3. 3. Выбор схемы двигательной установки

Схема ЖРД определяет тип системы топливоподачи, спо­соб организации рабочего процесса, состав основных агрегатов необходимых для нормального функционирования двигателя, а также часто и способ создания управляющих усилий.

45

3. 3. 1. Выбор способа подачи топлива и организации рабочего процесса

Способ подачи топлива в камеру сгорания существенно влияет на весовые характеристики двигательной установки (включая и баки), уровень удельного импульса камеры сгорания и надежность двигателя.

Многочисленными исследованиями показано, что для дви­гателей баллистических ракет и ракет носителей, имеющих большую тягу и длительное время работы, выгодна только турбонасосная система подачи топлива. Она позволяет при относительно низких давлениях наддува баков иметь высокое давление в камере двигателя, а также получить малый вес и габариты двигательной установки. При малых давлениях в камере и небольших временах работы вес газобаллонной системы топливоподачи получается относительно небольшим, а надежность работы двигательной установки, особенно при многократных запусках, очень высокой. Кроме того, при тяге в несколько сотен и даже тысяч ньютонов создание ТНА, имеющего высокие к.п.д. насосов и турбин, является делом весьма трудным. Поэтому в этих условиях выгоднее вытеснительная система подачи топлива.

На рис.15 показаны области рационального применения турбонасосной и вытеснительной газобаллонной систем подачи холодным газом в зависимости от тяги и продолжитель­ности работы двигателя. При увеличении давления в камере сгорания область рационального использования вытеснительной системы подачи сокращается.

Способ организации рабочего процесса в двигателе с ТНА - с дожиганием или без дожигания - заметно влияет на величину удельного импульса, габариты двигателя, определяет состав агрегатов и конструктивную схему двигателя.

Организация рабочего процесса ЖРД с дожиганием позволяет улучшить использование энергии топлива путем увеличения давления в камере (и соответственно большей степени расширения газов в сопле) и устранения потерь, свя­занных с приводом насосов. Кроме того, с повышением р_к, уменьшаются габаритные размеры камеры. Возможность и целесообразность достижения высокого давления в камере определяется рядом факторов.

По балансу мощности турбины и насосов в двигателях с дожиганием

«г - ж» вполне достижимы давления до , а в схеме «г - г» до . Однако при таких давлениях вес насосов и других агрегатов системы подачи существенно возрастает, возникают трудности с обе­спечением охлаждения камеры, созданием

46

надежных уплот­нений и т.д. Поэтому в настоящее время считают оптималь­ными давлениями в камерах двигателей с дожиганием «г - ж» .

Рис.16. Область применения насосных и вытеснительных систем подачи

Эти давления обеспечиваются при относительно невысоких температурах генераторного газа (окислительного 700—800 К и восстановительного 900—1100 К).

Для двигателей верхних ступеней с тягой Р = (100—200) кН, выполненных с дожиганием «г - ж», из усло­вий надежного охлаждения камеры величина целесообразного давления р_к составляет (130—150) 10⁵ Па.

Недостатком двигателей с дожиганием является их большая сложность по сравнению с двигателями без дожига­ния, обусловленная, во-первых, необходимостью подачи из ТНА в камеру продуктов сгорания высокой температуры; во-вторых, высокими давлениями подачи и высокими давлениями в газогенераторе и на турбине, которые в ЖРД с дожиганием, очевидно, значительно выше, чем в двигателе без дожигания. Все это затрудняет обеспечение высокой надежности двигате­ля и приводит к увеличению веса системы подачи топлива.

Однако, благодаря выигрышу в удельном импульсе, уменьше­ние веса ракеты может достигать 10-20% за счет уменьше­ния необходимого запаса топлива и соответственного умень­шения веса баков. Этот выигрыш особенно ощутим при боль­ших тягах двигателей, поэтому схема с дожиганием наиболее целесообразно использовать в двигателях первых ступеней.

47

Для двигателей верхних ступеней высокие степени расши­рения газов в сопле могут быть получены за счет снижения давления при умеренных давлениях в камере. Кроме того, при малых тягах, свойственных двигателям верхних ступеней, потери I_уд, связанные с охлаждением камеры, усложнение двигателя и снижение его надежности, обусловленные схемой с дожиганием не всегда окупаются выигрышем в удельном импульсе. Поэтому в этих случаях возможно применение двигателей без дожигания.

Двигатели с дожиганием «г-ж» могут выполняться с окислительным или восстановительным газогенератором. В основном выбор вида генераторного газа определяется энергетическими возможностями данной схемы (получение максимального давления в камере, либо мини­мальною давления в газогенераторе при одинаковых давле­ниях в камере).

Приближенно оценить энергетические возможности этих схем можно путем сравнения мощности турбин при одинаковых перепадах давления. Если предположить, что значения для различных схем одинаковы, то отношение мощностей турбин, при организации внутреннего охлаждения камеры горючим, можно записать:

в случае внутреннего охлаждения камеры окислителем :

Здесь К — соотношение компонентов топлива в камере сгорания (К_к.с) или в газогенераторе (К_гг), а индексы „в" и „о" обозначают принадлежность к восстановительной или окислительной схеме газогенератора;

æ - показатель адиабаты.

48

Допущение о равенстве для различных схем вызы­вает ошибку, не превышающую два процента.

В случае, если - энергетически выгоднее восстано­вительная схема газогенератора, при -окислительная.

При выборе вида генераторного газа, кроме энергетиче­ских возможностей данной схемы учитываются также и такие требования, как надежное охлаждение камеры, обеспечение экономичной работы двигателя на режиме конечной ступе­ни, весовые характеристики ДУ, особенности регулирования двигателя данной схемы и т. п.

Максимально допустимая температура генераторного газа зависит от применяемых материалов, конструкции элементов турбины и других факторов и составляет ~ 1000 К для окис­лительного и 1370 К для восстановительного генераторного газа.

При назначении номинальной температуры генераторного газа следует учитывать необходимость форсирования двигате­ля системой регулятора кажущейся скорости РКС (если регулирование осуществляется путем изменения температуры генераторного газа), разброс температуры генераторного газа и неравномерность температурного поля газогенератора. В соответствии с выбранной температурой генераторного газа определяются К_ГГ и R_ГГ.

В случае использования в качестве горючего высококипящих компонентов (НДМГ, керосин и т. д.) предпочтение от­дается схеме «г-ж»

с окислительным газогенератором. Это объясняется следующими причинами:

● температура генераторного газа в схеме ниже, чем в схеме , что благоприятно сказывается на работоспособности конструкции турбины и газогенератора;

● потребное давление за насосом горючего (при охлаждении камеры горючим) ниже, чем в схеме двигателя с . Это позволяет во многих случаях выполнить насос горючего одноступенчатым и тем самым упростить конструк­цию ТНА;

● вес конструкции двигателя с дожиганием с окислительным газогенератором меньше, чем с восстановительным, из-за отсутствия дополнительных коллекторов системы охлаж­дения на камере, малых размеров органов регулирования, установленных в линии горючего и т. д.;

49

● газогенераторный газ с не содержит сажи, ко­торая может засорять тракт и изменять его гидравлические характеристики.

Схему двигателя «г-ж» с восстановительным газогенера­тором, работающим на высококипящем горючем, используют в том случае, когда это дает энергетические и другие преиму­щества двигательной установке, ступени или космическому аппарату в целом. Так, например, если режим конечной ступени осуществляется отключением питания камеры жидким компонентом и переводом двигателя на генераторный режим, то удельный импульс двигателя. на этом режиме при восстанови­тельном газогенераторе в 1,5 раза больше, чем в случае окислительного газогенератора. Кроме того, на верхних сту­пенях ракет или космических аппаратов для создания неболь­ших по величине управляющих усилий может быть применена система с вдувом газа в сопло двигателя. При вдуве восста­новительного генераторного газа, имеющего высокую работо­способность RT, затраты топлива на управление оказываются малыми, а конструкция двигателя упрощается по сравнению с двигательной установкой, состоящей из маршевого и руле­вого двигателя.

В двигателях, использующих в качестве горючего жидкий водород или аммиак, более предпочтительна схема с восстановительным газогенератором, так как при равных давлениях в камере она позволяет иметь более низкие давления за насосами.

Очевидно, что для двигателей без дожигания давление в газогенераторе не может быть выше, чем давление в каме­ре, т. е. , где .

Ориентируясь на параметры выполненных образцов, для регулируемых двигателей для нерегулируемых - .

Удельный импульс двигательной установки (приведенный импульс I_уд.пр) равен

где I_{уд. к} и I_{уд. с} – удельные импульсы камеры и выхлопных сопел ТНА, соответствующие данному давлению в камере р_к; - расход через камеру;

50

Из условий максимума I_уд,пр в турбинах ТНА ЖРД без дожигания желательно иметь возможно меньшее р_вых. Однако принимать p_вых, равным давлению окружающей среды р_н , нецелесообразно, так как при изменении высоты полета бу­дет изменяться давление на выходе, а следовательно, и ре­жим работы ТНА. Для исключения влияния р_н на работу ТНА перепад на выхлопной трубе должен быть сверхкритическим, т.е. . Учитывая, что сопло Лаваля может работать на режиме перерасширения, уста­новка насадка с соплом Лаваля на выхлопную трубу позво­ляет уменьшить Р_вых до величины .

Однако, учитывая возрастание потерь в турбине, обусловленное повышением скоростей газа, увеличение перепада давления свыше 40—50 в турбинах ЖРД без дожигания нецелесообразно.

Если газ после турбины отводится для наддува топливных баков или используется в рулевых соплах, то давление на выходе из турбины повышается и может достигать значений

Учитывая, что работоспособность RT восстановительного генераторного газа выше (при той же температуре) работо­способности

окислительного газа, в ЖРД без дожигания применяют газогенераторы работающие с избытком горючего.

Если предельное давление в камере обеспечивает приведенный удельный импульс, равную или выше требуемого I_уд, то приступают к разработке двигателя без дожигания как более простого и надежного.