Конструкция и проектирование ЖРД Гахун Г.Г., страница 2

В результате реакции горения происходит преобразование первичнои (химической) энергии топлива в энергию теплового движения (в теплоту), в результате чего образуются газообразные продукты сгорания, обьнно имеющие высокую температуру. Ускорение продуктов сгорания в сопле камеры вследствие преобразования вх теплоты в кинетическую энергию приводит к созданию реактивной силы. Жидкостной ракетной двигагельныой установкой, или более кратко двигательной установкой, называют установку„оэстоящую из одного или 7 Рис 1Л. Упрощеииая схема ДУ с ЖРД: 1 — камера; 2, 7 — клапапы окислителя п горючего; 3, б — баки окислителя и горючего; 4 — ппеемоклапаи; 5 — баллок со сжатым газом нескольких ЖРД,. пневмогидравлической сис- Х темы подачи топлива и вспомогательных устройств.

На рис. 1.1 изображена упрощенная схема Лу с ЖРД. Двигательная установка состоит из 7 камеры 1, баков компонентов топлива 3 и 6, клапанов компонентов топлива 2 и 7, баллона со сжатым газом 5 и пневмоклапана 4. Прн открытии последнего сжатый газ поступает из баллона в баки, в результате чего давление в них возрастает. Прн открытии клапанов 2 и 7 компоненты топлива (окислитель и горючее) начинают поступать в камеру и в ней начинается процесс горения с истечением продуктов сгорания из сопла. 1.2.

ОСНОВНЪ|Е ПАРАМЕТРЪ| ЖРЛ К числу основных параметров и характеристик ЖРД относятся следующие. 1. Тяга ЖРД вЂ” равнодействующая реактивной силы ЖРД и сил давления окружающей среды, действующих на его внешние поверхности, за исключением сил внешнего аэродинамического сопротивления. Различают тягу на земле (на уровне моря) и в пустоте. Из определения тяги ЖРД следует, что тяга двигателя в пустоте имеет наибольшее значение, а при наличии давления окружающей атмосферы тяга соответственно снижается.

Например, тяга ЖРД БИМЕ в пустоте равна 2,09 МН, а на земле — 1,67 МН; тяга самого мощного в мире ЖРЛ РД-170 каждого из четырех блоков первой ступени советской ракеты. носителя (РН) "Энергия" составляет 7,4 МН на земле и 8,06 МН в пустоте. 2. Удельный импульс тяги ЖРД (удельный импульс ЖРД) — отношение тяги ЖРД к массовому расходу топлива ЖРД. Аналогично тяге удельный импульс ЖРД максимален в пустоте и соответственно уменьшается при наличии давления окружающей среды.

Удельный импульс ЖРЛ в пустоте является важнейшим параметром двигателя, характеризующим эффективность жидкого ранетного топлива и совершенство конструкции двигателя. Наибольшее значение удельного импульса имеют кислородно-водородные ЖРЛ. Например, для ЖРЛ 85МЕ удельный импульс в пустоте равен 4464 м/с, а на земле — 3562 м/с, 3. Удгльнал масса ЖРД вЂ” отношение массы залитого ЖРД к его наибольшей тяге на основном режиме, причем масса залитого ЖРД определя- 8 ется массой ЖРД (массой конструкции ЖРД) и компонентов топлива, заполняющих его трубопроводы и агрегаты при работе. При наличии нескольких основных режимов ЖРД его удельную массу определяют по наибольшей тяге.

При проектировании стремятся обеспечить минимальное значение удельной массы. Удельная масса ЖРД Р-1 и ЯЯМЕ равна 1,02 и 1,48 г/Н соответственно. 4. Тил ЖРТ. Обычно каждую ДУ конструируют для вполне определенного топлива, причем от него в значительной степени зависят удельные параметры ЖРД и ДУ и эффективность их применения в составе ЛА. В настоящее время наибольшее применение в качестве топлива находят жидкий кислород н жидкий водород, жидкий кислород и углеводородное горючее (в особенности керосин), а также азотный тетроксид гчз 04 (четырехокись азота) и несимметричный диметилгидразин (НДМГ).

5. Время работы ЖРД вЂ” время от первой команды на запуск ЖРД до первой команды на его выключение. Для ЖРД многократного включения время работы равно суммарному времени работы ЖРД, соответствующему всем циклам работы. Обычно для ЖРД одноразового включения время работы не превышает 1000 с. Для двигателей многократного включения кроме времени их работы (суммарного времени непрерывной работы при каждом цикле) задают число циклов работы, а также минимальное и максимальное время (паузу) между ними.

Например, ЖРД 3-2 третьей ступени РН "Сатурн-5" при первом цикле работал 180 с, а затем следовала пауза 4,5 ч, после чего двигатель повторно работал 300 с. 6. Ресурс работы ЖРД вЂ” суммарное время работы ЖРД, в течение которого гарантируется обеспечение всех его параметров в заданном диапазоне допусков.

Обычно ресурс работы ЖРД в несколько (трн и более) раз превышает время его работы в составе ЛА. Для ЖРД, используемых в составе многоразовых транспортных космических кораблей (МТКК), указанный ресурс превышает время работы в одном полете в несколько десятков раз. Например, ЖРД ЗЗМЕ рассчитан на 55 полетов, и ресурс его работы (без капитального ремонта) согласно техническому заданию составляет 27 . 10з с (7,5 ч) . Ресурс работы ЖРД малой тяги (ЖРДМТ), являющихся ЖРД многократного включения, характеризуется как временем работы, так н числом циклов работы. Например, для ЖРД К 40А (осиовного ЖРД ДУ реактивной системы управления МТКК "Спейс шаттл™) ресурс работы составляет 2 10е с и 5 104 циклов работы, а для ЖРД К-1Е-3 (всломогательного ЖРД той же ДУ) — 125 10' с и 5 10' циклов работы. 7.

Число основных режимов работы. Различают одлорекимлые ЖРД (двигатели с одним основным режимом работы) и млогорежимлые МРД (двигатели с несколькими основными режимами работы). ЖРД боль. шой тяги являются однорежимными двигателями, но в последнее вре- мя за рубежом опубликовано большое число проектов двухрежимных ЖРД, в основном для одно- и двухступенчатых МТКК. 8. Яиалазон изменения гаги. Для выполнения программы полета ЛА часто возникает необходимость в изменении тяги двигателя, что обеспечивается изменением массового расхода топлива в камеру ЖРД. Например, тяга ЖРД БВМЕ в полете может изменяться в диапазоне 65 ... 109 % Р„ом.

На 60 ... 80.й секунде полета МТКК "Спейс шаттл" тяга всех трех ЖРД ВВМЕ снижается примерно до 65 % Р„ом для уменьшения нагрузок на корабль в зоне максимального скоростного напора. Непосредственно перед 500-й секундой полета тяга указанных двигателей непрерывно снижается, чтобы перегрузки на космонавтов не превышали значения Заэ. 9. Яавление в камере р„— среднее статическое давление продуктов сгорания в начале камеры сгорания у смеситеяьной головки.

10. Импульс тяги Ж7~Д вЂ” интеграл от тяги ЖРД по времени. Значение импульса тяги ЖРД равно площади под кргюой зависимости тяги двигателя от времени его работы. Указанный параметр особенно важен дяя ЖРД ИСЗ и КА, предназначенных дпя коррекции их траектории или орбиты. 1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ РАКЕТНЪ|Х ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК Конечной цепью всех процессов, протекающих в ракетных двигателях, является обеспечение наибольшей кинетической энергии реактивной струи путем ускорения рабочего тела (продуктов сгорания, разложения, нагрева) тем или иным способом. В электрических РД и ДУ рабочее тело в реактивной струе находится в виде шюзмы.

Общая классификация РД и ДУ по видам первичной и промежуточной энергий приведена в табл. 1.1. Различают следующие виды первичной энергии: химическая, ядерная, механическая (энергия сжатого газа), солнечная и энергия лазерного излучения. РД и ДУ, в которых первичная энергия преобразуется в энергию теплового движения (промежуточная энергия), называют термическими. РД и ДУ, в которых первичная энергия преобразуется в электрическую энергию (промежуточная энергия), называют электрическими. Химической энергией обладают, как уже указывалось, вещества, которые могут вступать в химические реакции, протекающие с выделением теплоты и образованием газообразных продуктов. Химические ракетные двигатели являются наиболее распространенными и хорошо освоенными РД, компоненты топлива которых одновременно являются источником теплоты и массы отбрасываемого вещества; последним в этом случае являются продукты реакции взаимодействия компонентов топлива.

Химические РД классифицируют по агрегатному состоянию топлива (компонентов топлива) (табл. 1.2) . 1О Таблица 1.1 Общая кязсснфикалля РД л ДУ Общее название класса РДн клас- са ДУ Термические Название РД Хнмнческне Ядерные Холодного газа Солнечные Лазерные Перегретого пара Энергия теплового дви- жения Прсмежуточкэл энергия Энергия телчсеого ден- жения Общее название класса Рдн ДУ Электрические Химико термичес- кие Название под- классов ДУ Ядерно- гермнчес.

кне Лазерно- гермнчес- кле Мехзно- Солнечнотермическне термнчео кне Промежуточная энергия Электрическая Солнечно- Лазерно- злектричсс- электричес- кие кне Название под- классов ДУ Химико- Ядерно- злектрнчес- электричес- кие кис В химических РД могут использоваться один, два и значительно реже три компонента тошзива, причем исходное агрегатное состояние компонентов в топливах может быть одним и тем же или различным; топлива с компонентами, имеющими различное (гибридное) исходное агрегатное состояние, называют гибридными. Основными (маршевыми) ДУ (РД) называют двигательные установки, обеспечивающие основное увеличение скорости РН, искусственного спутника Земли (ИСЗ), космического корабля (КК) или космического аппарата (КА) лри их разгоне и снижение скорости КК или КА при их торможении 1напрнмер, для спуска с орбиты на Землю или для перевода КК или КА на орбиту спутника другой планеты или Луны) .

В составе ИСЗ кроме ДУ ориентации также может быть собственная маршевая двигательная установка. Для перевода ИСЗ с низкой орбиты 11 Таблица 2.2 На СтацИОНарНуЮ ЧаСтО ИСПОЛЬ- зуют двухимпульсный маневр н Кнасснфнкення хнмнческнх РД соответственно два двигателя— но исходному агрегатному состоянию тонанна леригейный двигатель, включаемый в перигее низкой орбиты и Исходное ирегат- РД обеспечивающий первое прирашеное состояние тол- ние скорости спутника и его лена вывод на переходную (промежуточную эллиптическую) орбиЖнцкостныя Тн риего нна тУ н алогейнгнй Двигатель, вклюГезотонлннныя чаюшийся в апогее переходной % Гелеголлннныя орбиты и обеспечивающий второе Пороюкообразного приращение скорости и вывод Гибридное Гибридного топлива спутника на стационарную орбиту. В двухступенчатых межорбитальных буксирах (МОБ), предназначенных для перевода ИСЗ с низкой орбиты на стационарную, первая ступень оснащена перигейной, а вторая — апогейной ДУ.