Гахун Г.Г. - Конструкция и проектироввание жидкостных ракетных двигателей, страница 5

Указанная связь обеспечивает дополнительную гибкость и надехашсть эк- сплуатации МТКК. 8. Йо способу обеспечения забора компонентов топлива баков раз- личают Ду: с использованием вспомогательных РД малой тяги (РДТТ или ЖРД) для осаждения компонентов топлива в баках перед запуском в услови- ях невесомости; с разделительным устройством (например, упругой мембраной в ба- ках для ДУ с вьпеснительной подачей); с капиллярно заборными устройствами в баках, использующими силы поверхностного натяжения жидкости.

Внутрибаковые устройства рассмотрены в подразд. 13.2. 9. По типу стабилизации, для которого предназначена ДУ, различают ЛА с трехосной стабилизацией и ЛА, стабилизируемые вращением. В состав ДУ ЛА с трехосной стабилизацией входят двигатели, обеспечи- ваюшне управление по тангажу, курсу и крену (в том числе путем отк- лонения двигателей в шарнирных или карданных подвесах) . Для ИСЗ с ЖРД предпочтительной является трехосная стабилизация.

В состав ИСЗ часто входит инерциальная система отсчета, которую можно использовать и при выведении. При трехосной стабилизации можно зна- чительно раньше, чем при стабилизации вращением, развернуть антенны н солнечные батареи. ДУ ЛА, стабнлизируемые вращением, включают в себя двигатели, создающие крутящий момент. Частота вращения ЛА может быть от 1 до 90 мин ' (ИСЗ "Симфония" ). Стабилизация вращением применяется для межорбитальных букси- ров (за исключением буксира 1118, где использована трехосная стабили- зация) . Стабилизацию вращением проще реализовать, чем трехосную стаби- лизацию, 10.

По надежности различают ДУ: нормальной надежности; повышенной надежности; повышенной надежностью обладают одно- и двухкомпонентные объединенные Ду, в которых широко используются дублирование и резервирование узлов и агрегатов. Ниже рассмотрены не- которые примеры дублирования и резервирования, в том числе при опи- сании схем конкретных ДУ. Дублированные клапаны использовались на линии вытесняющего га- -75". за н в топливных магистралях ДУ орбитального блока КА "Викинг-7 В апогейной ДУ ИСЗ "Лисат" применены два ЖРД, но намеченный маневр может выполнить один двигатель (второй является резервным). Ел спи в одном из двух указанных двигателей клапан по какой-либо причине заклинит в закрытом положении, то компоненты топлива перепус)саются ко второму двигателю.

Если клапан заклинит в открытом поыоэкении или возникнет опасная негерметичность одного из двигателей, то перекрываются топливные магистрали к нему. ДУ КА 'Таыилей" (она аналогична ДУ ИСЗ "Симфония" ) является полностью зарезервированной с двумя блоками по семь двигателей в каждом.

11. По особенностям разработки ДУ для данного ЛА ДУ подразделяются на вновь разработанные, модифицированные и стандартные. Модифицированные ДУ основываются на ранее разработанных ДУ; по срокам разработки и надежности такие ДУ часто превосходят вновь ,;ззработанные ДУ. * Стандартные ДУ можно использовать в различных ЛА (в частности, в различных ИСЗ). В стандартных ДУ масса компонентов топлива, заправляемая в баки, различна в зависимости от конкретной задачи данного ЛА, Характеристики ряда ЖРД ступеней ракет и КК приведены в прююжении.

1.4. ТРЕБОВАНИЯ К ДВИГАТЕЛЬНЫМ УСТАНОВКАМ Эфф ффектнвность использования ДУ в составе ЛА возрастает с увеличением значения обеспечиваемой ею характеристической скорости. Указанную скорость можно определить по известному уравнению Циолковского: характеристическая скорость прямо пропорциональна удельному импульсу тяги в пустоте и натуральному логарифму отношения начальной и конечной (после выключения двигателя) масс ЛА. Следовательно, при проектировании ДУ в первую очередь следует обеспечивать возможно большее значение удельного импульса тяги. Снижение массы сухой ДУ (она в основном определяет конечную массу ЛА) также важно, но оно менее эффективно, так как отношение масс в уравнении Циолковского стоит под знаком логарифма.

Весьма эффективным способом получения больших значений характеристической скорости является применение составной (многоступенчатой) ракеты. Такие ракеты состоят из двух и более ступеней. Многоступенчатые раке~ы подразделяют на ракеты с поперечным и продольным делением (рис. 1.2) . На рис. 13 изображена советская трехступенчатая ракета-носитель "Восток" (высота 38 м), с помощъю которой осуществлялись исторические запуски кораблей-спутников "Восток", в том числе запуск первого в мире пилотируемого корабля 12 апреля 1961 г, с космонавтом Ю.А. Га. гариным.

Указанная ракета имеет продольное деление первой и второй ступеней и поперечное деление второй и третьей ступеней. 20 ая ень Оеипбиьпе апина пердпп ипу пени в и Рнс. 1.2. Схемы двухступенчатых ракет: а — с поперечным давпеннем; б — с нродопьным давпеннпм; 1 — ннрободты Эффективность многоступенчатых ракет объясняется тем, что в конечную массу ЛА согласно уравнению Циолковского входит только конечная масса поаьедней ступени (без массы отделившихся ступеней).

Снижение массы наименее эффективно на первой ступени н наиболее эффективно на последней. Поэтому снижению массы ДУ и оста~кон компонентов топлива (рабочего тела) на последних ступенях уделяют наибольшее внимание. Снижение массы ДУ достигается при обеспечении компактности ее конструкции (все узлы и агрегаты ДУ размещают в возможно меньшем объеме), при использовании конструкционных материалов с высокой удельной прочностью и компонентов топлива с большой плотностью. Эффективность возрастает, есын непроизводительные затраты компонентов топлива в период запуска дзига~ела малы, а после его выключения в баках остается лишь малое количество неиспользованных компонентов топлива.

ДУ должна обеспечивать возможность изменения тяги и создания моментов и снл для управления траекторией полета ЛА, Двигательная установка должна отвечать также следующим требованиям: 1) высокая надежность, т,е, гарантия безотказной работоспособности в течение заданного времени в заданных уаювиях. Особенно большие требования предъявляют к надежности ДУ пилотируемых комплексов. Например, обеспечение высокой надежности бьшо важнейшим требованием ко всем РД ракет-носителей "Союз", "Сатурн-5" и "Энергия", КК "Аполон" и "Салют", а также МТКК "Спейс шаттл"; 21 Рнс.

1.3. Трехступенчатая ракета-носитель "Восток'*, обеспечивающая ч лающая вывод на орбиту искусственных сяутннкоя Земля н космических ялларятов: 1 — боковые блоки с лвнгатслсм РД-107 (блоки первой ступени); 2 — центральный блок с двигателем РД-108 (блок второй ступени); 3 . третья стулснь 2) возможно меньшая стоимость разработки. Указанная стоимость в значительной степени определяется стоимостью изготовления ДУ (т.е.

стоимостью конструкционных материалов, затратами на разработку технологий, оснащение производства технологическим оборудованием и на собственно изготовление, сборку и контроль качества), а также стоимостью доводочных испьпаний (т.е, стоимостью узлов и агрегатов ДУ, использованных лля доводки; стоимостью компонентов тою~ива, нспытательн стен ов; за ~ ьных ядов; затратами на персонал для испытаний), включая стендовые испытания в составе ракетной ступени и доводочные испытания в составе ЛА; 3) возможно меньшее время разработки„которым является время 22 от начала разработки до начала летных испытаний или эксш1уатации. Указанное время для ЖРД большой тяги составляет 5 ...

1О лет, например для ЖРД 1-2 и 88МЕ оно составило 6 и 9 лет соответственно; 4) наименьший риск неудачи разработки, который возможен в тех случаях, когда в конструкцию ДУ закладываются технические решения, прошедшие достат<щную проверку; 5) возмохгко меньшее загрязнение окружающей среды. Компонен. ты топлива и их продукты сгорания должны быть нетоксичными (безвредными для человека, живых организмов и растительности); в особенности это относится к ДУ, включающимся на земле и под водой.

В наибольшей степени этому требованию удовлетворнют ДУ, работающие на жидком кислороде и жидком водороде. Однако в случае утечек водорода при его определенной концентрации в воздухе могут возникать взрывоопасные смеси. Углеводородные горючие типа керосина и жидкий кислород как компоненты топлива нетоксичны, а их продукты сгорания токсичны лишь в некоторой степени из-за наличия окиси углерода СО, которую прн наземных испытаниях следует дожигать в специальных устройствах, входящих в испьпательный стенд. Такие компоненты топлива, как четырехокись азота (азотный тетроксид) ХтО,, гидразин ХтНч, монометилгидразин (ММГ) НтХ вЂ” )ЧН(СНз) и несимметричный диметилгидразин (НДМГ) НтХ вЂ” Х(СНз)т и их продукты сгорю1ия, являются токсичными и представляют опасность для обслуживающего персонала; 6) возможно меньшие габаритные размеры.

Обычно имеются большие ограничения по длине. Поэтому в ДУ КА ограничиваются реализуемые значения отношения площади выходного сечения и минимального сечения сопла га . Компактные по длине ДУ для ИСЗ, доставляемых в грузовом отсеке МТКК, позволяют существенно снизить стоимость доставки ИСЗ с ДУ на низкую околоземную орбиту, так как стоимость транспортировки пропорциональна длине грузового отсека; 7) простота, дешевизна и безопасность перевозки, хранения и предполетного обслуживания, а также неуязвимость при эксплуатации, т.е. нечувствительность к внешним воздействиям, например к загрязнению компонентов топлива, к различным ошибкам обслуживающего персонала и тд. „ 8) относительная простота схемы и реализующей ее конструкции и технологичность, Процессы изготовления (штамповки, литьн, механической обработки) деталей ДУ, а также процессы сварки, пайки, сборки узлов, агрегатов двигателя и ДУ в целом и контроль их качества должны быть достаточно простыми.

Кроме того, указанные процессы должны обеспечивать возможность автоматизапии, а конструкция узлов и агрегатов ДУ должна позволять использование неразрушающих методов контроля (НМК) на любых этапах сборки и сдачи заказчику. ДУ должны обеспечивать работоспособность при воздействии на ее элементы всех факторов, характерных для перевозки, хранения и экс- 23 плуатации. Например, ЖРД ДУ РСУ корабля "Спейс Шаттл" должны быть работоспособными при следующих максимальных условиях: ударная нагрузка 1,5 яз', ускорение +5 у„. акустические колебания 155 дБ; давление окружающей среды 1 10' мм рт. стб рабочие температуры для всех элементов, кроме клапанов и электронагревателей, — 40 ...