Конструкция и проектирование ЖРД Гахун Г.Г. (1014171), страница 7
Текст из файла (страница 7)
28 Вопросы для самоконтроля 1, Какие составные элементы необходимы дяя создания реактивная силы". 2. Из каких основных чзстса? состоит ДУ? 3. По каким прщнакам подразделяются ракетные дяигатеял и ракетные Ду? 4. В чем состоят преимущества объюляпмяых ДУ? 5. Какие основные узлы и агрегаты входят а состав ЖРД? ГЛАВА 2 ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ЖРД 21. ВЫБОР СХЕМЫ ПОДАЧИ Как уже отмечалось выше, конструкция и параметры ЖРД и ДУ в целом в значительной степени зависят от типа схемы подачи.
При использовании вытеснительной подачи давление в топливных баках больше, чем в камере двигателя. Это обусловливает, с одной стороны, понижение давления р„, что снижает удельный импульс и приводит к большим размерам камеры, а с другой стороны, увеличение массы топливных баков (из-за большой толщины нх стенок), что ограничивает область использования вытеснительной подачи двигательными установками с относительно небольшнмн значениями 1х.
Для возможно большего снижения массы баков ДУ с вытеснительной подачей целесообразно применять компоненты топлива с повышенной плотностью и композиционные материалы с повышенной удельной прочностью для стенок бака. В баках ДУ с насосной подачей 'давление обычно не превышает 0,2 ... 0,4 МПа, поэтому баки имеют относительно небольшую толщину стенки, а давление в камере сгорания можно выбирать большим (20 МПа и более) . Это позволяет существенно уменьшить размеры камеры и повысить удельный импульс двигателя.
Поэтому ДУ с насосной подачей имеют значительно меньшую удельную массу„чем ДУ с вытеснительной подачей. Но сложность схемы и конструкции ДУ с насосной подачей (в основном иэ-за наличия ТНА) вызывает большие затраты времени и средств для достижения требуемой надежности.
Соответственно возрастают стонмость разработки и изготовления ДУ с насосной поллчеи, а также риск неудачной разработки. Однако стремление к максимальному снижению массы ДУ приводит к тому, что намечается тенденция к переходу в КК и КА на насосную подачу. Это связано также с достижениями в совершенствовании насосов малых размеров, с выявлением целесообразности применения электродвигателя для их привода в ЖРД относительно небольшой тяги. Кроме того, созданы электрические аккумуляторы с большой энергоемкостью. 29 Поэтому в настоящее время за рубежом проводят разработки насосов н для ЖРД с очень малой тягой.
Например, Лаборатория реактивного движения США выполняет программу разработки насосов для компонентов топлива Хт04 и ММГ лля ЖРД тягой всего 4,45 Н лля их использования при летных испытаниях. При проектировании конкретного ЛА наиболее эффективна та система подачи (насосная или вытеснительная), которая прн заданном приросте скорости ЛА Ф" нли при заданном значении 1т обеспечивает меньшую массу залитой ДУ, т.е. большее отношение 1х/еду, если нет других ограничений (например, по затратам, срокам разработки и т.д.), Отношения 1х1тду надо сравнивать при оптимальных давлениях в камере рк для насосной и вьпеснительной подач. Оптимальному давнению рк соответствует максимум отношения 1х/гиду при заданном давлении ра. Давление р„для двигателей с вытеснительной подачей обычно не превышает 2 ...
2,5 МПа; для КК, КА и ИСЗ в целом ряде случаев выбирают и более низкие давления р„— до 0,7 МПа. Для ЖРД с насосной подачей оптимальное давление р„зависит от выбранной схемы двигателя. В ЖРД с дожиганием применяют высокие давления р„— до 20 ... 25 МПа и более, а для ЖРД без дожигания рк обычно не превышает 8 МПа. Одно из наиболее высоких значений давления в камере ЖРД без дожигания (10 МПа) выбрано для ЖРД НМ-60, разрабатьшаемого в Западной Европе. Для ИСЗ, КА и КК ДУ с насосной и вытеснительной схемами сравнивают по трем критериям: по приращению или уменьшению скорости ЛА Ь'г; обеспечиваемому ДУ, и по массам залитой и сухой ДУ. При сравнении по сИ' значения массы ДУ выбирают из условия одинакового занимаемого ею объема. При сравнении по массам залитой и сухой ДУ значение стг" принимают одинаковым для сравниваемых ДУ.
Такое сравнение проводилось для ДУ орбитального маневрирования и ДУ РСУ для МТКК типа "Спейс шаттл" второго поколения. В МТКК "Спейс шаттл" обе указанные ДУ, работающие на топливе ХзОч + ММГ, используют вытеснительную подачу. Указанное выше сравнение применительно к МТКК типа "Спейс шаттл" второго поколения показало, что в случае выбора топлива жидкий кислород и этиловый спирт ((О,) ж + СзН,ОЩ ДУ орбитального маневрирования и ДУ РСУ с насосной подачей обладают преимуществом перед ДУ с вытеснительной подачей по всем трем указанным выше критериям. В расчете дпя ДУ орбитального маневрирования принят привод насосов с помощью турбины, работающей на продуктах сгорания ЖГ, а для ДУ РСУ наиболее эффективным оказался привод насосов с помощью электродвигателя.
Применение электрических насосов повьппает удельный импульс двигателей ориентации (отсутствуют потери, связанные с выбросом отработанного турбинного газа в окружающую среду) . При выборе системы подачи для ДУ межорбитального буксира США 30 (тяга ДУ 3,1 кН; топливо Нз04 + ММГ) предпочтение отдано тоже насосной подаче, причем для привода насосов намечено применить также электродвигатель с питанием от электрических аккумуляторов. Последние подзаряжаются от солнечных батарей в периоды пассивного полета межорбитального буксира. Расчеты по вариантам ДУ для укаэанного буксира показали, что при насосной подаче масса сухой ДУ снижается на 505 кг по сравнению с вьпеснительной.
Однако применение электрических аккумуляторов становится неэффективным в тех случаях, когда необходимо обеспечить очень высокий суммарный импульс (более 2,2 ° 10т Н ° с) при работе ДУ в непрерьвном режиме. В целом ряде случаев критерием оптимизации является не характеристическая скорость, а другие критерии: возможно меньшая стоимость или возможно меньший срок разработки ДУ. Выбор оптимальных параметров ДУ зависит от назначения ЛА. На.
пример, требования НАСА и Министерства обороны США к ракетам существенно различны. НАСА требуются ракеты с малыми затратамн на изготовление и обслуживание, которые в той или иной степени можно использовать многократно. Для Министерства обороны наиболее важно обеспечить постоянное состояние готовности и малое время обслуживания, а стоимость и масса полезного груза отступают на второй план. 2.2. СХЕМЫ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ С ВЫТЕСНИТЕЛЬНОЙ ПОДАЧЕЙ Общая характеристика схем с вытесвительной подачей. Ранее отмечалось, что для вытеснения компонентов топлива иэ баков можно использовать заранее запасенный газ высокого давления, а также продукты разложения или продукты сгорания ЖГГ и продукты сгорания ТГГ. Возможно применение паров какой-либо жидкости, образующихся в теплообменнике, причем теплоносителем могут служить продукты сгорания или разложения, поступаюпще из специальных газогенераторов.
Возможных схем очень много, но в современных ДУ пля вытеснения компонентов топлива почти повсемеспю используется заранее запасенный газ высокого давления. В этом случае наиболее легко обеспечить многочисленные (в некоторых случаях до 1О ) циклы работы ДУ, а вытесни- тельную схему применяют в основном в ДУ малой тяги, которые обычно должны многократно включаться для осуществления различных маневров КА, Твердотопливные газогенераторы пригодны вишь для ДУ с одноразовым циклом работы н при относительно малом времени работы.
В крайнем случае в ДУ с несколькими шпслами работы можно испольэовать несколько ТГГ, но это приводит к увеличению сухой массы ДУ и требует зашиты неработающих ТГГ от преждевременного воспламенения из-за воздействия продуктов сгорания работающего ТГГ. 31 ЖГГ обеспечивают многочисленные циклы работы ДУ с вытеснительной подачей, но они заметно усложняют ДУ: на каждом баке должен быть установлен отдельный ЖГГ (восстановительный — на баке горючего и окислнтельный — на баке окиагнтеля); должны быль дополнительные (правда, относительно небольшие) топливные бачки и дополнительная система вытеснения компонентов топлива из этих бачков в ЖГГ баков.
Поэтому хотя применение газа повышенной температуры и обеспечивает определенные преимущества (чем выше температура газа, тем меньше его расход для создания заданного давления газа в топливном баке), вытеснительная схема с использованием ЖГГ применяется редко.
Поэтому основное внимание ниже уделено ДУ с вытеснением заранее запасенным газом высокого давления. Применительно к двухкомпонентным ДУ с вытеснительной подачей можно выделить их следующие основные схемы: а) с монотонным падением давления газа в баках; б) с дополнительной общей подачей газа в баки в процессе монотонного падения давления в них; . в) с дополнительной автономной подачей газа в баки в процессе падения давления в каждом из них; г) с общим регулированием давления газа в баках; д) с автономным регулированием давления газа в баках. Автономные ДУ. Наиболее простой является схема ДУ с монотонным падением давления рв в процессе работы двигателя (рис.
2.1, а). Заправка компонентов топлива в баки более полная при низких давлениях, но при этом становятся существенными изменение коэффициента Кю и ухуд. шение характеристик двигателя. Поэтому предпочтителен диапазон давлений газа в баке 2,4 ...
1,0 МПа. В таких ДУ можно обеспечить начальный коэффициент объемного заполнения баков компонентами тошева Ку примерно 55 % (т.е. 45 % начального объема занимает газ). При указанном выше диапазоне снижения давления рб удельный импульс уменьшается примерно на 30 и 100 м/с для двигателей тягой 445 и 22,5 Н соответственно. Преимуществами таких ДУ являются простота, минимальная массз1 сухой ДУ, отсутствие баллонов высокого давления и редукторов дав.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
