Жидкостные ракетные двигатели Волков Е.Б. Головков Л.Г. Сырицын Т.А., страница 5

Вытесннтельная система подачи применяется для двигателей с малой тягой или малым временем работы. Часто критерием для выбора системы подачи является импульс тяги, под которым понимают величину 7= ~ Рг(т, где тн— о время работы двигателя. При Р = сопз! 7 = — Ртк '(кГ сск1. При малых импульсах более выгодной является вытесни- тельная система подачи топлива, при больших — насосная.

$ ВВ. РАЗВИТИЕ ЖРД Жидкостные ракетные двигатели имеют относительно короткую историю развития. Первые работы, в которых закладывались основы теории ЖРД, появились на стыке Х1Х и ХХ столетий *". Экспериментальная отработка ЖРД была начата в тридцатых годах, а период широкого практического примен Рименения жидкостных двигателей наступил только после Р~ "г н~ Й"р е В дел ! И). дальнейшем этот вопрос рассматрнваетси подробно (Раэ К ним еле Русских ученых, — Н Е нм следует отнести прежде всего работы двух выдаюшнхсн Жуковского (по реакпни вытекающей и втеающей жидкости ающ д ости) и И. В. Мещерского (по динамике тел переменной 23 Наибольшие заслуги в разработке многих проблем ракетного полета принадлежат выдающемуся русскому ученому Константину Эдуардовичу Циолковскому ! 1857 — 1935 гг.) .

Занимаясь оценкой возможности межпланетных сообщений, К. Э. Циолковский пришел к выводу, что такие сообщения осуществимы лишь прп использовании летательного аппарата, приводимого в движение ракетным двигателем. Хорошо понимая, что успех создания ракет зависит прежде всего от того, насколько удачно выполнспы для иих двигатели, ученый уделял большое внимание проблемам ул) ппення характеристик ракетных двигателей. В результате многолетней работы К.

Э. Циолковский выдвинул целый ряд идей и предложений, которые надолго определили основные пути развития ракет и двигателей и не утратили своего значения до наших дней. Им, в частности, было предложено использовать в космических ракетах жидкостные ракетные двигатели, предложены топлива на основе сжиженных газов и т. и. К. Э. Циолковским были получены зависимости, позволяющие установить пути совершенствования двигателей. Впервые о космическом корабле с двигателем, использующим реактивньш принцип, К, Э. Циолковский писал в 1883 г.

В 1903 г. вышла его работа «Исследование мировых пространств реактивными прнборамп», в которой излагались основы теории ракегпого полета и описывались схемы ракет с, ЖРД. В условиях царского режима выдаюц!ийся ученый проводил исследования в одиночку и не имел никакой поддержки. После Октябрьской социалистической революции заслуги К. Э. Циолковского были высоко оценены Советским правительством, ему были созданы условия для плодотворной деятельности. Планомерные экспериментальные исследования в области жидкостных ракетных двигателей были начаты в СССР в 1929 г., когда в Ленинграде в составе Газодинамической лаборатории (ГДЛ) был создан специальный отдел для разработки ЖРД и электрических ракетных днигателей. В 1930— 1931 гг.

этим отделом были разработаны и изготовлены первые советские ракетные двигатели на жидких топливах— ОРМ-1 и ОРМ-2 (ОРМ- — опытный ракетный мотор). В 193! г. было проведено около 50 огневых испытаний лвигателей, работавших на азотном тетрокснде с толуолом и бензином. В 1932 г. были разработаны двигатели от ОРМ-4 до ОРМ-22, в 1933 г, — от ОРМ-23 до ОРМ-52. Двигатель ОРМ-52 с тягой 300 кГ прошел в 1933 г. официальные стендовые испытания.

Двигатели, испытывавшиеся в ГДЛ, работали на самых различных топливах; в качестве окислителей использовались жидкий кислород, азотный тетроксид, азотная кислота, рас- 24 творы а ы азотного тетроксида в азотной кислоте; в качестве горючнх— нх — бензин, бензол, толуол, керосин В процессе отра,ки н испытаний двигателей исследовалнсь вопросы смесеобразования, зажигания топлива, охлаждения камер и другие без РешениЯ котоРых невозможно было создание и совершенствование ЖРД. В Г931 г.

в нескольких городах Совегского Союза были организованы группы изучения реактивного движения (рГИРД). В московской ГИРД вместе с другими У'иными и инженерами работал инженер Ф. А. Цанлср, внесший немалый вклад в развитие ракетных двигателей. В 1930 — 1931 гг. Ф. А. Цандер построил свой первый двигатель ОР-1, имевший тягу 5 кГ и работавший на бензине и воздухе. т.

е. по схеме воздушно-реактивного двигателя. Позже талантливый инженер разрабатывал п ЖРД на кислородно-бензиновом топливе. Но этот двигатель (ОР-2) испытывался в !933 г. уже без участия его создателя (Ф. А, Цандер умер в марте 1933 г.). Ф. А. Цандер известен также как автор теоретических исследований по различным вопросам ракетной техники, в том числе по термодинамике ракетных двигателей, по сжиганию в двигателях металлов н др. В 1933 г. в СССР были запущены первые ракеты с двигателями ГИРД, в которых использовались жидкие компоненты топлив (в первой ракете — двигатель на х<идхок< кислороде и отвержденном бензине, во второй — на жидком кислороде и спирте).

Эти двигатели развивали тягу 50- ?О кГ. В !934 г. коллективы ГДЛ н московской ГИРД бь<ли объединены в РНИИ (Реактивный научно-исследовательский институт). В этом институте продолзкались работы по созлзнию и совершенствованию ЖРД, по отработке баллистн <еских и крылатых ракет с двигателями различных типов, в том числе с двигателями на жидких топливах. Так, в 1936 <. был отработан ЖРД ОРМ-65, устанавливавшийся на крылатой ракете (проходнла летные испытания в 1939 г.) н lа ра. кетопланере (проходил летные испытания в 1940 г.).

Всего до !941 г. было разработано более ста различных двигателей. Таким образом, в период с 1930 г. и до начала Великой Отечественной войны в Советском Союзе (прежде всего в ГДЛ, а затем в ГИРд и РНИИ) проводилась разработка многочисленных образцов ЖРД, некоторые работы закончились созданием двигателей, прошедших официальные испы« тания и примененных иа ракетах. Этн двигатели работали на различных компонентах топлива и содержали в своей конструкдии Ряд элементов и особенностей, характернь<х и для современных ЖРД (центробежные форсунки, проточное и внутреннее охлаждение, химическое зажигание и т, д,) . Удель-ная тяга уЗемлилучш«хизотрабогаиныхЖР„<! того периода 25 доходила до 210 .

(ОРМ-65), что для того времени кГ сек лГ было очень хорошим результатом. Во время Великой Отечественнои войны в (;овстском (;о- юзе гродолжялись работы по созданию ЖРД главным об(та- зом для самолетов. В !942 г. был совершен первый полет на самолете с ЖРД. Из зарубежных ученых, внесших наибольший вклад в развитие ЖРД па первом этапе их исследования и создания, следует отметить Р. Годдарда (СШЛ), Г. Оберта (Герма- ния), Р. Эно-Пельтри (Франция).

К 1945 г. наибольшие успе- хи в создании ракет с ЖРД были достигнуты в Германии. Здесь, в частности, была отработана ракета А-4 (сстг-2») с ЖРД, развивавшим тягу 25 г. К концу второй мировой войны появилось еще несколько ракет с жидкостными двигателями. 11есмотря на то что с точки зрения современных требований эти ракеты и двига- тели были весьма несовершенны, создание их подтвер- дило, что ракеты с ЖРД имеют очень большие возможности, и показало еще раз, что основной путь совершенствования ракет лежит в улучшении характеристик двнгатепей, приме- няемых на этих ракетах.

После втооой мировой войны развитию ракетного оружия и созданию космических ракет стало уделяться большое внимание. Возросший уровень развития науки, техники и про- мышленности, накопленный опыт создания летательных аппа- ратов с ракетными двигателями позволили приступить к про- ектированию и отработке многочисленных и разнообразных образцов. Одной из главных задач прн этом стало создание мощных, экономичных и имеющих малый вес двигателей. Каждое достижение в развитии ракетного оружия и косми- ческих ракет, всякое сколько-нибудь значительное улучше- ние их характеристик становились возмо>кнылти только в ре- зультате создания более совершенных, чем предыдущие, дви- гателей.

За время, прошедшее с 1945 г., жидкостные ракет- ные двигатели были заметно усовершенствованы, Так, двигатель ракеты «"л(-2», параметры которого в ос- новном характеризуют развитие ЖРД к 1945 г., развивал «Г сск удельную тягу в пустоте 240 — '. и имел собствепныи пес лГ 930 кГ при тяге 25 т, что соответствует удельному весу 930 лГ» т ===57 —,, 25 ' Удельная тяга двигателя ракеты «У-2» у повеотпостп асиля соя( сел ставляла около 2(0 —, т.

е. была не выше утельяоп тягл два~ягеля «Г ОРМ-55. Современные ЖРД на обычных горючих имеют удельную кГ сск в пустоте до 300 , ' и выше ' 1а при использова- «Г ° сек ндкого водорода — 450 — ', и более) при удельном о 3 12 —. Как видно из этих цифр, удельная тяга луч- кГ ших образцов ЖРЛ за последние двадцать пять лет возросла на 25 — 75о/о, а Удельный вег двигателей снизилсЯ в 3— 4 раза. Увеличение удельной тяги достигнуто благодаря переходу к более калоРнйпым топливам, повышению давлениЯ в камере и улучше шо проц сов преобразовани :» ергии в ка ере. двигатель ракеты «У-2» работал на 75о)о водном растворе этилового спирта н при давлении в камере около 15 кГ/г»г».

В этих условиях температура газов в камере сгорания составляла (несмотря на то что в качестве окислителя использовался жидкий кислород) всего 2750' К. В то же время, например,хоров|о освоенное современное топливо кислород— керосин при давлениях в камере 50 --100 |гГ/смт позволяет получить продукты сгорания с температурой 3500 †37' К.

Снижение удельного веса двигателей стало возможным вследствие тщательной отработки конструкции всех агрегатов, входящих в ЖРД, повышения их параметров, улучшения схем двигателей и топлив для цнх. В сильной степени изменились пе только удельная тяга и удельный вес ЖРД, но и их надежность, способы регулирова. ния, эксплуатационные качества. Современные жидкостные ракетные двигатели весьма разнообразны и по параметрам и по устройству. Для того чтобы подтвердить это, приведем лишь- один пример.

В системах управления космических кораблей могут применяться ЖРД, развивающие тягу, равпун| всего лишь 1 кГ. Для создания тяги 1 кГ требуется расход топлива нескольких граммов в секунду, а камера такого «микродвигателя» умещается на ладони человека. В то же время для космических ракет отрабатываются и применяются двигатели, развивающие тягу порядка нескольких тысяч тонн, Так, на ракете «Сатурн» используются двигатели, создающие общую тягу 3400 г. Расход топлива в этих двигателях составляет около 13000 кГ)сек, длина двигателей — более трех метров.

Чтобы бы представить, насколько мощными должн|в быть агрегаты, по г»ггд "" """г ' ' Отечествевпы евпый двигатель РД-| |9, Пабпт»ЮПГВВ Я ЯВСЛ 9 твлгвдравввовом т кГ сек м топливе, алеет удельвую тягу в пустоте 352— кГ 27 кет, укажем, что для подачи кислорода и водорода в камеру одного из водородных ЖРД необходимы насосы, принодимые в действие турбиной мощностью свыше 100000 л.

с. Для сравнения отметим, что мощность турбины двигателя ракеты «Ч-2» составляла всего лишь 500 л, с Вольшос внимание при отработке ЖРД уделяется вопросам упрощения их эксплуатации и обеспечению возможности длительного хранения двигателя в состоянии готовности к пуску. Наилучшими характеристиками в этом отношении обладают ЖРД с предварительной заправкой топлива, т. е. двигатели, которые хранятся длительное время г топливом, заправленным в баки. По простоте эксплуатации и времени, требуемому для запуска, ЖРД с предварительной заправкой топлива приближаются к РДТТ.