2.11.3. Жидкостные рд (жрд)
2.11.3.1. Классификация жрд
По типу агрегата, создающего давление подачи КРТ в КС, системы подачи топлива ЖРД подразделяются на вытеснительные и насосные (рис. 2.33).
Рис. 2.33. Классификация ЖРД
При использовании системы с вытеснительной подачей КРТ в топливных баках создается избыточное давление нейтрального газа (например, азота), которое выдавливает КРТ по трубопроводам в КС РД. Однако, не смотря на простоту конструкции, данная система имеет серьезные недостатки. Во-первых, она не может обеспечить высокие значения массового расхода топлива в КС, во-вторых, наличие избыточного давления в баках с горючим и окислителем, требует повышенной прочности стенок баков и приводит к их значительному утяжелению. Поэтому вытеснительные системы применяются, в основном, во вспомогательных двигателях малой тяги, предназначенных для управления и коррекции траектории полета КЛА и боевых блоков МБР с разделяющимися головными частями.
В маршевых ЖРД применяется насосная подача топлива, обеспечивающая большие расходы КРТ и высокое давление в КС. Для привода топливных насосов используют газовую турбину (ГТ). Низкотемпературный газ для вращения ГТ вырабатывается в газогенераторе (ГГ). ГТ приводит в действие (вращает) центробежные (ЦБ) насосы подачи в камеру сгорания (КС) окислителя и горючего.
Обычно ГТ и ЦБ насосы находятся на одном валу и объединяются единым корпусом в турбонасосный агрегат (ТНА). ГГ представляет из себя индивидуальную камеру сгорания и может «питаться» как от вспомогательного (обычно унитарного), так и от основного жидкого ракетного топлива (ЖРТ).
2.11.3.2. Принципиальные схемы жрд
Схема без дожигания генераторного газа приведена на рис.2.34.
Принцип работы на установившемся режиме
Горючее Г и окислитель О из баков подаются с помощью ЦБ насосов 3, 4 в камеру ЖРД 1 и в ГГ 5, причем горючее подается в камеру через коллектор и, проходя между стенками камеры 1, охлаждает ее.
Низкотемпературный генераторный газ, образующийся при сгорании горючего и окислителя в ГГ 5, расширяется в ГТ 2, совершая работу по ее вращению (приводу ЦБ насосов 3, 4), и выбрасывается в атмосферу через выхлопной патрубок 11.
Рис. 2.34. Схема ЖРД «без дожигания»: 1 – камера ЖРД; 2 – ГТ; 3 – ЦБ насос горючего; 4 – ЦБ насос окислителя; 5 – ГГ; 6 – пусковые клапаны; 7 – регулируемые дроссельные краны; 8 – пусковая турбина; 9 – пусковой ГГ; 10 – отсечные клапаны; 11 – выхлопной патрубок.
Недостатком данной схемы является то, что генераторный газ, после совершения работы в ГТ, выбрасываются в атмосферу, не участвуя в создании тяги RРД, что приводит к потерям суммарного импульса тяги ΣI, а значит к снижению экономичности РД.
Преимуществом является газодинамическая независимость работы камеры ЖРД от ГГ с ГТ, что обеспечивает устойчивую работу двигателя в целом и упрощает доводку камеры ЖРД и ГГ с ГТ.
Схема с дожиганием генераторного газа приведена на рис.2.35.
Особенностью работы данной схемы является то, что в ГГ организуется горение с большим избытком окислителя. После расширения в ГТ генераторный газ, содержащий не прореагировавший окислитель, поступает в камеру ЖРД. При соединении с горючим происходит горение (дожигание генераторного газа), с последующим расширением продуктов сгорания в РС.
Преимуществом данной схемы является то, что все топливо участвует в создании тяги RРД, вследствие чего увеличивается суммарный импульс тяги ΣI (повышается экономичность).
Недостатком схемы является наличие газодинамической связи камеры ЖРД и ГГ с ГТ и как следствие – не достаточно устойчивая работа двигателя, сложность доводки ЖРД , увеличение массы не только КС, но и ГГ при увеличении давления в КС ЖРД.
Рис. 2.35. Схема ЖРД «с дожиганием»
Работа ЖРД на неустановившихся режимах
Неустановившиеся режимы, это такие режимы работы ЖРД, на которых тяга двигателя изменяется с течением времени (запуск и выключение ЖРД; переход на повышенный или пониженный режимы работы).
Для запуска маршевого ЖРД ракеты – носителя, напряжение подается на пусковые пироклапаны 6 и пиропатрон поджига твердотопливного газогенератора 9 пусковой ГТ 8 (см. рис. 2.34, 2.35).
Пусковая турбина начинает раскручивать вал ТНА, и насосы 3, 4 подают горючее и окислитель из баков, через открытые пусковые пироклапаны 6, в основной газогенератор 5. Пусковой газогенератор 9 выгорает за небольшое время (несколько секунд) достаточное для запуска основного газогенератора 5.
Генераторный газ раскручивает ГТ 2 до расчетной частоты вращения (порядка 18000 об/мин), а она – ЦБ насосы 3, 4, подающие горючее и окислитель в камеру сгорания ЖРД 1 и ГГ 5, где происходит горение.
Примечание. При использовании несамовоспламеняющегося ракетного топлива в КС и ГГ ЖРД предусматривается система воспламенения для первичного поджига КРТ в момент запуска двигателя.
Для перехода на повышенный (пониженный) режим работы ЖРД система автоматики осуществляет с помощью электропривода открытие (прикрытие) регулируемых дроссельных кранов 7 подачи топлива в ГГ 5. При этом увеличивается (уменьшается) массовый расход генераторного газа, проходящего через ГТ 2, мощность ГТ 2 и частота ее вращения увеличиваются (уменьшаются), увеличивая (уменьшая) производительность топливных насосов 3, 4, подающих КРТ в КС ЖРД. Массовый расход газа через реактивное сопло камеры ЖРД возрастает (уменьшается) и тяга ЖРД возрастает (уменьшается).
Для выключения ЖРД система автоматики закрывает отсечные клапаны 10, перекрывающие подачу КРТ в КС ЖРД. Отсечные клапаны 10 располагаются непосредственно у входа в КС для быстрого прекращения работы ЖРД после поступления команды от системы автоматики при достижении расчетной скорости КЛА или боевого блока МБР. Если отсечные клапаны 10 разместить в другом месте, то после их закрытия остатки КРТ из трубопроводов и ТНА будут стекать в КС ЖРД и, догорая, создавать дополнительную тягу и скорость полета будет отличаться от расчетного значения. Даже незначительное отклонение скорости полета от расчетного значения приводит к существенному отклонению КЛА от расчетной орбиты, а боевого блока МБР от заданной цели.