Конструкция и проектирование ЖРД Гахун Г.Г. (1014171), страница 6
Текст из файла (страница 6)
100 %; воздействие песка и пыли; солевой туман 1 % в течение 30 сут; осадки (дождь) 475 мм (эа 24 ч); воздействие грибков и озона. Особенно большие динамические (ударные, вибрационные и акустические) нагрузки на все элементы МТКК возникают в момент его подьема со стартового устройства. ЖРД МТКК должны обладать большим ресурсом работы для их использования при возможно большем (до 100) числе полетов.
Объем послеполетного обслуживания и ремонта должен быть минимальным. ДУ МТКК должна обеспечивать надежный полет и в случае выхода из строя и преждевременного выключения одного из нескольких ее основных ЖРД. К ЖРД предъявляется требование блочлосги конструкции, т.е. двигатель должен быть выполнен из отдельных взаимозаменяемых блоков.
Такая конструкция, предусмотренная, в частности, в ЖРД ВБМЕ, облегчает замену отдельных элементов двигателя без его повторной настройки. Кроме того, может ограничиваться время выхода двигателя на режим (точнее, время набора 90 % Р„е ). Например, указанное время для ЖРД 1-2 должно быть не более 1,5 с. Если в состав ДУ входит несколько маршевых двигателей, то разброс их тяги при работе на основном режиме, а также при запуске и выключении должен быть достаточно малым. В противном случае возникает большой возмущающий момент, который необходимо компенсировать, что приводит к соответствующим потерям.
Весьма специфичны требования к ракетным двигателям КА. Для КА оптимальным является маршевый ЖРД многоцелевого назначении. Он должен обеспечивать многократные циклы работы, в том числе после длительного (до нескольких лет) полета в космическом пространстве в условиях невесомости, а в ряде случаев и возможность значительного снижения тяги н создания управляющих моментов н снл. Примером многоцелевого двигателя является ЖРД орбитального блока КА "Викинг-1975", который рассчитан на 50 циклов работы с общим временем г = 5 10 с. Этот двигатель обеспечивал: а) до четырех коррекций траектории КА при полете к Марсу; б) торможение КА при подлете к Марсу для вывода на орбиту его спутника (г = 270 с); в) изменение первоначальной э~шиптнческой орбиты на круговую при движении вокруг Марса; г) несколько циклов работы для изменения параметров орбиты.
Погрешность импульса тяги, создаваемого указанными многоцеле- 24 выми, а также тормозными двигателями и двигателями коррекции КА, должна быть малой для обеспечения заданной точности требуемого изменения скорости КА. Конструкция ДУ, предназначенных для посадки КА на поверхность других планет, должна допускать проведение химической и тешювой стерилизации для исключения возможности занесения земных микроорганизмов на другие планеты.
За рубежом организации, субсидирующие разработку ДУ и ЛА, могут выдвигать в значительной степени консервативные требования с целью обеспечения окупаемости субсидируемых затрат. Например, французский Национальный центр космических исследований (СТЕБ) выдвинул западноевропейским фирмам — разработчикам ЖРД НМ.60 для второй ступени РН "Ариан-'5" — следующие требования: минимальный риск неудачной разработки; ориентация на созданный еще в 60-х годах аналогичный ЖРД 2-2 РН "Сатурн-5" (схема без дожигания); исключение из проекта потенциальной возможности увеличения тяги двигателя. 1.5.
ОСОБЕННОСТИ ОПТИМИЗАПИИ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ В СОСТАВЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Универсальным параметром для оптимизации ДУ является характеристическая скорость, рассмотренная ранее. В первую очередь выбирают топливо и тип системы подачи. Тяга ДУ является заданным параметром, но тягу камеры можно выбирать разной в зависимости от числа камер в ДУ. Тяга камеры и давления р» и ра в наибольшей степени определяют размеры и массу двигателя. Прн выборе тяги камеры следует учитывать, что с ростом тяги обычно улучшаются условия смешения компонентов топлива, что приводит к повышению полноты сгорания.
Выбор давления в камере сгорания зависит от типа подачи, но независимо от этого при увеличении в ней давления р„возрастают скорости химических реакций,н это без снижения удельного импульса тяги позволяет уменышпь относительную длину камеры сгорания. При увеличении р„возрастает расходонапряженность камеры сгорания (отношение массового расхода продуктов сгорания к площади поперечного проходного сечения камеры сгорания г» у смесительной головки), что может привести к уменьшению плошади р». Тип топлива при заданных значениях тяги, давлений р„и р„и при заданной системе подачи влияет на характеристическую скорость значениями удельного импульса тяги и плотности топлива, причем в разной степени; поэтому возникает необходимость в комбинированном оценочном параметре.
Таким параметром является выражение Угре, где с — показатель, определяющий влияние плотности топлива на характеристическую скорость. Максимуму характеристической скорости соответствует мак- 25 симальное значение выражения 1урст. На нижней ступени желательно применепие компонентов топлива с повышенной плотностью. Дпя послелуюших ступеней влияние плотности уменьшается, а влияние удельного импульса тяги возрастает. Поэтому дпя верхних ступеней оптимальным является применение топлива (Оз)ж + (Нз)„„несмотря на чрезвычайно малую плотность жидкого водорода (р = 71 кг/м ) .
Такое топливо приме- немо, в частности, на второй и третьей ступенях РН "Сатурн-5", на второй ступени МТКК "Спейс шаттл" и РН "Энергия", а также на третьей ступени французской РН "Ариан". Однако применение указанных компонентов топлива в ДУ ИСЗ и КА, предназначенных дпя длительных полетов, затрудняется из-за их быстрой испаряемости (требуется эффективная и поэтому достаточно большая масса теплоизоляции баков); поэтому в указанных ДУ используют хорошо освоенные, но токсичные и достаточно дорогне компоненты топлива, например ХзО, + ММГ. Некоторые другие особенности влияния выбранных топлив на ДУ приведены выше. После выбора топлива проводят расчеты по оптимизации типа подачи (см.
лодразд, 2.1) . На основе выбранных значений тяги и давления в камере сгорания проводят оптимизацию давления в выходном сечении сопла р„. По мере снижения давления р„при неизменном давлении рк возрастает как удельный импульс камеры, так н ее масса (вследствне увеличения значения га ). Однако начиная с некоторого значения г„при уменьшении ря (а следовательно, при увеличении Р„) масса сопла возрастает в большей степени, чем увеличивается удельный импульс тяги, так что характеристическая скорость ЛА уменьшается. Влияние изменения удельного импульса и массы двигателя на характеристическую скорость удобно оценивать массовым эквивалентом удельного импульса. Если обозначить отношение на жльной и конечной масс ЛА через дк, то уравнение массового эквивалента удельного импульса, которое выводится нэ уравнения Циолковского, имеет вид Например, для ЖРД БЗМЕ повышение удельного импульса тяги на 1 м/с эквивалентно увеличению массы полезного груза, выводимого на орбиту, на 45,4 кг.
1.6. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ И АГРЕГАТЫ ЖРД ЖРД в общем случае состоит из камер, турбонасосных агрегатов, газогенераторов, агрегатов автоматики, агрегатов системы управляющих моментов и снл, рамы, трубопроводов и вспомогательных узлов и агрегатов. К основным узлам и агрегатам ЖРД относятся камера, газогенератор, 26 агрегаты подачи (турбонасосный агрегат), топливные магистрали (трубопроводы) и агрегаты автоматики. Камерой жидкостного ракетного двигателя называют агрегат ЖРД, в котором компоненты топлива нли продукты газогенерации в результате химических реакций преобразуются в продукты, создающие при истечении реактивную силу.
Камера ЖРД состоит из камеры сгорания и сопла. В камере сгорания камеры ЖРД температура продуктов сгорания может достигать 4000 К, а давление — 20 МПа и более. В состав ЖРД с насосной подачей входит турбонасосный агрегат. Турбонасосным агрегатом жидкостного ракетного двигателя называют агрегат ЖРД, предназначенный для насосной подачи топлива в камеру и газогенератор.
ТНА обычно состоит из насосов (окислителя и горючего) и приводящих их в действие турбин. В ряде случаев в ЖРД имеют два ТНА (окислителя и горючего), т.е. каждый насос приводится своей турбиной. Кроме основных ТНА в состав ЖРД включают в ряде случаев бустерные ТНА, устанавливаемые на входе в основные ТНА и предназначенные для повышения давления на входе в насосы основных ТНА. Газогенератором (ГГ) жидкостного ракетного двигателя (ЖГГ) называют агрегат ЖРД, в котором основное или вспомогательное юпливо в результате экзотермических химических реакций преобразуется в генераторный газ, Если в ЖРД два ТНА, ю ЖГГ может быть два или один.
ЖГГ, вырабатывающие газ для привода турбин ТНА, назьва:от основными в отличие от вспомогательных ЖГГ, которые могут испольюваться, например, для наддува топливных баков. В составе ЖРД с вытеснительной подачей нет агрегатов подачи (они входят в состав Ду) . Топливные магистрали соединяют между собой основные узлы и агрегаты: насосы с камерой и ЖГГ, ЖГГ с турбиной и т.д. Часть магистрали от стыка с трубопроводом ступени, подводящим компонент топлива к ЖРД, до входа в насос называют узлом подвода. Трубопровод, соединяющий турбину ЖРД с дожиганием со смесительной головкой камеры, называют газоводом. Магистрали ДУ с вытеснительной подачей подводят компоненты топлива из баков непосредственно в камеру.
Если камера погружена в топливные баки, то магистрали можно сократить и даже исключить вовсе, т.е. компоненты топлива могут поступать из баков непосредственно в камеру при открьпии клапанов, установленных на ней. Трубопроводы магистралей могут быть как полностью жесткими, так и содержать гибкие участки (сильфоны, шланги) . В состав топливных магистралей и трубопроводов могут входить фильтры, предназначенные для исключения попадания посторонних частиц в агрегаты, перед которыми они размещены. Агрегатом автомашки ЖРД называют установленное в ЖРД устройство, обеспечивающее управление, регулирование или обслуживание ЖРД.
Указанные устройства могут быть механическими, гидравлическими, пневматическими, электрическими, пиротехническими и т.д. 27 Агрегаты автоматики устанавливаются либо непосредственно на камере, ЖГГ и ТНА, либо в топливных магистралях, трубопроводах и т.д. К агрегатам автоматики ЖРД относятся клапаны, регуляторы, сигнализаторы (реле) давления и злектронагреватели. В состав клапанов и регуляторов могут входит злектро-, гидро- или пневмоприводы. В двигателях с вытеснительной подачей основные клапаны устанавливают непосредственно на смесительной головке камеры. В ЖРД с ТНА клапанов существенно больше; их размещают, в частности, также на входе в ЖГГ.
Клапаны предназначены для обеспечения прохождения компонента топлива или управляющего газа дальше по магистрали в камеру, ЖГГ и другие узлы при их включении или для прекращения подачи компонента или газа при закрытии. Регуляторами называют агрегаты, обеспечивающие изменение тяги (регуляторы тяги) и поддержание постоянного давления в камере сгорания (регуляторы давления) . Электронагреватели предназначены для поддержания заданного температурного режима, в частности для исключения замерзания высококипящих компонентов топлива (например, гидразина) . Кроме основных узлов и агрегатов в состав ЖРД могут входить узлы, обеспечивающие: зажигание топлива в камере и ЖГГ (если топлива несамовоспламеняющиеся); различают пиротехнические, злектроискровые и комбинированные воспламенители; запуск турбины ТНА (пусковые твердотопливные ГГ, бачки с пусковыми компонентами топлива, газовые баллоны); продувку определенных полостей двигателя инертным газом (азотом илн гелием) при запуске н выключении двигателя (баллон с продувочным газом, трубопроводы и клапаны); создание управляющих моментов и сил (шарнирный или карданный поднес основной камеры нли двигателя в целом и др.); наддув топливных баков (баллоны со сжатым гелием, редукторы давления газа, теплообменники дпя испарения и подогрева небольцюй части основных компонентов топлива и подачи их в газовую подушку соответствующего бака и т.д.); устойчивую работу ДУ (демпферы колебаний, устанавливаемые в топливных магистралях); измерение требуемых параметров двигателя, необходимое как для работы систем регулирования и управления (датчикн систем регулирования и управления, злектрокабели), так и для оценки работы основных узлов и агрегатов двигателя (телеметрические датчики, телеметрические кабеля); защиту агрегатов двигателя от тепловых потоков, исходящих от реактивной струи камеры (жесткие термозашитные зкраны, мягкие тепло- изоляционные чехлы и тд,); передачу тяги от двигателя к элементам ЛА н крепление различных агрегатов (рама двигателя, рама ТНА н т.д.) .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
