4. Системы наддува топливных баков

Для обеспечения работы центробежных насосов ЖРД особенно при высоких давлениях в камере двигателя (свыше 100–200 и более кг/см²) необходимо на входе в насос иметь достаточное высокое давление в рас­ходуемом компоненте (несколько атмосфер). Для этого баки должны наддуваться газом. Давление наддува обеспечивает создание в баках рас­тягивающей силы, способствующей снижению сжимающих нагрузок.

Системы наддува топливных баков – составные части ПГС ракет с ЖРД.

К этим системам предъявляются следующие основные требования:

– безотказность действия и обеспечение заданного режима наддува с определенной точностью;

– малая масса и небольшие габариты элементов системы;

– удобство и безопасность эксплуатации.

Наддув топливных баков с насосной системой подачи необходим:

– для обеспечения бескавитационной работы насосов на всех режимах работы двигателя;

– для устранения провала давления в баках в момент запуска двигателя;

– для ускорения выхода двигателя на режим (уменьшение предстартовых расходов топлива);

– для повышения прочности баков при воздействии на них осевых сжимающих нагрузок.

В ракетах с насосной подачей топлива применяются в основном центробежные лопастные насосы, поэтому для обеспечения их бескавитационной работы необходимо, чтобы давление жидкости при входе в насос было всегда выше давления упругости паров этой жидкости. Это превышение должно быть тем больше, чем больше расход компoнeнта топлива и число оборотов насоса.

Давление жидкости на входе в насос Р_вх, складывается из давления столба жидкости Р_ст и давления газа наддува над свободной поверхностью жидкости Р_б. Учитывая потери в топливной системе Р_, давление на входе в насос будет Р_вх = Р_ст + Р_б + Р_. До пуска ракеты Р_ст = h₀ , где h₀ – начальная высота столба жидкости.

На активном участке траектории давление столба жидкости пе­ред насосом будет переменным. За счет выработки компонента высота столба h жидкости уменьшается, ракета движется с ускорением и на столб жидкости будет действовать осевая перегрузка n_x.

Статическое давление на входе в насос в каждый момент времени будет Р_ст = h n_x. Если при расчете насоса на кавитации определена величина минимально допустимого давления на входе P_{вх min}, то потребное давление в баке должно быть таким, чтобы при минимальном давлении столба жидкости обес­печивалось необходимое давление на входе в насос, т.е.

Р_{б min} = P_{вх min} – Р_{ст min} + Р_ .

Для обеспечения нормальной работы двигателя, применяются следующие виды наддува баков:

– предстартовый наддув баков первой ступени, обеспечивающий запуск двигателей этой ступени;

– бортовой наддув, обеспечивающий работу двигателей на номинальном режиме;

– гарантийный наддув или поднаддув баков второй и последующих ступеней, обеспечивающих запуск их двигателей.

В современных ракетах используются следующие системы борто­вого наддува топливных баков:

– системы наддува, использующие продукты сгорания основных компонентов топлива;

– газобаллонные системы наддува (воздухом, азотом или гелием);

– испарительные системы наддува.

Выбор системы наддува определяется:

– конструктивной схемой ракеты;

– физико-химическими свойствами ком­понентов топлива;

– требованием обеспечения минимальной массы кон­струкции.

Созданию большого давления в баках препятствует воз­никновение существенных кольцевых напряжений, могущих при­вести к разрыву оболочки.

Наддув баков может осуществляться газом, запасенным на бор­ту ракеты, в соответствующих емкостях, либо образуется в резуль­тате испарения компонентов РТ в специальных теплообменниках, либо вырабатываться на борту в специальных генераторах с исполь­зованием основных или вспомогательных КРТ.

В последнем случае в баки подается газ с достаточно высокой температурой; поэтому недопустимо, чтобы газ наддува попадал на стенки бака во избежание нагрева стенок и снижения прочностных свойств материала бака. Также нежелательно попадание горячего газа на поверхность жидкого компонента, особенно горючего, в ре­зультате чего может произойти образование твердых частиц (смол) в компоненте, ухудшающих работу форсунок двигателя. Конструкция распылителей газа наддува показана на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Типовые конструкции распылителей газонаддува:

а) При наддуве горячим газом с защитой от действия газа как стенки бака, так и поверхности жидкости:

1 – коллектор; 2 – полукольцевой экран защиты стенки бака; 3 – стенка бака; 4 – форсуночные отверстия; 5 – элемент крепления экрана на стенке бака; 6 – основание крепления коллектора; 7 – трубопровод подачи газа;

б) При наддуве горячим газом с направляющими экранами:

1 – форсунка; 2 – направляющий экран;

в) при наддуве холодным газом:

1 – форсунки; 2 – коллектор наддува

В настоящее время решена задача организации наддува баков путем впрыска непосредственно в бак окислителя некоторого коли­чества горючего, а в бак горючего – окислителя. Происходящая ре­акция в баках обеспечивает выработку газа наддува прямо в баке. Такая схема значительно упрощает систему наддува, хотя может применяться при использовании самовоспламеняющихся КРТ.

Возможна схема получения газа наддува путем сжигания ос­новных компонентов топлива в специальных генераторах наддува при соотношениях компонентов, очень далеких от стехиометрических. При этом может быть получен газ с низкой температурой (200–250 °С), который направляется в наддуваемый бак. Возможна также схема отбора газа для наддува из ГГ и даже из камеры двига­теля с последующим смешением очень горячего газа (температура 800–2000°) с холодным компонентом, что также приводит к охлаж­дению газа до приемлемых для наддува температур.