книги из ГПНТБ / Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

610 Гл. 11. Режимы ЖРД и автоматическое регулирование их работы.

В приведенном здесь примере вопрос касался автоматического

регулирования только одной камеры двигателя. Практически воз­ можно соединение нескольких камер двигателя в одну общую схе­

му регулирования. В многокамерных ЖРД во избежание несиммет­

ричности регулирующей силы тяги необходимо строго взаимное согласование тяг отдельных камер (двигателей). Блок-схема мно­ гокамерного двигателя без системы регулирования соотношения

компонентов топлива показана на фиг. 11. 15.

Фиг. 11.15. Блок-схема системы автоматического регули­ рования многокамерного ЖРД (за исключением регулиро­ вания соотношения компонентов топлива).

1—клапан ГГ, 2—газогенератор, 3—главный регулятор, 4—газовая турбина, 5—регулятор оборотов турбины, 6—регулятор тяги, 7—на­ сос окислителя, 8—насос горючего, 9—воздействие фактора уско­ рения в полете, 10—магистраль окислителя, 11—магистраль горю­ чего, 12, 13 и 14—соответственно первая, вторая и третья камеры

двигателя.

Рассмотренные выше способы пригодны только для регулиро­ вания тяги в узких пределах, при которых незначительно нару­ шается устойчивость процесса сгорания вследствие косвенного изменения перепада давления компонентов топлива в форсунках.

При определении характеристик ЖРД на испытательном стенде целесообразно широко использовать автоматическое регулирование и дополнительно счетно-решающие машины, позволяющие устра­ нить возможные ошибки, свойственные «ручному» управлению,

и получить без дополнительных вычислений все необходимые ха­ рактеристики двигателя. Автоматическое регулирование при экспе­ риментальных исследованиях двигателя приводит также к эконо­

мии топлива, более полному и точному определению необходимых

характеристик при уменьшении трудоемкости. Для примера ниже приведены схемы оборудования, где в качестве регулируемых па­

612 Гл. И. Режимы ЖРД и автоматическое регулирование их работы

На фиг. 11. 17 дана схема испытательного стенда с регулирова­ нием давления в камере сгорания и соотношения компонентов топ­

лива. Это устройство позволяет получить зависимость Руд от х при переменных значениях рк и зависимость Руд от рк при различных

значениях х, а также проводить контрольные испытания двигателя при постоянных значениях рк и х (фиг. 11. 18).

Испытательный стенд с устройством автоматического регулиро­ вания, кроме давления в баках, тяги, расхода топлива, давления в камере сгорания, измеряемых непосредственно, позволяет вы­

явить ряд других факторов, для расчета которых могут быть при­ менены счетные машины, показанные на фиг. 11.17 пунктиром

(аппараты 6 и 7).

Глава 12

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЖРД

Завершающим этапом разработки ЖРД является система пу­

ска, регулирования работы и остановки двигателя. Этот этап про­

ектирования тесно связан с разработкой системы подачи топлива в камеру сгорания двигателя.

При неисправности работы систем зажигания и запуска воз­ можна авария двигателя и летательного аппарата в целом. Поэто­

му при проектировании ЖРД особое внимание должно быть уде­ лено вопросам надежного запуска, работы и остановки двигателя.

Система пуска и остановки двигателя в основном зависит от его тактического назначения и величины тяги. Для двигателей одноразового и многоразового действия эта система может быть выполнена конструктивно весьма различно, так как, например, тре­ бование повторности запуска двигателя налагает дополнительные условия на работу системы зажигания топлива и механизмов авто­

матики.

Для плавного и быстрого запуска двигателя управление систе­ мой зажигания должно быть четким и точным, а обслуживающий персонал должен быть хорошо ознакомлен с соответствующими инструкциями.

В настоящей главе приведены краткие сведения об основных

способах зажигания топлива, правилах запуска и остановки ЖРД. а также освещены другие вопросы эксплуатации двигателей.

§ 1. Надежность работы двигателя

Надежность работы ЖРД в течение гарантированного ресурса является одной из основных его характеристик. Этот фактор необ­ ходимо учитывать при создании нового образца ракетного двига­ теля.

Отказы в работе двигателя происходят главным образом при его запуске вследствие:

1)ненадежности зажигательного устройства пусковой автома­

тики;

2)низкого качества пусковых или рабочих компонентов топли­ ва, вследствие чего они вначале неудовлетворительно горят;

зование первых порций компонентов, подаваемых в камеру сгора­ ния, было высококачественным.

Род топлива, его способность воспламеняться играют сущест­ венную роль. Чем легче воспламеняется топливо, чем ниже его температура самовоспламенения, тем мягче запускается двигатель^ Поэтому добавка некоторых веществ к окислителю и горючему активизирует их воспламенение.

Взрывчатая и весьма склонная к детонации смесь из горючего и окислителя, скопившаяся в камере сгорания за время задержки

воспламенения, при воспламенении способна произвести огромные разрушения. Именно поэтому при пуске двигателей происходит подавляющее большинство взрывов двигателей. Однако при оста­

новках двигателя иногда также имеют место разрушительные взры­ вы вследствие несовершенства конструкции двигателя, например системы смесеобразования, автоматики, или других причин.

Запуск двигателя в значительной мере зависит от давления по­ дачи компонентов топлива, гидравлического удара в системе атмо­ сферного давления и других факторов. Чем больше тяга двигателя,

тем труднее условия его безопасного запуска и надежной работы, ибо в этом случае приходится иметь дело с большими расходами топлива, высокими температурами и давлениями в системе с боль­ шими объемами напряженной конструкции. Поэтому в ЖРД боль­ шой тяги должна еще больше возрасти роль автоматики в управ­ лении всеми процессами запуска, регулирования работы и оста­

новки двигателя. Высокоразвитая автоматика должна иметь надеж­ ную, где требуется, двойную блокировку и детально контролиро­

вать все элементы процесса запуска.

Особенно велики трудности при разработке двигателей, рабо­ тающих на унитарном топливе, содержащем в себе окислитель и горючее, либо двигателей с раздельной подачей горючего и окис­

лителя, если эти компоненты топлива при контакте между собой взрываются. В этом случае взрыв в камере сгорания может вы­

звать взрыв топлива в баках и системе питания.

Компоненты топлива, взрывчатые сами по себе, можно допу­ скать лишь в том случае, если для инициирования взрыва этих ком­ понентов требуется специальный особо мощный возбудитель, не

встречающийся в практике употребления этих компонентов. Как правило, нестойкие унитарные компоненты не должны употреблять­ ся, так как даже на хорошо отработанном двигателе при их при­ менении не исключается возможность появления неравномерных хлопков, взрывов, особенно при неправильном запуске двигателя.

В этих случаях топливные баки и двигатель по конструктивным

соображениям приходится обычно располагать в непосредственной

близости, что заставляет предъявлять к компонентам топлива осо­ бенно жесткие требования в отношении их стойкости. Именно сооб­

ражения о химической стойкости вынуждают хранить компоненты топлива в отдельных баках.

616Гл. 12. Некоторые вопросы эксплуатации ЖРД

Внастоящее время уже освоено управление процессом сгора­ ния топлива в двигателе, так что случаи взрыва доведенной кон­ струкции, после того как двигатель заработал и вышел на режим, очень редки. На установившемся режиме работы двигатель может

взорваться в результате нарушения герметичности агрегатов

и коммуникаций или поломок вследствие недоброкачественного

изготовления или монтажа и других причин (вибраций, недостаточ­ ной прочности отдельных элементов).

Двигатель должен быть выполнен так, чтобы в момент его за­ пуска были исключены гидравлические удары и пульсации в си­ стеме питания.

Повышение надежности в работе ЖРД возможно путем дубли­

рования, заключающегося в создании некоторых дополнительных агрегатов и систем, заменяющих основные агрегаты, и системы автоматики двигателя в случае их отказа в работе. Этот принцип целесообразен только в случае, когда увеличение веса двигателя, связанное с дублированием, компенсируется существенным повы­ шением надежности его работы.

§ 2. Запуск и остановка ЖРД

Запуск и остановка двигателя являются наиболее сложными

стадиями его работы. Поэтому при проектировании ЖРД большое внимание должно быть уделено вопросам его надежного запуска

и остановки. Запуск двигателя обычно производят с пульта при общей готовности боевого аппарата к полету.

Основное требование к запуску и остановке двигателя заклю­ чается в том, чтобы обеспечить надежный и плавный выход двига­ теля на основной режим работы и безотказную остановку его.

Кроме того, запуск не должен перегружать камеру и должен зани­ мать минимальное время.

В настоящее время существуют самовоспламеняющиеся топли­ ва, дающие высокую эффективность (удельную тягу), но запуск двигателя на этих топливах по «пушечной» схеме дает высокие пе­

регрузки камеры сгорания (см. фиг. 11.1). Продолжительность процесса запуска зависит главным образом от времени срабатыва­ ния автоматики и быстроты создания необходимого давления по­

равняется 0,05—0,1 сек., что составляет лишь часть общего време­ ни (1—2 сек.), обычно отводимого на запуск.

Для надежного запуска ЖРД необходимо выполнить следую­ щие условия.

1. При запуке двигателя в камере сгорания не должно скапли­ ваться большое количество одного или обоих компонентов топлива.

Особенно опасно скопление в камере сгорания обоих компонентов^

так как смеси горючего и окислителя, применяемые в ЖРД, явля­ ются взрывчатыми. Если к началу воспламенения в камере сгора­ ния скопится большое количество горючей смеси, то при пуске дви­

гателя давление газов повысится внезапно до весьма большой ве­

личины, т. е. произойдет хлопок чрезмерной силы, который может

привести к разрушению камеры.

Для предупреждения этого пусковая система двигателя должна

обеспечить воспламенение компонентов топлива не более чем через

0,03 сек. после поступления их в камеру сгорания.

Чтобы скопление горючей смеси в камере сгорания в момент запуска не было большим, в двигателях больших тяг пусковой рас­ ход компонентов топлива приходится принимать значительно мень­

ше основного расхода, т. е. вводить ступенчатую подачу компонен­ тов топлива в камеру сгорания с выходом на следующую ступень

после того, когда двигатель нормально вышел на первую ступень работы. В двигателе А-4 предварительная ступень тяги равна 8 т.

Ступенчатым называется запуск двигателя с предварительным

воспламенением небольшого расхода топлива и с последующим пе­ реходом на иодный расход.

Величина пускового расхода топлива в каждом конкретном слу­ чае определяется периодом задержки воспламенения компонентов топлива и характером нарастания давления газов в камере сгора­ ния. Достаточно устойчивую работу двигателя (без значительных колебаний и хлопков) практически можно получить, если первона­ чальный расход горючей смеси составляет не менее 20—30% от общего расхода его в камеру сгорания. В некоторых случаях этот расход может быть и ниже указанного, что определяется типом системы запуска..

Плавное нарастание давления в камере сгорания при запуске двигателя также можно получить, постепенно изменяя состав топ­ лива, как при пушечной схеме запуска.

2. При запуске двигателя должен строго соблюдаться порядок поступления компонентов топлива в камеру сгорания. Желательно,

чтобы компоненты топлива поступали в камеру сгорания одновре­

менно, но так как практически осуществить это невозможно из-за несовершенства синхронизации пусковой автоматики двигателя, то обычно допускается опережение подачи в камеру сгорания одного из компонентов топлива на доли секунды.

Очередность поступления компонентов топлива в камеру сгора­ ния у разных двигателей может быть различной и зависит от си­

стемы зажигания при запуске, способа смесеобразования и рода самих компонентов топлива.

Последовательность поступления компонентов топлива в каме­ ру, необходимая для нормального запуска двигателя, может быть-