Бортовые газодинамические исполнительные системы летательных аппаратов. Ч. 3. Бортовые источники рабочего тела на однокомпонентном жидком топливе (96

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

УДК 629.7.064(075.8) ББК 39.56

Т 57

Рецензенты: Б.А. Галейчук, В.Е. Смирнов

Владимиров B.C., Строгалев В.П., Толкачева И.О.

Т 57 Бортовые газодинамические исполнительные системы летательных аппаратов. Ч.3: Бортовые источники рабочего тела на однокомпонентном жидком топливе: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 36 с.: ил.

В третьей части учебного пособия описаны устройство, функционирование и области применения бортовых источников рабочего тела на однокомпонентном жидком топливе, а также рассмотрены особенности протекания рабочих процессов и расчета основных параметров жидкостных газогенераторов.

Для студентов, изучающих дисциплины «Проектирование бортовых энергетических установок ракетного оружия» и «Проектирование бортовых исполнительных систем». Также будет полезно аспирантам и преподавателям, ведущим аудиторные занятия по заданным дисциплинам.

Ил. 14. Табл. 3. Библиогр. 14 наим.

Bладимир Cергеевич Владимиров Валерий Петрович Строгалев Ирина Олеговна Толкачева

БОРТОВЫЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Часть 3. Бортовые источники рабочего тела на однокомпонентном жидком топливе Редактор C.А. Серебрякова

Корректор Л.И. Малютина

Компьютерная верстка В.И. Товстоног

Подписано в печать 00.00.2006. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Печ. л. 2,25. Усл. печ. л. 2,09. Уч.-изд. л. 1,85 Тираж 100 экз. Изд. № 102.

Заказ

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская, 5.

c МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

ВВЕДЕНИЕ

Развитие ракетной техники и освоение космического пространства поставило перед наукой и техникой новые проблемы, важнейшая среди которых — создание и усовершенствование двигательных установок (ДУ) для ракет и космических летательных аппаратов (ЛА). При этом весьма важной остается проблема создания и усовершенствования ДУ для управления движением ЛА на траектории и, в частности, их ориентации и стабилизации, коррекции скорости полета и траектории, проведения маневров по стыковке и расстыковке с другими аппаратами и т. д. Поэтому создание двигательной установки для управления движением ЛА — одна из основных задач, решаемых при проектировании аппарата. От успешного решения этой задачи зависит эффективность ЛА и эффективность выполнения программы полета. Особенно это важно применительно к космическим ЛА (ракетоносителям, космическим кораблям, орбитальным и межпланетным автоматическим и пилотируемым станциям).

Для управления движением космического аппарата в пространстве широко используются реактивные двигательные установки, представляющие собой системы с несколькими реактивными двигателями малой тяги, установленными по различным каналам управления и стабилизации, и общей системой питания. Такие двигательные установки получили название реактивных систем управления. К реактивным системам управления предъявляют весьма жесткие требования, во многом отличные от требований к маршевым (тяговым) двигательным установкам ракет. Это объясняется многократными запусками двигателей в условиях космического вакуума и невесомости, а также импульсным режимом работы с высокими динамическими характеристиками.

3

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Внастоящее время в качестве рабочего тела двигателей таких систем используются сжатые газы или продукты реакции одноили двухкомпонентного жидкого или твердого топлива.

Реактивные системы на однокомпонентном жидком топливе в большинстве случаев (при необходимости применения многократных запусков — включений и выключений ДУ) являются наиболее простыми и эффективными системами управления. В связи с этим они нашли широкое применение на многих типах космических ЛА.

Вданном учебном пособии авторы систематизировали изложение опубликованных ранее материалов по вопросам устройства, функционирования, областей применения, преимуществ и недостатков бортовых источников рабочего тела на однокомпонентном жидком топливе, особенностей расчета основных параметров жидкостных газогенераторов, а также анализа энергомассовых характеристик источника питания и системы управления на однокомпонентном жидком топливе.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

1. ОСОБЕННОСТИ И ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ИСТОЧНИКОВ РАБОЧЕГО ТЕЛА

Системы, использующие в качестве первичного вещества жидкость и генерирующие сжатый газ на основе разложения однокомпонентного жидкого топлива, получили достаточно широкое распространение для управления и стабилизации различных видов летательных аппаратов [1—3]. Особенно широко они применяются

вреактивных системах стабилизации космических ЛА [2, 3]. Режим работы реактивных устройств в виде микродвигателей

всистеме ориентации и стабилизации с постоянной тягой характеризуется переменной длительностью и частотой следования импульсов, которая может изменяться от нескольких импульсов в секунду до одного импульса за несколько минут или даже часов. Такой режим работы называют импульсной модуляцией.

Для выполнения различных функций микродвигатели реактивных систем управления должны обеспечивать тысячи и десятки тысяч повторных включений.

Источники питания на однокомпонентном жидком топливе являются наиболее простыми из всех жидкостных систем и имеют ряд преимуществ по сравнению с системами на двух- и трехкомпонентных топливах: для работы исполнительных устройств требуется только один бак с одним питающим устройством и соответственно меньшее число агрегатов автоматики. В связи с этим значительно упрощается система подачи топлива к бортовым потребителям, а также конструкция баковых устройств. Наряду с отмеченными достоинствами эти источники обладают и рядом других преимуществ:

–источники этого типа менее чувствительны к изменению окружающей температуры по сравнению с двухкомпонентными,

5

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

где плотность горючего и окислителя меняется в различной степени;

–нет необходимости в элементах, обеспечивающих требуемое соотношение компонентов;

–процесс генерации рабочего тела чрезвычайно прост и происходит обычно при контакте топлива с катализатором;

–температура сжатого газа относительно низкая (T < 1200 К);

–чистые продукты разложения позволяют снизить требования

кфильтрации рабочего тела.

Получение «чистых» продуктов разложения, не содержащих углерода, играет существенную роль, особенно в условиях космоса, когда на борту космического аппарата имеются оптические устройства, обладающие повышенной чувствительностью к загрязнению.

Несмотря на очевидные преимущества, системы на однокомпонентном жидком топливе имеют также существенные недостатки, которые ограничивают их применение:

–ухудшение динамических свойств и экономичности при работе систем в импульсных режимах, обусловленное тем, что номинальное давление на выходе источника устанавливается не сразу,

ачерез 0,08. . . 0,20 с;

–трудность создания достаточно надежного катализатора разложения топлива, не требующего для своей работы предварительного подогрева, который обеспечивал бы большие расходы и имел значительный ресурс;

–токсичность исходных веществ;

–высокая стоимость катализатора разложения топлива.

К жидким однокомпонентным ракетным топливам предъявляются следующие основные требования:

–обеспечение высокой удельной тяги;

–достаточная химическая и термическая стабильность;

–взрывобезопасность в условиях эксплуатации;

–совместимость с конструкционными материалами;

–большая плотность;

–минимальная токсичность;

–обеспеченность сырьевыми ресурсами.

6

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Из однокомпонентных жидких топлив наиболее полно этим требованиям отвечают высоконцентрированная перекись водорода Н2О2 и гидразин N2H4 [1, 2]. В табл. 1 приведены теплофизические свойства некоторых однокомпонентных топлив, которые получили наиболее широкое распространение в системах управления ЛА. Гидразин и перекись водорода разлагаются в присутствии катализатора с выделением теплоты и образованием высокотемпературного «чистого» сжатого газа, не содержащего твердых частиц (углерода и др).

Таблица 1

Теплофизические характеристики некоторых однокомпонентных жидких топлив [5, 6]

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Типичная схема источника питания (ИП) на однокомпонентном жидком топливе показана на рис. 1 [4].

Рис. 1. Схема жидкостного газогенератора газа:

Vж – емкость с жидкостью; ЭК – электроклапан; Ф – фильтр; КР – катализатор разложения; ПР – привод

В баке, разделенном гибкой диафрагмой, находится газ наддува и однокомпонентное жидкое топливо (гидразин). При подаче сигнала включения на электроклапан (ЭК) гидразин поступает по магистрали в катализатор (КР), где происходит его разложение.

8

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Полученный высокотемпературный газ поступает на вход потребителя (Пр) под давлением pz, которое определяется давлением наддува.

Наддув можно осуществлять и путем отвода части газа с выхода источника питания, как показано на рис. 1 пунктиром.

Наиболее широкое распространение ИП на однокомпонентном жидком топливе получили, как уже указывалось выше, в реактивных системах управления и стабилизации ракет и космических аппаратов. Первые реактивные системы управления выполнялись на однокомпонентном жидком топливе — 90 %-ной перекиси водорода с тягой двигателей 22. . . 340 Н и удельной тягой до 1600 Н ∙ с/кг. Они были разработаны в 1944 году для управления экспериментальными скоростными высотными самолетами типа X-1, X-1A, X1-B, XS-1 и др. [7].

На рис. 2 дана принципиальная схема микродвигателя на перекиси водорода. На космическом аппарате «Меркурий» в качестве исполнительных органов системы ориентации использовалась реактивная система на перекиси водорода с восемнадцатью двигателями: шестью двигателями тягой 4,5 Н, четырьмя двигателями тягой 27 Н и восемью двигателями тягой 109 Н.

На рис. 3 и 4 показаны конструкции жидкостных микродвигателей на гидразине. Гидразин имеет ряд преимуществ по сравнению с перекисью водорода. Он более стабилен при хранении и обеспечивает удельную тягу порядка 2300 Н ∙ с/кг. Конструктивные особенности микродвигателей ясны из рис. 5 и 6.

На рис. 5 и 6 для однокомпонентных топлив (перекиси водорода и гидразина) приведены зависимости массы рабочего тела mр.т и массы реактивной системы MΣ от полного импульса тяги IΣ. Из рассмотрения рис. 6 ясно, что реактивные системы на гидразине имеют лучшие массовые характеристики, чем реактивные системы на перекиси водорода. Французское объединение SEP разработало ряд микродвигателей на гидразине с тягой от 10−3 Н до 10 Н и удельной тягой до 2000 Н ∙ с/кг, предназначенных для систем ориентации космических аппаратов с длительностью полета до 10 лет.

9

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Электроклапаны этих двигателей имеют уплотнение «металл по металлу» и дают суммарную утечку 0,5 см3 за 75 000 срабатываний.

На рис. 7 дана еще одна принципиальная схема реактивной системы управления на однокомпонентном жидком топливе. Однокомпонентное топливо хранится в баке 1. Заправочно-сливной клапан 3 предназначен для заправки и слива топлива из системы. Эластичный вытеснительный мешок 2 служит разделителем между топливом, размещенным в мешке, и газом наддува, находящимся в полости между разделителем и стенками бака 1. Газ наддува заправляется в бак 1 через клапан 4. Датчики 5 и 6 используются соответственно для телеметрического контроля за давлением

10

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

головка; 5 – камера разложения; 6 – катализатор; 7 – сопло; А – подвод гидразина

и температурой топлива в баке. Нагреватель 7 выполнен из титанового сплава (6 % алюминия и 4 % ванадия). Гидразин размещается в мешке из бутилового или этиленпропиленового каучука, содержащего в качестве наполнителя диоксид кремния (наиболее

11