Конструкция и проектирование ЖРД Гахун Г.Г. (1014171), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Лучистое охлаждение применено для изготовленных из нимоника горловины и расширяющейся части сопла камер ЖРД тягой 1О и 400 Н ИСЗ "Симфония". Максимальное время непрерывной работы камеры тягой 10 Н при стендовых огневых испытаниях превышало 3 ° 1О' с. Неизменное тепловое состояние камеры ЖРД тягой 400 Н с указанным выше комбиниро.
ванным охлаждением также обеспечивалось при длительной работе (более 10,8 1О' с). Почти не наблюдается явление теплового поглощения. При толщине стенки камеры ! „5 мм ее теплоемкость невелика, Температура горючего в тракте охлаждения камеры после выключения двигателя ловы. щалась лишь на 10 К. Сопло камеры основного ЖРД ступени М-Х изготавливают из кевлара.
Некоторые ЖРДМТ могут работать на различных горючих. Например, в двигателе К-40-11, кроме ММГ, могут использоваться гидразин и аэрознн-50. ЖРДМТ (а следовательно, и камеры) могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Импульсный режим используется в основном для маневров управления положением в пространстве и по крену. Особенностью работы в импульсном режиме является относительно малое значение импульса тяги, создаваемое при одном цикле работы, даже если камера развивает относительно большую тягу; зто позволяет избежать длительных режимов работы камеры, предъявляющих более жесткие тре.
бования к ее охлаждению; кроме того, можно обеспечивать различные значения импульса тяги при постоянной тяге путем изменения лишь времени цикла работы. Однако импульсный режим работы накладывает ограничения на выбор топлива (отработаны ЖРДМТ многократного включения лишь на само.
воспламеняющихся топливах) и, как уже отмечалось, обусловливает снижение удельного импульса камеры. ЖРД большой тяги при подаче компонентов топлива под давлением наддува баков при неработающих насосах могут развивать тягу, соответствующую тяге ЖРДМТ. Например, при таком режиме работы ЖРД К1..10 обеспечивает тягу 854 Н и удельный импульс в пустоте примерно 4000 м/с. Значения Кю дпя топлива Х,О4 + ММГ для большинства ЖРДМТ выбирают равными 1,60...1,65 (с допуском а 0,03 ...0,05) .
160 Для уменьшения размеров н массы камеры ЖРДМТ можно увеличить явление р „, но высокие давления р приводят к ужесточению требований к охлаждению, особенно в области горловины сопла, Для демпфирования ВЧ колебаний при горении в камере сгорания ряда ЖрдМТ (к-40А, К-4О-11„КЗ-210!С и др.) на периферии смеснтепьной оловки размещаются акустические полости (акустические резонансные демпферь!) . С помощью акустических полостей достигается динамическая устойчивость горения, обеспечивающая почти полную нечувствительность ко всем естественным и искусственно вводимым возмущениям, а также устойчивую работу камеры в широком диапазоне рабочих условий, включая переходнь!е процессы. Ряд ЖРДМТ обладает очень большим ресурсом, например, наработка ЖРДМТ К-4Р на номинальном режиме может достигать З,б 10 с.
Ресурс вспомогательных двигателей ДУ реактивной системы управления МТКК "Спейс шаттл" также намечено довести до 10' с путем использования усовершенствования технологии камер и методов нанесения защитных покрытий, а также усовершенствованных методов эксплуатационного обслуживания. Ресурс камеры зависит не только от используемых конструкционных материалов и покрытий, но и от выбранных параметров. В частности, по мере снижения температуры продуктов сгорания в камере ее ресурс возрастает. Обычно плоскость выходного сечения сопла камер ЖРДМТ перпендикулярна их продольной оси. Однако основные и вспомогательные двигатели ДУ реактивной системы управления МТКК "Спейс шаттл" утоплены в фюзеляже корабля, и их выходное сечение спрофилировано заподлицо с поверхностью фюзеляжа.
Иэ-за различного положения камер относительно фюзеляжа получается 17 различных углов среза сопел для основных и четыре для вспомогательных ЖРД. Ось сопла камеры ЖРД обычно является продолжением оси камеры сгорания, но сопло может быть расположено под углом (в некоторых случаях под большим углом (до 100')) к продолжению оси камеры сгорания; надобность в этом может возникнуть в первую очередь для ЖРД системы курса. По условиям компоновки выходное сечение сопла может иметь прямоугольную форму (например, с соотношением длин сторон, равным двум) ° Камеры однокомпонентных ЖРДМТ. Конструкция и параметры одно- компонентных камер, как и однокомпонентных газогенераторов, зависят от способа разложения топлива.
Камеры с каталнтическим разложением в США разрабатывает фирма "Хайес". В камерах с термическим разложением компонент топлива разлагается прн контакте с нагретой поверхностью, причем наиболее распространены электрические нагреватели. Злектронагреватель применен, в частности, в камере разложения ЖРД ~ягой 0,3 Н фирмы ТК!т', используемых в ИСЗ связи "Интелсат Ч". 6 1758 !б! Осуществимо разложение гидразина путем постоянной подачи в камеру относительно малого расхода четырехокиси азота, образующей с гидрази, ном самовоспламеняющееся топливо; гидразин разлагается термическ! под воздействием теплоты, выделяющейся при сгорании части гидразина с четырехокисью азота.
Число форсунок в камерах однокомпонентных ЖРД может быть самым разным — от одной форсунки (например, в ЖРДМТ ДУ ориентации исследо. вательского ИСЗ КНР) до большого числа форсунок. Форсунки таких камер имеют очень малый диаметр сопла. Поэтому при работе двигателя наблюдались случив сильного уменьшения проходного сечения сопла вплоть до полного его перекрьпия. Головка камеры может состоять из множества диффузорных капиллярных трубок. Такая конструкция головки, использованная в двигателе ИЕА20 4 фирмы "Гамильтон", ограничивает на низком уровне скорость впрыска и обеспечивает равномерное распределение гидразина в пакете каналюатора.
Благодаря этому увеличивается плошддь катализатора, омываемая гидразином, улучшаются динамические характеристики, обес. печивается более плавная работа двигателя и снижается юное пакета. П!ь верхность головки защищается двойной сеткой, предохраняющей от повидания частиц катализатора в головку и клапан, что возможно в результате вибрации или сотрясений двигателя, С этой же целью в ЖРД ИСЗ связи "Интелсат 1УАо (тяга 24,5 Н) форсунки закрьпы тонкой сеткой. Для камер ЖРД очень малых тяг (0,1...0,4 Н) можно газифицировать гндразин перед подачей его в камеру (нормальная температура кипения гидразина 387 К) . Пакет катализатора необходимо надежно фиксировать в полости камеры разложения для исключения уноса частичек катализатора (рис.
8.9), причем используемые материалы элементов конструкции должны быть Рве. 8.9. Коиструкпювяв схема камеры псдреэииоммо жРДМТ НЕ-55 тягой 22,3 Н фирмы "Хэйсс": ! — расходная шайба; 2 — головка камеры; 3 — пакет крупнозернистого кателлэатора; 4 — перФорированный экран; 5 — солло; б — корпус камеры; 7 — лакетмелкозернистого катализаторе; 8 — реэделительиея лерфорировеииял лростевке !62 сто „длими по отношению к нитрации.
В частности, пакет катализатора Жрд ИСЗ "Интелсат Рт'А" размещается в двойной сетке из платинового сплава. Пакет катализатора двигателя ВЕА 20 $ разделен на две секции перфорированным экраном. В верхней секции используется мелкозернистый катализатор "Шелл-405", что обеспечивает быстрое разложение гидразина я устойчивый режим работы двигателя. Для снижения гидравлического сопротивления пакета катализатора в нижней секции размещается крупнозернистый катализатор "Шелл405". Катализатор обладает при пониженных температурах недостаточной активностью.
Кроме того, время выхода на режим получается завышенным, так как сначала выделяющаяся теплота затрачивается на нагрев катализатора и стенок камеры. В ряде двигателей, в том числе в ЖРД КЕА 20-4, используют электрообогреватель пакета для поддержания температуры, исключающей разрушение пакета, связанное с холодным запуском двигателя. В указанном двигателе применены два нихромовых электронагревательных элемента (/У = 3,8 Вт; 1' = 28 В), помещенных в корпус, выполненный из инконеля 600. Разогрев пакета катализатора может производиться в течение достаточно длительного времени — до 30 мин.
Для улучшения прочностных характеристик гранул катализатор подвергают специальной интенсивной обработке, обеспечивающей их большую сферичность; используют, в частности, гранулы околосферической формы диаметром 0,6 мм с коэффициентом сферичности примерно 0,75 (этот коэффициент равен отношению площади поверхности сферы к плошади поверхности гранулы катализатора) . Достаточно плотное заполнение камеры обеспечивается на электродннамическом вибраторе, Решающее значение для расчета диаметра камеры разложения имеет ее расходонапряженность, которую обычно выбирают равной 0,75 ...3,5 г/(смз с) . Ниже приведены типичные значения параметров гидразиновой камеры тягой 10 Н: расходонапряженность 3,5 г/(см с); /„л = 2256 м/с; р„= = 15 МПа; уг = 0,95; ч = 4,7 емз /с; размер гранул 0,6 мм; коэффициент вх сферичности 0,75; 0„= 13 мм; Ь = 16,3 мм; с1 ь = 2,23 мм; перепад давлений на капиллярной распылительной головке 0,4 МПа; перепад давлений на пакете катализатора 0,25 МПа.
Пакет катализатора камер ЖРДМТ КА подвергается воздействию окружающего вакуума. В камерах ЖРДМТ обычно применяют профилированные сопла. Профилированное сонно применено, в частности, в камере ЖРДМТ ВЕА 204; оно укороченное, с минимальной плошадью поверхности. Форма сопла оптимизирована с учетом обеспечения максимального импульса при минимальных значениях длины и массы. Толщина стенки сопла по длине уменьшается до минимального значения к выходному, что обеспечивает уменьшение массы при достаточной прочности.
Для термоизоляции топливного клапана от тепловых потоков камеры 163 его фланец соединяется с камерой тонкой перфорированной проставкой н, . кроме того, гидразин подается от клапана к головке по тонким капил- лярным трубкам. Дополнительно тепловые потоки от капиллярных трубо. проводов и проставки воспринимаются фланцем крепления двигателя. Достигнуты следующие максимальные значения гидразиновых камер; тяга 560 Н н более; удельный импульс 2300 м/с; число циклов работы 5 ° 10'; суммарное время работы 1,5 * 1О' с; суммарный импульс тяги 5,5 МН с. Время непрерывной работы некоторых гидразиновых двига- телей (например, ЖРД КЕА 204) вообще не ограничено.
В США разраба- тываются гидразиновые ЖРД с числом циклов работы 10 при суммарном импульсе тяги 0,89 МН. с, при этом основной проблемой является терми. ческая усталость материалов. Однокомпонентные ЖРДМТ в отличие от двухкомпонептных не имеют ограничений по нижнему уровню тяги. Одно из наименьших значений тяги — 0,212 Н вЂ” имеет камера ЖРД, используемого в КА, который пред- назначен для полетов к внешним планетам Солнечной системы. Еше меньшую тягу можно получить при использовании испаряющегося пропана. Такая система, предназначенная для обеспечения высокой точ- ности ориентации наряду с гпдразнновой ДУ, используется в ИСЗ "Экзо- сат" Западноевропейского космического агентства, запущенном в 1983 г., причем тягу можно изменять в диапазоне 30...50 мН.
С целью повышения удельного импульса примерно на 30% в некото- рых ДУ ИСЗ применяют злектроподогрев продуктов разложения. Указан- ное повышение объясняется тем, что в ЖРДМТ, работающих в импульсном режиме, значительная часть теплоты, выделяемой при разложении гидрази- на, затрачивается на нагрев катализатора и стенок камеры, а в ЖРД с терми- ческим разложением гидразина и злектроподогревом камеры разложения вся теплота, выделяемая при разложении, идет практически только на разгон продуктов разложения, В четырех ЖРД тягой 0,3 Н фирмы ТК% ИСЗ "Интелсат Ч" продукты разложения поступают в дополнительную камеру, где они проходят через вихревой электронагреватель, в результате этого температура продуктов разложения перед поступлением в сопло повышается до 2200 К.
Так как указанный двигатель включается редко (примерно один раз в месяц), то для него не требуется дополнительных солнечных батарей. Питание электро- нагревателей (в том числе и электронагревателя пакета катализатора) осуществляется от основных солнечных батарей, при этом ток силой 15 А подается к электронагревателям через отдельную шину батареи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
