Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 43
Текст из файла (страница 43)
С уменьшением начальной температуры время т„увеличивается. Так, например, для топлива, состоящего из азотной кислоты и смеси фурфурилового спирта с анилином, при понижении температуры с — 10 до — 30 'С время индукции воспламенения увеличивается с 0,015 до 0,040 с, т. е. более чем в два раза. 2.
Начальное давление в камере сгорания. Вопрос о влиянии начального давления в камере на воспламенение очень важен при организации запуска двигателя в высотных условиях. Понижение давления приводит к увеличению т„и, как следствие, увеличению заброса давления при запуске. Некоторые самовоспламеняющиеся топлива при большом уменьшении давления могут вообще утратить способность к самовоспламенению. Такие условия могут, в частности, возникнуть при запуске двигателя в космосе, где давление окружающей среды равно нулю.
К счастью, в таких случаях топливо, поступающее в камеру с давлением, близким к нулю, оказывается в перегретом состоянии. Происходит очень быстрое вскипание топлива, и за счет образовавшихся паров давление в камере сгорания повышается. 3. Состав топлива. На величину т„влияет как изменение соотношения компонентов топлива, так и наличие различных, иногда неизбежных (например, вода), а иногда специально вводимых разбавителей или добавок. Наименьшее значение т„ряда топлив не соответствует стехиометрическому соотношению. Так, например, для топлива, являющегося смесью азотной кислоты, 50% ксилидина и 50% фурфурилового спирта, изменение т„при изменении а происходит так, как показано на рис. 5.12, а, и минимальное значение т„со- 268 Глава 5. Камеры сгорания ЖРД ответствует а = 1,1. Аналогичные графики можно получить и для других топлив.
В каждом случае наименьшему значению т„будет соответствовать свое а. Различные добавки в топливе могут увеличивать или уменьшать т„. Так, например, увеличение содержания воды в азотной кислоте приводит к росту т„. 4. Опережение подачи одного из компонентов. В ЖРД трудно обеспечить одновременную подачу окислителя и горючего, запаздывание одного из них может привести к увеличению, а иногда к уменьшению т„. Так, из графика изменения т„в зависимости от опережения подачи Лг для топлива, являющегося смесью азотной кислоты и фурфурилового спирта (рис. 5.12, б), видно, что для данного топлива опережение подачи окислителя уменьшает т„, т.
е. улучшает запуск. Величина рационального опережения подачи того или иного компонента зависит от состава топлива, а также от конструкции головки, так что для каждого топлива и конструкции головки имеется свой наиболее целесообразный порядок подачи компонентов. Иногда при выборе режима запуска с опережением подачи горючего или окислителя учитывают также, что при догорании несгоревшей в камере части горючего за соплом двигателя образуется мощный факел.
5. Прочие влияния. На время индукции и запуск двигателя, кроме указанных основных факторов, оказывают влияние также физические свойства топлива, перепад давления на форсунках Арф (увеличение Арф обычно уменьшает т„), форма и обьем камеры, количество подаваемого компонента (увеличение количества подаваемого топлива часто приводит к уменьшению т„), многократность запуска и т.
д. Останов двигателя Требования к последовательности действий, необходимых для останова ЖРД, определяются назначением этого двигателя. При этом предусматривается либо останов двигателя после полной выработки компонентов из баков, либо принудительный останов путем закрытия в заданный момент отсечных клапанов топлива. Работа двигателя до полной выработки компонентов применяется на ЗУР, торпедах и в некоторых случаях на начальных ступенях многоступенчатых ракет.
Принудительный останов необходим на баллистических или космических ракетах, когда двигатель должен прекратить работу в заданный момент, например при достижении ракетой определенной скорости. При этом часто двигатель сначала переводится на режим меньшей тяги, а затем полностью отключается. Для прекращения подачи топлива используются пневмогидравлические или пиротехнические отсечные клапаны. Важным критерием 5.5. Импульс последействия 269 качества принудительного останова двигателя является величина так назы- ваемого импульса последействия.
5.5. Импульс последействия Импульсом последействия 1„л называется величина импульса тяги с момента поступления команды на закрытие отсечных клапанов до полного прекращения работы двигателя, т. е. ~а л 1 п.л о (5.1 8) где Р— тяга двигателя, тп, — время с момента поступления команды на закрытие отсечных клапанов до полного прекращения работы двигателя. Наличие импульса последействия сильно влияет на точность выведения космического корабля на орбиту или полета ракеты к заданной цели. Идеальным было бы полное отсутствие импульса последействия (1„л = О). В реальных условиях, однако, определенный импульс последействия неизбежен, причем величина его зависит от целого ряда конструктивных и эксплуатационных параметров и трудно поддается точному расчету. Рассмотрим, от каких основных факторов зависит величина импульса последействия.
Выразив тягу через тягу в пустоте, из (5.18) получим пп ~пл ~уатт — рпрас1т. о о (5.19) Поскольку обычно выключение двигателя производится на большой высоте, где давление р„близко к нулю, вторым слагаемым можно пренебречь и считать Па а п.л а у.птсат о (5.20) Изменение расхода топлива т за время т„, определяется законом перекрытия отсечных клапанов, а после их закрытия — условиями вытекания жидких и испарившихся компонентов из полостей камеры двигателя и прилегающих участков трубопроводов до отсечных клапанов. Глава 5. Камеры сгорания ЖРД 270 дэ лпл Рис.
5.13. К оценке импульса послсдсйствия За это же время тп, изменяется удельный импульс в пустоте вследствие уменьшения 13 как в результате ухудшения качества процесса сгорания при падении давления в камере сгорания, так и вследствие изменения соотношения компонентов К . Следует заметить, что при неизменном Р значение 1„п с уменьшением расхода т также не изменяется, так как в пустоте удельный импульс не зависит от расхода топлива. Схематически изменение тяги в пустоте Рп = 1„„т в течение времени тп, можно представить в виде графика, приведенного на рис.
5.13. При этом период времени тп, в соответствии с сущностью процессов, определяющих тягу, упрощенно можно представить в виде суммы: (5.21) Тп д = Тп.д! + Тпд2 + Т п.дЗ + т п.дд. Соответственно, импульс последействия также представим в виде суммы: (5.22) 1п.д 1п.д1 + 1п.д2 + 1п,дЗ + 1п.дд ° Рассмотрим составляющие времени т„„и оценим соответствующие слагаемые импульса последействия.
Время инерции камеры — т„дь В течение этого времени камера сгорания работает еще за счет преобразования жидкого топлива, имеющегося в камере в момент подачи команды на отсечку клапанов. В любой момент работы двигателя в камере сгорания существует запас топлива, равный произведению секундного расхода на время преобразования т„р (см. й 3.1). Независимо от того, началось в этот момент закрытие отсечных клапанов или не началось, тяга двигателя при дальнейшем преобразовании данного запаса топлива остается неизменной.
Вследствие этого в течение некоторого времени тп„ь прошедшего после поступления команды на закрытие клапанов, тяга двигателя Рп остается неизменной и равной тяге двигателя до момента начала отсечки двигателя. Время тп,1 можно считать равным времени пребразования, т. е. тп,| = 0,003...0,008 с. 5.5. Импульс последействия 271 ВЕЛИЧИНа ИМПуЛЬСа ПОСЛЕдЕйетВня За ВрЕМя тп „! раВНа (5.23) 1п.д! Рп 12п.д1 ° Величина 1п,! будет тем меньше, чем меньше тяга двигательной установки перед остановом двигателя.
Поэтому для уменьшения составляющей 1п,! и, как мы увидим далее, всех остальных слагаемых суммарного импульса последействия двигатель необходимо выключать на режиме возможно меньшей тяги. Для этого используется ступенчатый останов двигателя. Иногда для уменьшения импульса последействия сначала выключают основные двигатели и «доводят» ракету до заданной скорости с помощью рулевых двигателей, которые, обладая малой тягой, имеют соответственно и небольшую величину импульса последействия. Время на закрытие отсечного клапана — тп 2. В течение этого времени расход топлива падает от номинального до нуля.
Время тп,2 определяется типом отсечного клапана и его конструкцией. Для пневмоклапанов тп,2 = 0,1...0,3 С; дпя ПнрОКЛанаНОВ ОНО ЗНаЧИтЕЛЬНО МЕНЬШЕ И СОСтаВЛяЕт 0,001...0,005 с. Несмотря на то, что закрытие клапана начинается с момента подачи сигНаЛа На ОТСЕЧКУ, ВРЕМЯ тп,2 СЛЕДУЕТ ОтСЧИтЫВатЬ НЕПОСРЕДСТВЕННО За ВРЕМЕНЕМ тп,1, таК КаК ИЗМЕНЕНИЕ РаСХОДа ПРИ ПЕРЕКРЫТИИ КЛалаНОВ ПОВЛЕЧЕТ ИЗ- менение тяги двигателя со смещением на истинное время преобразования, т. Е. СО СМЕЩЕНИЕМ На ВрЕМя тп,1.
ВЕЛИЧИНа ИМПуЛЬСа ПОСЛЕдЕйетаня За ВрЕМя тп,,2 ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ ПО ФОРМУЛЕ и! 1п.д2 1ут2т2!12. ч (5.24) Для определения 1п,2 по формуле (5.24) необходимо для данной конструкции клапана знать закон изменения расхода т по времени закрытия. Значение 1„п2 можно считать неизменным и равным значению 1у и! на номинальном режиме работы (некоторым изменением 1„п за счет ухудшения процесса сгорания в камере пренебрегаем). При отсечке подачи топлива пироклапаном тяга падает значительно быстрее (пунктир на рис.
5.13). Соответственно, импульс последействия 1„„2 при применении пироклапанов будет, очевидно, меньше. Время работы камеры за счет поступления компонентов, оставшихся в полостях после закрытия клапанов, — тп з. После закрытия клапанов в полостях трубопроводов и камеры двигателя на участках от отсечных клапанов до форсунок (коллекторы камеры, охлаждающий тракт, полости головки Глава 5. Камеры сгорания ЖРД 272 ит.д.) остаются компоненты топлива.
Так как наружное давление близко к нулю, величина давления в полостях также падает до значений, при которых начинается кипение компонентов. В результате в полостях устанавливается давление, равное давлению насыщенных паров компонента при его температуре. Под действием давления насьпценных паров, а также вследствие давления столба жидкости и действия сил ускорения в камеру сгорания начинают вытесняться жидкие или испарившиеся компоненты (в зависимости от места нахождения компонента по отношению к форсункам). В камере поступившие компоненты сгорают, и истечение продуктов сгорания дает тягу Р,о.
Величина т„,3 в зависимости от физических свойств компонентов топлива, их температуры и объема полостей изменяется в широких пределах: от нескольких до десятков секунд. Составляющая импульса последействия (рис. 5.14) за это время вычисляется по формуле Рис. 5Л4. К возникновению составляющей импульса после- действия 1„,3.. ! — пары окислителя; 2 — пары горючего; 3 — отсечный клапан ту 1а дз = 1у „3птзсй. т2 (5.25) (5.26) 7п.дз = 1у.пЗГПЗтп.дз.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
