1410

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. 3.36. 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 выбрасывается 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 двигателявцеломиупрощаетдоводкукамерыЖРДиГГсГТ.

161

Схема с дожиганием генераторного газа приведена на рис. 3.37. Особенностью работы данной схемы является то, что в ГГ организуется горение с большим избытком окислителя. После расширения в ГТ генераторный газ, содержащий непрореагировавший 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, недостаточно устойчивая работа двигателя, сложность доводки ЖРД , увеличение массы не только КС, но и ГГ при увеличении давления в КС ЖРД.

Рис. 3.37. Схема ЖРД «с дожиганием»

162

Работа ЖРД на неустановившихся режимах. Неустано-

вившиеся 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. 3.36, 3.37).

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 18 000 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

163

тяги (ЖРД управления и коррекции траектории) и работают в импульсном режиме. Изготавливаются из тугоплавких вольфрамоникелевых и никель-молибденовых сплавов или из высокопрочной стали на хромоникелевой основе ЭП-56 (1Х16Н4Б), СП33 (33Х3СНМВФА) с обляционным покрытием (охлаждением). Таким образом, внутри камера покрывается легкими органическими материалами (например, углепластиком), которые при нагреве разлагаются с поглощением тепла, а газообразные продукты разложения уносятся с продуктами сгорания. Камеры с обляционным теплозащитным покрытием (ТЗП) легки, просты в изготовлении, но время их работы ограничено временем полного разложения ТЗП, а внутренняя геометрия изменяется при работе.

(см. рис. 3.40, б). Отдельные секции (см. рис. 3.38) соединяют электродуговой сваркой в защитной среде аргона или электроннолучевой сваркой в вакууме. Наружное регенеративное охлаждение (отбор тепла от внутренней оболочки) осуществляется одним из КРТ, обычно горючим, протекающим между оболочками и выполняющим роль хладагента.

Из распределения тепловых потоков q внутри камеры ЖРД (рис. 3.41) видно, что конвективные тепловые потоки 1,

165

из условия обеспечения заданной скорости течения хладагента для снятия теплового потока. В районе критического сечения высота ребер и шаг спирали минимальные для обеспечения большей скорости хладагента.

Жесткий тепловой режим работы камеры ЖРД определил применение совместно с наружным регенеративным охлаждением, завесного пленочного охлаждения и теплоизоляционных покрытий на основе двуокиси циркония ZrO2 или пористого хрома.

Для организации завесного пленочного охлаждения по окружности внутренней стенки верхней части камеры сгорания выполняется ряд отверстий, через которые часть охлаждающего КРТ из межстенных каналов попадает внутрь КС в жидкой фазе. Тонкая жидкая пленка из относительно холодного КРТ защищает внутреннюю стенку КС от высоких температур зоны горения. Защитное покрытие из пористого хрома обладает высокими теплозащитными свойствами, но низкой износостойкостью, и поэтому применяется в КС, где температура газа очень высокая, а скорость газового потока относительно мала. РС изнутри покрывают двуокисью циркония, обладающего повышенной износостойкостью, но уступающего пористому хрому по теплозащитным свойствам.

Смесительная головка (рис. 3.42) является частью камеры ЖРД и предназначена для ввода КРТ в зону горения и первоначального перемешивания их между собой.

166

Рис. 3.42. Схемы смесительных головок ЖРД:

а – без дожигания; б – с дожиганием; 1 – форсунки (жидкостные или газожидкостные); 2 – внутреннее днище; 3 – среднее днище; 4 – наружное днище (ЖРД без «дожигания»); 5 – спрямляющая решетка (ЖРД с «дожиганием»); 6 – газовод (ЖРД с «дожиганием»); 7 – силовое кольцо

Качество распыливания КРТ, характеризующееся размером капель и равномерностью распределения КРТ в зоне горения, оказывает большое влияние на обеспечение высокой полноты сгорания топлива и обеспечивается топливными форсунками. В камерах сгорания ЖРД для подачи КРТ используются форсунки с механическим распылом. Механические форсунки бывают струйные,

центробежные и комбинированные, которые в свою очередь могут быть однокомпонентными или двухкомпонентными

(рис. 3.43).

Рис. 3.43. Классификация топливных форсунок ЖРД

В струйной форсунке топливо подается через цилиндрическое сопло (рис. 3.44, а) под действием перепада давлений на форсунке

167

рф. Вытекающая струя топлива дробится на капли при взаимодействии с окружающей газовой средой. Величина расходов КРТ зависит от режима работы двигателя и определяется величи-

ной рф.

Однокаскадные струйные форсунки просты в изготовлении, но не обеспечивают качественного распыла КРТ и практически не применяются в современных ЖРД.

Рис. 3.44. Типы топливных форсунок:

а – струйная однокомпонентная; б – центробежная тангенциальная; в – центробежная шнековая; г – комбинированная двухкомпонентная газожидкостная

Центробежные тангенциальные (рис. 3.44, б) и шнековые (рис. 3.44, в) форсунки за счет закрутки КРТ позволяют получить на выходе мелкодисперсный распыл, что определило их широкое применение в РД без дожигания генераторного газа.

В ЖРД с «дожиганием» используются комбинированные двухкомпонентные газожидкостные форсунки (рис. 3.44, г).

Элементы автоматики: отсечные клапаны, пусковые клапаны, регулируемые дроссельные краны и др. – обеспечивают регулирование подачи топлива при пуске, останове, изменении режима работы ЖРД.

168

Система подачи топлива (СПТ) ЖРД – это совокупность конструктивно и функционально связанных пневмо- и гидробаков, трубопроводов, агрегатов и узлов, предназначенных для размещения и подачи КРТ в камеру ЖРД.

Рис. 3.45. Схема ТНА: 1 – пусковая ГТ; 2 – насос горючего; 3 – насос окислителя; 4 – ГТ

Важнейшим узлом насосной СПТ является турбонасосный агрегат (ТНА) (рис. 3.45). Частота вращения ротора ТНА для обес-

При этом не допускается перетекание компонентов самовоспламеняющегося топлива в зоне контакта ротора и статора, так как это может вызвать воспламенение КРТ и взрыв ТНА. Поэтому особое внимание при проектировании ТНА должно уделяться надежности контактных уплотнений.

3.11.4. Ракетный двигатель твердого топлива

РДТТ – это РД, использующий топливо, находящееся в твердом агрегатном состоянии. Все топливо в виде заряда размещается непосредственно в КС и является не только источником химической энергии, но и элементом конструкции РДТТ.

Конструкция маршевого РДТТ показана на рис. 3.46.

169

Рис. 3.46. Схема маршевого РДТТ 1 – воспламенительное устройство; 2 – активное теплозащитное

покрытие (ТЗП); 3 – узлы отсечки тяги; 4 – корпус с фланцами; 5 – заряд твердого топлива; 6 – сопловый блок; 7 – пассивное ТЗП (пирографитовый вкладыш); 8 – заглушка СБ

Корпус 4 образует камеру сгорания и обычно является корпусом ступени ракеты. Корпус маршевого РДТТ современной стратегической ракеты (СР) выполняют в виде «кокона» с кольцевыми фланцами для соединения с переходными корпусами ступеней.

«Кокон» изготавливается способом намотки органического волокна, протягиваемого через жидкое связующее, на специально изготовленную из песчано-клеевой смеси болванку. Болванка после полимеризации связующего разрушается перегретым паром и удаляется из «кокона» через торцевые отверстия.

Сопловой блок (СБ) 6 изготавливается из композиционного материала на основе углеродного волокна. Самое теплонапряженное место РДТТ – критическое сечение СБ (см. рис. 3.46) обычно защищают вкладышем из пирографита (пассивное ТЗП) 7, облицованного молибденом или вольфрамом (пассивное ТЗП). В критическом сечении СБ устанавливается заглушка 8, которая служит для защиты внутренней поверхности заряда от воздействия окружающей среды, а также позволяет создать рабочее давление внутри КС при запуске РДТТ.

170