- •11. Перспективы применения экологически чистых компонентов (метана и водорода) в энергетических и транспортных системах..79
- •Основная литература
- •Галеев а. Г. Экологическая безопасность при испытаниях и отработке ракетных двигателей. Учебное пособие. М.: Изд-во маи, 2006, 92 с.
- •5. Эксплуатация испытательных стендов ракетно-космических систем / Галеев а.Г., Золотов а.А., Перминов а.Н., Родченко в.В. Монография. Изд-во маи. – 2007. Введение
- •1. Особенности и области применения ракетных двигателей
- •1.1. Принципы устройства тепловых двигателей
- •Ракетные
- •Химическая энергия.
- •Ядерная энергия.
- •Электрическая энергия.
- •1.2. Общие особенности жрд
- •1.3. Области применения ракетных двигателей
- •2. Основные параметры жрд
- •3. Требования к двигательным установкам
- •4. Топлива тепловых двигателей
- •4.1. Факторы, определяющие требования к топливам
- •4.2. Общие требования к топливам как термодинамической системе
- •4.3. Топлива на основе воздуха в качестве окислителя (бензины, дизельное топливо, сжиженные газы, спирты)
- •4.4. Жидкие ракетные топлива
- •5. Оптимизация двигательной установки в составе ла
- •6. Основные узлы и агрегаты жрд
- •7. Регулирование процессов и режимы работы жрд
- •7.1.Основные задачи автоматики жрд и ее состав
- •7.2. Системы управления конечными параметрами траектории движения ла (тяга и соотношение компонентов)
- •7.3. Система управления вектором тяги
- •7.4. Система наддува баков
- •8. Запуск и останов жрд
- •8.1. Основные требования к запуску и останову. Этапы запуска и останова
- •8.2. Системы раскрутки турбонасосного агрегата
- •8.3. Система зажигания и воспламенения топлива
- •9. Схемы жрд с насосной подачей топлива
- •9.1. Основные особенности схем
- •9.2. Двигатели с насосной схемой подачи без дожигания генераторного газа
- •9.3. Двигатели с насосной схемой подачи с дожиганием генераторного газа
- •9.4. Удельные характеристики двигателей различных схем
- •10. Экология испытаний и эксплуатации ла
- •11. Перспективы применения экологически чистых компонентов (метана и водорода) в энергетических и транспортных системах
- •Приложение
- •1. Охрана безопасности жизнедеятельности
- •1.1. Особенности организации защиты населения при авариях на химически опасных объектах
- •1.2. Оказание первой помощи
8.3. Система зажигания и воспламенения топлива
Особенно усложняется организация воспламенения топлива в двигателях, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах. В этих случаях воспламенение обеспечивается предварительным включением зажигания – специального устройства или блока зажигания, которые должны быть в составе таких двигателей.
Важным параметром воспламенения является так называемая задержка воспламенения – это время τс с момента контакта (поступления обоих компонентов в камеру сгорания или ЖГГ) и до начала интенсивного .подъема давления (момента распространения пламени по всему объему камеры сгорания). За это время в камеру сгорания или ЖГГ успевает натечь определенное количество компонентов топлива, которое теперь выгорает.
Задержка воспламенения во многом определяет характер запуска: темп набора давления, возможную перегрузку при выходе на режим. Чем меньше время задержки воспламенения, тем меньше успевает натечь в объем камеры сгорания или ЖГГ компонентов до их воспламенения и тем спокойнее будет характер запуска.
К настоящему времени разработаны и применяются в эксплуатации много различных схем и способов зажигания несамовоспламеняющихся компонентов. Рассмотрим некоторые из них, получивших наиболее широкое применение.
Химическое зажигание. Имеются две схемы конструктивного выполнения такого зажигания.
Первая схема представлена на рис. 8.6, а. Здесь в трубопроводе горючего перед камерой выделен или "врезан" объем, отделенный прорывными мембранами от остальной части трубопровода. Этот объем заполняется пусковым горючим, которое самовоспламеняется с используемым в двигателе окислителем. Например, при азотнокислотном окислителе (смеси HNO3 и N2O4) – самовоспламеняющимся компонентом обычно служит смесь триэтиламина (C2H5)3N и ксилидина (СНз)2С6Н3NH2.
При открытии главного клапана горючего, последнее устремляется по трубопроводу и заполняет его. При определенном давлении последовательно разрываются обе мембраны, и пусковое горючее первым поступает в камеру сгорания и там самовопламеняется с поступившим окислителем.
Рис. 8.6. Схемы химического зажигания:
а – одноразовая; б – многоразовая; 1 – капсула с самовоспламеняющимся компонентом с данным окислителем; 2 –аккумулятор давления; 3 – форсунка впрыска пускового горючего
Поступающий затем расход основного горючего с окислителем зажигается от продуктов сгорания пускового горючего с этим же окислителем. Эта схема зажигания достаточно надежная. Она может использоваться для запуска как малых двигателей, так и больших. Основной ее недостаток – однократность запуска.
Вторая схема представлена на рис. 8.6, б. Здесь в составе двигателя имеется специальная пусковая система: бачок с пусковым горючим, которое самовоспламеняется с данным окислителем, система его подачи и трубопровод с клапанами. Обычно трубопровод соединен со специальной пусковой двухкомпонентной форсункой, расположенной на смесительной головке. Например, при окислителе О2 воспламеняющимся с газообразным О2 компонентом служит смесь триэтилалюминия (С2Н5)3Al и триэтилбора (С2Н5)3В.
При запуске с открытием главного клапана окислителя открывается и клапан подачи пускового горючего в форсунку. Происходит самовоспламенение и образование очага горения – запального факела. После поступления в камеру основного горючего, последнее воспламеняется от этого факела. Как только камера вышла на рабочий режим, подача пускового горючего прекращается, а пусковая форсунка переключается на питание основным горючим.
Эта схема запуска также надежна. Основное ее достоинство – возможность осуществления многократного запуска в полете. По этой схеме запускаются многие двигатели, например, двигатель F-1 РН "Сатурн-5".
Количество пусковых компонентов выбирается в зависимости от требуемой интенсивности пускового факела. При проектировании потребное количество пускового компонента может быть определено по эмпирической формуле
(8.1)
где К = 1,2п0,5 – коэффициент, учитывающий влияние программирования запуска;
n – количество ступеней при программированном ступенчатом запуске (при плавном программировании n = 1,5);
– секундный массовый расход топлива после выхода двигателя на режим;
τпр – время пребывания топлива в КС (газогенераторе).
Каталитическое зажигание. Применяют в том случае, если для заданных топливных компонентов можно подобрать катализатор, обеспечивающий их эффективное воспламенение в заданных эксплуатационных условиях. Катализаторы могут быть жидкими и твердыми. Например, при использовании перекиси водорода в сочетании с углеводородными горючими перекись водорода разлагается при контакте с твердым (активированная платина или серебро в виде сеток) или жидким (перманганат калия) катализатором. Температура образующихся продуктов разложения должна быть достаточна для воспламенения топливной смеси.
Преимущество каталитического зажигания – возможность обеспечения многократного запуска. Основной недостаток – сложность защиты твердого катализатора от высоких температур в КС. Ниже приведены некоторые сочетания топлив и катализаторов.
Пиротехническое зажигание. Это зажигание может выполняться по двум конструктивным схемам.
Первая схема представлена на рис. 8.7, а и б. В данном случае в камеру сгорания со стороны сопла вводится пирозапальное устройство (ПЗУ). Оно состоит из штанги, на конце которой располагается пиротехнический, т.е. твердотопливный патрон – запал. Причем для двигателей первой ступени РН ПЗУ располагается непосредственно на стартовом столе (см. рис. 8.7, а), а для двигателей верхних ступеней ПЗУ может укрепляться на заглушке сопла (см. рис. 8.7, б).
Рис. 8.7. Пиротехнические схемы зажигания. Расположение пирозапального устройства ПЗУ: а – на стартовом столе; б – на сопловой заглушке;
в – на корпусе камеры сгорания и корпусе ЖГГ
Вторая схема приведена на рис. 8.7, в. В отличие от предыдущей схемы здесь пирозапальное устройство представляется в виде специальной камеры, в которой размещается пиротехнический заряд. Пирозапальные камеры располагаются непосредственно на камере и ЖГГ двигателя. Обычно для надежности их устанавливают по две-три штуки.
При запуске в обеих схемах после включения зажигания в камере сгорания и в ЖГГ образуется мощный факел из продуктов сгорания пиротехнического заряда. Этот факел легко воспламеняет смесь основных компонентов, поступающих через смесительную головку в камеру сгорания и ЖГГ.
Пиротехническое зажигание работает вполне надежно. Основной его недостаток – однократность запуска. По этой схеме запускается многокамерная двигательная установка РН "Восток".
Электроискровое зажигание используется главным образом при запуске кислородно-водородных двигателей. Одна из схем электроискрового зажигания представлена на рис. 8.8. Здесь в центре смесительной головки находится гнездо, в котором располагается запальный блок. Есть также конструкции, при которых запальный блок устанавливается сбоку камеры сгорания и ЖГГ.
Рис. 8.8. Электроискровое зажигание: 1 – трубопроводы подачи пусковых газообразных компонентов (кислорода и водорода и др.);
2 – форкамера электрозажигания; 3 – электроискровая свеча;
4 – смесительная головка камеры сгорания
Запальный блок представляет собой камеру, в которую через форсунки поступают газообразные пусковые компоненты – кислород и водород. Пусковые порции компонентов поджигаются электроискровой свечой, установленной в камере пускового блока. Если подобрать определенное соотношение и расходы пусковых компонентов, можно получить достаточно мощный поток продуктов сгорания из запальной камеры. Запальный факел надежно воспламеняет основные компоненты, поступающие через форсунки смесительной головки в камеру сгорания и ЖГГ. Электроискровое зажигание используется в ряде двигателей, например, в двигателе SSME.
Недостатками электроискрового зажигания являются: необходимость иметь запас пусковых газообразных компонентов; мощное электропитание; ненадежная работа высоковольтной электросистемы в условиях вакуума, чувствительность электроискровых свечей к отказам в условиях недостаточно чистой "атмосферы" в запальной камере при компонентах, кроме водорода и кислорода. Поэтому поиски и разработки новых принципов и схем зажигания несамовоспламеняющихся компонентов в ЖРД продолжаются.