книги из ГПНТБ / Морозов Н.И. Баллистические ракеты стратегического назначения

включение рулевого двигателя второй ступени (если та­ ковой имеется), нарушение связи между ступенями, тор­ можение первой ступени и запуск двигателя второй сту­

пени.

В з а и м о д е й с т в и е а г р е г а т о в а в т о м а т и к и во в р е м я п о л е т а в т о р о й с т у п е н и происхо­ дит по определенной программе, заложенной во времен­

второй ступени выключаются двигатели этой ступени. Выключение двигателей с целью улучшения условий ра­ боты приборов системы управления и уменьшения им­ пульса последствия может производиться по двум коман­ дам:

— по первой команде двигатели переходят на ре­ жим конечной тяги (при наличии рулевого двигателя основной двигатель выключается, а при отсутствии его — основной переключается на режим пониженной тяги);

— по второй команде происходит окончательное вы­ ключение двигателей и одновременно срабатывают си­ стемы отделения головной части.

На основе конструктивных схем двигателя и систе­ мы отделения головной части составляется временная программа прохождения команд на агрегаты автоматики двигателей, системы наддува и элементы системы отде­ ления. Эта программа должна быть согласована с бал­ листическими характеристиками ракеты.

2.6. Топлива, применяемые в ракетах

(По данным зарубежной печати)

Топливо является источником энергии и рабочего тела, которые используются для сообщения ракете задан­ ной скорости. Жидкие и твердые топлива сгорают в ка­ мерах сгорания двигателей и образуют газообразные продукты, являющиеся носителями тепловой энергии. Топливо состоит из двух веществ — окислителя и горю­ чего, которые называются компонентами топлива. Окис­ литель содержит в большом количестве кислород или другой окислительный элемент, а горючее — горючие эле­ менты.

К ракетным топливам предъявляется ряд требований; основные из них вытекают из условия достижения за­

50

данной дальности полета ракеты с заданным весом го­ ловной части при минимальном ее стартовом весе. Ранее отмечалось, что дальность полета главным образом зависит от скорости VK, которая прямо пропорциональ­ на удельной тяге (Руд) двигателя. В свою очередь удель­ ная тяга зависит от характеристик двигателя.

Известно, что

Руд= ^ | / _

вия, который характеризует долю Q, полезно превращенную в кинетическую энергию истека­ ющей газовой струи.

Из формулы видно, что первое основное требование к топливу состоит в том, чтобы оно имело максимальную теплопроизводительность. Современные химические топ­ лива имеют Q= 5800-н9200 кдж/кг.

Второе основное требование — возможно большее значение плотности. Очевидно, что чем больше плотность топлива, тем меньший объем оно занимает и, следова­

Топлива должны отвечать и другим условиям, кото­ рые в значительной степени определяют конструктивные особенности ракеты и ее эксплуатационные качества.

Кним относятся физическая и химическая стабильность

взаданном диапазоне температур и возможно меньшая

химическая активность к материалам топливных баков и камер двигателей. Помимо этого топливо должно быть взрыво- и пожаробезопасным и малотоксичным.

Перечисленные требования настолько серьезны, что из большого разнообразия химических веществ в каче­ стве ракетных топлив могут использоваться только не­ многие из них.

В настоящее время Ж РД работают на химических жидких топливах, состоящих из двух компонентов — горючего (Г) и окислителя (О). Наиболее широкое при­ менение нашли топлива на основе кислородных соедине­ ний азота и топлива на основе жидкого кислорода.

Топлива первой группы имеют высокую температуру кипения, поэтому они могут находиться в жидком со­ стоянии при нормальных температурах. Это свойство топлив позволяет заправлять их в топливные баки за­ благовременно, что существенно упрощает эксплуата­ цию ракет.

Втопливах второй группы жидкий кислород исполь­ зуется в качестве окислителя. Он кипит при температу­ ре —183° С. Поэтому его нельзя длительно хранить в баках ракет. Заправка топливных баков жидким кис­ лородом возможна непосредственно перед пуском ракет.

Вкачестве окислителя в первой группе топлив нахо­ дят применение азотная кислота, четырехокись азота и их смеси, в качестве горючего — керосин, гидразин, не­

симметричный диметилгидразин, аэрозин-50.

А з о т н а я к и с л о т а (HNO3) в чистом виде пред­ ставляет собой бесцветную жидкость, хорошо растворяет пары воды из воздуха. В технической азотной кислоте находится некоторый процент воды и окислов азота, ко­ торые окрашивают ее в красно-бурый цвет.

Азотная кислота содержит 76% кислорода и поэтому является сильным окислителем. Она имеет наибольшую плотность (1520 кг/м3) из всех известных окислителей. Замерзает кислота при температуре —42° С, кипит при

+ 86° С.

Недостатками азотной кислоты считаются высокая химическая агрессивность по отношению к большинству конструкционных материалов и ядовитость в жидком и газообразном состояниях. Коррозионностойкими по от­ ношению к азотной кислоте являются некоторые нержа­ веющие стали, алюминий и его сплавы без примесей меди.

Для улучшения свойств азотной кислоты как окисли­ теля к ней могут добавляться различные присадки: сер­ ная кислота, хлорное железо, четырехокись азота, кото­ рые увеличивают теплопроизводительность топлива, по­ вышают плотность и температуру замерзания окислителя.

Ч е т ы р е х о к и с ь а з о т а (N2O4) — летучая жид­ кость красно-бурого цвета. Она менее агрессивна к кон­ струкционным материалам, чем азотная кислота; как в жидком, так и в газообразном состоянии ядовита. Четырехокись азота имеет плотность несколько меньше плотности азотной кислоты (1440 кг/м3). Основным не­

52

достатком четырехокиси азота считается низкая темпе­ ратура кипения ( + 21,5° С) и высокая температура за­ мерзания (—11,3° С).

Растворы азотной кислоты и четырехокиси азота представляют собой достаточно стабильные соединения в интервале температур от —40 до +50° С. Окислители этого типа образуют самовоспламеняющееся топливо с гидразинным горючим. По химической агрессивности они близки к азотной кислоте.

К е р о с и н является фракцией прямой перегонки нефти, имеет широкую сырьевую базу и дешев. Практи­ чески он не вызывает коррозии металлов, неядовит. Его недостаток — большой разброс плотности между парти­ ями.

Применение керосина в сочетании с азотной кислотой может привести к неустойчивой работе двигателя вслед­ ствие коксообразойания. Плотность керосина сравни­ тельно небольшая — 800 кг/м3. Керосин с HN03 и N2O4 не самовоспламеняется и требует принудительного вос­ пламенения.

Г и д р а з и н (N2H4) представляет собой бесцветную дымящуюся жидкость, ядовит, поглощает из атмосферы влагу, углекислый газ и кислород, химически не ста­ билен, в безводном состоянии разлагается. Гидразин разрушает резину и многие органические материалы. В соединении с азотной кислотой является самовоспла­ меняющимся топливом.

Серьезным недостатком гидразина, исключающим его применение, считается высокая температура замер­

N2H2(CH3)2—это бесцветная жидкость с запахом аммиа­ ка. Он ядовит, летуч, сильно гигроскопичен, взаимодей­ ствует с углекислым газом и кислородом воздуха. Пары несимметричного диметилгидразина в смеси с воздухом

на и 50% несимметричного диметилгидразина. Он обла­ дает достаточно высокой температурой замерзания и

53

образует с HNO3, N2O4 и их смесями самовоспламеняю­

щееся топливо.

В топливах второй группы (окислитель — жидкий кислород) в качестве горючего применяются керосин, этиловый или метиловый спирт, несимметричный диме-

тилгидразин.

Ж и д к и й к и с л о р о д (Ог)— более мощный ^окис­ литель, чем азотная кислота. Он представляет собой про­ зрачную жидкость голубоватого цвета, кипящую при —183° С. Плотность его 1140 кг/м3. Низкая температу­ ра кипения обусловливает заправку топливных баков ра­ кет жидким кислородом непосредственно перед стартом. Он взаимодействует с маслами, в результате чего воз­ можны вспышки и взрывы. Многие конструкционные материалы при длительном воздействии жидкого кисло­ рода становятся менее прочными и более хрупкими.

.Механические свойства некоторых сталей, меди, мед- :ных и алюминиевых сплавов изменяются незначительно.

Топлива на основе жидкого кислорода имеют боль­ шие значения удельных тяг.

жипения +80° С, замерзания —117° С. Он неядовит, ■.имеет широкую сырьевую и производственную базу. На конструкционные материалы этиловый спирт не дей­ ствует.

М е т и л о в ы й с п и р т (СН3ОН) может использо­ ваться как самостоятельное горючее и в смеси с этило­

плотностью. К ним относятся: жидкий кислород (окис­ литель) + жидкий водород (горючее); жидкий фтор (окислитель) + гидразин или аммиак (горючее). Удель­ ные тяги этих топлив составляют 400—450 сек.

Удельные тяги существующих зарубежных жидких топлив находятся в пределах 250—340 сек.

Твердые топлива имеют в своем составе окислитель и горючее. Они изготавливаются в виде шашек различ­ ной формы. Помимо общих требований к твердым топ­ ливам предъявляются некоторые дополнительные.

Зарубежные специалисты считают, например, что твердое топливо должно устойчиво гореть при незна­

54

чительных давлениях в камерах, так как при больших давлениях приходится увеличивать толщину стенок ка­ мер и, следовательно, возрастает вес ракеты.

Оно должно быть прочным и не растрескиваться при длительном хранении и во время горения. При появле­ нии трещин увеличивается поверхность горения, что при­ водит к значительному повышению давления в камере и ее разрушению. Помимо этого твердое топливо в про­ цессе длительного хранения не должно деформироваться,, в противном случае возможно изменение геометрии топливной шашки и величины поверхности горения.

Считается также, что для обеспечения продолжи­ тельного горения шашки твердого топлива должны иметь большую толщину горящего свода и сравнительно низ­ кую скорость горения.

По физической структуре твердые топлива могут быть коллоидными растворами двух или нескольких нитроорганических соединений (коллоидные пороха) или смесевыми топливами.

Коллоидные пороха представляют собой твердые ра­ створы органических веществ, содержащие горючее и окислитель. Горючей основой является нитроцеллюлоза, в качестве растворителей используется нитроглицерин. Для придания коллоидным порохам определенных ка­ честв в них вводятся различные добавки. Коллоидные пороха устойчиво горят только при достаточно высоких давлениях, склонны к образованию трещин при большой толщине шашек и дорогостоящи. Поэтому их примене­ ние в БРСН для маршевых двигателей считается неце­ лесообразным. Используются они только во вспомогательных двигателях, где требуется малое время работы,

Смесевые топлива представляют собой механические смеси горючего и окислителя, скрепленные связующими веществами.

В качестве окислителей в них используются вещест­ ва, содержащие большой процент кислорода, — нитраты или перхлораты калия, натрия, алюминия или лития, а также пикрат алюминия. В качестве горючих обычно применяют каучукообразные или смолообразные вещест­ ва (фенол, фурфурольная и формальдегидная резина и асфальт), а также различные полимеры (полисульфит, полиэфир, полиуретан, полиэтилен, фенольные и целлю­ лозные смолы). Эти горючие обладают хорошими связы­

5п

вающими свойствами, поэтому одновременно они выпол­ няют роль связующих веществ. Для увеличения удель­ ной тяги топлив в них вводят металлические горючие в виде порошкообразных металлов — алюминий, магний и др. При этом удельная тяга возрастает на 10—15 сек

иодновременно повышается плотность топлив.

Взависимости от состава зарубежные твердые топли­ ва имеют следующие характеристики: удельная тяга 180—250 сек, плотность 1600—1800 кг/м3, скорость го­ рения 0,5—4 см/сек.

2.7. Жидкостные ракетные двигатели

Жидкостный ракетный двигатель предназначается для создания движущей силы — силы тяги. Сила тяги возникает при истечении газообразных продуктов, обра­ зующихся при сгорании топлива в двига­ теле. Для организации горения топлива и определенного режима истечения продук­ тов сгорания служит камера двигателя. Она имеет сопловую часть (рис. 2.12), состоя­ щую из сужающегося и расширяющегося / насадков. Газообразные продукты, проте­

2кая по сопловой части, непрерывно увели­ чивают свою скорость, которая достигает

сила с учетом силы, создаваемой давлением воздуха на наружную поверхность камеры, и называется силой тя­ ги или тягой двигателя. Тяга действует в направлении, противоположном направлению истечения газов.

Чтобы тяга действовала на ракету в течение значи­ тельного времени, необходимо обеспечить непрерывное истечение газов из сопла и, следовательно, непрерывное горение компонентов топлива в камере двигателя.

Для организации непрерывного, полного и устойчи­ вого сгорания в камере необходимо компоненты топлива

56

ИЗ топливных баков подать к камере сгорания, превра­ тить их в легкие капли (распылить), смешать и воспла­ менить. Для обеспечения всех этих, а также других про­ цессов Ж РД имеет ряд устройств.

На рис. 2.13 приведена принципиальная схема совре­ менного ЖРД, из которой видно, что Ж РД состоит из

Вбак 0 Из бака Г Из бака О

Рис. 2.13. Принципиальная схема ЖРД:

/ — отбросное сопло; 2, 8 — теплообменники; 3 — турбина; 4 — газогенератор; 5 — пиростартер; 6, 7 — насосы; 9 — камера двигателя

камеры двигателя, насосов горючего и окислителя, турбины, пиростартера, газогенератора, теплообменников и отбросного сопла.

В состав камеры двигателя входят головка, камера сгорания и сопла.

Протекание химической реакции горения возможно только при соприкосновении молекул горючего и окис­ лителя в необходимой для горения пропорции, причем компоненты топлива должны находиться в газообразном состоянии. Процесс образования смеси паров окислителя и горючего называется смесеобразованием.

При смесеобразовании должны выполняться два ус­ ловия. Первое предусматривает полноту завершения го­ рения топлива, что возможно только в том случае, если в каждой точке камеры имеется оптимальное соотноше­ ние между компонентами топлива. Второе условие тре­ бует, чтобы секундный расход компонентов топлива был распределен по всей площади поперечного сечения ка­ меры сгорания. При выполнении этих условий происхо­

57

дит более полное превращение химической энергии топ­ лива в тепло.

Для обеспечения этого процесса головка камеры как орган смесеобразования должна иметь большое количе­ ство определенным образом расположенных форсунок малого расхода. На процесс смесеобразования оказыва­ ет влияние тип форсунок.

Головки камеры состоят из внутреннего (огневого), среднего и наружного днищ, между которыми создают­ ся полости горючего и окислителя. Полости сообщаются с внутренним объемом камеры сгорания при помощи форсунок, которые крепятся на внутреннем и среднем днищах. Наружное днище представляет собой часть сферы.

Для равномерного распределения компонентов топли­ ва по сечению форсунки О и Г размещают равномерно по площади головки. Этот принцип нарушается на пери­ ферии головки, где устанавливаются форсунки только одного компонента для образования пристеночной паро­ вой пелены, которая защищает огневую стенку от пере­ грева и прогара.

В зависимости от компонентов топлива применяют шахматное, сотовое или концентрическое расположение форсунок. На рис. 2.14 приведены различные типы раз­ мещения форсунок; крестиком обозначены форсунки го­ рючего, кружком — форсунки окислителя.

В головках камер находятся форсунки различных конструкций — струйные и центробежные. Струйные фор­

Рис. 2.14. Схема расположения форсунок:

а — шахматное; б — сотовое; в — концентрическое

58

2а=10-М 5°, или в виде двух отверстий с пересекающи­ мися струями (рис. 2.15,6). В центробежных форсунках компонент топлива закручивается по длине форсунки, а на выходе образует факел распиливания, имеющий вид конической пленки, распадается на капли. Закручивание компонента обеспечивается завихрителем (рис. 2.15, в),

Вход второго Вход первого компонент а

Рис. 2.15. Типы форсунок:

сунка с тангенциальными отверстиями; д — двухкомпонентная форсунка

при этом 2а = 50-И10°, или тангенциальными отверстия­ ми (рис. 2.15,г), при этом 2а = 50-М10°. Кроме одноком­ понентных форсунок применяются двухкомпонентные форсунки (рис. 2.15,6), в которых осуществляется пред­ варительное смешение компонентов топлива.

В камеры сгорания через форсунки поступают компо­ ненты топлива. Во внутреннем объеме камеры происхо­ дит их распыление, подогрев, смешение, воспламенение и горение. Распыление компонентов топлива заключает­ ся в распадении на капли струек, выходящих из форсу­ ночных головок. В результате нагревания продуктами сгорания более ранних порций топлива капли испаря­ ются, продолжается их смешение уже в парообразной фазе. По мере увеличения запаса смеси компонентов в

59