Конструкция и проектирование ЖРД Гахун Г.Г. (1014171), страница 85
Текст из файла (страница 85)
на 15 % выше, чем у жидкого водорода. Применение таких компонентов топлива позволяет увеличить длительность хранения в баках КА (другие направления повышения эффективности ДУ КА рассмотрены ниже), уменьшить массу их теплоизоляции, реже производить или вообще исключить дренаж баков из-за испарения компонента, уменьшить размеры баков и давление в них; кислород и водород в состоянии, соответствующем их тройной точке; если температура.
кипения при нормальном давлении для кислорода и водорода равна 90,2 и 20,3 К, то в тройной точке она равна 54,3 и 13,8 К соответственно, при этом плотность кислорода возрастает с 114! до !306 кг/м' (на !4%), а плотность водорода — с 71,! до 76,9 кг/мз (на 8%). Однако для использования шугообразных компонентов топлива и компонентов в тройной точке должен быть решен целый ряд проблем, в том числе проблемы производства таких компонентов в больших количествах, а также проблемы их хранения и транспортировки к РН или МТКК на стартовой позиции. 408 Использование атмосферного воздуха.
Одним из направлений повышения эффективности ДУ многоразовых носителей является использование атмосферного воздуха на участке полета носителя в плотных слоях атмосфера(, которое можно осуществить двумя путями; применением воздушно-ре(гктнвного двигателя и жидкостного ракетного двигателя, в котором используется атмосферный воздух, входящий в воздухозаборник носителя, сжила(емый на его борту и подаваемый в камеру двигателя в качестве жидкого ~)кислителя. ЖРД на сжижаемом воздухе планируется использовать на английском МТКК "Хотол". Вообще для выведения полезных грузов массол до 30 т на низкую орбиту с малым наклонением предпочтение за рубежем отдается одноступенчатым МТКК с маршевыми ВРД или ЖР)Т на сжцженном воздухе, а для полезных грузов массой более 60 т — двухступенчатым многоразовым крылатым носителям с маршевыми ДУ с использованием ЖРД.
Увеличение давления в камере сгорания. Чем больше давление в камере сгорания (для ЖРД перспективных РН и МТКК оно должно быть выше 25 МПа), тем выше удельный импульс ЖРД и лучше его компоновка. Увеличение давления в камере сгорания является вторым по важности после использования высокоэнергетических топлив способом повышения энергетических характеристик ДУ и ракетного летательного аппарата в целом. Использование максимально реализуемых давлений в камере сгорания для ЖРД с насосной подачей зависит от вида схемы ЖРД и охладителя камеры.
При разработке кислородно-углеводородных ЖРД с дожиганнем н с высоким давлением в камере сгорания выявились некоторые трудности, связанные с проблемой охлахсдения камеры. Бьщо установлено, что углеводородные горючие типа керосина ВРИ и синтетического горючего В3-5 обладают плохими охлаждающими свойствами (разлагаются при относительно низких температурах) и в ряде случаев являются непригодными для регенеративного охлаждения (без использования пристеночного слоя с пониженной температурой и завес) для маршевых ЖРД с высоким давлением. Для ЖРД с дожнганием при охлаждении пропаном в камерах, работающих на топливе Оз + Сэ На, можно обеспечить давление в камере егора.
ния до 23,5 МПа, а при охлаждении метаном нли жидким кислородом в камерах, работающих на топливах Оэ + СН4 и Оз + УВà — до 27,5 МПа. Поэтому Лэнглийскнм научно-исследовательским центром НАСА рассматривались другие схемы ЖРД на топливе Оз + УВГ, в которых можно будет реализовать более высокие давления в камере сгорания. Установлено, что проблему создания ЖРД с р = 34,4 МПа с одновременным снижением массы сухого МТКК можно решить, используя уникальные свойства водорода, который обладает в жидком и газообразном состоянии в качестве охладителя камеры исключительно высокой охлаждающей способностью, а в газообразном виде является наилучшим рабочим телом турбины из-за минимальной атомной массы водорода из всех веществ.
409 В составе перспективных МТКК, в которых предполагается испоаь. зовать ЖРД на топливе Оэ + УВГ, обязательно будет бак с жидким в о. родом. Расчеты показали, что для охлаждения высокоэффективных РД на топливе Оэ + УВГ и привода ТНА достаточен расход водорода, со ав. лающий всего 1,0 ... 1,5 % общего расхода компонюггов топлива э двигатель. Это позволяет применять схему без дожигания с вводом о аботанного турбинного газа в конец расширяющейся части сопла.
При енин в камере сгорания, составляющем 27,5 МПа, потери удельного льса нэ-за применения схемы без дожигания составляют всего 26 м/с. Такой ЖРД с двухкомпонентной камерой с высокши давление в камере сгорания и с общей магистралью охладителя и турбинного газа жет оказаться проще ЖРД с дожиганием на топливе Оэ + УВГ благодаря надежному решению проблемы охлажцения камеры водородом и из-за~отсутствия необходимости разработки и включения в схему двигателя (енератора, работающего на топливе От + УВГ с избытком горючего.
Давление на выходе из насоса УВГ в этом случае будет лишь немного превышать,давление в камере сгорания, что позволяет снизить массу топливных магистралей высокого давления. Для разработки такого ЖРД необходимо решить такие сложнме технические проблемм, как разработка смесительной головки для камер с высоким давлением р„, разработка технологии использования переохлажденных горючих (например, пропана), исследования горения новых горючих (пропана и др.) . За рубежом считают осуществимой реализацию давления в камере сгорания до 28 МПа в 90.е годы. Уменыпеине массы сухой ДУ.
Для снижения массы ЖРД и ДУ в зюлом используют: 1) конструкционные материалы с высокой удельной прочностью (титан, алюминий, магний, бериллнй и их сплавы, пластмассы и особенно композиционные материалы); широкое применение в конструкции (кроме топливных баков) композиционных материалов позволяет уменьшить массу ДУ на 10 ... 20 %; например, для термозащитных экранов и особенно для силовых рам ДУ весьма эффективна замена металла на композиционные материалы; применение более совершенных материалов обеспечивает не только снижение сухой массы ЖРД и Ду, но и повышение их надежности и ресурса работы; 2) разработку насосов ТНА с возможно меньшим потребным значе.
пнем избыточного давления жидкого компонента топлива относительно давления его насыщенного пара, а в предельном случае — с нулевым значением указанного избыточного давления; 3) передовую технологию производства: вакуумное литье, порошковую металлургию, сварку электронным лучом, электроискровую, зпектрохимическую и лазерную обработку материалов, лазерные методы упрочения поверхностного слоя деталей и т.д. Уменыпенне габаритных размеров ДУ.
Уменьшение габаритных раз% маров ЖРД и ДУ в целом достигают переходом на высокие давления в 410 ка1лере сгорания, усовершенствованием компоновки двигателя н баков н конструкции его агрегатов, а в дальнейшем использованием камер новой кон4трукции, в частности камер с центральным телом, двухконтурных камер й т.д.
Увеличение ресурса ДУ и носителя в целом. Ресурс работы ЖРД повышают путем применения конструкционных материалов с большей жаропрочнрстью и усталостной прочностью, использования высокоэффективных термойащитных покрытий и т.д. Принципиально радикальным способом увеличения ресурса ЖРД, Ду и нос1(теней в целом и снижения стоимости вывода 1 кг полезного груза на орбиту является переход к использованию многоразовых ЖРД, ДУ и носителей, при этом одновременно достигается значительная зкономия материальных, трудовых и денежных средств. Промежуточный эффект достигается при использовании частично многоразовых носителей.
Иэ числа используемых и перспективных технических решений для носителей рассмотрим следующие: 1) спасение первой ступени при поперечном делении ступеней или боковых блоков первой ступени при продольном делении ступеней с использованием парашютной ступени (частично многоразовый носитель с парашютной системой спасения первой ступени); 2) спасение первой крылатой многоразовой ступени частично многоразовой РН. Такая ступень возвращается на взлетно-посадочную полосу космодрома, с которого обеспечивается вертикальный запуск РН; 3) применение двухступенчатых и одноступенчатых крылатых полностью многоразовых носителей.
В первую очередь будут создаваться, вероятно, полностью многоразовые носители двухступенчатой конструкции сначала с вертикальным, а затем с горизонтальным стартом. Многоразовые носители с горизонтальным стартом будут проектироваться для старта и посадки на взлетно-посадочной полосе космодромов, а в дальнейшем в обычных аэропортах. Увеличение тяги одиночных ЖРД, Одной нэ тенденций развития ЖРД большой тяги является увеличение1яги одиночного двигателя.
Тягу одиночного ЖРД выбирают по условиям обеспечения повышенной надежности ДУ и носителей в целом исходя из того, что число ЖРД в ней обычно не превышает пяти-шести; в этом случае запуск ЖРД, управление носителем и подвод компонентов топлива к двигателям получаются не слишком сложными. При меньшем числе двигателей облегчается задача их одновременного запуска.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
