Гахун Г.Г. - Конструкция и проектироввание жидкостных ракетных двигателей, страница 4

В качестве однокомпонентного топлива на начальном этапе разработки вспомогательных одноком- 14 пон~нтных Ду для ИСЗ, КА и КК использовалась высококонцснтрированная (80 ., 95 %) перекись водорода НзОт, В настоящее время такие вспомогательные ДУ применяют лишь в системах ориентации ступеней некоторых я||онских РН. В других вспомогательных однокомпонентных ДУ перекись водорода в(|теснена пщразином, при этом обеспечено увеличение удельного импульйа примерно на 30 %.

Кроме того, гидразин обладает длительной стабилы|остью прн хранении; он более стабилен, чем перекись водорода, которая З|ри контакте со многими конструкционными материаламн и при налил||и загрязнений легко разлагается. Широкому применению гидразина в ЖРДМТ~ в значительной степени способствовало создание высоконадежных катализаторов с большим ресурсом, в частности катализатора "Шелл- 405". Однако применение гидразина в ДУ сопряжено с определенными трудностями в связи с его токсичностью, высокой стоимостью, загрязнением окружающей среды при его производстве, а также в связи со склонностью гидразина к детонации (например, при адиабатном сжатии паров в магистрали ДУ на переходных режимах ее работы).

ИСЗ и КА, выводимые на орбиту в грузовом отсеке МТКК, считаются опасным грузом, если их ДУ заправлена гидразином. Однокомлонентные ДУ отличаются высокой надежностью. Например, коррекция стационарной орбиты ИСЗ связи АТВ-1 обеспечивалась с помощью ДУ, в состав которой входили ЖРДМТ, работавшие на перекиси водорода в течение очень длительного срока (более 19 лет), и эксплуатация спутника была прекращена лишь после его израсходования в баке ДУ. Наиболее широко применяют двухкомпопепгпые ДУ, обладающие более высокими энергетическими характеристиками по сравнению с однокомпоневтными ДУ.

Но двухкомионеитные ДУ сложнее по конструкции, чем однокомпонентные. Из-за наличия баков окислителя и горючего, более сложной системы трубопроводов и необходимости обеспечения требуемого соотношения компонентов топлива (коэффициента К,„). В Ду ИСЗ, КК и КА часто применяют не один, а несколько баков окислителя и горючего, что дополнительно усложняет систему трубопроводов двухкомпонентной ДУ. Трехкомпоненгпые Ду относятся к числу перспективных.

2. По числу используемых толпив все ДУ, применяемые в настоящее время, являются одпогопливными, т.е. их двигатели все время работают на одном и том же топливе. Однако уже предложены схемы ДУ, в которых двигатели на начальном этапе полета работают на одном топливе (например, (Оэ) ж + керосин), а на завершающем этапе — на другом топливе (например, (Оэ)ж + (Нэ)ж). Такие Ду называют двухгопливными. Для них рассматривают применение только насосной подачи. 3. По особенностям используемых ЖРТ и их компонентов их подразделяют: по относительному значеншо давлеяия насыщенного пара или критической температуре; 15 по различному взаимодействию при контакте их компонентов; 1 по уровню энергетических характеристик ЖРТ; по токсичности и коррозионной активности компонентов.

По относительному значению давления насыщенного лара ил1г критической температуре различают высококипящие, низкокипящие й криогенные компоненты ЖРТ. Высококипящим компонентом ЖРТ называют компонедт ракетного топлива, имеющий при максимальной температуре в усилениях эксплуатации ияи хранения давление насыщенного пара ниже допустимого уровня по условиям прочности топливных баков. Высококнпящие компоненты топлива могут длительное время храниться в земных условиях (температура кипения значительно выше нормальной температуры); к таким компонентам относятся,в частности, керосин (ЙР-1) и этаиол (этиловый спирт) .

Высококипящие компоненты топлива можно хранить в конденсированном состоянии в герметичных стационарных емкостях и топливных баках без охлаждения компонентов, при этом практически нет поте ь на испарение. Р Низкокипяшим компонентом ЖРТ называют компонент жидкого ракетного топлива, имеющий при максимальной температуре в уело. виях эксплуатации или хранения давление насьпценного пара выше допустимого уровня по условиям прочности топливных баков. Низкокипяшие компоненты топлива способны длительное время храниться в космических условиях (температура их кипения лишь немного ниже нормальной температуры); к таким компонентам топлива относят, в частности, горючие пропан СэНа и аммиак ХНз, а также такой окислитель, как азотный тетраксиц ХзОю Низкокипящий компонент топлива нельзя хранить в конденсированном состоянии в герметичных топливных баках без его охлаждения или возврата конденсата, Криогенным компонентом ЖРТ называют компонент жидкого ракетного топлива, имеющий критическую температуру, меньшую, чем максимальная температура в условиях эксплуатации или хранения, У криогенных компонентов топлива температура кипения при нормальных условиях ниже 100 К.

Их нельзя хранить в конденсированном состоянии в герметичных емкостях без охлаждения или возврата конденсата. Лля исключения больших потерь на испарение баки и магистрали криогенных компонентов топлива должны облацать эффективной и обычно достаточно массивной теплоизоляцией, а при использовании в составе КА требуется система конденсации испаряющихся компонентов, что усложняет конструкции ДУ и требует затрат энергии. К криогенным компонентам топлива относятся жидкие кислород, водород, фтор и метан. По различному взаимодействию щчг контакте компонентов ЖРТ подразделяют на самовоспламеняющиеся, ограниченно-самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся.

16 ~Самовоспламеняющимся жидким топливом называют жидкое ракечное топливо, воспламеняющееся при контакте компонентов в жидком цостоянии во всем диапазоне давлений и температур, имеющих место прй эксплуатации ЖРД; к самовоспламеняющимся топливам относятся топя(гва ХтОч + ММГ, Х,О„+ Х,Н4, ХтО, + НДМГ, а также все топлив на осноде фтора. Несцмовоспламеняющимися топливами являются все топлива на основе к1гслорода, в том числе (Оз) ж + керосин (ВР-1) и (Оз) ж + (Н,) ж. По уровню энергетических характеристик ЖРТ можно выделить топлива; н и з ~(о э не р ге т ические (с относительно низкимудельнымимпульсом — однокомпонентные и др,); среди еэнергетические (со среднимудельным импульсом — (От) ж + керосин (ЙР-1), Хт 04 + ММГ и др,); высокоэнергетические (с высоким удельным импульсом: (Оз) ж+ + (Н,)яо (Рэ)ж+ (Нт)ми яр.).

По токсичности и коррозионной активности компонентов различают ЖРТ; на нетоксичных и некоррозионно-активных компонентах топлива — (Оз) ж, углеводородные горючие и др 4 на токсичных и коррозионно-активных компонентах топлива— ММГ, НДМГ и особенно (Рз) ж. 4. По развиваемой тяге различают ДУ: малой тяги (О 01 ... 1600 Н); срецней тяги (1,6 кН ... 10 МН); большой тяги (1 „, 10 МН); сверхбольшой тяги (свыше 10 МН). 5, По особенностям режима работы ДУ подразделяют: по характеру работы, числу циклов работы и по возможности н диапазону изменения тяги.

По характеру работы различают ДУ непрерывного действия и импульсные ДУ. ДУ непрерывного действия могут быль с одноразовым и многократным включением; у них время непрерывной работы значительно больше времени выхода на номинальный режим и времени спада тяги. У и м п у л ь сных ДУ за коротким периодом работы следует также короткий период„в течение которого двигатель выключен, причем указанные пе иоды часто сменяют один другой, Импульсные ДУ необходимы, в частности, для систем стабилизации и ориентации спутников и космических аппаратов. По числу циклов работы различают ДУ: с одним циклом работы (ЯЯМЕ, Р-1, РД-107, РД-108, РЛ-253 и др,); с несколькими циклами работы (1-2 н др.); с многочисленными (до 10ь) циклами работы (большинство ЖРДМТ); По возможности и диапазону изменения тяги можно вьщелить ДУ: !7 с неуправляемой тягой; с относительно небольшим (а5 ...

10%) диапазоном изменения яги; со средним дросселированием (например, УЖРДБЗМЕдо б5%Р о ); с глубоким дросселированием (например, до 10 %Р„„У носа~очного ЖРД лунной ступени КК "Аполлон" ) . 6. По ме зан сту анравки компонентами топлива различают ДУ заправ. кой перед стартом и заправкой на заводе-изготовителе (снаряж ые ДУ). 7. По степени связи баков и двигателей (блоков двнгателеЦ в составе ДУ (для ИСЗ, КА, КК или ступеней РН, имеющих блоки двигателей одинакового или разного назначения, например основные (маршевме) двигатели н вспомогательные двигатели (двигатели ориентации н др.) ДУ подразделяют на автономные, обьединенные и частично связанные. В автономных Д ДУ кажцый двигатель или блок двигателей использует для своей работы компоненты топлива из отдельных баков т.е.

так ие ДУ пне могидравлнческой схеме не зависят друг от друга. Недостаток автономных ДУ состоит в том, что для каждой ДУ в баках необходимо предусмотреть остатки компонентов топлива, причем они не могут быть использованы двигателями другой ДУ. В объединенных ДУ все двигатели (одиночные или в виде блоков) используют общие топливные баки. Например, остатки компонентов топлива маршевой ДУ ИСЗ или КА (она обычно имеет небольшое число циклов работы) можно использовать для двигателей вспомогательной ДУ (например, ДУ ориентации), для которых характерна[ очень малые расходы компонентов топлива.

В этом случае время ее работы можно заметно увеличить, при этом увеличивается срок эксплуатации ИСЗ или КА, часто зависящий именно от наличия компонентов топлива для двигателей ориентации. При том же сроке эксплуатации ИСЗ и КА можно уменьшить массу компонентов топлива (для некоторых ИСЗ на 20...40 кг) зить ои кг) и снистоимость указанных аппаратов, Поэтому во всех вновь раз абатываемых зарубежных ИСЗ, КК и КА отдают предпочтение обьединенн енным Б ольшим преимуществом обьединенных ДУ является также то, что в случае выхода из строя основного двигателя ДУ он может быть отключен, а необходимый ьюневр выполняется с помощью вспомогательных двигателей. Это существенно повышает надежность КА.

П римером обьединенной ДУ являются блоки ДУ орбитального маневрирования второй ступени МТКК "Спейс шаттл"; ее ЖРД могут работать как от баков, расположенных в той же гондоле, так и от баков д гой гон олы, и. бъ д . пчя объединения указанных блоков используются магист али другой эакольцовки, причем на магистрали окислителя и на магистрали горючего имеются параллельно дублированные клапаны.

В частично связанных ДУ предусматривается возможность работы ДУ меньшей тяги от баков ДУ большей тяги. Примером таких ДУ являются ДУ орбитального маневрирования и ДУ РСУ МТКК "Спейс шаттл". Задние блоки ДУ ориентации могут работать с отбором компонентов топлива из баков ДУ орбитального маневрирования, причем в этом случае последние 18 работают в режиме расширения газовой подушки в диапазоне давления от 1,836 до 1,б43 МПа. Для этих целей имеются магистрали окислителя и го- рючего для закольцовки баков ДУ орбитального маневрирования и ДУ РСУ, на которых установлены параллельно дублированные отсечные клапаны.