книги из ГПНТБ / Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей

газовом аккумуляторе давления (ВАД) (рис. 1.1), получаться при сгорании твердого топлива в пороховом аккумуляторе дав­ ления (ПАД) или при сгорании жидких компонентов в жидко­ стном газогенераторе (ЖГГ) (рис. 1.2).

Схемы с ВАД и ЖГГ используются также и в системе над­ дува баков при турбонасосной системе подачи. Отличие заклю­ чается в том, что при использовании ЖГГ в вытеснительной си­ стеме подачи газогенератор должен иметь свою независимую систему питания компонентов, в то время как в системе наддува газогенератор питается компонентами из общей системы пода­ чи. Используются также варианты с подачей газа в систему над­ дува из основного газогенератора или с получением газа путем испарения криогенных компонентов в специальном теплообмен­ нике— испарителе [15].

Система с воздушным аккумулятором давления (см. рис. 1.1) ■состоит из баллонов высокого давления 5 для хранения воздуха (газа), системы автоматики запуска и останова двигателя (кла­ паны 8 и 2), системы безопасности (обратные клапаны 9) и га­ зового редуктора — регулятора давления газа 7 в баках.

При системе с ПАД весь запас вещества, из которого полу­ чается газ, находится в конденсированном виде. Так как ско­ рость горения пороха зависит как от партии пороха, так и от внешних условий (температуры пороха, давления газа), ПАД обычно приходится заряжать порохом с достаточно высокой газопроизводительностыо. Излишний газ через специальный регу­ лятор давления сбрасывается в атмосферу.

Вытеснительная система подачи с ЖГГ имеет независимую систему подачи компонентов в газогенераторы (см. рис. 1.2), в которой создается давление большее, чем в баках с основными компонентами.

Принцип работы ЖГГ аналогичен принципу работы основ­ ного газогенератора двигателя и газогенераторов системы над­ дува баков при турбонасосной подаче. В системе подачи с ЖГГ используются два независимых газогенератора, причем в газо­ генераторе для бака горючего температура газа снижается * благодаря избытку горючего (а< 1), в газогенераторе для бака окислителя—-благодаря избытку окислителя (а> 1).

Давление подачи в газогенераторы регулируется газовым редуктором, заданная температура газа на выходе из газогене­ ратора поддерживается настройкой гидравлических трактов пе­ ред газогенераторами.

1.1.2. Турбонасосная система подачи

Центральное место в схеме турбонасосной системы подачи занимает турбонасосный агрегат (ТНА), объединяющий насосы

* Сравнивается с температурой сгорания компонентов в камере сгорания при стехиометрическом соотношении расходов компонентов, т. е. при а=1.

7

окислителя и горючего и газовую турбину, приводящую их во вращение.

Рабочее тело, необходимое для газовой турбины, вырабаты­ вается в газогенераторе. Ж РД с турбонасосной системой подачи различаются по типу используемого газогенератора — одно­ компонентного или двухкомпонентного.

По способу использования отработанного газа после турби­ ны двигатели делятся на Ж РД с дожиганием и Ж РД без дожи­ гания генераторного газа после турбины. Двигатели без дожи­ гания, иногда называемые двигателями с выбросом генераторно­ го газа после турбины, менее экономичны, так как при выбросе генераторного газа в атмосферу неизбежны дополнительные по­ тери из-за его невысоких энергетических характеристик (темпе­ ратура, давление).

В схему любого двигателя с турбонасосной системой подачи, кроме основных элементов — камеры сгорания, ТНА, газогене­ ратора и соединяющих их трубопроводов, входят также элемен­ ты систем автоматики и регулирования. Эти элементы обеспе­ чивают заправку ракеты компонентами, нормальный запуск и останов двигателя (клапаны, запальные устройства), поддер­ живают или изменяют по заданному закону режим работы дви­ гателя (регуляторы, дроссели) *.

Остановимся на особенностях различных типов газогенера­ торов.

Воднокомпонентный газогенератор подается вещество, спо­ собное разлагаться в присутствии твердого или жидкого ката­ лизатора с выделением газообразных продуктов, обладающих достаточно высокой температурой.

Вкачестве топлива однокомпонентных газогенераторов (на­

зываемого также унитарным топливом) можно использовать [5] концентрированную перекись водорода, гидразин, несиммет­ ричный диметилгидразин (НДМГ) и др.

Схема двигателя с однокомпонентным газогенератором зави­

зывается дополнительным, третьим компонентом для двига­ теля.

На рис. 1.3 приведена схема двигателя с ТНА 2 и одноком­ понентным газогенератором 4, работающим на дополнительном компоненте, подаваемом из бака 13 с помощью ВАД 8. Анало­ гичная схема, но с насосной системой подачи дополнительного компонента в газогенератор, представлена на рис. 1.4.

Твердый катализатор размещается внутри газогенератора 3, жидкий компонент (унитарное топливо) попадает на катализа­ тор через форсунки в распыленном виде.

* Приводимые ниже схемы двигателей не включают некоторых из этих элементов.

8

9

При баллонной подаче унитарного топлива система оказы­ вается относительно простой, не требующей дополнительных средств для организации запуска двигателя. В случае насосной подачи унитарного топлива в газогенератор усложняются схема двигателя и конструкция турбонасосного агрегата. Общий недо­ статок системы с газогенератором на унитарном топливе (если это топливо не используется в камере сгорания) — наличие до­ полнительного компонента. Кроме того, газ, получаемый из уни­ тарного топлива, имеет обычно постоянную и недостаточно высо­ кую температуру.

Рис. 1.5. Зависимость температуры продуктов сгорания от коэффициентов избытка окислителя

Схема двигателя с однокомпонентным газогенератором, ра­ ботающим на том же компоненте, что и камера сгорания, незна­ чительно отличается от схемы двигателя с двухкомпонентным газогенератором.

Материалы, из которых изготовлены элементы турбины, не допускают использование газа с высокой температурой.

На рис. 1.5 изображена типичная кривая зависимости темпе­ ратуры продуктов сгорания Т от коэффициента избытка окис­ лителя а. Температура понижается как в области малых значе­

а, так и область больших а.

Двухкомпонентный газогенератор, работающий с избытком

Для обеспечения более надежной работы двухкомпонентного газогенератора в некоторых случаях [5] компонент, поступаю­ щий в избытке, подается в камеру газогенератора в два приема* через две зоны (рис. 1.6): частично через головку и в зону Г ' вместе с другим компонентом; оставшаяся часть балластирую­

* По химическим свойствам генераторного газа.

10

щего компонента — в зону II (на некотором расстоянии от го­ ловки) .

Генераторный газ с избытком горючего имеет обычно боль­ шее значение газовой постоянной R, чем газ с избытком окисли­ теля. Кроме того, обладая восстановительными свойствами, ге­ нераторный газ с избытком горючего не является агрессивной средой по отношению к эле­ ментам конструкции турбины, и в случае его использования (дожигания) можно иметь бо­ лее высокую температѵоу, чем при дожигании газа с избытком окислителя, обладающего кор­ розионно-агрессивными свойст­ вами.

номичней использовать генера­ торный газ с избытком горюче­ го, поскольку он допускает меньшие расходы и тем самым сокращает общие потери, свя­ занные с выбросом [15].

Для Ж РД с дожиганием ге­ нераторного газа существенно увеличивается его расход [43].

Так как возможный максимальный расход генераторного газа с избытком окислителя в 2—3 раза больше, чем возможный рас­ ход газа с избытком горючего, в Ж РД с дожиганием лучше применять газогенератор с избытком окислителя.

11

1.1.3. Ж РД с дожиганием генераторного газа после турбины в камере сгорания

Нз рис. 1.8, 1.9 и 1.10 приведены возможные варианты схем Ж РД с дожиганием генераторного газа: два варианта схем ти­

При использовании газогенератора с избытком горючего (см. рис. 1.8) весь расход его в двигателе подается в газогенера­

* Такая терминология основывается на типе смесительных элементов на головке камеры сгорания. В схеме «газ — жидкость» один компонент подается в газообразном виде, другой — в жидком; в схеме «газ — газ» оба компонента подаются в камеру сгорания газифицированными.

тор 3 вместе с количеством окислителя, существенно меньшим стехиометрического. После турбины газ по магистрали (газово­ ду) направляется к головке камеры сгорания, к которой одно­ временно подводится и остальное необходимое количество жидкого окислителя.

При газогенераторе с избытком окислителя (см. рис. 1.9) в газогенератор 4 подается весь расход окислителя в двигателе и небольшое количество горючего, а в камеру сгорания — остав­ шаяся часть расхода горючего и газифицированный окислитель.

Так как газифицированный компонент попадает после тур­ бины в камеру сгорания, то для обеспечения необходимой мощ­ ности турбины давление в газогенераторе должно быть выше, чем в камере сгорания. Поэтому потребная мощность насосов, а значит, и всего ТНА, оказывается для двигателей с дожигани­ ем существенно выше, чем для двигателя такой же тяги, но вы­ полненного по схеме без дожигания.

Если один из компонентов является унитарным топливом, т. е. может разлагаться с образованием газообразных продук­ тов сгорания, схема двигателя с дожиганием несколько упро­ щается — вместо двухкомпонентного газогенератора в этом слу­ чае используется однокомпонентный, в который подается один из компонентов, а другой компонент в жидком виде целиком подается в камеру сгорания.

Достижимое давление в камере сгорания для двигателя с дожиганием типа «газ — жидкость» ограничивается допустимым значением температуры газа перед турбиной и невозможностью увеличить его расход [15]. Некоторое преимущество с этой точ­

чего. При этом благодаря увеличению суммарного расхода ра­ бочего тела ТНА увеличивается достижимое давление в камере сгорания, а при заданном давлении в камере сгорания умень­ шаются потребные значения давления в газогенераторах и соот­ ветственно уменьшаются потребные напоры насосов.

Для двигателей, работающих на низкокипящих компонентах (жидкий водород, кислород и т. д.), возможна схема с исполь­ зованием в качестве испарительного генератора зарубашечной полости камеры сгорания, куда компонент поступает из насоса ТНА, здесь за счет тепла, поступающего через стенки камеры сгорания, испаряется *, а затем подается на турбину. После тур­ бины газифицированный компонент, так же как и во всех других вариантах схемы с дожиганием, подается к головке камеры сгорания [15]. Так как количество тепла, которое можно полу-

* Вернее, переходит в газовое состояние, так как в зарубашечном простран­ стве давление в большинстве случаев должно быть выше критического.

13

чить с поверхности камеры сгорания, ограничено, то ограничен­ ной оказывается и работоспособность газа RT. В связи с этим такую схему целесообразно применять для компонентов, имею­ щих высокую газовую постоянную R (например, водород).

Кроме указанных выше отличий одной схемы Ж РД от дру­ гой, двигатели могут различаться также по типу бустерных на­ сосов, установленных на входе в основные насосы ТНА. Необхо­ димость в бустерных насосах возникает из-за противоречий между требованием облегчения баков ракеты путем снижения давления наддува в них п требованием уменьшения веса двига­ теля, что достигается путем увеличения частоты вращения турбонасосного агрегата, а это из-за кавитации возможно только при увеличении давления на входе в насосы ТНА, для чего на трактах между баками и насосами устанавливаются бустерные насосы различных типов. Введение бустерных насосов изменяет пневмогидравлическую схему двигателя.

1.2.ВНЕШНИЕ СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ИУПРАВЛЕНИЕ ВЕКТОРОМ ТЯГИ

Зависимость основных параметров двигателя: тяги и удель­

ЖРД. Единственным * внешним условием, влияющим на указан­ ные параметры двигателя, является давление во внешней среде у среза сопла камеры сгорания и срезов выхлопных патрубков ТНА (для двигателя с выбросом генераторного газа в атмос­ феру). Давление у среза сопла зависит от высоты полета ра­ кеты.

Режим работы двигателя определяется секундным расходом топлива и соотношением расходов компонентов топлива, пода­ ваемых насосами в камеру сгорания. Режимом работы двигате­ ля управляют системы регулирования ракеты и самого двигате­ ля. Кроме того, на режим работы двигателя оказывают воздей­ ствие возмущения, связанные с отклонением от расчетных значений конструктивных параметров элементов двигателя (так называемые внутренние факторы) и параметров компонентов на входе в насосы двигателя (внешние факторы).

Системы управления ракеты и двигателя могут изменять как суммарный расход компонентов топлива, так и их соотношение. При изменении соотношения компонентов (т. е. коэффициента избытка окислителя а), при сохранении постоянным суммарного расхода топлива одновременно изменяется и удельный импульс тяги двигателя. Существует некоторое оптимальное значение а, при котором удельный импульс тяги имеет максимальное зна­

* Если не учитывать случайных возмущений, действующих на режим ра­ боты двигателя, о которых будет сказано ниже.

15

чение (рис. 1.11). Для каждого значения давления в камере сгорания (давление на срезе сопла рс принято постоянным) имеется свое оптимальное значение коэффициента избытка окис­ лителя а.

Приведенные на рис. 1.11 кривые являются результатом термодинамиче­ ских расчетов и не учитывают возможной неполноты сгорания топлива в ка­ мере сгорания, которая также зависит от соотношения компонентов. Учет зависимости полноты сгорания от соотношения компонентов приводит к еще более резкому изменению удельного импульса тяги при изменении а.

В связи с существенной зависимостью основной энергетиче­

сгорания и двигателя в целом, Они отличаются на 1—3% из-за дополнительных потерь при выбросе генераторного газа после турбины во внешнюю среду,

Для двигателя с дожиганием характеристики камеры сгорания и двигателя совпадают.

1.2.1. Дроссельная характеристика двигателя

Характеристики камеры сгорания рассчитывают по следую­ щим уравнениям [5]:

16