Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Рдь 1У т+ ттнА (6.5) Пределы давления в камере сгорания двигателей без дожигания Рассмотрим, как изменяется удельный импульс двигательной установки при увеличении давления в камере сгорания (рис. 6.8). Если при фиксированном давлении на срезе р, повышать давление в камере сгорания р„, то удельный импульс камеры двигателя 1„согласно уравнению характеристики (1.28) будет расти по кривой 1. С ростом р„в камере будет расти и необходимое давление подачи, соответственно, будут расти необходимая мощность ТНА и расход рабочего тела для привода турбины. Согласно кривой 1 при высоких давлениях в камере сгорания увеличение удельного импульса с ростом давления невелико.
В то же время расход рабочего тела на привод турбины ТНА будет расти пропорционально увеличению давления в камере (см. уравнения (8.51), (8.55)). Поскольку рост удельного импульса двигателей невелик (кривая 2), начиная с какого-то давления р„'и потери удельного Несмотря на то, что в некоторых случаях выхлопные газы из ТНА используются для работы рулевых сопел (рис. 6.7), удельный импульс двигательной установки, работающей по схеме без дожигания, всегда меньше удельного импульса камер двигателей вследствие менее эффективного использования компонентов, расходуемых на привод ТНА. Дело в том, что температура и давление рабочего тела в патрубках значительно ниже, чем в камере сгорания.
Соответственно, степень использования рабочего тела (т. е. удельный импульс патрубков или рулевых сопел) при получении добавки тяги ЬРтнд намного ниже, чем в камере сгорания ЖРД. Таким образом, хотя патрубки дают некоторую дополнительную тягу ЬРтнА, расходы при получении этой тяги непропорционально велики. При этом в зависимости от давления подачи и совершенства ТНА потеря удельного импульса составляет 2... 3 ьУь от удельного импульса двигателей. 292 Глава б. Двигательные установки 1О Рис. 6.7.
ЖРД РД-119 «Космося: 1 — рулевое сопла тангажа; 2, 15 — рулевые сопла крена; 3,! 3 — рулевые сопла рыскания; 4, 5, !! — газораспределители с электроприводами; 6 — камера; 7 — шарлбаллон для сжатого воздука; 8 — ТНА; 9 — ПГГ; 10 — рама; !2 — монтажное кольцо рулевой системы; 14 — сьемная заглушка 293 б.4. Топливные баки импульса двигателя Ы„„ за счет рас- 1 хода компонента на привод ТНА будут выше, чем его прирост за счет увеличения тяги двигателей. Очевидно, что дальнейшее увеличение давления в камере сгорания не имеет смысла. Величина рч" зависит от совершенства работы ТНА в целом, а также от вида дроссельной характеристики дан- Рк~ Рк!Ра ного двигателя.
Реальные значения р„'и находятся в диапазоне 10...15 МПа. По Рис. 6.8. Изменение 1, двигателя без мере улучшения КПД насосов и тур- дожигания с ростом давления в камере бины увеличивается и Рк~', однако уже сгоРа"вл при давлениях, меньших р„'Р', сильно возрастают преимущества установок с дожиганием (см. гл. Ч1П). Поэтому даже при весьма совершенном ТНА не всегда целесообразно разрабатывать двигательную установку без дожигания с высоким давлением в камере сгорания.
6.4. Топливные баки В зависимости от способа подачи компонентов различают два основных типа баков. Нагруженные баки, т. е. баки, которые при работе ЖРД находятся под высоким давлением подачи компонентов. Такие баки применяют при вытеснительных системах подачи. Разгруженные баки, т. е. баки, не находящиеся под высоким давлением при работе ЖРД. Такие баки применяют при системах подачи с ТНА.
Давление в разгруженных баках не превосходит 0,3...0,6 МПа и определяется условиями обеспечения устойчивости баков и бескавитационной работы насосов. Поскольку баки составляют по своим размерам наибольшую часть ракеты, они часто используются в качестве силового элемента конструкции ракеты, воспринимающего усилия, действующие на нее. Такие баки называются несущими баками. При проектировании баков стремятся обеспечить следующие основные требования. 1. Баки любой конструкции должны быть возможно легче.
С уменьшением массы баков снижается масса ракеты и улучшаются ее технические характеристики (например, дальность полета при заданных стартовой массе и 294 Глава б. Двигательные установки массе полезной нагрузки). Это требование особенно важно учитывать при проектировании ЖРД с нагруженными баками, так как масса их всегда составляет ббльшую часть массы конструкции всей ракеты.
Облегчение конструкции баков достигается использованием прочных и легких материалов, а также путем выбора наиболее рациональных конструкции и формы баков. 2. Баки должны быть коррозионностойкими. Это требование приобретает особую важность при работе ЖРД на агрессивных компонентах и в том случае, когда необходимо длительное хранение компонентов в баках. 3. Баки должны быть просты в изготовлении и удобны в эксплуатации. Технологический процесс производства баков должен исключать попадание частиц стружки в топливо. Взаимное расположение и форма баков На рис.
6.9 приведены различные схемы расположения баков. Взаимное расположение баков горючего и окислителя обычно определяется условиями центровки ракеты. В некоторых случаях при размещении баков учитывается также требование создания необходимого напора на входе в ТНА для обеспечения бескавитационной работы насосов. Наиболее распространена схема раздельного расположения баков горючего и окислителя. При этом баки могут быть расположены последовательно (рис.
6.9, а), как в ракетоносителях «Зенит», «Атлас» и других, и в виде связ- Рис. 6.9. Схемы расположения баков: а, б, д — раздельное расположение; в, е — объединенное расположение б.4. Топливные баки 295 ки (рис. 6.9, 6). Расположение баков в виде связки может быть целесообразно в двигательных установках очень большой тяги (РН «Ангара», «Протон», «Энергия») и при использовании многокамерных установок (РН «Союз»). Применяется также объединенная конструкция баков (рис. 6.9, в, г), что позволяет уменьшить общие размеры баковой части ракеты (например, «Рокот», «Днепр», «Апапе-5» [4]). Наиболее распространенной формой баков является цилиндрическая.
Такая форма позволяет получить бак большого объема при сравнительно небольшом поперечном сечении. Баки и4аровой формы имеют наименьшие площадь поверхности и массу. Нагруженные баки шаровой формы обладают наилучшими прочностными свойствами, вследствие чего применение их часто целесообразно в установках малой тяги с вытеснительной системой подачи (двигательных установках разгонных блоков и реактивных систем управления космическими летательными аппаратами). Шаровые баки находят также применение и в двигателях больших тяг, когда выигрыш в массе за счет формы бака существенный. Классическим примером служат баки 1 — 111 ступеней ракеты-носителя Н1. Такие баки удобны также при необходимости снижения теплообмена.
Наряду с баками цилиндрической и шаровой формы в некоторых случаях по условиям компоновки всей ракеты целесообразно применение чечевицеобразных и тороидальных баков. Тороидальные баки (рис. 6.9, д) применяют на разгонных блоках, например ДМ, «Корвет». Кроме рассмотренных простых форм баков, возможны и более сложные. Так, с целью лучшего использования объема ракеты применяют так называемые утопленные конструкции, например как в РН «Днепр», «Штиль-2» 141, в которых камера двигателя как бы «утоплена» в баковом объеме (см. вклейку, рис. 9). Внутреннее устройство баков и схемы заборных устройств Для обеспечения надежной работы двигательной установки и удобства эксплуатации в баках располагается целый ряд агрегатов и устройств, например, обеспечивающих заправку и слив компонентов, для поддержания заданного уровня компонента (при применении низкокипящих компонентов), для гашения колебаний уровня компонентов в баках при маневре, для воронкогашения и др.
В ряде случаев в конструкции бака предусматриваются специальные люки для осмотра и ремонта баков, туннельные трубы для размещения магистралей подачи второго компонента, трубопроводы для отвода паров компонента и наддува баков. Баки баллистических ракет большой емкости часто имеют каркас из стрингеров и шпангоутов или внутренние ребра, обеспечивающий достаточную жесткость и прочность конструкции.
На рис. 6.10 приведено схематическое изображение двигательной установки 296 Глава 6. Двигательнгве установки б 7 8 Рис. 6ДО. Схема ракеты Я-2: ! — трубопровод отвода паров окислителя; 2 — трубопровод подачи горючего в периферийный двигатель; 3 — бак горючего (жидкий водород); 4 — бак окислителя (жидкий кислород); 5 — трубопровод отвода паров горючего; 6 — горловина для заправки и слива горючего; 7 — трубопровод подачи горючего в центральный двигателзи в — рама крепления центрального двигателя ракеты Б-2, где представлен ряд элементов внутреннего устройства баков объединенной конструкции.
Важнейшим элементом бака является устройство, обеспечивающее непрерывную подачу компонентов топлива из баков в камеру двигателя, так как перерыв в подаче топлива может привести к нарушению работы установки. Непрерывность подачи компонентов в камеру двигателя может быть нарушена, во-первых, вследствие временного оголения заборного устройства в результате действия инерционных сил при маневре ракеты и, во-вторых, вследствие образования воронки на поверхности компонента у места входа его в заборное устройство. Причинами образования воронки являются повышенные скорости движения компонента у входа в заборное устройство по сравнению со скоростями его на периферии, а также неравномерность скоростей движения компонента вдоль оси бака (из-за загроможденности объема бака различной арматурой), вследствие чего компонент может приобретать вращательное движение вокруг оси входа, способствующее более интенсивному воронкообразованию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
