3.3.3 Выбор агрегатов системы управления и регулирования двигателя

Управление двигателем, т. е. запуск, вывод на режим, под­держание заданного режима или изменение его, выключение двигателя осуществляются с помощью системы управления и регулирования.

Агрегаты системы регулирования обеспечивают поддержание заданного режима работы двигателя или изменение его параметров по заданному закону.

Агрегаты системы управления обеспечивают запуск и вы­ключение двигательной установки. Состав агрегатов управле­ния в значительной мере определяется выбранным способом запуска и выключения двигателя.

а) Выбор регулирующих органов двигателя. Регулирова­ние тяги двигателя, в большинстве случаев, осуществляется по командам системы РКС. Основным, наиболее распростра­ненным методом регулирования тяги ЖРД является измене­ние давления в камере р_к путем изменения расхода компонентов. Этот способ дает возможность регулировать тягу в ши­роком диапазоне. Однако непосредственное дросселирование больших потоков жидкости при высоком давлении требует громоздких регуляторов, мощных приводов и сложных уплот­нений, поэтому установка регуляторов непосредственно в ма­гистралях камеры целесообразна только в двигателях малых тяг. В остальных случаях необходимое, изменение тяги (10 -15%) обеспечивается изменением скорости вращения ро­тора ТНА. Изменение скорости вращения осуществляется ли­бо изменением расхода генераторного газа через турбину при постоянной его температуре , либо изменением расхода газа и его температуры. С этой целью в магистра­лях газогенератора устанавливаются регулирующие элементы.

В баллистических ракетах и ракетах-носителях для умень­шения гарантийных остатков топлива устанавливаются систе­мы, обеспечивающие одновременную выработку компонентов (СОБ – система синхронного опорожнения баков). Исполнительные органы этой системы находятся в магистралях двигателя,

Обычно дроссель СОБ располагают в той магистрали, где его установка возможно меньше сказывается на давлении за насосами, а взаимное влияние систем РКС и СОБ при этом наименьшее.

Рассмотрим вопрос установки исполнительных органов системы РКС. В ЖРД без дожигания для обеспечения высоких значений приведенного удельного импульса температура в газогенераторе выбирается максимальной. Поэтому при регулировании двигателя температура на турбине не должна измениться, это обеспечивается поддержанием постоянного соотношения компонентов в газогенераторе.

54

В качестве исполнительных органов в такой схеме регули­рования может использоваться газовый редуктор в сочетании с гидроредукторами или же регулятор со стабилизатором (корректором). Применение регулятора со стабилизатором является более рациональным, так как в этом случае обеспечивается снижение веса двигателя, упрощается его схема, улучшаются условия эксплуатации.

Места расположения регулятора и стабилизатора в систе­ме газогенерации определяются из условий обеспечения максимального давления в газогенераторе и минимальных размеров регулирующих органов.

В случае установки регулятора в магистрали окислителя газогенератора, при отсутствии команд от системы РКС, ре­гулирование может осуществляться поддержанием постоян­ного расхода окислителя в газогенератор, либо поддержанием постоянного расхода окислителя в камеру. При этом послед­няя схема регулирования обеспечивает точность настройки двигателя по давлению в камере выше, чем предыдущая.

В двигателях с дожиганием регулирование тяги может быть осуществлено как при постоянной температуре в газо­генераторе, так и при переменной.

В двигателях с дожиганием с окислительным газогене­ратором предпочтение отдается схеме регулирования с пере­менной температурой в газогенераторе. При этом регулирова­ние осуществляется изменением температуры и расхода газа, идущего через турбину. Регулятор, установленный в магистра­ли горючего, имеет минимальные размеры и обеспечивает заданные пределы регулирования тяги при меньшем перепаде давления на регуляторе, чем в случае установки регулятора в магистрали окислителя и в схеме регулирования Т_гг= const.

Схемы температурным регулированием отличаются срав­нительной простотой, так как регулирующий орган воздействует на небольшой поток горючего. Основным недостатком таких схем является то, что максимально допустимая температура на турбине достигается лишь в случае форсирования двигателя, на номинальном же режиме температура генераторного газа занижена, что приводит к возрастанию перепада на турбине.

В ЖРД с дожиганием с восстановительным газогенерато­ром температурное регулирование нецелесообразно в связи с тем, что кривая зависимости температуры в таком газогенераторе от изменения расхода меньшего компонента очень пологая.

Расширение же температурного диапазона для обеспечения заданных пределов регулирования тяги ограничено следующим. Максимально возможная температура в газогенераторе обусловлена прочностными характеристиками материа­лов турбины. Минимально же возможная температура в

55

газо­генераторах двигателей, где в качестве горючего используется несимметричный диметилгидразин, должна быть не ниже тем­пературы его стабильного разложения, равной 900 К.

Схема же с постоянным соотношением компонентов в га­зогенераторе позволяет принять значение Т_ГГ максимальным. Это дает возможность снизить потребное давление в газоге­нераторе, которое при относительно малых расходах восстановительного генераторного газа может оказаться достаточно высоким. Поэтому предпочтительным способом регулирования двигателей с дожиганием с восстановительным газогенера­тором является расходное регулирование.

Одним из решений, улучшающих регулирование схемы с постоянной температурой в газогенераторе, является введение перепуска газа из газогенератора помимо турбины в камеру. Этот метод позволяет осуществить регулирование тяги в ши­роких пределах, без существенного изменения соотношения компонентов в камере.

б) Выбор системы запуска двигателя. Запуск является на­иболее трудно отрабатываемым режимом работы двигателя, Поэтому к нему предъявляется ряд специфических требований;.

1. Запуск должен занимать возможно меньшее время.

2. Желательно, чтобы при запуске тяга двигателя, давление и температура в камере сгорания и газогенераторе посте­пенно возрастали до номинальных значений, без забросов температуры и давления.

3. Процесс запуска должен быть таким, чтобы даже на самое короткое время не создавались условия, благоприятные для возникновения низкочастотных или высокочастотных ко­лебаний.

4. На запуск должно расходоваться минимальное количе­ство топлива.

5. В блочных ЖРД должен быть обеспечен синхронный запуск отдельных двигательных блоков.

К основным операциям запуска обычно относятся: организация начальной подачи компонентов в камеру и газогенера­тор, воспламенение и организация горения в них, раскрутка ротора ТНА, вывод двигателя на номинальный режим.

Проектирование и организация этих операций производят­ся на основе расчета запуска, поэтому ниже рассматриваются только конструктивные формы систем, обеспечивающих источники энергии для первоначальной раскрутки ТНА.

Сочетание характеристик насосов и турбин при низких обо­ротах с гидравлическими характеристиками газогенераторов в области крайне низких давлений и расходов, как правило, таково, что саморазгон ТНА становится невозможным. Все это вызывает необходимость прибегать к использованию

56

посто­ронних источников энергии для раскрутки ТНА до весьма высоких режимов, на которых заведомо имеется превышение располагаемой мощности над потребляемой. В качестве посторонних источников энергии обычно используются пороховые или пневматические стартеры, раскручивающие основную или автономную пусковую турбину, системы с пусковыми бачками для запуска основного газогенератора и др.

Пиростартер обеспечивает, наиболее быстрый запуск и при­меняется довольно часто, особенно в двигателях верхних сту­пеней. Продукты сгорания пороховых шашек пиростартера содержат в избытке горючие элементы, поэтому если основной газогенератор работает с избытком окислителя (что обычно для ЖРД с дожиганием), то при смешении и химической реакции газов, идущих от пиростартера и газогенератора, мо­жет произойти опасное повышение температуры. В таких слу­чаях на валу ТНА приходиться устанавливать специальную пусковую турбину.

Наряду с пиростартерами применяют также системы с запуском холодным газом (азотом). В этом случае в двигателях с дожиганием с окислительным газогенератором можно обойтись без пусковой турбины.

Если для запуска используется основной газогенератор, то вначале он может питаться от специальных пусковых бачков. Компоненты вытесняются из бачков сжатым газом и поступают в газогенератор через блоки обратных кла­панов.

Система запуска с пусковыми бачками обеспечивает высокую синхронность запуска отдельных двигательных блоков и высокую мобильность пускового режима при изменениях требований к пусковой системе, выявляющихся в процессе до­водки. Однако комплект аппаратуры запуска при этом до­вольно громоздок и поэтому целесообразней систему с пуско­выми бачками, использовать на двигателях первых ступеней, где часть системы запуска можно включить в наземное обо­рудование.

Особенность ЖРД с дожиганием генераторного газа в ка­мере заключается в частности, в том, что расчетным услови­ем для турбины является наличие высокого противодавления в виде давления в камере при малом перепаде давления на турбине. Искусственная задержка роста давления в каме­ре сгорания при начальной раскрутке ТНА приводит к существенному увеличению перепада давлений на турбине, т. е. к обеспечению значительной избыточной мощности турбины, достаточной для необходимого разгона, даже при относительно малых расходах газа. Первоначальная подача компонентов в газогенератор при этом осуществляется под давлением жидкости из баков.

Задержка роста давления в камере может осуществлять­ся либо с помощью специального клапана, установленного на магистрали горючего камеры (схема с окислительным газо­генератором), либо подбором времени заполнения тракта

57

горючего камеры сгорания.

Схема безстартерного запуска существенно упрощает и облегчает двигатель, повышая его общую надежность, однако сам запуск становится продолжительнее, что увеличивает предстартовые расходы топлива.

в) Выбор состава агрегатов управления подачей топлива. Состав агрегатов управления подачей топлива определяется главным образом заданной циклограммой работы двигателя.

Для обеспечения одноступенчатого (пушечного) запуска в системе топливоподачи двигателя должны быть предусмотрены клапаны пуска, открывающие доступ компонентов в камеру и газогенератор при подаче команды на запуск.

Тип клапанов пуска определяется, в основном, числом по­требных запусков двигателя в полете и должен обеспечивать минимальное время срабатывания, высокую надежность и простоту устройства.

Клапаны пуска обычно устанавливаются на фланцы вход­ных устройств насосов. Этим обеспечивается разделение по­лостей баков и двигателя до запуска. Запуск двигателя в две ступени применяется в следующих случаях:

• когда используются несамовоспламеняющиеся криоген­ные компоненты топлива (керосин-кислород, водород-кис­лород и т. д.) и начальное воспламенение их осуществляется пиротехническими средствами или электрической свечой. Запуск в две ступени (с малым расходом компонентов в началь­ный период) позволяет обеспечить начальное воспламенение в большом объеме камеры и, кроме того, охладить элементы конструкции за клапанами пуска до рабочей температуры пе­ред выходом двигателя на режим полной тяги;

• когда при запуске в одну ступень не обеспечивается устойчивость рабочего процесса в камере; запуск в две ступе­ни (при соотношении компонентов на предварительной ступе­ни, отличном от соотношения на главной ступени) часто поз­воляет избавиться от неустойчивой работы;

• когда по условиям безопасности старта или по условиям более благоприятного нагружения конструкции ракеты при старте (в тяжелых — носителях с большим числом двига­телей) необходим режим пониженной тяги.

Для получения режима пониженной тяги (предварительной ступени) магистрали горючего и окислителя (или одна из магистралей) вначале дросселируются, а при подаче команды на перевод двигателя на главную ступень тяги полностью открываются. Это требует постановки на этих магистралях спе­циальных дросселей. Роль дросселей могут выполнять и регу­ляторы или клапаны выключения, для чего в конструкции предусматриваются специальные устройства. В двигателях без дожигания дросселирующие элемен­ты устанавливаются обычно на магистралях питания камеры, в двигателях с

58

дожиганием — на магистралях газогенератора.

Схема выключения двигателя должна удовлетворять сле­дующим условиям:

• обеспечение минимального времени срабатывания системы;

• обеспечение минимального значения импульса последей­ствия и его разброса;

• предотвращение гидроударов в системе подачи, могущих вызвать аварию, при выключении двигателя.

Выключение двигателя может производиться в одну или две ступени.

В однокамерных ЖРД небольшой тяги, выполненных без дожигания и имеющих короткие магистрали за насосами окислителя, выключение в одну ступень может осуществлять­ся клапанами отсечки, установленными в линиях горючего и окислителя и являющимися общими для камеры и газогене­ратора.

Однако чаще для большей безопасности выключения и уменьшения импульса последствия клапаны отсечки окисли­теля делают раздельными для камеры и газогенератора, по­мещая их непосредственно на форсуночных головках, а отсеч­ка горючего может осуществляться одним (общим на камеру и газогенератор), либо двумя клапанами.

Гидравлические удары при этом предотвращаются введе­нием специальных обводных магистралей между отсечным клапаном и входом в насос, либо предусмотрением в конст­рукции отсечных клапанов специальных полостей, вскрывае­мых при отсечке.

При большой тяге двигателя выключение в одну ступень недопустимо по двум причинам:

• получается большая величина импульса последействия вследствие значительных объемов полостей и трубопроводов за клапанами отсечки;

• резко повышается давление в магистралях до отсечных клапанов при быстром перекрытии магистралей, и при боль­ших диаметрах труб трудно обеспечить надежность их работы.

Поэтому в ЖРД большой тяги выключение всегда ведет­ся по двум командам: предварительной и главной.

В двигателях без дожигания такое выключение может быть обеспечено, если имеются раздельные клапаны отсечки в линиях камеры и газогенератора. По предварительной команде отсекается подача компонентов в газогенератор, а затем по главной команде прекращается подача компонентов в камеру.

В двигателях с дожиганием, когда расход одного из компонентов в газогенератор достаточно велик, то по предва­рительной команде отсекается подача в газогенератор компо­нента меньшего расхода, в результате чего прекращается го­рение в газогенераторе. По главной команде отсекается по­дача

59

жидкого компонента в камеру и компонента большего расхода в газогенератор.

В некоторых случаях для уменьшения импульса последействия тяги, при выключении двигателя осуществляется слив горючего из зарубашечного пространства.

С целью более точного достижения заданной скорости полета, в двигателях верхних ступеней обычно предусматрива­ется конечная (пониженная) ступень тяги.

В двигателях, работающих по схеме без дожигания, режим конечной ступени может осуществляться одним из следующих способов.

1. Дросселированием двигателя, осуществляемым уменьшением подачи компонентов в газогенератор, что требует постановки соответствующих регулирующих органов в магистралях питания газогенератора. Однако возможности дроссе­лирования камеры по условиям ее надежного охлаждения и обеспечения устойчивой работы ограничены величиной тяги, составляющей обычно 0,7 - 0,5 от номинальной, значение удельного импульса при этом мало отличается от номинального.

2. Отключением камеры и переводом двигателя на генераторный режим, когда тяга создается только выхлопными соплами ТНА, которые в этом случае используются так же, как рулевые. При этом значение тяги на режиме конечной ступе­ни обычно составляет 0,01- 0,03 от номинальной, а величина удельной тяги не превышает 0,5—0,6 от номинальной.

Для обеспечения генераторного режима необходимы раздельные клапаны отсечки в линиях питания камеры и газогенератора и регулирующие устройства в линии питания газогенератора.

3. Использованием двигательной установки, состоящей из двух автономных двигателей с разными уровнями тяги (обычно рулевого и основного). По предварительной команде вы­ключается основной двигатель, а по главной — рулевой.

В двигательных установках с рулевыми двигателями ве­личина тяги на режиме конечной ступени обычно равна 0,05 – 0,1 от номинального значения (на режиме главной сту­пени). При этом удельный импульс малого двигателя составляет 0.85—0,98 от величины удельного импульса основного двигателя, т. е. является достаточно высокой. Комбинация двух автоном­ных двигателей, естественно, связана с увеличением числа агрегатов и усложнением двигательной установки.

В двигателях, работающих по схеме с дожиганием «г-ж», режим конечной ступени с тягой около 0,1 от номинальной может быть получен отключением питания камеры жидким компонентом с переводом двигателя на генераторный режим, при котором горение происходит только в газогенераторе. Удельная

60

тяга двигателя в этом случае снижается до величи­ны, равной 0,3—0,35 от номинальной при окислительном газо­генераторе и до 0,45—0,5 при восстановительном газогенера­торе, что ведет в конечном итоге к уменьшению дальности по­лета ракеты. Поэтому, при большой длительности конечной ступени, по энергетическим соображениям может оказаться выгоднее комбинация основного двигателя, работающего по схеме с дожиганием, и двигателя малой тяги, работающего без дожигания, последний одновременно используется как руле­вой.