в первой зоне у головки сгорание компонентов происходит при более высоких значениях коэффициента избытка окислителя  ( близко к 1);

- во второй зоне за счет подмешивания окислителя температура газа понижается.

На рис. 6.8, б показана схема, в которой наддувный газ получается в газогенераторе-смесителе. В качестве одного компонента используется генераторный газ, отбираемый из основного ЖГГ. Другим компонентом служит жидкое горючее, если основной генераторный газ – восстановительный. При смешении жидкого компонента с основным газообразным дополнительный жидкий компонент частично сгорает, а частично испаряется. В результате температура наддувного газа снижается до требуемого значения.

4. Безгазогенераторная схема наддува («химический наддув»).

При самовоспламеняющихся основных компонентах топлива вытесняющий газ наддува может получаться непосредственно в самих баках. Для этого на поверхности жидкости в баке одного компонента распыливается небольшое количество другого компонента. В результате химических реакций непосредственно в баке образуется необходимое количество газообразных продуктов, создающих заданное давление наддува.

Несмотря на кажущуюся простоту схемы, здесь имеются свои трудности. Во-первых, конструктивное решение системы распыла противоположного компонента должно обеспечивать постоянство ее расположения относительно поверхности расходуемого компонента. Во-вторых, жидкий компонент в баке, особенно к концу работы, загрязняется продуктами химических реакций, которые могут отрицательно повлиять на работу двигателя.