3.3.4 Выбор способа создания управляющих усилий

Вопрос о способе создания управляющих усилий (способа управления вектором тяги) решается при выборе схемы дви­гателя, так как он влияет на все основные характеристики двигательной установки и нередко определяет состав ее аг­регатов.

В настоящее время для создания управляющих усилий ис­пользуются камеры маршевой двигательной установки, специ­альные рулевые камеры, а также рулевые сопла, работающие на генераторном газе.

В основу сравнительного анализа этих способов могут быть положены следующие соображения:

• необходимость сведения к минимуму потерь эффектив­ной удельной тяги установки (суммарно по всему активному участку) от системы, создающей управляющие усилия;

• надежность и простота конструкции;

• сведение к минимуму возмущений, вносимых данным способом создания управляющих усилий в системы регулиро­вания двигателя.

Создание управляющих усилий камерами маршевой двигательной установки возможно несколькими способами:

• путем качания камер (автономного двигателя);

• рассогласованием тяги противоположных камер;

• путем вдува газа в сверхзвуковую часть сопла;

• помощью поворотных охлаждаемых створок, устанав­ливаемых на срезе сопла (периферийных рулей).

Качание камеры (или камер) маршевого двигателя явля­ется наиболее рациональным способом, позволяющим полу­чить любые поперечные усилия при минимальных энерге­тических затратах. Величина

61

управляющего усилия, созда­ваемого камерой с тягой Р при отклонении ее от оси уста­новки на угол θ, составляет

Затраты удельного импульса на управление при этом равны

Максимальные углы отклонения камер двигателей первых ступеней составляют обычно 5°—10° и верхних ступеней 2°—6°, а затраты удельного импульса на управление не превышают 1—0,15% номинального значения.

Создание управляющих усилий путем рассогласования тяги неподвижных камер (или групп камер) принципиально возможно только в многокамерных двигательных установках тяжелых ракет. Однако при таком способе управления векто­ром тяги вносятся значительные возмущения в системы регу­лирования двигателя. Кроме того, для создания момента по вращению часть камер должна быть установлена под углом к оси ракеты, что обусловливает потери удельной тяги на уп­равление.

Управляющие усилия в неподвижной камере могут быть созданы также вдувом газа или впрыском жидкости в сопло. Вблизи места ввода газа (жидкости) образуется косой скачок уплотнения, давление за которым в несколько раз превы­шает давление в потоке, что и вызывает появление боковой силы.

При вдуве восстановительного генераторного газа, имеющего высокую работоспособность RT, или впрыске основных компонентов топлива затраты топлива на управление оказываются минимальными.

Относительная величина управляющего усилия

зависит от относительного расхода рабочего тела, вводимого в сопло, так что ,так что

Вследствие выброса через сопло дополнительного расхо­да G_B тяга камеры возрастает на величину

62

Затрата удельного импульса на управление

,

где a и в определяются экспериментально;

• при вдуве восстановительного генераторного газа

а = 0,55 —0,65; в = 0,26-0,28;

• при впрыске основных компонентов (α=0,9)

а =0.85-0,9; в = 0,27-0,29.

Как видно из вышеприведенной формулы затраты топлива возраста­ют с увеличением потребных управляющих усилий, что поз­воляет рекомендовать этот способ только при малых P_упр (на двигателях верхних ступеней ракет)

Рис.18 Относительные затраты удельного импульс в зависимости от относительного управляющего усилия без учета весовых характеристик органов управления

63

Кроме того, в двигателе с дожиганием со вдувом генераторного газа в закритическую часть сопла создание управляющего усилия вызывает отклонение соотношения компонентов топлива в камере равное 5—6% расчетного, которое должно компенсироваться каким-либо внутридвигательным орга­ном регулирования, что усложняет схему двигателя.

Создание управляющих усилий с помощью поворотных охлаждаемых створок вызывает потери удельной тяги не намно­го больше, чем в случае качания основных камер (рис. 18), но требует существенного усложнения конструкции. Обычно для того, чтобы разгрузить сопло камеры, створки с рулевыми машинками устанавливаются на автономное силовое кольцо.

Управление с помощью специальных рулевых камер малой тяги применяется чаше на верхних ступенях ракет, при одно­камерном маршевом двигателе и реже на первых ступенях. В первом случае наличие автономного рулевого двигателя по­зволяет осуществить «холодное» разделение ступеней, в ре­зультате чего можно уменьшить осевые размеры ракеты.

Тяга рулевых камер Р_р всегда выбирается малой — около 0,05 —0.1 от тяги основного двигателя Р, а углы качания камер θ большими (θ = 30 — 45). Вследствие трудностей ох­лаждения малых камер давление в них обычно задается на уровне (40-50)*10⁵ Па. Из-за низких степеней расширения и больших затрат топлива на охлаждение удельный импульс ру­левых камер I_уд.р на 10—20% ниже, чем у основных, поэтому затрата удельного импульса двигательной установки на соз­дание управляющих усилий составляет

где .

Затраты топлива на управление возрастают с увеличением доли рулевого двигателя в общей тяге двигательной установки и с уменьшением удельного импульса рулевого двигателя.

Применение рулевого двигателя всегда связано с усложнением конструкции и некоторым увеличением веса двигатель­ной установки.

64

Способ создания управляющих усилий рулевыми соплами является лучшим среди других (если потребные уси­лия невелики, а двигательная установка работает по схеме без дожигания) и нашел применение на двигателях верхних ступеней ракет и космических аппаратов.

Величина усилия сопла управления Р_С зависит от секун­дного расхода газа G_С через него и удельного импульса сопла. Расход через сопло определяется расходом газа через турбину, а удельный импульс - температурой и степенью расширения газов в сопле. Обычно I_уд.с не превышает 0,5-0,6 от удельного импульса основной камеры, величина максимального управляющего усилия –1% от тяги двигателя. При этих величинах затраты удельного импульса на создание управляющих усилий составляют десятые доли процен­та от удельного импульса камеры.

Литература

1. Проектирование зенитных управляемых ракет. Под редакцией И.С. Голубева и В.Г. Светлова., М., Издательство МАИ, 2001 г.

2. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей. Под редакцией Г.Г. Гахуна., М., «Машиностроение»., 2004 г.

3. Г.В. Куликов, И.М. Юркевич. Ракетные двигатели на жидком и твердом топливе. Часть II ., М., 2003 г.

4. В.г. Попов, Н.Л. Ярославцев. Жидкостные ракетные двигатели., М., Издательство «ЛАТМЕС МАТИ», 2001 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение