24.Изготовление и испытания жидкостных ракетных двигателей (жрд).

Жидкостной ракетный двигатель (ЖРД) – это ракетный двигатель, работающий на жидких компонентах ракетного топлива (горючем и окислителе). Горючее и окислитель смешиваются в ЖРД, воспламеняются и выбрасываются в виде раскаленных газов (пламени) из сопла. В результате возникает реактивная сила, действующая в противоположную сторону выброса раскаленных газов из ЖРД. Эта реактивная сила действует на ракета-носитель (РН) или космический аппарат (КА), приводя их в движение.

Изготовление ДУ производится на специализированных предприятиях, входящих в кооперацию по изготовлению РН или КА. Полностью готовая ДУ отправляется на головное предприятие кооперации, где ДУ в цехе окончательной сборки устанавливается на ступень РН или на КА.

По функциональному назначению ЖРД могут быть:

• стартовыми,

• маршевыми,

• рулевыми,

• тормозными,

• стабилизирующими,

• корректирующими,

• для маневрирования на орбите и другими.

ЖРД является одним из наиболее сложных и совершенных двигателей внутреннего сгорания.

Режим работы ЖРД чрезвычайно напряженный. Детали ЖРД работают при значительных давлениях, подвергаются действию вибрационных нагрузок, высоких температур, эрозионному действию горячих истекающих газов, аэродинамическому нагреву, работают в контакте с агрессивно-активными средами.

Главным требованием к ЖРД является снижение массы и габаритов при обеспечении максимальной надежности при удовлетворении требований, предъявляемых к двигателю. Одним из таких требований является ресурс двигателя – время его безотказной работы.

В настоящее время существует большое количество конструкций ЖРД, различающихся многими признаками.

С точки зрения компоновки различают:

1) однокамерные ЖРД – где одна камера сгорания и одно сопло,

2) многокамерные ЖРД – где несколько камер сгорания и столько же сопел, например, четырехкамерный ЖРД.

С точки зрения соединения ЖРД с корпусом РН или КА различают:

а) ЖРД рамной конструкции, где крепление двигателя с корпусом РН или КА производится с помощью специальной силовой рамы (фермы), это, как правило, большие по габаритам и мощные двигатели,

б) ЖРД без силовой рамы, это, как правило, небольшие по габаритам и мощности двигатели, крепящиеся к РН или КА с помощью небольших деталей.

Состав жидкостного ракетного двигателя.

ЖРД состоит из нескольких агрегатов, устройств и деталей, объединенных в двигательную установку (ДУ):

1) Камера сгорания – служит для воспламенения компонентов топлива,

2) Сопло – крепится к камере сгорания и формируют поток вырывающихся из камеры сгорания раскаленных газов, придавая им определенное направление,

3) Турбо-насосный агрегат (ТНА) – служит для подачи компонентов топлива из баков в камеру сгорания ЖРД,

4) Газогенератор (ГГ) – служит для выработки газа для вращения турбины ТНА,

5) Система трубопроводов – для подачи компонентов топлива и для обеспечения работы ДУ в целом,

6) Управляющие клапаны и исполнительные механизмы – открывают-закрывают проход для компонентов топлива и обеспечивают работу ДУ,

7) Электросистема – управляет работой клапанов и исполнительных механизмов,

8) Силовая рама (ферма) или другие детали, крепящие ДУ к корпусу РН или КА,

9) Система управления вектором тяги в виде устройства для отклонения двигателя от своей оси; если двигатель неподвижен, то используют небольшие рулевые двигатели.

В двигательной установке (ДУ) наиболее характерным с конструктивно-технологической точки зрения узлом является непосредственно сам двигатель, в который включают камеру сгорания и сопло. Остальные выше указанные устройства и агрегаты ДУ обеспечивают их работу. Верхняя часть камеры сгорания называется форсуночной головкой - в ней расположены форсунки горючего и окислителя, распыляющие компоненты топлива в камеру сгорания. Распыление обеспечивает равномерное перемешивание компонентов топлива, увеличивает площадь их горения. Камера сгорания соединена с соплом, раскаленный газ попадает из камеры сгорания в сопло через отверстие, называемое критическим. Сопло расширяется и заканчивается диаметром, который называют диаметром среза сопла.

Камера сгорания включает в себя следующие типовые детали: внутренняя оболочка, или огневая стенка; наружная оболочка, или рубашка; связующие элементы огневой стенки и рубашки; форсуночная головка.

Форсуночная головка состоит из следующих типовых деталей: верхнее днище с патрубками и фланцами; среднее днище; нижнее огневое днище; форсунки горючего и окислителя.

Сопло состоит из охлаждаемой части (огневая стенка и рубашка) и неохлаждаемой части, примыкающей к срезу сопла. В сопло и камеру сгорания в пространство между огневой стенкой и рубашкой подается один из компонентов (чаще горючее) для охлаждения двигателя. Дальше это горючее попадает в камеру сгорания.

Классификация ЖРД.

ЖРД в зависимости от типа камеры сгорания (КС) классифицируют следующим образом:

1) КС с соединительными кольцами - двигатели средней мощности с охлаждением стенок КС одним из компонентов (горючее), протекающим в межрубашечном пространстве; КС состоит из оболочек, связанных при помощи колец .

2) КС с гофрированными проставками - двигатели средней и большой мощности, а также рулевые двигатели, имеющие КС с охлаждением одним из компонентов и с оболочками, связанными пайкой при помощи гофрированных проставок, установленных между рубашкой и стенкой.

3) КС с выштамповками - двигатели средней и малой мощности, имеющие КС с охлаждением одним из компонентов и с оболочками, связанными сваркой через выштамповки в рубашке.

4) КС с U-образными профилями - двигатели, в камерах сгорания которых межрубашечное пространство образованно соединением пайкой U-образных профилей с рубашкой.

5) КС с ребрами жесткости - двигатели малой и средней мощности, оболочки КС которых связаны при помощи ребер жесткости на одной из оболочек (стенке), получаемых фрезерованием, травлением или выдавливанием продольных канавок (пазов) переменной ширины.

6) КС с трубками - двигатели большой и средней мощности, оболочка КС которых состоит из тонкостенных трубок переменного профиля, соединенных пайкой и скрепленных по наружной поверхности намоткой стальной ленты, проволоки или стекловолокна.

7) КС без охлаждения - двигатели небольшой мощности с одной оболочкой без охлаждения стенок компонентами.

Рассмотрим изготовление и сборку камер сгорания на примере камер сгорания с гофрированными проставками.

Изготовление и сборка камер сгорания с гофрированными проставками.

Данный тип камер сгорания (КС) состоит из двух оболочек: внутренней (огневой стенки) и внешней (рубашки), связанных друг с другом пайкой при помощи гофрированных проставок. Подобные КС нашли широкое применение в конструкциях двигателей большой и малой мощности.

Камера сгорания с гофрированными проставкими состоит из следующих основных частей: верхняя (головная) часть (форсуночная головка); средняя часть (собственно камера сгорания), включающая и критическое сечение, что обусловлено необходимостью вынести за критическое сечение кольцевой сварной шов, по которому производится стыковка средней и нижней части; нижняя (закритическая) часть (сопло), самая нижняя часть которой может быть одностенной, без охлаждения.

Требования к КС с гофрированными проставкими, как и к любым КС, заключаются в следующем:

1) обеспечение правильной геометрической формы и размеров узла и всех элементов КС;

2) обеспечение заданной прочности и жесткости после сборки;

3) обеспечение герметичности конструкции в целом и отдельных элементов;

4) обеспечение заданного режима протекания компонента в межрубашечном пространстве: заданного расхода компонентов и перепада давлений в трактах "О" и "Г";

5) обеспечение высоких требований по коррозионной стойкости к материалам и по эрозионной стойкости к вкладышам в критическое сечение.

Материалы для элементов КС кроме конструктивных показателей должны иметь хорошие технологические свойства: штампуемость, свариваемость, способность к пайке без флюсов, во избежание загрязнения флюсами внутренних полостей, обрабатываемость резанием.

Стенка двигателя подвергается непосредственному воздействию давления горячих газов и коррозионному действию компонентов, протекающих в межрубашечном пространстве. Для лучшего отвода тепла материал стенки должен обладать хорошей теплопроводностью и конструктивно часто имеет небольшую толщину. Стенка обычно изготавливается из листовой нержавеющей стали Х18Н9Т, жаропрочных (ЭИ659) или титановых сплавов.

Рубашка в большинстве КС подобного типа является основным несущим элементом конструкции, воспринимающим силовые воздействия от работающего двигателя. Кроме силовых нагрузок рубашка подвергается коррозионному действию протекающих в межрубашечном пространтсве компонентов. Рубашка обычно изготовляется толще, чем стенка, и иногда толщина меняется по длине КС. В качестве конструкционных материалов для рубашки применяются легированные стали ЭИ654, ЭИ763 (23Х2Н13ФА), ЭИ811 (Х21Н5Т), ЭП-56, 10Х16Н45А, иногда титановые сплавы.

Гофрированные проставки в процессе работы двигателя подвергаются действию протекающего компонента. Сложная их конфигурация обуславливает высокие технологические свойства материалов проставок, особенно по холодной штампуемости и способности к пайке. Материалом для них служат малоуглеродистые стали 08КП и 10КП, иногда нержавеющая сталь Х18Н9Т.

Конструкция КС (средняя и нижняя часть) делится на отдельные кольца (обечайки), состоящие из собранных с помощью пайки поясков стенки, рубашки и проставок. Таких поясков может быть от 3 до12. Изготовление их производят параллельно, затем собирают на специальных оправках и сваривают по окружности, получая готовые блоки средней и нижней части КС, далее средняя и нижняя части собираются вместе, после контроля и испытаний весь узел подается на сборку с форсуночной головкой.

Внутренняя оболочка средней части КС – огневая стенка – состоит из цилиндрической части, представляющей собой обечайку с прямолинейными образующими, и криволинейной части – фасонной обечайки. Цилиндрическая часть изготавливается из одной заготовки. Криволинейная часть может изготавливаться из нескольких поясков или из одной обечайки. Для обеих частей используются листовые заготовки, вырезаемые из стальных или титановых полос по заданным размерам. Цилиндрическая часть стенки изготавливается из листовой заготовки гибкой и сваркой по продольной образующей.

Криволинейная часть изготавливается гибкой из специально раскроенной заготовки, в результате чего получается коническая заготовка, и последующей штамповкой. Перед штамповкой продольные сварные швы, полученные аргоно-дуговой сваркой, зачищают, проковывают и отжигают, после чего заготовки поступают на рентгеноконтроль качества швов.

Рубашки по конструкции бывают сборные и цельноштампованные из листовых заготовок. Цилиндрические обечайки изготавливают из листовых заготовок гибкой с последующей продольной сваркой. Криволинейные обечайки получают штамповкой из конических обечаек. Сборка производится на сварочном приспособлении для кольцевой сварки, после чего производится автоматическая сварка.

Гофрированные проставки служат для соединения оболочек (стенки и рубашки) между собой и формирования межрубашечного пространства – тракта для протекания охлаждающего компонента топлива. После сборки и пайки проставок с оболочками обеспечивается необходимая жесткость КС.

Формообразование проставок производится двумя методами: штамповкой и прокаткой в профилированных валках.

Для пайки гофрированных проставок с оболочками устанавливают стенку, на нее наносят припой (например, в виде фольги), устанавливают гофрированную проставку, на нее наносят припой, устанавливают рубашку, всю сборку устанавливают в контейнер, затем производят загрузку в печь, под действием температуры припой плавится, вынимают из печи, происходит затвердевание припоя, соединившего стенку, гофрированную проставку и рубашку КС.

Общая сборка камер сгорания.

На общую сборку камеры сгорания поступают форсуночные головки, камеры сгорания и детали, которые не могут быть присоединены при сборке этих узлов. Все остальные детали должны быть собраны с головкой и камерой на этапе предварительной сборки. В редких случаях камера сгорания поступает на общую сборку раздельно средней и сопловой частью.

Если на общую сборку средняя и сопловая часть подаются раздельно, то общая сборка начинается с соединения этих частей, осуществляемого сваркой в приспособлениях с базой по внутренней поверхности, обеспечивающей соосность собираемых частей камеры. Иногда сборка средней и сопловой части может выполняться пайкой или болтами.

Основным этапом общей сборки камеры сгорания является сборка форсуночной головки с камерой, которая в большинстве случаев осуществляется сваркой, изредка пайкой или болтовым соединением. Камера и головка поступают на сборку с обработанными под сварку стыковочными кромками. Сварка производится в приспособлении для сварки кольцевых швов, которое обеспечивает необходимый поджим элементов в процессе сварки и точное базирование их по внутренним поверхностям с целью обеспечения соосности головки и камеры.

После сборки камеры с головкой производится присоединение опор и кронштейнов, служащих для соединения (подвески) КС с несущей рамой (фермой) РН или КА. Одновременно с опорами могут устанавливаться ряд других конструктивных элементов (кронштейны, штуцера, патрубки). Посадочные места опор после сварки обрабатываются с базой по внутренней поверхности камеры.

На внутренние поверхности огневых стенок КС с целью защиты от воздействия потока горячих газов могут наносить защитные покрытия. Нанесение их производится или при предварительной сборке камеры, или при общей сборке КС. Покрытия бывают из тугоплавких металлов или сплавов на их основе (молибден, тантал, вольфрам и другие), из тугоплавких керамических материалов, из неметаллических композиционных материалов. Защитные покрытия могут наносится металлизацией, гальваническим осаждением, осаждением из газовой фазы, плазменным напылением и другими методами в зависимости от применяемых материалов.

Собранная камера сгорания направляется на испытания, которые включают в себя: прочностные гидроиспытания с давлением на 20-40% выше штатных; пневмоиспытания на герметичность воздухом или гелиевой смесью; пролива водой с целью определения секундного расхода и величины гидравлических сопротивлений (перепада давления на входе и выходе) по каждому тракту отдельно (горючее и окислитель) и при одновременной работе обоих трактов.

После проведения испытаний внутренние полости по обоим трактам продуваются обезжиривающими смесями и горячим воздухом для очистки, обезжиривания и удаления влаги, и КС поступает на сушку в специальные сушильные воздушные или вакуумные печи. После этого все отверстия внутренней полости по обоим трактам заглушаются специальными заглушками и мембранами, производится консервация по специальной инструкции и КС поступает на сборку ДУ.