Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 25
ББК 39.65-02я73 К65 УДК 621.454.2.018(075.8) Авторы: В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев
К65 Жидкостные
ракетные двигатели /В.Г.Попов, Н.Л.Ярославцев.-М.: Издательско-типографский центр - «МАТИ» - КТУ им. К.Э. Циолковского , 2001, 171 с, ил. 103., табл. 3. ISBN5-230-21212-8 Даны классификация и характеристики жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Приведены основные схемы и параметры ракетных двигателей, особенности процессов горения, истечения и теплообмена в ракетных двигателях, сведения о конструкции основных узлов, агрегатов и систем автоматического регулирования ЖРД. Для студентов высших учебных заведений, специализирующихся в области проектирования ракетных двигателей. 2705140400 - 255
К---------------------------- Без объявл.
038(01)-01
ББК 39.65-02я73
ISBN5-230-21212-8
© «МАТИ» -Российский Государственный технологический Университет им.К.Э. Циолковского Издательско-типографский центр «МАТИ»- Российского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского
1. Принцип работы реактивного двигателя Основные понятия и определения 1.1.Принцип создания реактивной силы Возьмем замкнутый сосуд и создадим в нем избыточное давление Рк. На сосуд будет также действовать сила атмосферного давления Рн окружаю-шея
среды, рис. 1. Рис.1 Если силы давления Рк и Рн уравновешены жесткостью стенок сосуда, то он останется в покое. Выполним в сосуде отверстие, рис.2, при этом равновесие сил Рк и Рн нарушится и сосуд придет в движение (трение между наружной поверхностью в и окружающей средой не учитывается). В результате этого возникнет реактивная сила R, величина которой пропорциональна скорости и массе рабо- чего тела истекающего потока. Потенциальная энергия избыточного давления будет преобразована в кинетическую энергию (Ек
) истекающей струи. Реактивная сила Rнаправлена в сторону, противоположную истечению реактивной струи. На поверхность сосуда также действует сила, зависящая от величины давлений, воздействующих на его внутреннюю и наружную поверхности, т.е. Р' = Рк - Рн. Тяга двигателя Для создания реактивной силы необходимо наличие 3х
элементов: - первичного источника энергии; - рабочего тела; - собственно двигателя, в котором происходят преобразования. Реактивный двигатель
- устройство, обеспечивающее перемещение летательного аппарата ЛА в пространстве, путем преобразования первичного источника энергии в кинетическую энергию реактивной струи. Различают реактивные двигатели прямой
и непрямой
реакции. Для двигателя непрямой реакции характерно наличие движителя
-устройства, обеспечивающего реактивную силу, например, винт в турбовинтовом двигателе. Для создания реактивной силы движитель и двигатель используют разные рабочие тела. В качестве рабочего тела могут использоваться: - жидкая или газообразная окружающая среда; - топливо; - окружающая среда и топливо. 1.2. Классификация ракетных двигателей (РД) На рис. 3 представлена классификация ракетных двигателей. Рис.3
Если в качестве первичного источника энергии используется химическая реакция, то такой двигатель называется химическим. Термическим РД
называется двигатель, у которого энергия первичного источника преобразуется в тепло, а затем в кинетическую энергию истекающей струи. Химические РД являются термическими. Структурные схемы ХРД и НХРД приведены на рис. 4 ХРД
(химический ракетный двигатель) НХРД (нехимический ракетный двигатель) Г- 1- 2-3-4- Рис.4
совмещённый источник первичной энергии и рабочего тела; источник первичной энергии; камера энергопреобразователь; ускоритель; источник рабочего тела. 1.3. Тяга ракетного двигателя Вывод формулы тяги ракетного двигателя базируется на Ш-м законе Ньютона, при условии, что поток рабочего тела по тракту рассматривается стадион арным. Стационарным называется движение, при котором расход газа во всех поперечных сечениях канала одинаков и не зависит от времени, а параметры газа в указанных сечениях, включая входное, постоянны и также не являются функцией времени. Тяга реактивного двигателя является равнодействующей сил давления газов на внутренние и наружные поверхности камеры двигателя. Она возникает в результате преобразования химической энергии топлива в кинетическую энергию, истекающих из камеры, продуктов сгорания.
Тяга в пустоте - Рис.5
Определим результирующую силу камеры двигателя: Воспользуемся теоремой импульсов - импульс силы равен изменению количества движения: где: двигательной установки, тк
- конечная масса двигательной установки; где т -
массовый секундный расход, кг/с; где: Wэ.п.
- эффективная скорость истечения в пустоте, м/с; Тяга в условиях атмосферы где: Wэн - эффективная скорость истечения при наличии давления окружающей среды, м/с. 1.4. Мощностные параметры ракетных двигателей 1.Мощность реактивной струи, Вт. 2.Мощность первичного источника энергии, Вт. где: 1.5. Удельные параметры ракетных двигателей 1) Удельный импульс, (Н • с)/ кг
Удельный импульс является основным параметром, характеризующим совершенство конструкции и эффективность преобразования энергии в нём. Величина удельного импульса не зависит от тяги, создаваемой двигателем. Для химических ракетных двигателей величина удельного импульса лежит в диапазоне 2000/4000 Вышеприведённый вывод формулы тяги осуществлялся при условии её постоянства во время работы двигательной установки. Однако на практике это не соответствует действительности. На рис.7 приведена зависимость тяги двигательной установки от времени её полёта. (Iвзл, Iпол, Iпд - значения импульса ДУ на режимах взлёта, полёта и выключения, Iпд- импульс последействия). Рис7 Суммарный импульс двигательной установки 1^, \н ■ с]
можно оп-ршишь
по следующим зависимостям: Величину IПД
стараются уменьшить, т.к. это обеспечивает точность доставки полезного груза к цели. 2) Удельный расход топлива, кг/Н • с .
Для химических ракетных двигателей величина удельного расхода топлива, существенно выше аналогичного параметра для воздушно-реактивных двигателей (ВРД). Поэтому время работы ВРД существенно больше, чем ХРД. 3) Удельная мощность реактивной струи, Вт/Н. 4) Удельная масса ДУ, кг/Н, кг/Т. где: М - масса ДУ без учёта топлива. Величины удельной массы двигателей различных типов приведены Дополнительные параметры, характеризующие работу ракетного двигателя
1) Тип рабочего тела - выбирается в зависимости от области применения. 2) Время работы двигателя. ЖРД - 1000с РДТТ - 200 - 300с Если двигатель обладает системой многократного включения, то задаётся количество включений и интервал времени между ними. 3) Отклонение величины тяги от её номинального значения 4) Значения давлений в камере Рк
и на срезе сопла Ра
. 5) Величина суммарного импульса 6) Величина импульса последействия 2. Формула Циолковского и её практическое применение
2.1. Идеальная скорость и массовые характеристики ракеты Идеальная скорость
- скорость, которую приобрел бы летательный аппарат, двигаясь прямолинейно, если бы весь запас энергии, находящийся на его борту, был бы израсходован на ускорение. где: dVrp
,
dУАяр
,
dVynp
-
потери скорости гравитационные, аэродинамические и на управление, соответственно. Первая космическая скорость VK
, = 7900м
/
c
V
К
1
+
dV
пк
1
=
V
К2
=
10200
м
/
с
Идеальная скорость характеризует запас топлива на борту ракеты, необходимый для проведения определенного маневра. Массовая характеристика ракеты
Массовые модели одно и двухступенчатых ракет приведены на рис. 8. Рис.8
Условные обозначения: о. к, п, п.ф., коне, т, - массы стартовая, конечная, полезная, полезная фиктивная, конструкции и топлива, соответственно. Масса ракеты, находящаяся над ступенью, также называется полезной
фиктивной нагрузкой.
Одноступенчатая ракета называется субракетой.
Количество субракет определяется требуемой дальностью доставки полезного груза. Так при использовании ЖРДУ для обеспечения дальности полёта до 1000 км используется 1 ступень, при дальности 1000 - 3000 км - 2 ступени, а при дальности более 3000 км - 3 ступени. 2.2. Относительные массовые характеристики субракет 1. Относительная масса полезного груза 11
2. Относительная
масса конструкции 3.Относительная масса 4.Число Циолковского - Zи модифицированное число Циолковско 2.3. Формула Циолковского Предназначена для определения идеальной скорости ракеты. При выводе формулы Циолковского примем следующие допущения: ракета летит прямолинейно; гравитационные силы не рассматриваются; давление окружающей среды отсутствует. Рассмотрим расчётную схему исследуемого процесса, рис.9. Согласно первого закона Ньютона: Рис.9 Согласно формуле тяги: Знак «-» в вышеприведенной формуле указывает на снижение массы двигательной установки М за счет уменьшения массы топлива. Если конструкция космического аппарата состоит из N субракет и при этом значения числа Циолковского и эквивалентной скорости для них одинаковы, то изменение идеальной скорости можно рассчитать по формуле: 3. Рабочий процесс в химических ракетных двигателях
3.1. Аэрогазодинамический нагрев в полёте При движении газа с гиперзвуковыми скоростями М>5 на процесс теплообмена существенное влияние оказывают явления диссоциации, рекомбинации и ионизации. Диссоциация
- процесс разложения молекулярных соединений и атомов на их составляющие. Процесс сопровождается значительным поглощением тепла. Рекомбинация
- процесс обратный диссоциации; происходит с выделением тепла. Существенная интенсификация данного процесса наблюдается при наличии катализатора, в качестве которого можно рассматривать поверхность летательного аппарата (ЛА). Ионизация
- процесс отрыва свободных электронов от атомов. При М<20 ионизируется менее 1% воздуха. Поэтому при указанных режимах полета влияние ионизации на теплообмен можно не учитывать. В случае исследование теплообмена между поверхностью ЛА и газовым потоком при М<20 могут быть использованы зависимости, полученные в курсе «Термодинамика газовых потоков», с учетом влияния рассмотренных процессов на теплофизические свойства окружающей среды. При движении ЛА с космическими или околокосмическими скоростями в сильно разреженных слоях атмосферы протяжённость свободного пробега молекулы соизмерима, а в некоторых случаях превышает протяжённость летательного аппарата. Такая зона полета называется областью свободномолекулярного потока. При этом у поверхности ЛА отсутствует пограничный слой и математические зависимости полученные в курсе «Термодинамика газовых потоков», становятся не применимы. При полёте в области свободно молекулярного потока определяющим является критерий Кнудсена: где: М и Re- критерии Маха и Рейнольдса, соответственно; к - показатель адиабаты. В области свободномолекулярного потока величина критерия Кнудсена Кn >10. При 0,1>Кn>0,01 у поверхности ЛА образуется тонкий пограничный слой скользящий вдоль неё, в котором наблюдается резкое изменение параметров потока. Процесс соударения между потоком и поверхностью ЛА характеризуется коэффициентом аккомодации А. Его величина зависит от параметров потока и состояния поверхности; характеризует относительную энергию, передаваемую от молекулы к поверхности ЛА при их соударении. При проведении технических расчетов величина А принимается равной 0,9. Процесс теплообмена в области свободно молекулярного потока с достаточной степенью точности характеризуется уравнением: где: 3.2. Реакции химически активных газов Процессы расширения газов в значительной степени зависят от температуры и химического состава этих газов. С этой точки зрения все газы можно разделить на две группы: реагирующие (активные) и не реагирующие (пассивные). Активный газ
— это газ, в котором при расширении происходят те или иные химические реакции; пассивный
— расширяющийся без сопровождения химическими реакциями. Обычно, химические реакции, происходящие в газах при их расширении, отрицательно влияют на параметры термодинамического процесса и двигательной установки в целом. К таким реакциям относятся диссоциация, конденсация и ионизация. Так как диссоциация (процесс разложения молекулярных соединений на составляющие элементы) протекает с поглощением большого количества тепла, то это приводит к снижению температуры потока, то есть уменьшению его общей энергетики, а, следовательно, к ухудшению основных параметров двигателя. При расширении газового потока происходит снижение его температуры, а, следовательно, возможно явление конденсации — частичный переход рабочего тела из газообразного состояния в жидкое. Это отрицательно влияет на характеристики двигательной установки, уменьшая совершаемую газом полезную работу. Наглядное представление возникновения потерь от конденсации показано на рабочей диаграмме, рис.10. Располагаемая работа Потери располагаемой работы от конденсации Начало конденсации Рис.
10 Ионизация
— процесс отрыва электронов с внешних орбит электронейтральных атомов. Возникает при больших скоростях газового потока и обтекании им тел. Ионизация вызывает появление на выходе из сопла электрозаряженных частиц, вследствие чего наблюдается снижение тяги из-за взаи- моотталкивания одноимённо заряженных ионов рабочего тела. Кроме того, в процессе эксплуатации корпус летательного аппарата приобретает высокий электрический потенциал, что может вызвать электрический разряд между корпусом этого ЛА и другими электронейтральными или противоположно заряженными телами. При этом могут образоваться мощные кратковременные дуговые разряды, порой приводящие к серьёзным последствиям. Даже просто нахождение корпуса ЛА под высоким электрическим потенциалом уже может быть небезопасно для экипажа и приборов. Поэтому в случае процесса ионизации необходимо применять специальные устройства — нейтрализаторы, которые усложняют конструкцию двигателя и увеличивают его массу. 3.3. Потери в химических ракетных двигателях Рассмотрим идеальный ABCDи реальный abcdциклы РД в рабочей P-Vдиаграмме, рис. 11. Рис.11
АВ
- изохорический процесс сжатия компонентов топлива в магистралях и турбонасосном агрегате (ТНА); ВС - изобарный процесс с подводом тепла Qi; горение топлива в камере его рания; CD
- адиабатический процесс расширения газа в канале сопла; DA
- изобарный процесс с отводом тепла Q2
, происходящий за пределами двигателя; Площади
ABCDи
abс
d
- работы реального и идеального циклов РД, соответственно; Площадь аАВв
- потери на сжатие; Площадь ЬСс
- потери в камере сгорания; Площадь
CDdc
- потери в канале сопла; 16
Потери в камере обусловлены: а)диссоциацией; б)трением газа о стенки камеры; в)неполнотой сгорания топлива; г)разгоном газового потока по тракту камеры. Снижение потерь, обусловленных процессом диссоциации, может осуществляться путем: а)использования топлив, не склонных к процессу диссоциации; б)увеличения давления в камере сгорания до 300МПа. а)конденсацией; б)трением потока о стенки сопла; в)непараллельностью течения потока относительно оси камеры; г)неадиабатичностью процесса. 3.4. Скорость истечения газов из сопла ракетного двигателя Из теории газового потока известно, что для каждого поперечного сечения канала при установившемся режиме течения выполняется условие: сумма энтальпии iгазового потока и его кинетической энергии Ек
остается величиной постоянной. Степень расширения газа Термический КПД: Коэффициент тяги: где: К - безразмерный коэффициент тяги, характеризующий увеличение силы тяги за счёт расширяющейся части сопла; B=f(k) где: 3.5. Оценка эффективности процессов в химических ракетных двигателях Для оценки качества работы ракетных двигателей используются энергетические коэффициенты полезного действия (к.п.д.) Энергетические к.п.д. г\
- учитывают совершенство процесса преобразования теплоты в работу, а импульсные коэффициенты потерь где Lц -
работа, совершаемая ракетным двигателем за цикл (эквивалентна площади abcdна рабочей P-Vдиаграмме, см. рис. 11). Нраб
- теплота, выделяемая двигателем за цикл. где 2.Импульсный коэффициент потерь в камере сгорания:
Индексы «и» и «д» соответствуют идеальным и действительным значениям параметра. Принято считать, что 3.Импульсный коэффициент потерь в канале сопла:
где: Кр
- коэффициент тяги; Нижний предел изменения величины 4. Импульсный коэффициент потерь удельного импульса:
4. Характеристики ракетного двигателя
4.1.
Дроссельная характеристика ракетного двигателя Зависимость тяги и удельного импульса двигателя от массового секундного расхода топлива при постоянной высоте полета и неизменном соотношении компонентов топлива называется дроссельной характеристикой ракетного двигателя. В действительности при работе ракетного двигателя изменение массового секундного расхода топлива т
сопровождается изменением параметров потока по тракту двигателя (Wa
, Ра
, Тк
). Однако, т.к. изменение т
на стабилизированном участке полета незначительно, то принимают: Определим зависимость Дроссельные характеристики представляют собой семейство прямых с угловым коэффициентом А, зависящим от скорости на срезе сопла, рис.12. Зона нежелательной работы Рис.12
При массовом секундном расходе графической зависимости, рис. 12, тяга принимает отрицательные значения. В действительности этого не наблюдается, т.к. в этом случае существенным образом меняется режим истечения (отрыв потока от стенок сопла), что обуславливает положительные значения тяги. При работе ЖРД существует некоторое значение массового секундного расхода Зависимость удельного импульса Iуд
от массового секундного расхода т
представлена на рис. 13 При работе двигателя целесообразно поддерживать постоянной величину удельного импульса даже при изменении массового секундного расхода. Это
возможно за счет обеспечения следующих мероприятий: поддержание постоянным перепада давления на форсунках; поддержание постоянным давления в камере, Pк=const; обеспечение работы двигательной установки на расчетном режиме. Рис.13
Мероприятия, обеспечивающие изменение протекания дроссельной характеристики. 1.Изменение вида топлива, рис.14
2.Изменение площади среза сопла, рис. 15
4.2. Высотная характеристика Высотная характеристика
- зависимость тяги и удельного импульса от высоты полета при постоянном значении массового секундного расхода и неизменном соотношении компонентов топлива. На рис. 16 представлена зависимость давления окружающей среды Рн
от высоты Н. На рис. 16 приведены зависимости тяги от высоты полёта. Необходимо отметить, что при малых высотах полёта из-за сильного перерасширения газа наблюдается отрыв потока от стенок сопла, что учтено при построении высотной характеристики. Рис.17
4.3. Режимы работы сопла 1) Расчетный режим, Ра
= Рн
, рис. 18а 2)Режим недорасширения, Режим недорасширения наблюдается при полете летательного
аппарата по траектории выше расчетной. 3) Режим перерасширения, Ра < Рн . рис. 18а. Режим перерасширения наблюдается при полете летательного аппа-г-о-э по траектории ниже расчетной. а) б
)
в)
Влияние высотности сопла на протекание высотной характеристики Высотность сопла определяется расчетным значением давления на срезесопла Ра; чем меньше Ра, тем высотность сопла больше. 1) Возьмём серию сопел для которых справедливо соотношение 2)Для сопла с относительной степенью расширения - F1
на расчетной высоте - Н1
наблюдается расчетное значение тяги - -Ун,1, ко 3)Рассмотрим сопло, у которого относительная степень расширения 4)Точки с экстремальными значениями тяг соединим кривой, ко Общие сведения о ЖРД
5.1.
Системы космических летательных аппаратов Различают следующие типы космических летательных аппаратов: 1) Баллистические ракеты (Б.Р.). Обеспечивает доставку полезного груза к цели без вывода на орбиту. Б.Р.
26
2) Ракетоносители (Р.Н.). Обеспечивает доставку полезного груза к цели с выводом на орбиту. Р.Н. а) Последовательная схема. б) Пакетная схема. 3) Многоразовые транспортные космические аппараты (МТКА). Назначение такое же, как у Р.Н. МТКА КА). 4) Межорбитальные транспортные космические аппараты (МоТ- Обеспечивает вывод полезного груза на более высокие, чем Р.Н., космические орбиты. МоТКА 5) Искусственные спутники земли (ИСЗ). исз 6) Лунные космические аппараты (ЛКА), межпланетные космические аппараты (МпКА).. ЛКА, МпКА Рис.20 Условные обозначения к рис.20: ВСПК - вытеснительная система подачи компонентов, рис.21; 1-ЖРД с газогенератором, работающим на автономном топливе, рис.22; 2-ЖРД с газогенератором, работающим на основных компонентах топлива, рис.23; 3-ЖРД без газогенератора с газификацией охладителя в зарубашечном пространстве, рис.24; 4-ЖРД с двумя газогенераторами, рис.25. В зависимости от агрегатного состояния компонентов ( «Ж» -жидкость или «Г» - газ), поступающих в камеру сгорания, все конструктивные схемы ЖРДУ можно условно классифицировать на «Ж - Ж», «Ж -Г» или «Г -Г». Необходимо отметить, газификация компонента способствует улучшению энергетических показателей ЖРДУ. В ЖРД с ВСПК, рис.21, рабочее тело (инертный газ) из газового аккумулятора давления 1 через редукторы 2 направляется в баки окислителя и горючего 3. Далее окислитель поступает в смесительную головку 4 камеры, а горючее в зарубашечное пространство, образованное двойными стенками камеры ЖРД. Основным преимуществом данной схемы является конструктивная простота (отсутствие ТНА). Однако, для ЖРД работающих по указанной схеме характерны сравнительно невысокие значения тяги и удельного импульса, что 29
Рис.21
определило ее применение в качестве двигателей ориентации. Кроме того, в связи с нагруженностью баков для компонентов избыточным давлением они выполняются толстостенными, что приводит к существенному ухудшения массовых характеристик ЖРДУ в целом. В данной конструктивной схеме ЖРДУ, рис.22, в качестве рабочего тела приведения во вращение турбины 1 ТНА используется перекись водорода . поступающая в парогазогенератор 8 и разлагающаяся в нём под действием катализатора перманганата калия К Mg04
с образованием парогаза при температуре 600 - 800К. Парогаз направляется на лопатки турбины, обеспечивая вращение насосов 2, 3, 4 и, следовательно, подачу компонентов в комеру сгорания ЖРД - 5. Генераторный газ из турбины выбрасывается через патрубок 6 а сопло 7 за пределы двигателя. В некоторых ЖРД, работающих по указан-ной схеме, генераторный газ использовался для создания управляющих усилий для ориентации ЛА в пространстве и для создания дополнительной тяги путём его введения в расширяющуюся часть сопла. Данная конструктивная схема ЖРДУ использовалась до 70 годов двадцатого столетия. Рис23 Особенностью данной конструктивной, рис.23, схемы является более эффективное использование генераторного газа, путём его подачи в смеситель-нуюголовку камеры через газовод 9. В зависимости от соотношения компо-нентов (величины коэффициента избытка окислителя - а), подаваемых в газогенератор, он может быть окислительного или восстановительного типа. Дав-ление в полости турбины должно быть выше давления в смесительной головке на величину гидравлического сопротивления газовода. Конструктивная схема ЖРД, представленная на рис.24, используется, когда в качестве одного из компонентов применяется жидкий водород, который проходя через систему последовательно расположенных насосов (снижение вероятности взрыва при резком повышении давления компонента), направляет- ся в зарубашечное пространство камеры, образованное её двойными стенками, где газифицируется и в дальнейшем поступает на лопатки турбины, приводя во вращение насосы, а затем - через газовод в смесительную головку камеры. Рис.25 В данной конструктивной схеме ЖРДУ. рис.25,
оба компонентапоступают в головку камеры в газообразном состоянии. При этом один изгазогенераторов относится к окислительному типу, другой - к восстановительному. 5.3. Общие сведения о жидкостных ракетных топливах (ЖРТ) Классификация ЖРТ Успешное освоение космического пространства осуществляется в основном с помощью жидкостных ракетных двигательных установок (ЖРДУ). Жидкие ракетные топлива, по сравнению с твердыми (ТРТ) обеспечивают лучшие энергетические характеристики, возможность многократного включе-нияи выключения двигателя, а также оперативное изменение тяги при полете -А. Перспективное в принципе использование ядерных ракетных двигателей сдерживается в настоящее время их массовыми характеристиками, а также сложностями, связанными с обеспечением радиационной безопасности и отво-з:ч
тепла от активной зоны после выключения двигателя, вследствие остаточ-ного тепловыделения радиоизотопов — продуктов цепной реакции деления. Несомненно, что ЖРТ останутся основным энергетическим источником для ракетных двигателей различного назначения на ближайшие десятилетия. В ракетных двигателях на химическом топливе выделение энергии происходит за счёт следующих химических реакций: а)реакции окисления
—восстановления (окисления), когда энергия вы б)реакции разложения
, когда тепло выделяется в процессе разложе- в)реакции рекомбинации (соединения)
, когда тепло выделяется при Окислитель и горючее в общем случае являются сложными соедине-ниями. в состав которых могут входить как окислительные, так и горючие элементы, а также нейтральные. Горючим
является такое вещество, которое независимо от того, содержатся в нем окислительные элементы или нет, для полного окисления своих горючих элементов требует окислителя извне. Так, например, этиловый спирт С2
Н5
ОН, кроме горючих элементов (С и Н), содержит в себе и окислительный элемент — кислород, но его совершенно недостаточно для полного окисления горючих элементов спирта; поэтому этиловый спирт является горючим. Окислителем
является вещество, в котором хотя и могут быть горючие элементы, но окисляющих элементов в нем имеется значительный избыток, так что при полном окислении его собственных горючих элементов остается сво-5одное количество окислительных элементов, которые могут быть использова-ля окисления какого-либо другого горючего. Например, азотная кислота HNO3
или перекись водорода Н2
02
содержат в себе горючий элемент — водород,
однако окислительный элемент (кислород) в них имеется в таком количестве, что при полном окислении водорода азотной кислоты или перекиси водорода в них остается избыток кислорода, который можно использовать для окисления какого-либо горючего; поэтому HN03
и Н2
02
являются окислителями. К горючим элементам относятся углерод С, водород Н, бор В, алюминий А1, литий Liи другие. Окислительными элементами являются фтор F, кислород О, хлор О. Фтор и кислород значительно превосходят по эффективности другие окислительные элементы. Доли окислителя и горючего в топливе определяются величиной, называемой соотношением компонентов. Теоретическим (стехиометрическим) соотношением компонентов Действительным соотношением компонентов вительное отношение расходов окислителя и горючего, подаваемых в камеру, которое может отличаться от теоретического. Обычно Отношение Коэффициент избытка окислителя, при котором получается максимальная величина удельного импульса, называется оптимальным. На рис.26 представлена классификация жидкостных ракетных топлив, а в таблице 1 - их основные параметры и области применения. Рабочее тело для турбины или вспомогательного ЖРД 3,0 5 Топлива ракетных двигателей могут быть разделены на следующие: жидкие топлива раздельной подачи (многокомпонентные) и жидкие унитарные (однокомпонентные) топлива. В случае жидкого топлива раздельной подачи выделение энергии про-исходитв результате реакции окисления — восстановления. Процесс окисле-ния условно может быть представлен как обмен электронами на внешней элек-троннойоболочке атомов, участвующих в этом процессе. При этом атомы горючихэлементов отдают свои электроны, а атомы окислительных элементов приобретаютих. Унитарным (однокомпонентным) топливом может быть такое индиви-дуальноевещество или такая заранее приготовленная смесь веществ, которые приопределенных условиях выделяют тепло в результате химических реак-цийразложения или окисления; в последнем случае все необходимые для окис- ементы находятся в самом унитарном топливе. Несомненным преиму-ществом унитарных жидких топлив перед жидкими тонливами раздельной подачиявляется большая простота конструкции двигателей, использующих эти топлива,
так как при этом требуется лишь одна линия системы подачи. Однако жидкие унитарные топлива не нашли широкого применения в ЖРДи используются главным образом для вспомогательных целей, например, для привода турбин турбонасосных агрегатов, а также для вспомогательных двигателей малых тяг, предназначенных для ориентации и стабилизации лета- тельного аппарата. Это объясняется тем, что приемлемые по своим эксплуата- ционным свойствам жидкие унитарные топлива обладают меньшей эффективностью в сравнении с широко используемыми топливами раздельной подачи. Известны унитарные жидкие топлива, обладающие сравнительно высокой эффективностью, но они неприемлемы для эксплуатации, в основном из-за большой склонности к взрыву. Несмотря на заметное упрощение системы питания однокомпонентные ЖРТ, как мономолекулярные, так и смесевые, широкого распространения в ракетной технике не получили вследствие относительно низких энергетических характеристик и взрывоопасности. Жидкие топлива раздельной подачи находят самое широкое применение, так как они обеспечивают двигателю достаточно высокие удельные параметры при сравнительно приемлемых эксплуатационных свойствах. Многокомпонентные гетерогенные топлива включают в себя высокоэнергетические пары типа 02
+Ве, О3
+Ве, F2
+Liи водород в качестве разбавителя. Металл в порошкообразном состоянии может находиться в горючем и смесь при необходимости может быть подана в камеру центробежным насосом. Обычно в состав гетерогенных топлив включается полимерное горючее - связка, предотвращающее вынос из камеры несгоревшего порошкообразного горючего. Топлива, имеющие температуру кипения при Рн=101325 Па более 293 К называются высококипящими, а менее 120 К - низкокипящими (криогенными). К последним относятся 02
,ж
, Н2,Ж
, F2,ж
и они заправляются в ракету, как правило, непосредственно перед пуском. Топлива раздельной подачи могут быть самовоспламеняющимися
и не
самовоспламеняющимися.
К первым относятся такие топлива, воспламенение которых начинается самопроизвольно при контакте окислителя и горючего в условиях, имеющихся в камере при запуске, без какого-либо дополнительного вмешательства. Несамовоспламеняющиеся топлива для первичного воспламенения (при запуске двигателя) требуют средства зажигания. Смесь окислителя и горючего в общем случае является взрывоопасной. Поэтому все факторы, исключающие возможность накопления такой смеси в двигателе, повышают надежность двигателя. С этой точки зрения более выгодны самовоспламеняющиеся топлива, так как в силу высокой химической активности компонентов такого топлива накопление смеси окислителя и горючего практически невозможно. Высокая химическая активность самовоспламеняющихся топлив часто является важным условием обеспечения устойчивой работы двигателя. Наибольшее распространение получили двухкомлонентные самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся топлива. В литературе можно встретить классификацию ЖРТ на взрывоопасные и взрывобезопасиые. Однако, такое деление топлив чисто условно, так как при несоблюдении правил хранения все ЖРТ склонны к саморазложению, воспламенению и взрыву. 5.4. Требования, предъявляемые к ЖРТ Основные требования, предъявляемые к ЖРТ и идущие от особенно-nolЖРДУ и ЛА, можно разбить на четыре группы: 1. Энергетические требования. 2. Эксплуатационные требования для обеспечения надежной работы двигателя. 3. Требования при эксплуатации топлив вне двигателя. 4.Экономические требования. - высокая теплопроизводительность; - высокая температура продуктов сгорания; - низкая молекулярная масса продуктов сгорания; - высокая плотность топлива. Если под энергетической эффективностью ЖРТ понимать совместное влияние удельного импульса тяги и плотности топлива на конечную скорость ступени ЛА. то для обеспечения высокой эффективности необходимо в общем случае учитывать все четыре требования. Наиболее эффективные ракетные топлива должны обладать высокой теплопроизводительностью химической реакции; малой молекулярной массой продуктов сгорания и высокой плотностью компонентов. Для получения высокотеплопроизводительных топлив в качестве окислителей выгодно использовать фтор, кислород или соединения с большим содержанием реакционноспособных F2
и 02
. В качестве горючих выступают элементы первых трех периодов и, в первую очередь, водород, углерод и обо- щенные водородом соединения углерода и азота. Наиболее высокоэнергетическим ЖРТ является фторводородное топ-ливо теоретический удельный импульс в пустоте которого составляет 4880 Н с/кг
, Рк
= 15 Мпа, аок
= 1. Несмотря на низкую плотность водорода, высокое стехиометрическое массовое соотношение компонентов обеспечивает приемлемую плотность. Однако фторводородное ЖРТ не нашло пока применения в ракетной технике из-за таких эксплуатационных свойств, как высокая токсичность собственно фтора и продуктов сгорания, высокая коррозионная активность. Кроме того, высокая температура продуктов сгорания вызывает трудности с охлаждением камеры и неизбежные при этом потери удельного импульса. Высоким удельным импульсом обладает кислородно-водородное то-пливо прочно вошедшее в ракетнокосмическую технику Продукты сгорания кислородно-водородного топлива нетоксичны, а сами компоненты коррозионно-неактивны, что создает благоприятные экс- плутационные условия. К сожалению, кислород и водород при криогенных и обычных температурах не обеспечивают самовоспламенения, поэтому для про- цесса горения необходима система зажигания. Эксплуатационные требования для обеспечения надежной работы двигателя
.
Жидкостной ракетный двигатель является высокотеплонапряжен-ным преобразователем тепловой энергии топлива в кинетическую энергию струи, и для его работы необходимо обеспечить надежное охлаждение камеры. Охлаждение огневой стенки камеры обычно осуществляют компонентами теплив. Охлаждающая способность компонента в значительной степени определяется комплексом его теплофизических свойств. Топливо или его компонент, являющийся охлаждающей жидкостью, должны обладать: 1. Высокой удельной теплоемкостью, при этом единицей веса жидкости поглощается наибольшее количество тепла. 2.Высокой теплопроводностью. Такая жидкость способна пропускать и распределять по объему большие тепловые потоки. 3. Значительной скрытой теплотой парообразования. При более высокой скрытой теплоте парообразования охлаждающая жидкость закипит при более высокой Г и будет способна отнять от стенок большее количество тепла. 4. Наиболее высокой температурой кипения, что обеспечивает большую надежность охлаждения без вскипания жидкости в охлаждающем тракте. 5. Высокой химической стойкостью против разложения при высокой температуре в охлаждающем тракте двигателя, что обеспечивает надежность охлаждения двигателя жидкостью с одинаковыми, принятыми в расчете, физическими свойствами. б.Наименьшей возможной вязкостью, так как при высокой вязкости резко растут гидравлические сопротивления, увеличивается давление насосов, что ведет к увеличению веса турбонасосного агрегата (ТНА). 7. Наименьшим коэффициентом поверхностного натяжения,
что способствует лучшему растеканию по поверхности охлаждающей жидкостии исключает возможность образования паровых пузырей, вызывающихместные перегревы и точечные прогары стенок камеры. 8. Высокой скоростью сгорания; 9. Малым периодом задержки воспламенения. Требования при эксплуатации топлив вне овигатая.
Эксплуатационные требования определяются свойствами топлив. Ими же определяются и эксплуатационные затраты, связанные с заправкой, хранением и контролем. Выбор конструкционных материалов зависит как от коррозионнойактивности компонентов топлива, так и от их температуры застывания. Длительноехранение ЛА в заправленном состоянии требует высокой стабильности к
омпонентов топлива. Отработка ЖРДУ на нетоксичных, пожаро- ивзрыво-безопааныхтоп-ливах значительно упрощается вследствие снижения требоваваний погерметичности, значительного удешевления стендовой базы, транспортныхрасходов. Значение эксплуатационных требований возрастает для пилотируемыхЛА, а также для аппаратов многократного использования и длительногохранения. Наконец, экологические проблемы требуют дополнительного и подробного анализа воздействия компонентов топлива и их продуктов, сгораниянаокружающую среду. Поэтому в данном случае желательно использоватьнетоксичные, пожаробезопасные, взрывобезопасные, коррозийно-неактивныеста- бильные при длительном хранении имеющие низкую температуру застывания, жидкие ракетные топлива. Большие эксплуатационные затруднения создают коррозионно-активные компоненты топлива. Высокой коррозионной активностью отличаются азотная кислота, окислители на ее основе, а также азотный тетраксид. Приходится использовать только такие материалы, на которых образуется пассивная пленка, предохраняющая металл от воздействия окислителя. Например, при воздействии азотнокислого окислителя на поверхности алюминия образуется тонкая пленка окиси Аl2
03
, надежно защищающая металл от дальнейшего окисления. Скорость коррозии металла в окислителе увеличивается с увеличением содержания воды и температуры окислителя. Для уменьшения коррозии широко используются ингибиторы коррозии: йод и его соли, фтористый водород, ортофосфорная и серная кислоты. Так, например, коррозия легированной хро-моникелевой стали уменьшается примерно в 10 раз при добавлении в красную дымящую азотную кислоту (КДАК) 1 %
ортофосфорной кислоты. Продукты коррозии металлов в азотно-кислотном окислителе могут забивать фильтры, каналы малого сечения в топливно-регулирующей аппаратуре и являться причиной отказа ЖРДУ. Особенно жестко контролируется наличие твердых примесей в двигательных установках длительного хранения. Важным эксплуатационным свойством компонентов ЖРТ явтяется их стабильность при длительном хранении. Один из наиболее ненадежных компонентов ЖРТ при этом — перекись водорода, склонная к самопроизвольном}' разложению. Стабильность перекиси возрастает с увеличением ее чистоты и концентрации. Для стабилизации технической перекиси водорода используются оловянная, орто- и пирофосфорная кислоты, а также их соли (1-3%). Для обеспечения длительного хранения перекиси водорода в составе заправленной ЖРДУ необходимо использовать комплексный подход, который может быть реализован при: 1) обеспечении чистоты исходного продукта; 2) выборе конструкционных материалов, исключающих каталитическое воздействие (исключаются серебро, платина, свинец, ртуть, органические соединения и др.); 3) использовании стабилизаторов, дезактивирующих катализаторы разложения; 4) удалении продуктов разложения из системы подачи топлива. Большое значение для систем подачи топлива ЖРДУ имеет температурный диапазон существования компонента топлива в жидкофазном состоянии. Длительная стоянка ЛА в заправленном состоянии при температуре окружающей среды не позволяет использовать ряд компонентов с хорошими энергетическими свойствами. Так, четырехокись азота при нормальном давлении кипит при 294 К и при 262 К застывает. Концентрированная перекись водорода застывает при 276 К, а трифторид хлора кипит при 285 К. Для задач, связанных с длительным хранением компонентов в заправленном состоянии, приходится либо ставить специальную систему термостатирования, либо использовать смешанные окислители (АК-20, АК-27 и др.) с более широким температурным диапазоном, но несколько худшими энергетическими характеристиками. Постановка системы термостатирования усложняет весь ракетный комплекс. Заметное усложнение ЖРДУ вызывает применение несамовоспламеняющихся компонентов. В этом случае приходится использовать систему зажигания (химическую, электрическую, пиротехническую либо газодинамическую). Использование пусковых самовоспламеняющихся компонентов топлива влечет на собой введение дополнительных емкостей, трубопроводов, клапанов и агрегатов управления. Для электрозажигания требуется источник электроэнергии, при этом усложняется конструкция головки камеры, на которой размещается блок зажигания. Пиротехническая система предусматривает постановку нескольких пиропатронов, газоводов для двигателей многократного запуска. Газодинамическая система основана на использовании части кинетической энергии расширяющейся струи (5—6%) для нагрева специальной поверхности, контактирующей с компонентами топлива. При ее применении также усложняется конструкция головки камеры и требуется источник газа. Жидкий кислород не обеспечивает воспламенения с большинством освоенных горючих, но триэтилалюминий, триэтилборан и их смеси с кислородом самовоспламеняются. Углеводородные горючие при обычных температурах не воспламеняются с азотно-кислотными окислителями и перекисью водорода. Практически со всеми горючими только фтор и ряд его производных обеспечивают хорошее самовоспламенение однако высокая их активность приводят к существенному усложнению и удорожанию как стендовых комплексов, так и летных образцов ЛА.Учет конкретных эксплуатационных характеристик компонентов ЖРТ на ранних этапах проектирования ДУ позволяет обеспечить надежное функционирование системы подачи, а также хранение и транспортировку ЛА в заправленном состоянии. Большинство топлив ракетных двигателей представляет собой токсичные, т. е. ядовитые отравляющие вещества. Установлены предельно допустимые концентрации ядовитых веществ в воздухе рабочих помещений, которые даже при длительном (6—8 ч) и непрерывном воздействии не оказывают вредного влияния на здоровье работающих. Сокращением срока пребывания в атмосфере, зараженной ядовитыми газами или парами компонентов топлива, предельная допустимая концентрация может быть несколько повышена, так, например, для окиси углерода СО, если время пребывания не более одного часа разрешается до 0,05 мг/м3
воздуха, а для времени пребывания в 15—20 мин может достигать даже 0,2 мг/м3
. Однако надо иметь в виду, что ряд веществ с особенно высокой токсичностью, таких как фтор, окислы азота, производные фтора и хлора, не допускает даже незначительных отклонений от установленных норм. Степень токсичности различных веществ различна и обычно оценивается так называемой допустимой концентрацией ядовитого вещества в воздухе (мг/л). Иногда степень токсичности сравнивается по так называемой летальной лозе (LD50) — это такое количество ядовитого вещества в миллиграммах на 1 кг веса живого организма, которое будучи введено в организм приводит к 50 % -ной смертности подопытных животных. Важным экономическим фактором при создании и эксплуатации комплексов с ЖРДУ является стоимость компонентов ЖРТ. Вклад стоимости компонентов в суммарную стоимость технической системы возрастает с увеличением габаритных размеров ЛА и их количества в серии. Экономические требования.
При массовом использовании ЛА с ЖРДУ, а также ЛА с ЖРДУ многократного использования возрастает роль экономического фактора. Производство новых высокоэффективных ракетных топлив невозможно без подготовки и развития сырьевой и производственной базы. При этом стоимость производимых компонентов должна быть достаточно низкой. Выполнить все требования, предъявляемые к ЖРТ и сформулированные в настоящем разделе, практически невозможно. Более того, одна группа требований часто противоречит другой. Поэтому выбор компонентов топлива должен определяться в основном теми задачами, которые выполняет ЛА. 5.5. Перспективные ЖРТ Вслед за освоением и широким применением одного из наиболее эффективных топлив — кислородно-водородного — стали осваивать топлива с использованием наиболее активного окислителя — жидкого фтора и его соединений. Применение этих окислителей для двигателей нижних ступеней ракет сдерживается высокой токсичностью фтора и его продуктов сгорания. Поэтому возможной областью использования фторных топлив являются верхние ступени ракет и космические аппараты, для которых исключительно важны высокие энергетические характеристики. Для межпланетных космических аппаратов ведется разработка многофункциональных двигателей на фторгидразиновом топливе. При малых уровнях тяг (для коррекции траектории полета) используется режим работы двигателя на однокомпонентном гидразиновом топливе. Для обеспечения высоких уровней тяг (торможение космического аппарата, увеличение скорости полета и т. д.) используется режим работы на двухкомпо-нептном топливе (впрыск фтора в поток продуктов разложения гидразина). Дальнейшей перспективой по применению более эффективных топлив может явиться освоение и внедрение металлосодержащих топлив.
Для двигательных установок боевых ракет имеется существенное ограничение круга возможных топлив—они должны допускать длительное хранение ракет в заправленном состоянии. При этом необходимо сочетать высокий удельный импульс и большую плотность топлива. Работы по созданию и освоению металлосодержащих топлив, типичным среди которых является гелированный гидразин с алюминиевым порошком в качестве горючего и высококонцентрированная перекись водорода или четырехокись азота в качестве окислителя, могут привести к существенному улучшению энергетических и массовых характеристик двигательных установок на высококипящих топливах. Низкая плотность и низкая температура кипения жидкого водорода затрудняют его использование в ракетах для продолжительных космических полетов. В связи с этим перспективным представляется применение шугообраз-ного водорода. Содержание твердого водорода в двухфазной смеси может составлять около 50 %. Основные преимущества шугообразного водорода перед обычным — повышенная плотность и увеличенная хладоемкость, а, следовательно, увеличение времени хранения. Использование гелей шуги водорода может облегчить решение проблемы относительно длительного хранения жидкого водорода в космических условиях. Значительное внимание уделяется криогенным углеводородным горючим, полученным на основе низкомолекулярных газообразных углеводородов: метана Так, например, следуя букве и духу концепции двигательных установок на экологически чистых и дешевых компонентах топлива. КБ химической автоматики им. С. А. Косберга (Воронеж) в инициативном порядке приступило к освоению топлива «жидкий кислород - сжиженный природный газ» («ЖК -СПГ»). Природный газ на 98% по объему- содержит метан и оценивается ведущими специалистами отрасли как топливо, наиболее полно удовлетворяющее требованиям к двигателям нового поколения. При первом огневом испытании экспериментального двигателя на топливе ЖК-СПГ 30 апреля 1998 г. выполнены работы по проверке работоспособности стендовых систем, отработке технологии заправки метаном, термостати-рования ЖРД перед пуском, исследования характеристик запуска и выхода двигателя на основной режим. Цели и задачи начального (демонстрационного) этапа освоения нового топлива выполнены. Полученные экспериментальные данные и приобретенный опыт работ с СПГ позволяет перейти к проектированию и подготовке огневых испытаний ЖРД нового поколения. По контрактам с Корпорацией КОМПО-МАШ и Центромим. М. В. Келдыша проведена расчетно-конструкторская, материаловедческая и технологическая проработка ряда новых двигателей. Большое внимание уделяется улучшению свойств высококипящих
углеводородных горючих. Разрабатываются углеводородные горючиенефтяного происхождения и синтетические, с улучшенными физико-химическими свойствами, повышенной плотностью и т. п. В США создано углеводородное горючее RJ-5, имеющее плотность, существенно более высокую,
чемкеросин. 42
Среди исследуемых двухкомпонентных топлив, окислитель и горючее которых являются химически устойчивыми индивидуальными веществами, топливо фтор + водород является наиболее эффективным из всех известных. Вместе с высоким удельным импульсом эти топливо имеет и сравнительно высокую плотность вследствие высокой плотности жидкого фтора и большого значения оптимального соотношения компонентов. Несмотря на высокую токсичность и агрессивность фтора и продуктов сгорания, освоение этого топлива рассматривается как дальнейшее развитие и улучшение уже освоенного топлива 02
+ Н2
. Комбинация F2,ж
+N2
Н4
и имеет сравнительно высокие значения удельного импульса и плотности. Охлаждающие свойства гидразина позволяют преодолеть трудности теплозащиты, связанные с высокой температурой горения. Специальные добавки, не влияющие на энергетику, устраняют опасность разложения и взрыва гидразина при использовании его для регенеративного охлаждения. Исследуемые высококипящие топлива сравнительно немногочисленны. Согласно публикуемым материалам наиболее эффективным по удельному импульсу является топливо на основе высококонцентрированной перекиси водорода с пентабораном. Пентаборан чрезвычайно токсичен и самовоспламеняется в воздухе. Однако найдены присадки, устраняющие эту опасность (температура самовоспламенения повышается на 100 К). К недостаткам рассматриваемого топлива относят высокую температуру плавления концентрированной перекиси водорода. В то же время стабильность Н2
02
достаточна для применения во многих случаях: чистые растворы концентрированной Н2
02
разлагаются со скоростью, меньшей 0,6% в год. Топливо N2
04
+ B5
H9
имеет существенно меньшее теоретическое значение удельного импульса, но более высокую плотность и стабильность, оба его компонента пригодны для применения в системах с предварительной заправкой и герметизацией емкости. Среди выосокоэнергетических горючих внимание привлекают металлы Be, Li, A1 и их гидриды. При горении этих металлов в кислороде и фторе на единицу массы продуктов сгорания (окислов и фторидов) выделяется больше теплоты, чем, например, при горении водорода. Кроме этого, указанные металлы имеют довольно высокую плотность. Согласно термодинамическим расчетам применение добавок легких металлов, главным образом Be, может обеспечить существенное повышение энергетических характеристик топлив. Применение металлических добавок к топливу на основе жидкого водорода снижает плотность топлива, что связано с уменьшением количества окислителя в топливе и увеличением количества водорода при оптимальных соотношениях. Оптимальным соотношением всех компонентов является примерно такое, когда весь окислитель расходуется на стехиометрическое окисление металла, а водород добавляется до достижения максимального удельного импульса. Аналогичные данные показывают возможности повышения характеристик некоторых высококипящих топлив путем использования металлических добавок. 43
Для высококипящих топлив также характерно уменьшение оптимального количества окислителя при добавлении металла, однако из-за более высокой плотности горючих по сравнению с Н2
,ж, добавление металла, более тяжелого, чем оба компонента, повышает плотность топлива. Из гидридов металлов особый интерес представляет ВеН2
и А1Н3
. Плотность этих веществ довольно высока и равна 0.63 и 1.48г/см3
соответственно. Идеальный удельный импульс в пустоте топлива Н2
02
- ВеН2
при оптимальном соотношении компонентов составляет 4800 м/с. т. е. близок к удельному импульсу топлива F2
+ H2
. Это наиболее высокая характеристика для высококипящих топлив, горючее и окислитель которых являются индивидуальными веществами. Вследствие высокой теоретической эффективности металлосодержащих топлив оправданным становится поиск решения вопросов их практического использования. Одной из важных проблем является проблема хранения и подачи металла в камеру сгорания. Важным также является поиск
путей реализации высокого импульса в связи с потерями из-за неравновесного течения двухфазной смеси в сопле, а также связанными с защитой камеры, от воздействия конденсированных частиц. Содержание конденсата (окислов алюминия, бериллия и др.) в продуктах сгорания при оптимальном соотношении компонентов составляет до 40 % по массе, рис.27. Рис.27 Гелеобразные топлива исследуют в связи с решением задачсоздания хранимой однородной суспензии металлов в компонентах топлива,
увеличения срока хранения криогенных компонентов топлив в условияхнесовместимости, улучшения эксплуатационных характеристик топлив (гелирование способству-ет быстрому затуханию колебаний в баке) и т. д. Создание новыхгелеобразных топлив и комбинирование современных окислителей с гелеобразнымигорючими позволит существенно уменьшить размеры крупных ракет-носителей. При получении гелеобразных топлив обычно используются химически активные
или механические гелеобразователи. В качестве химически активных гслеобразователей применяют высшие жирные кислоты и их соли (мыла), высокомолекулярные соединения (полимеры), тяжелые углеводороды. Механическими гелеобразователями могут служить тонкоизмельченные металлы (разме-ром 0,8 ... 3 мкм) и их соединения, силикагель, сажа, глина и т.д. Используя с загущенным органическими горючими наполнители, представляющие собой порошкообразный окислитель, и высокоэнергетические добавки, получают гелеобразные монотоплива. В загущенном состоянии монотоплива похожи на твердые ракетные топлива, обладая, например, способностью выдерживать большие перегрузки. В отличие от твердых ракетных топлив гелеобразные монотоплива могут прокачиваться по трубопроводам; их приготовление можно организовать непосредственно на стартовой позиции, отработка рецептур таких топлив происходит более быстрыми темпами и имеет более низкую стоимость, а возможности варьирования рецептуры гелеобразных составов гораздо шире, так как их не нужно отверждать. Энергетические характеристики монотоплив весьма близки к характеристикам средних по удельному импульсу жидких ракетных топлив. Псевдожидкое
топливо (или его компонент) состоит из порошкообразных веществ, которые можно флюидизировать газом по методу кипящего слоя и подавать в камеру сгорания ракетного двигателя аналогично жидкому компоненту. При прохождении с некоторой скоростью потока газа, т. е. ожи-жающего агента, через слой сыпучего, зернистого вещества частицы этого вещества начинают интенсивно перемещаться относительно друг друга, напоминая при этом кипящую жидкость и приобретая некоторые ее свойства. Переход неподвижного слоя в кипящий происходит при такой скорости газа, когда гидродинамическое давление потока уравновешивает силы, действующие на частицу: инерционные, силы тяжести и др. В качестве псевдоожижаемого окислителя рассматриваются порошкообразные перхлорат аммония, нитрат аммония, гексанитроэтан и др., а в качестве горючего—алюминий, бор, полиэтилен, гидриды алюминия, бериллия, циркония и др. Сжижающим агентом может быть нейтральный газообразный азот, а также активные сжижающие газы, например, для окислителя — кислород, а для горючего — водород. В настоящее время работы в области псевдожидких и гелеобразных топлив находятся в стадии экспериментальных исследований и стендовых испытаний опытных образцов. 6. Основные конструктивные элементы камер ЖРД. Топливные баки
6.1. Особенности условий работы и конструкции камеры ЖРД Камера ЖРД—важнейший агрегат ЖРД, работающий в весьма трудных условиях. Сгорание топлива происходит в малом объеме при высоких зна- чениях температуры и давления. С целью повышения скорости сгорания поступающие жидкие компоненты должны быть очень мелко распылены и равномерно перемешаны. Распыление осуществляется форсуночной головкой (ФГ), от хорошей работы которой зависит эффективность работы камеры ЖРД. Смешивание газообразных компонентов осуществляется смесительной головкой. Внутренние стенки камеры сгорания омываются газами, температура которых значительно превышает температуру плавления материала стенки. Поэтому стенки должны интенсивно охлаждаться. Кроме того, стенки камеры ЖРД испытывают высокое давление газов. Так как вес камеры сгорания должен быть минимальным, ее выполняют из высокопрочных тонколистовых материалов. Камера ЖРД, рис.28, состоит из следующих основных, технологических узлов: форсуночной или смесительной головки (СГ); камеры сгорания или средней части; охлаждаемой сопловой части; неохлаждаемой сопловой части — насадка. Рис
. 28
Разбивка камеры ЖРД на технологические узлы Эти узлы камеры ЖРД соединяются сваркой или с помощью болтов. Средняя часть и сопловая охлаждаемая часть часто выполняются за одно целое. Форсуночная головка схематически изображена на рис.2. Она состоит из огневого днища 1, среднего днища 2, верхнего днища 3, шаровой опоры 4, патрубков подвода окислителя 5, коллектора подвода горючего 6. форсунок окислите- 46
Рис. 29 Схемафорсуночнойголовки: А
— полость окислителя; Б—
полость горючего; 1—огневое днище; 2—среднее днище; 3—верхнее днище; 4—
шаровая опора; 5—патрубок; 6—коллектор; 7— форсунка горючего; 8—форсунка окислителя Некоторые камеры ЖРД вместо центральной шаровой опоры 4
имеют специальные цапфы, приваренные к рубашке средней части камеры примерно в центре тяжести (например, камеры ЖРД «Гамма» для ракеты «Блек Найт»). Узел — камеры сгорания и охлаждаемая часть сопла - схематически изображен на рис.3. Он состоит из внутренней (огневой) оболочки или стенки 1, внешней оболочки или рубашки 2,
цапф 3,
коллектора 4,
патрубков с фланцами 5.
Стенка 1 соприкасается с газами при высокой температуре и должна нтенсивно охлаждаться. С этой целью по каналам межрубашечного пространства протекает охлаждающая жидкость — один из компонентов топлива, чаще всего горючее. Каналы для жидкости могут быть образованы несколькими способами: а) установкой гофрированных проставок между рубашкой и стенкой (рис.30, а);
6)
соединением пайкой П-образных профилей с последующей проточкой по поверхности прилегания рубашки (рис.30,6); в)соединением пайкой профилированных трубок (рис.30, в);
г) фрезерованием, травлением или выдавливанием продольных каналов в Рис
30 Конструкция средней части камеры ЖРД: 1 и 2 — внутренняя и внешняя стенки камеры ЖРД, соответственно; 3
— цапфа; 4
— коллектор; 5—патрубок с фланцем Наибольшее распространение в практике фирм США, Англии и Франции получил метод изготовления стенок из профилированных стальных или алюминиевых трубок (см. рис.30, в),
хотя применяется и метод, указанный на рис.30, б.
Рубашка 2 изготовляется из высокопрочных материалов — стали, титана. Она может быть выполнена сплошной по всему контуру стенки или в виде отдельных колец, что определяется расчетом на прочность камеры ЖРД при условии минимального веса конструкции. В некоторых конструкциях рубашка изготовляется намоткой стальной ленты или приволоки с последующей пайкой. Применяются также рубашки из стекловолокна, пропитанного пластмассой. Цапфы 3 воспринимают силу тяги камеры и привариваются к усиленной части рубашки камеры ЖРД. Чтобы избежать больших деформаций гибких трубопроводов при поворотах качающихся камер, горючее и окислитель можно подводить через осевые сверления в цапфах. Коллектор 4 служит для равномерного распределения охлаждающей жидкости по каналам стенки камеры. Он выполняется из листового металла и приваривается или припаивается к рубашке. Жидкость подводится через один, два или более патрубков с приваренными фланцами 5 для соединения с трубопроводами, идущими от ТНА. Неохлаждаемая часть сопла испытывает сравнительно небольшое внутреннее давление и изготовляется из тонколистового материала (стали, тагана). Для защиты от высокой температуры применяются различные по-крытия, наносимые электроосаждением, плазменным распылением, диффузионным и другими способами. 6.2. Особенности проведения прочностного расчёта камер ЖРД 1)Камера двигателя является, как правило, двустенной, скрепленной При работе ЖРД температуры наружной и внутренней оболочек различны и переменны как вдоль оболочки, так и по ее толщине. В наиболее тяжелых температурных условиях работает внутренняя оболочка. Средняя температура ее много выше, чем у наружной оболочки и, кроме того, значительно изменяется температура по толщине ее (тем больше, чем больше тепловой поток через стенку и чем меньше теплопроводность стенки). При таких температурных условиях работы в стенках возникают большие температурные на-пряжения и ухудшаются механические свойства материала. Ввиду этого при прочностных расчетах камеры ЖРД необходимо учитывать температуру и неравномерность ее по толщине внутренней оболочки, а также изменение механических свойств материала при повышении температуры. 2)Разность между давлением в охлаждающем тракте и статистическим Вследствие этого прочностные расчеты внутренней оболочки необходимо проводить минимум для двух сечений: сечения наибольшей разности давлений и сечения наибольшей температуры внутренней оболочки. 3)Проведение расчетов камеры двигателя на прочность по допускае Поэтому основным критерием пригодности камеры ЖРД целесообразно считать не значения возникающих напряжений, а величину деформаций как оболочки в целом, так и ее элементов. 4)Прочностные расчеты камеры ЖРД имеют характер проверочного Все основные размеры оболочек, способы скреплений, а также нагрузки на оболочку и температуры ее определяются в первую очередь условиями жности системы охлаждения и обеспечения заданной тяги двигателя и лишь затем - условиями прочности. Если какие-либо элементы камеры не удовлетворяют условиям прочности, мы не можем изменять их размеры без введения существенных поправок в расчет охлаждения или тепловой расчет камеры. Так, например, мы не можем увеличить толщину стенки внутренней оболочки, так как при этом резко изменятся условия охлаждения. 6.3. Требования, предъявляемые к камерам ЖРД Камера ЖРД любого типа и конструкции должна удовлетворять определенным требованиям, обусловленным особенностями ее работы и эксплуатации. Основными особенностями камеры ЖРД отличающими ее от камер сгорания других тепловых двигателей, являются: 1) высокая теплонапряженность ее рабочего объема, что предъявляет особые требования к конструкции камеры сгорания; 2) большие давления и температуры газов в ней (около 20-80 ата
и 2800-3600 К), что предъявляет особые требования к материалам и к системе охлаждения; 3) малое время, отводимое для сгорания в ней топлива (не больше 0,005 сек.), что требует очень хорошего распыла компонентов топлива при подаче в камеру сгорания для более полного их сгорания; 4) большие секундные расходы компонентов топлива, в силу чего требуется надежное зажигание его при запуске двигателя; 5) резкое ухудшение экономичности работы камеры двигателя и условий ее охлаждения при изменении режима работы относительно расчетного; 6) жёсткое ограничение по весу, вследствие специфики использования ЖРД на летательных аппаратах, что требует применения для изготовления камеры легких и прочных материалов при условии их работы с весьма малыми запасами прочности. Главной задачей при проектировании и конструировании камеры двигателя является обеспечение возможно большего удельного импульса при минимальном весе и максимальной надежности конструкции. В ряде случаев, когда это компенсируется соответствующим уменьшением веса, вполне допустимо некоторое снижение удельного импульса. Хотя такое мероприятие дает косвенный эффект и связано иногда со значительным изменением конструкции двигателя, но тем не менее им не следует пренебрегать. Конструктивные и эксплуатационные особенности ЖРД во многом зависят от вида применяемых компонентов топлива. При проектировании камеры двигателя необходимо стремиться обеспечить: 1) надежное воспламенение топлива при запуске в любых атмосферных условиях; 2) устойчивое горение топлива (без пульсаций давления) в диапазоне установленных режимов работы двигателя; 3) малые потери энергии топлива при сгорании в минимальном объеме и заданном режиме работы двигателя; 4) надежность охлаждения (если двигатель охлаждаемый) и работы в пределах установленных режимов и ресурса; 5) небольшой перепад давления жидкости в охлаждающем тракте; 6) простоту конструкции камеры, минимальные удельный вес и стоимость. Камеры ЖРД существующих двигателей, созданные на основании экспериментальных исследований, большинству этих требований в значительной мере удовлетворяют. Совершенство камеры ЖРД в основном определяется величиной развиваемого удельного импульса при простой, легкой и надежной конструкции. Величина удельного импульса двигателя является наиболее существенным параметром, определяющим дальность полета боевого аппарата при заданном совершенстве его конструктивного выполнения. Основным фактором, влияющим на величину удельного импульса камеры двигателя, является качество организации и осуществления в ней рабочего процесса. Изучение процессов сгорания топлива в камерах ЖРД с целью дальнейшего их улучшения и совершенствования представляет весьма обширную область экспериментальных и теоретических исследований. Для совершенствования конструкции камеры двигателя необходимы дальнейшие исследования процессов сгорания в ней заданных топлив при различных соотношениях компонентов и давлениях горения в зависимости от конструкций распыляющего устройства, скоростей впрыска компонентов топлива, конфигурации камеры сгорания и сопла, а также других факторов и условий работы двигателя. 6.4. Выбор материала для камеры ЖРД Материал камеры двигателя должен быть по возможности более прочным, легким и обладать хорошими пластическими свойствами. Для материала внутренней оболочки желательно сочетание высокой теплопроводности и удовлетворительных прочностных свойств при высоких температурах, однако, как правило, жаропрочные сплавы имеют плохую теплопроводность. Для внешней оболочки теплопроводность большого значения не имеет и поэтому МПЧ главным требованием к материалу является его высокая прочность и возможно меньшая плотность. В некоторых случаях, при высокотеплопроводных скреплениях, температура наружной оболочки может достигать 300-400°С и тогда материал должен обладать достаточно хорошей жаропрочностью. Кроме того, в зависимости от типа конструкции и применяемых ком-понентов, материал должен удовлетворять условиям свариваемости, кислото-стойкости и не являться катализатором. Основные рекомендации по выбору конструкционных материалов при производстве камер ЖРД представлены ниже: 1. Сталь 12Х18НЮТ
применяется для внутренних оболочек цилиндрической и сужающейся части камер при температуре газа менее 3000 К, а также для внутренней оболочки расширяющихся частей сопел. 2. Сталь 12Х18Н9Т
в настоящее время не рекомендуется для внутренних оболочек камер из-за склонности к межкристаллической коррозии. 3. Сталь 1X21Н5Т
целесообразно применять для выполнения силовых колец камер, т.к. она не требует термообработки после сварки. Кроме того, сталь 1X21Н5Т хорошо сваривается с бронзой, и поэтому может использоваться в качестве промежуточного кольца при сварке внутренних оболочек из стали 12Х18Н1ОТ и бронзы типа БрХ-08. Сталь 1Х21Н5Т рекомендуется также для изготовления наружных оболочек расширяющихся частей сопел. Эта сталь при температуре пайки обладает высокой пластичностью, что обеспечивает хороший контакт со связями и высокое качество пайки узлов сложной формы. 4. Сталь Х16Н4БА
используется для изготовления наружной оболочки цилиндрической и сужающейся частей камеры двигателя, т.к. при температуре более 500 К она обладает высокими механическими характеристиками. 5. Титановые сплавы
применяются для изготовления наружной и внутренней оболочек расширяющейся части сопел, работающих в восстановительной среде. Для окислительной среды титановые сплавы применять не рекомендуется, т.к. они могут возгораться из-за растрескивания окисной плёнки. 6. Медные сплавы
используются для изготовления внутреннего днища и внутренних оболочек цилиндрической части камеры и суживающейся части сопла в двигателях с высоким давлением в камере (более 10 Мпа). 6.5. Формы камер ЖРД Камера двигателя является главным агрегатом ракетной двигательной установки. Различают изобарические и скоростные камеры сгорания. Камеры сгорания с приблизительно постоянным по длине давлением иногда называются изобарическими камерами. К ним следует относить камеры, у
которых FK
/
F
*
>3
Отношение FK
/
F*
,
называют обычно безразмерной площадью камеры сгорания. Если значение FK
/
F*
< 3, то при сгорании в камере скорость потока значительно возрастает по её длине, в то время как давление, согласно уравнению закона сохранения энергии, падает. Такие камеры сгорания уже нельзя относить к изобарическим; их называют скоростными. В пределе FK
/
F*
=1
камеры двигателя носят название полутеплового сопла. Известны следующие основные формы камер сгорания ЖРД рис.31. 1.Цилиндрическая. 2.Шарообразная (или грушевидная). 3.Коническая. 4.Кольцевая (торовая, цилиндрическая). Рассмотрим особенности каждой из этих форм. В настоящее время наиболее распространены цилиндрические камеры сгорания. Они применяются для камер двигателей всех тяг. Основным достоинством цилиндрической камеры сгорания по сравнению с камерами сгорания других форм является простота ее конструкции и изготовления а, следовательно, малая стоимость. Кроме того, она имеет меньший габаритный диаметр. Рис.31
Формы камер сгорания:
а
—цилиндрическая; б—полугепловое сопло; в
—шарообразная; г
— коническая; д, е
—кольцевые К основным недостаткам цилиндрической камеры сгорания, по сравнению с камерами других форм, относятся: 1) при одинаковом объеме она имеет большую поверхность оболочки, что усложняет ее охлаждение; 2) при прочих равных условиях она имеет худшую прочностную характеристику, что увеличивает ее удельный вес и стоимость; 3) газовый поток в этой камере сгорания больше обжимается поверхностью оболочки, чем в шарообразной камере сгорания, что несколько гасит его турбулентность и утоняет ламинарный слой газа около поверхности оболочки, снижая полноту сгорания топлива и, следовательно, удельный импульс и увеличивая теплоотдачу от газов к оболочке; 4) меньшая устойчивость работы в отношении высокочастотных колебаний, что ограничивает ее расходонапряженность, а также сужает пределы регулирования тяги изменением расхода топлива. Цилиндрические камеры сгорания выполняются со съемными или приварными головками. Эти камеры обычно стоят на двигателях малых и средних тяг однократного и многократного применения, где в первую очередь требуются простота и дешевизна конструкции. В последнее время наиболее часто применяются камеры сгорания цилиндрической формы с плоской головкой и од-нокомпонентными центробежными форсунками. Примером ЖРД с цилиндрической камерой сгорания могут служить двигатели ОРМ-65и РД-107, рис.32 Шарообразные
и близкие к ним грушевидные камеры сгорания по сравнению с камерами сгорания других форм имеют следующие основные достоинства: 1) при заданном объеме они имеют относительно меньшую поверхность оболочки, что уменьшает удельный вес камеры сгорания и облегчает ее охлаждение; Рис. 32
Двигатели с цилиндрической камерой сгорания: а-
ОРМ-65 (1936 г.); б—
РД-107 (1954—1957 гг.); 1 - внутренняя оболочка камеры; 2 - корпус; 3 - вкладыш; 4 - штуцер подачи окислителя; 5—форсунка окислителя; 6—головка; 7—форсунка горючего, 8—нить накаливания: 9— воспламеняющий состав; 10 — зажигательная шашка 2) при заданном давлении в камере сгорания они имеют меньшую толщину оболочки, что уменьшает удельный вес камеры сгорания; 3) оболочка этих камер сгорания обладает большей устойчивостью против вдавливания внутрь под воздействием на нее статического давления охлаждающей жидкости; 4) процесс сгорания топлива в них протекает более полно благодаря сравнительно хорошей турбулизации газового потока, что повышает удельный импульс двигателя на 2—3%; 5) при прочих равных условиях в этих камерах меньше теплоотдача от газов к оболочке камеры вследствие наличия около ее поверхности более толстого ламинарного слоя, ухудшающего теплоотдачу к оболочке от газов и облегчающего этим охлаждение камеры сгорания (газовый поток сравнительно меньше обжимается поверхностью оболочки). К основным недостаткам шарообразных камер сгорания относятся: 1) сложность конструкции и технологии изготовления, что увеличивает ее стоимость; 2)сравнительно больший диаметр камеры сгорания, что может потребовать увеличения миделя ракеты. Шарообразные камеры сгорания обычно имеют приварную шарообразную головку. Эту форму камеры сгорания имеют двигатели большой тяги
со значительной продолжительностью работы, когда объем камеры сгорания настолько велик, что становится целесообразным предкамерный распыл компонентов, а также когда выгоды от уменьшения ее веса и повышения экономичности работы за счет формы преобладают над увеличением стоимости ее изготовления. Примером ЖРД с шарообразными камерами сгорания может служить немецкий спирто-кислородный двигатель А-4, рис.33. У конических камер сгорания
по существу вся камера является входной частью сопла. Они имеют пониженные значения Iуд по сравнению с другими типами камер и вследствие этого не применяются, представляя только исторический интерес. Основной причиной снижения Iуд являются большие скорости продуктов сгорания в камере. Вследствие этого превращение тепловой энергии в работу расширения является менее полным, т.е. имеют место большие потери на тепловое сопротивление. Кроме того, в конических камерах зона распыливания и испарения занимает значительную часть её полного объёма; зона сгорания при этом уменьшается, что приводит к худшему сгоранию или требует увеличения полного объёма камеры. Применение кольцевых камер сгорания
в ЖРД определено использованием сопел с центральным телом. Различают цилиндрические и торовые кольцевые камеры сгорания. Кольцевые камеры круглого сечения (торовые) целесообразно применять при разгоне газа в сопле с центральным телом до больших чисел М. По сравнению с другими типами кольцевые камеры сгорания имеют ряд недостатков. Поверхность их значительно больше, что приводит к увеличению веса и затрудняет охлаждение камеры, особенно, «юбки» сопла. Кольцевая камера сгорания сложна в изготовлении, а для обеспечения её жесткости необходимы либо специальные наружные рёбра жесткости, либо охлаждаемые стойки, связывающие наружный контур камеры с внутренним. Достоинствами кольцевой камеры сгорания являются: возможность регулирования модуля и направления вектора тяги, а также уменьшение вероятности возникновения вибрационного горения при разбивке камеры по окружности на ряд отдельных секций; пониженные продольные геометрические размеры, по сравнению с другими типами камер; возможность установки в полости центрального тела ТНА или других агрегатов. Рис.33 Камера двигателя ракеты А-4: 1—верхняя полость; 2— главный клапан горючего; 3— нижняя полость горючего 4—форкамера; 5—"упор для передачи силы тяги на раму: 6—патрубок подвода горючего 7— тор; S—нижний пояс внутреннего охлаждения, 9—внутренняя оболочка камеры; 10— внешняя оболочка камеры; 56
11, 12 - пояса внутреннего охлаждения: и—дополнительный пояс внутреннего охлаждения; 14— верхний пояс внутреннего охлаждения 6.6. Головки камер ЖРД и их конструкция Головка камеры двигателя является главным узлом, обеспечивающим правильную организацию смесеобразования в камере сгорания. Конструк-цияголовки должна обеспечить устойчивое горение в камере, а также способствовать плавному выходу двигателя на режим и уменьшению импульса последействия. При проектировании головки должно быть осуществлено необ-мое размещение и надежное крепление форсунок, наиболее удобный подвод компонентов к форсункам и технологически возможно более простое соединение головки с камерой сгорания. На головке располагаются устройства для ввода в камеру топлива. Жидкое топливо подается в камеру форсунками, а в случае применения схемы с дожиганием газа, поступающего из ТНА, или при подаче топлива (например, перекиси водорода) в газообразном состоянии - через специальные окна, вы- полненные в головке. При двухкомпонентном жидком топливе головка имеет днeполости. В двигателях с регулированием тяги путем отключения групп форсунок эти полости могут иметь дополнительные перегородки, позволяющие отдельно подводить топливо к различным группам форсунок. На головке размещаются также узлы крепления двигателя, клапаны, служащие для запуска, отсечки и регулирования тяги двигателя, а в ряде случаев и антивибрационные устройства, и воспламенители. Основным требованием к конструкции головки является обеспечение заданных условий смесеобразования и защиты стенок камеры от чрезмерного нагрева и прогара. Эти задачи, как указывалось, решаются рациональным размещением форсунок на головке, выбором производительности отдельных групп форсунок и их характеристик, а также надлежащим охлаждением двигателя. Одновременно конструкция головки должна обладать достаточной жесткостью несмотря на ослабление ее стенок большим количеством отверстий под форсунки, обеспечивать возможность подвода компонентов с минимальным гидравлическим сопротивлением и иметь надежную защиту от перегрева горячими газами. Для наилучшего смешения компонентов на головке желательно разместить максимально возможное число форсунок. Минимальное расстояние между форсунками определяется условиями прочности стенки головки, условиями размещения в теле головки каналов для подвода компонентов, если головка не имеет общей полости компонента, и, наконец, размерами форсунки. При центробежных форсунках определяющим фактором является размер форсунки, так как жесткость головки может быть обеспечена включением корпуса форсунки в силовую схему, а подвод компонентов в большинстве случаев осуществляется из общей полости. При струйных форсунках, имеющих относительно малые размеры, минимальный шаг определяется при данном угле рас-пыла расстоянием от поверхности головки зоны соударения струй или усло- виями подвода компонента. В выполненных конструкциях при центробежных форсунках шаг составляет 6-30 мм, а при струйных форсунках минимальный шаг может быть доведен до 3 - 4 мм. Тот или иной способ размещения форсунок выбирается либо на основании имеющегося опыта смешения компонентов топлива данного состава, либо из чисто конструктивных соображений, включающих подвод топлива и жесткость головки. Основными конструктивными элементами головки являются форсуночное днище и наружная стенка. В свою очередь форсуночное днище чаще бывает двухстенным и реже - одностенным. При двухстенном форсуночном днище головка в целом является трехстенной. Тогда стенку форсуночного днища, обращенную к камере сгорания, называют внутренней или огневой, а вторую средней. Одним из основных требований, предъявляемых к конструкции головки, является обеспечение достаточной ее жесткости, а также сохранениягерме-тичности ее элементов при возможных деформациях. Головки камер ЖРД подразделяются на плоские, шатровые, сферические, цилиндрические и вихревые, рис.34. Плоские головки являются наиболее распространенным типом. Плоские головки камеры имеют различное конструктивное оформление.- Иногда их выполняют трехстенной конструкции с отдельными полостями для горючего и окислителя. Верхнее днище обычно имеет шаровидную форму, тогда как последние два днища — плоские, в которых монтируют форсунки. При этом: компонент топлива, используемый для охлаждения камеры, поступает в нижнюю полость головки, образуемую плоскими днищами, откуда через форсунки впрыскивается в камеру сгорания. Второй компонент топлива подается прямо в верхнюю полость головки, образуемую шарообразным верхним и плоским средним днищами, а из нее затем поступает в камеру сгорания через сквозные трубки, пересекающие плоские днища головки и заканчивающиеся форсунками. Все три днища головки камеры связаны между собой. Верхнее днище связывается со средним плоским днищем косынками различной формы, а для связи плоских днищ можно использовать точечные выштамповки или развальцовку корпуса форсунок. Так как число форсунок обычно бывает весьма большим (измеряется сотнями), то последний способ связи между собой оболочек практически оказывается также достаточно надежным. Конструктивное оформление головки в основном зависит от выбранной формы камеры сгорания, ее диаметра, вида компонентов топлива, а также от того, какой компонент топлива используется для охлаждения камеры. Плоские головки применяются в камерах двигателей малых и средних тяг. Они наиболее удобны для цилиндрических камер сгорания благодаря конструктивной простоте и удобству расположения на них струйных и центробежных форсунок горючего и окислителя. Плоские головки в сочетании с цилиндрической камерой сгорания обеспечивают хорошую однородность поля скоростей и концентрацию компонентов топлива по поперечному сечению камеры. Рис.34
Классификация головок камер ЖРД Сферические головки часто выполняются с предкамерами и применяются в основном в камерах спирто-кислородных двигателей средних и больших тяг. Эта головка удачна и с точки зрения борьбы с явлениями, связанными с поперечными акустическими колебаниями, характерными для двигателей с камерой сгорания большого диаметра. Достоинство этой головки состоит в высокой ее прочности и жесткости, а недостаток—в сравнительно сложной конструкции. Постановка предкамер на головке камеры облегчает экспериментальную отработку распыливающего устройства, так как в этом случае возможна предварительная доводка только одной предкамеры, что значительно проще и дешевле доводки всей распылительной плоской головки. Шатровые головки, по форме напоминающие шатер, находят применение в двигателях малых и средних тяг, а также в качестве форкамер. Преимуществами шатровой головки являются большая, чем у плоской головки, поверхность для размещения форсунок и хорошие прочностные свойства. Недостатки головки - в сложности изготовления и неравномерности распределения топлива по сечению. При шатровой головке возможно образование «жгута» распыленного топлива. Вихревые и цилиндрические головки обеспечивают достаточно эффективный распыл компонентов топлива, за счет их лобового соударения. Один из компонентов через подводящий коллектор и отверстия, выполненные в боковой стенке, подается во внутреннюю полость головки (в вихревой головке отверстия тангенциальны по отношению к полости смешения, а в цилиндрической - перпендикулярны), а другой - направляется в нее через, как правило, струйные форсунки, установленные в верхней (вихревая) или периферийной (цилиндрическая) зоне головки. На внутреннюю полость вихревой головки камеры нанесено выгорающее покрытие, обеспечивающее охлаждение стенки. 6.7. Конструктивные особенности выполнения систем охлаждения камер сгорания Камеры сгорания в основном выполняются двухстенными. В отдельных случаях находят применение одностенные и трёхстенные конструкции. Возможны и комбинированные конструкции, когда отдельные части камеры при принятой в целом двухстенной конструкции могут иметь одну или три стенки. Все эти различия в основном определяются принятой схемой охлаждения или тепловой защиты стенок. Простейшими являются одностенные камеры; они могут быть неохла-ждаемыми и охлаждаемыми. При малой продолжительности работы двигателя и невысоком тепловом режиме иногда применяются одноетенные камеры с ёмкостнымохлаждением. Значительно большую длительность работы обеспечивает нанесение на стенку теплоизолирующих покрытий и тугоплавких материалов или материа-лов с малой теплопроводимостью. Тогда стенка сохраняет относительно низкую температуру и её несущая способность практически не понижается к кон-цу работы двигателя. Применение теплоизолирующих покрытий, керамиче-ских, наносимыхнепосредственно на стенку, в некоторых случаях, например, при кратковременной работе двигателя с невысокой температурой в камере сгорания, может дать экономию в весе по сравнению с системой наружного охлаждения, до 20-30%. Находят применение также конструкции камер сгорания с теплоизоли-рующимпокрытием, образующимся в процессе работы двигателя, рис.35. Если одностеночная камера выполняется из стекловолокна, пропитанного феноль-ными или эпоксидными смолами, то теплоизолирующее покрытие наносить не обязательно. При нагреве связующие вещества стеклопластика, выгорая, обуг-ливаются, образуя на обращенной к камере сгорания поверхности стенки по-крытие, плохо проводящее тепло и обеспечивающее сохранность механических свойств материала в невыгоревших слоях. В некоторых конструкции камера образована из стекловолокна с ненаправленным расположением волокон. Толстостенный корпус камеры сгорания жестко соединён с металлическим фланцем, с помощью которого корпус камеры винтами крепится к головке. Уплотнение достигается с помощью пазового стыка. Лучшими механическими свойствами под действием газовой нагрузки обладает корпус камеры сгорания, выполненный из стеклопластиковой узкой ленты с направленным расположением волокон, которая в процессе намотки укладывается ребром к оси камеры. Стенки камеры могут защищаться от нагрева, как в конструкции камеры с вихревой головкой и выгорающей вставкой, изготовленной из силиконо-вой ткани, пропитанной фенольными смолами. Вставка с зазором входит внутрь алюминиевого корпуса камеры сгорания со стороны расширяющейся части сопла. Кольцевой зазор между вставкой и корпусом заливается изоляци-онным материалом. К сопловому фланцу корпуса ка болтах крепится неохлаж-даемая сопловая приставка с рёбрами жесткости на наружной поверхности. Охлаждаемые одноетенные камеры могут быть с внутренними каналами и без каналов. В первом случае камера сгорания и сопло выполняются толстостенными с внутренними сверлеными и относительно редко расположенными каналами. Для облегчения камера может изготавливаться из алюминиевого сплава. Недостатком такой конструкции является трудность выполнения каналов внутри стенки на сужающейся и расширяющейся части сопла. При этом требуется либо большая толщина стенки для возможности сверления наклонного относительно оси камеры длинного канала, либо изготовление сопла из отдельных коротких отсеков. Наиболее просто осуществляется охлаждение одностенной камеры сгорания при размещении её непосредственно в баке одного компонента топ- Рис.35
Камера с вихревой головкой, выгорающей вставкой и неохлаждаемым насадком сопла. 1-грибовидный распылитель окислителя; 2 - форсунки горючего; 3-коллектор горючего; 4 - выгорающая вставка; 5 - стенка камеры; 6 - сопловая приставка. лива, рис.36. Такая конструкция применима, если двигатель имеет сравнительно малую тягу, а диаметральные размеры летательного аппарата позволяют разместить бак вокруг камеры ЖРД. Стенка камеры сгорания может быть прак-тическиразгружена от действия сил давления газов, когда применяется, балон-ная подача топлива. Двухстенные конструкции применяются в тех случаях, когда камеры имеют регенеративное охлаждение. Они отличаются типами связей между стенками и формами каналов для наружного охлаждения. Двухстенные камеры могут быть совсем без силовых связей между стенками на участке между головкой и соплом, с редко расположенными и часто расположенными связями. Двухстенные камеры без промежуточных связей могут выполнятся при малых диаметрах камеры сгорания, а также при низких давлениях в камере и температуре внутренней стенки порядка 250-400°С. При таких температурных условиях внутренняя стенка толщиной 2-5 мм обладает достаточной жесткостью и способна без потери устойчивости выдержать нагрузку от сил давления охлаждающей жидкости и газов. Наружная стенка, имеющая ещё более благоприятные температурные условия, также способна воспринять нагрузку от сил давления охлаждающей жидкости. Рис. 36 ЖРД с камерой сгорания, размещенной внутри топливного бака: 1 - стенка сопла; 2 - бак горючего; 3 - кожух; 4 - внутренняя стенка камеры сгорания; 5 - наружный корпус бака Внутренняя и наружная стенки в таких конструкциях связываются между собой через головку и вблизи обреза сопла, а иногда дополнительно у конца камеры сгорания Применение конструкции без связи между стенками возможно для камер сгорания двигателей с небольшой тягой или рулевых и вспомогательных двигателей при давлении в камере 15-20 кГ/см2
. Развитие ЖРД, сопровождающееся увеличением диаметра камер, температуры горения и давления, вынудило перейти к конструкции сначала с редко расположенными, а затем и с часто расположенными связями. Редко расположенные связи выполняются в виде жестких колец, связывающих стенки, что способствует уменьшению деформации. Кроме того, вблизи колец внутренняя и наружная стенки работают совместно, что повышает общую несущую способность камеры. На участках между связями для разгрузки от температурных напряжений, которые возникают от разности продольных температурных деформаций стенок, размещаются кольцевые компенсаторы, которые служат одновременно дополнительными ребрами жесткости. Такого типа конструкции применимы при толщине стенок порядка 5 мм и более, сравнительно низкой температуре стенок и давлениях в камере порядка 25-30кГ/см2
. В весовом отношении конструкции с редко расположенными связями невыгодны. Наиболее легкими и надежными являются конструкции с часто расположенными связями, находящимися столь близко друг от друга, что действие избыточного давления охлаждающей жидкости не вызывает сколько-нибудь заметных местных прогибов стенки и работоспособность камеры определяется только несущей способностью под действием сил давления газов и осевой силы. Стенки связываются между собой сваркой или пайкой . При сварном соединении на наружной стенке выполняются точечные или сплошные выштамповки. Точечные выштамповки могут быть круглыми или овальными с большой осью, направленной вдоль образующей камеры. Точечная сварка производится в местах выщтамповок. Однако выштамповки при большой толщине стенок загромождают тракт охлаждающей жидкости и не позволяют расположить связи достаточно часто. Сплошные выштамповки под роликовую сварку могут располагаться в зависимости от принятого способа циркуляции охлаждающей жидкости -вдоль образующей камеры сгорания и сопла или по винтовой линии, как в конструкции камеры ЖРД с соединением стенок сваркой по винтовым вы-штамповкам. При многозаходной винтовой связи увеличивается длина контактной поверхности стенок, по сравнению с продольными связями, что способствует увеличению жесткости камеры и прочности связей. Повышение давления газов приводит к необходимости значительно уменьшить расстояние между связями, что возможно в паяных конструкциях. Для пайки используются твердые припои. Припои наносятся предварительно на спаиваемые поверхности. Пайка производится в печи. Твердые припои имеют температуру плавления до 1500°С. При рабочей температуре в месте соединения 500°С допустимые напряжения в паяном шве составляют до 8 кГ/мм2
,а при температуре 700°С - около 1 кГ/мм2
. Паяные конструкции выполняются с ребрами и трубчатого типа. Простейшей является конструкция с припайкой ребер, выполненных задело с одной из стенок, по преимуществу с внутренней, к другой стенке. Ребра на внутренней стенке получают механической обработкой. Они могут иметь переменный шаг по сечениям камеры и сопла и располагаются вдоль образующей или по винтовой линии. Для простоты ребра выполняются прямоугольного профиля; толщина их должна быть наименьшей допустимой технологическими возможностями. Для уменьшения загромождения тракта охлаждающей жидкости и снижения веса ребра могут образовываться тонкостенными штампованными профилями, которые затем либо припаиваются к обеим стенкам, либо припаиваются к одной стенке, а к другой не припаиваются. Трудности создания подобных паяных конструкций, где шов находится внутри охлаждающей полости, состоят в необходимости обеспечить гладкую поверхность шва и предотвратить затекание припоя в каналы рубашки. От этого технологического недостатка свободны паяные трубчатые конструкции, у которых шов находится снаружи каналов для охлаждения. Трубчатые камеры
выполняются из отдельных тонкостенных трубок, уложенных вдоль образующей камеры сгорания и сопла, а иногда по винтовой линии. Трубки имеют прямоугольное, овальное и U-образное сечение. На нецилиндрической части камеры сгорания и сопла площадь поперечного сечения трубок переменна. При относительно малых степенях расширения сопла и камера сгорания система охлаждения может быть образована из одного и того же количества трубок. Количество трубок выбирается таким, чтобы каждая трубка занимала дугу с центральным углом 0,75-1,25 градусов. При больших степенях расширения сопла при таком угловом шаге на срезе сопла трубки должны быть сильно сплющены, что технологически затруднительно. Поэтому в таких случаях применяются комбинированные конструкции, когда часть тру-роходит вдоль всей образующей камеры сгорания и сопла, а между ними на расширяющейся части сопла ставится по одной или по две укороченных трубки. Трубки спаиваются по боковым прилегающим поверхностям. На пая-ные швы при этом приходится весьма значительная нагрузка от газовых сил, стремящихся разорвать камеру вдоль образующей. Для обеспечения надлежащей прочности необходимо применять усиливающие элементы. Такими элементами могут быть наружные кожухи, бандажи или сплошная обмотка. При толстостенном металлическом кожухе вес камеры значительно увеличивается. Поэтому чаще применяют отдельные усиливающие бандажи, расположенные почти вплотную друг к другу на камере сгорания и горловине сопла и с большими промежутками на расширяющейся части сопла. В отдель-ныхконструкциях применяется обмотка снаружи трубчатой камеры проволокой квадратного сечения, которая может пропитываться связующей эпоксид-ной смолой. Вместо проволоки применяется и обмотка стеклопластиком с направленным расположением волокна. Специфичными условиями охлаждения может быть вызвано и приме-нение трехстенной трубчатой камеры, рис.37. В ней по внутреннему ряду тру_
бок охлаждающая жидкость течет от головки к срезу сопла, а по наружному ряду - в обратном направлении. Иногда, например, в конструкции цилиндрической камеры ЖРД, применяется система охлаждения, при которой по одной из двух соседних трубок охлаждающая жидкость течет от головки к соплу, а по другой - в обратном направлении. Рис 37 Трехстенная камера: l-трубка наружного ряда; 2—трубки внутреннего ряда: 3— подвод горючего; 4—главный клапан горючего; 5—головка двигателя При трубчатой конструкции сравнительно просто может быть осуществлен ввод в камеру отработанного газа из турбины ТНА для создания допол-нительной тяги. Окна для ввода газа имеют треугольную форму и образованы в томсечении сопла, где между основными длинными трубками вставлены укороченные трубки. На рис. 38 показана трубчатая камера двигателя RZ-2, работающего на топливе жидкий кислород - керосин. Тяга двигателя на земле 62 Т
(«620 кн),
удельная тяга 245 кГ-сек/кг
(24-102
н-сек/кг};
отношениеFK
/
F*
=1,8
т. е. камера сгорания скоростная; степень уширения сопла равна 8; давление в камере сгорания 38 ата
(3,73 н/м2
).
Охлаждение производится в «два хода». Охладитель по трубке проходит в сопловой коллектор 24
и возвращается обратно по соседней трубке, после чего поступает в форсуночное днище головки 5.
Жидкий кислород поступает в головку через угловой патрубок 2.
Из головки кислород и керосин поступают в камеру сгорания, где смесь воспламеняется от пиротехнического запальника 8,
который в свою очередь поджигается электрической искрой. Оболочка камеры выполнена из 312 спаянных никелевых трубок. Для повышения прочности набор трубок стягивается бандажными кольцами 13,
которые на участке камеры сгорания образуют сплошную обечайку. Керосин, охлаждающий стенки камеры, подается во входной коллектор 6
и через отверстия 19
поступает в трубки. Камеры с регенеративным охлаждением могут иметь теплоизолирующие покрытие в тех случаях, когда недостаточна теплоемкость охладителя и нет внутреннего охлаждения, а также если применено топливо с очень высокой температурой горения. Стенки камер большей частью выполняются составными и соединяются продольными и поперечными швами; реже применяются бесшовные камеры. Стенки цилиндрических камер сгорания свариваются из листового материала. Толщина внутренней стенки камеры определяется условиями охлажде-ния. В двигателях с высокой тепловой напряженностью толщина внутренней стенки составляет примерно 0,8-2мм. Толщина наружной стенки из условии необходимой несущей способности и в зависимости от действующей нагрузки, температуры, материала и допустимых радиальных деформаций имеет большие размеры. Внутренние стенки выполняются из жаростойких сталей или сплавов или из материалов с большой теплопроводностью, например, из меди, бронзы или алюминия. Наружные стенки при малых относительных нагрузках могут выполняться из малоуглеродистой или жаростойкой стали, а при больших нагрузках - из высокопрочных материалов. Толщины стенок трубок порядка 0,2-0,4 мм; материалами трубок служат сталь, никелевые и алюминиевые сплавы. Рис.38 Трубчатая камера двигателя: —
карданнаяподвеска; 2—
подвод жидкого О2
; а—штуцер для замера давления: 4—
фланец 5— головка,
6—входной коллектор керосина; 7— уплотнительное кольцо; 8
—пирозапальник V— кабель;
10—
камера сгорания; Л— место крепления рычага для управления вектором тяги 12
— критическое сечение; 13 бандажные кольца; 14
сливной штуцер: 15—спрямляющая решетка; 16—крышкаголовки; 17
—подвод пускового горючего; 18-
—фланец: 19
—вход горючего 20— трубки,
21
—силовое кольцо в критическом сечении; 22—фланец для крепления экрана 23
— выходноесечение сопла; 24
— коллектор горючего: 25
—корпус головки: 26—
подвод кислорода; 27—подвод пускового горючего; 28
— подвод горючего 6.8. Потери в соплах ракетных двигателей Сопло — необходимый элемент всякого ракетного двигателя, в котором тепловая энергия продуктов сгорания преобразуется в кинетическую энергию истекающей из сопла струи газов. Величина кинетической энергии в конечном итоге определяет главную характеристику двигателя — удельный импульс. Всякий реальный процесс преобразования энергии сопровождается некоторыми потерями. В данном случае потери снижают кинетическую энергию струи и, следовательно, удельный импульс. Одна из задач организации рабочего процесса в соплах ракетных двигателей—снижение всякого рода потерь, максимальное приближение реального процесса истечения из сопла к идеальному. С другой стороны, сопло ракетного двигателя, особенно при современных больших степенях расширения газов в нем, представляет собой довольно громоздкую конструкцию и в общих габаритах и в массе двигателя занимает весьма заметную роль. Другая задача - всяческое снижение необходимых габаритов сопла ракетного двигателя. Таким образом, объединяя обе задачи, можно сказать, что при проектировании сопла ракетных двигателей основной целью является максимальное приближение процесса истечения к идеальному при минимальных габаритах сопла. Тогда сопло двигателя будет иметь минимальные потери при минимальной массе и габаритах. В соплах реактивных двигателей потери с достаточной точностью можно разделить на следующие виды: Потери трения. Этот вид потерь связан с трением газа о стенку. Наличие вязкого трения при течении газового потока вдоль стенки КС и сопла создает силу, стремящуюся увлечь стенку в направлении потока, т. е. создает силу, противоположную тяге. Газодинамические потери. Этот вид потерь связан с неравномерностью поля скорости по величине и направлению на срезе сопла. Дело в том, что, рассматривая характеристики идеального или теоретического двигателя, подразумеваем одномерное течение в сопле и, следовательно, параллельное оси сопла истечение с одинаковой скоростью по всему срезу сопла. В действительности течение в соплах пространственное, близкое к его разновидности — осесимметричному потоку, с непараллельным и неравномерным истечени Термодинамические потери. К термодинамическим процессам, которые могут оказать отрицательное влияние на тяговые свойства сопла, относят недовыделение теплоты в сопле, за счет некоторой степени неравновесности и потери теплоты за счет теплоотдачи в стенку или в систему охлаждения. Эти потери отклоняют реальный процесс от идеализированного, и поскольку в обоих случаях имеют место потери тепловой энергии при расширении, то это вызывает и соответствующие потери тяги в сопле. Полные потери тяги в соплах. В общем случае суммарный коэффициент, отражающий все основные составляющие потери: где (при «хорошо» спрофилированных и изготовленных соплах): В итоге, учитывая приведенные выше значения отдельных состав-
ляющих, полный коэффициент сопла равен тяги в соплах составляют от 2,5 до 6,0%, рис.39. Пунктирная кривая расширя- ет область в сторону его увеличения при применении сопел с полированной внутренней поверхностью. Рис.39
Примерное значение полного коэффициента профилированного сопла 6.9. Схемы сопел ЖРД Применяемые в ракетных двигателях сопла могут быть разделены на конические, профилированные, кольцевые или сопла с центральным телом. Конические сопла.
Это наиболее простая в техническом отношении схема сопла. Сверхзвуковая часть сопла выполняется в виде прямолинейного расходящегося конуса, а область критического сечения по дуге окружности. Несмотря на большие потери тяги по сравнению с профилированными, эти сопла во многих случаях используются в ракетных двигателях. Больше того, для двигателей, работающих при больших противодавлениях среды (подводных) на режимах с отрывом потока в сопле, конические сопла оказываются более предпочтительными. С достаточной степенью точностью потери тягн на неравномерность поля скорости на срезе сопла или непараллельность истечения оцениваются соотношением: т. е. определяются в основном непараллельностью истечения, 2 будет иметь экстремум при некотором угле конусности. Действительно, при увеличении угла конусности потери непараллельности растут, потери трения уменьшаются, рис.40. Рис.40
Кривые зависимости По мере увеличения степени расширения газов, т. е. увеличения относительной площади среза Профилированные сопла.
Профилированные сопла в настоящее время широко распространены. Контур сверхзвуковой части выполняется по специальной образующей, которая сначала резко отклоняется от оси сопла, а затем, достигнув максимального угла отклонения в точке перегиба, плавно выравнивается к концу сопла. Профилированные сопла обладают определенными преимуществами по сравнению с коническими: а)при одинаковой длине будут иметь меньшие угол конусности на срезе б)при одинаковой конусности на срезе и соответственно одинаковых по Построение криволинейного контура производится по специальным схемам, основанным на свойствах сверхзвукового потока. Независимо от схемы построения контура профилированные сопла, так же как и конические, имеют при определенных условиях экстремальное значение коэффициента сопла Оптимальные ( Кольце
вые сопла. Одним из перспективных методов уменьшения габаритов двигателя является использование вместо обычных круглых сопел Лаваля
кольцевых или сопел с центральным телом. В этих схемах принцип разгона газового потока до сверхзвуковой скорости остается прежним— геометрическим: дозвуковой поток разгоняется до скорости звука в сужающемся канале, а затем в расширяющемся канале достигает сверхзвуковой скорости. Разница между обычным и новым соплом состоит в том, что новая схема сопла имеет форму критического сечения не круглую, а кольцевую или щелевую. На рис.41 представлена схема сопла с простым кольцевым критическим сечением. Контур этого сопла получается, если вращать контур обычного сопла Лаваля
с осью х
—х
вокруг центральной оси 1-1. Для образования кольцевой или щелевой формы критического сечения сопла, как видно из схемы, внутри сопла располагается тело вращения, называемое центральным телом.
Для сопла с центральным телом наиболее подходит торовая форма КС. В этом случае центральная часть КС и сопла (внутренняя полость центрального тела) оказывается свободной. В ней очень хорошо можно расположить турбонасосный агрегат, а также и все остальные агрегаты, обслуживающие двигатель. В результате двигатель с новым соплом получается очень компактным и коротким. В качестве примера, подтверждающего сказанное, на рис.42,а приведены габариты двигателей ракеты «Сатурн-5» Ф-1, имеющего тягу Р =
7000 кН с обычным соплом на рис.42,6 — габариты двигателя ракеты «Сатурн-1В» Н-1 с тягой Р=900 кН, на рис.42,е — габариты двигателя Ф-1 с кольцевым (тарельчатым) соплом. Как видно, двигатель с кольцевым соплом оказывается в 100/40 что в 2,5 раза короче и равным по длине двигателю с тягой, почти в 8 раз меньшей. Отсюда соответственно уменьшаются габариты и всей ракеты, что в конечном итоге приводит к заметному выигрышу в массе. Причем в полости центрального тела размещаются все агрегаты двигателя вместе с ТНА. Кольцевые сопла с центральным телом используются для двигателей большой тяги. Рис.41 Схема простого кольцевого сопла: Da
-диаметр
выходного сечения; nкр
- высота кольца критического сечения; Rкр
- средний радиус кольцевой щели критического сечения Рис.42 Сравнение размеров двигателей 6.10. Кольцевые сопла Простая схема сопла с центральным телом легко может быть видоизменена так, что получится новая схема кольцевого сопла, представленная на рис.43,а, у которой центральную цилиндрическую поверхность тока, проходившую через ось контура сопла х
— х,
заменили твердой стенкой. С точки зрения газовой динамики это вполне возможно, так как поверхность тока для газа так же непроницаема, как и твердая стенка. В результате получим схему сопла с центральным телом, которая в некоторых случаях может быть предпочтительнее: это сопло имеет внешнюю оболочку в виде простого цилиндра. Газодинамическая схема течения в таком сопле практически ничем не отличается от схемы течения в предыдущем, если только учесть, что контур этого сопла соответствует «половине» контура предыдущего сопла. Заметим здесь, что так как за выходной характеристикой АВ
поток является однородным, т. е. с постоянной и параллельной скоростью, то совершенно нет необходимости продолжать внешнюю цилиндрическую оболочку сопла дальше точки А.
Следовательно, можно внешнюю оболочку «обрезать» по сечению, в котором находится точка А,
и получить сопло, показанное на рис.43, б. Естественно, такое сопло более выгодно, так как оно меньше по массе и его удобнее охлаждать — меньше огневая поверхность. В случаях если из условия обеспечения необходимой степени расширения выходной диаметр сопла получается меньше диаметра корпуса ЛА, то внешний диаметр тогда можно сделать равным диаметру корпуса, а нужную площадь выходного сечения сопла получить за счет устройства центрального тела с плоским торцом. Наконец, как и в круглых соплах, с целью сокращения длины и уменьшения потерь на трение более выгодным будет сопло не с полностью параллельным истечением, а с некоторой степенью непараллельности. Такое сопло получается, если соответственно «обрезать» предыдущее сопло. Кроме рассмотренных выше схем кольцевых сопел известны и другие их разновидности. Например, на рис.44, представлены две интересные схемы сопел и их разновидности, отличительной чертой которых является расположение плоскости критического сечения под некоторым углом к центральной оси сопла. Причем расположение критического сечения может быть двояким: с наклоном сечения к оси (вектор скорости в критическом сечении направлен к оси сопла, схема а) и от оси (вектор скорости в критическом сечении направлен от оси сопла, схема б). Такие сопла также можно представить себе как полученные вращением некоторого основного контура сопла вокруг центральной оси 1—1. Причем обе разновидности получаются в зависимости от расположения центральной оси 1—1 по отношению к исходному контуру. Первая схема (а)
называется соплом с внешним расширением
или штыревым
соплом.
Вторая схема (б)
называется соплом с внутренним расширением
или тарельчатым соплом.
Рис.43 Схемы кольцевых сопл с прямым критическим сечением Кольцевые сопла с наклонным кр
итическим сечением.
Рис.44 Схемы кольцевых сопл с наклонным критическим сечением б.11.Требования, предъявляемые к распыливающему устройству ЖРД Для эффективного сжигания жидкого топлива должно быть обеспечено егс полное испарение в заданное время и в нужном месте камеры сгорания двигателя. Для этого в нужный момент вся масса топлива, подаваемая в камеру сгорания, должна иметь максимальную поверхность. Значительное увеличение поверхности компонента может быть получено распылением его на мельчай-шие частицы. Поэтому распыливающее устройство ЖРД должно обеспечивать дробление жидких компонентов топлива, подаваемых в камеру сгорания под определенным давлением и в соответствующих количествах, на мельчайшие капли, быстрое и хорошее смешение их между собой. От того, насколько совершенно осуществляются эти процессы, в значительной мере зависят скорость и полнота сгорания образующейся топливной смеси, величина потребного объ-ема камеры сгорания, ее размеры, удельный вес, устойчивость работы и другие характеристики. Чем совершеннее смесеобразование, тем экономичнее, устой-чивее и надежнее работа двигателя. Процесс распыла жидких компонентов топлива зависит от их физиче-ских свойств, типа и конструкции форсунок, режима их работы и других фактов. Форсунки двигателя дробят компоненты топлива на миллиарды ка-пель, имеющих поверхность, измеряемую десятками квадратных метров. Если, например, 1 я
жидкости до подачи в камеру сгорания имеет диаметр около 0,124 м
и поверхность -0,0483 м2
,
то после дробления ее на капли диаметром 100 мк
(10~4
.м ) суммарная поверхность жидкости увеличится почти в 1240 раз и будет составлять около 60 м2
.
Состояние теории смесеобразования и горения топлива в ЖРД в настоящее время не позволяет еще производить точные расчеты этих процессов. Поэтому при проектировании головок камеры двигателя приходится исходить из необходимости удовлетворения основных требований к смесеобразованию, используя при этом результаты исследований и опыт эксплуатации. Распылительное устройство (головка камеры) ЖРД должно удовлетворять следующим требованиям. V1. Компоненты, топлива должны быть раздроблены на капли доста-шючно мелко и однородно, так как от тонкости распыла зависят качество смесеобразования, равномерность и скорость горения топлива.
В обычных схемах ЖРД тонкость распыла компонентов топлива зависит от типа, конструкции и производительности форсунок, их геометрических характеристик, перепада давлений на форсунках и других факторов. Тонкость распыла компонентов топлива является качественным крите-г-ем смесеобразования и характеризуется средневесовым диаметром обра-зующихся капель. Чем меньше средний диаметр капель, тем лучше распыл и эффективнее процесс сгорание топлива. Однородность распыла характеризуется изменением диаметров капель в факеле распыленного компонента топлива. Чем уже пределы, между которы-ми располагаются диаметры капелек распыливаемых компонентов топлива. тем больше однородность распыла. В современных ЖРД распыленные капли компонентов топлива имеют диаметр около 25—250 мк.
Это значит, что 1 cм3
распиливаемой жидкости делится примерно на 6-106
капель. В азотно-кислотных двигателях средние весовые диаметры, капель керосина лежат в диапазоне 120—150 мк.
Топливо, состоящее из наиболее крупных капель, будет запаздывать с завершением смесеобразования и, следовательно, с завершением процесса диффузионно-турбулентного сгорания. При слишком грубом распыле, что возможно в результате неправильного выполнения распиливающего устройства или регулирования тяги двигателя изменением перепада давления компонентов топлива, может получиться резкое снижение эффективности процесса сгорания и неустойчивая работа. Однако, тонкость распыла компонентов топлива сама по себе не является единственным средством улучшения качества рабочего процесса в камере сгорания двигателя. Система смесеобразования должна обеспечивать не только тонкий распыл и хорошее перемешивание компонентов топлива, но и организованный подвод тепла для их подогрева, испарения и воспламенения. 2. Концентрация распыливаемых, компонентов топлива по поперечному сечению камеры сгорания должна быть одинаковой, так как в противном случае сгорание их будет неполным.
В начале камеры сгорания обычно получается грубо перемешанная горючая смесь, которая при дальнейшем движении по камере сгорания продолжает перемешиваться и становится более однородной. Параллельно с этим процессом идут подогрев и испарение распыленных компонентов и выгорание образующейся горючей смеси. Время завершения процесса сгорания топлива определяется главным образом скоростью смешения компонентов топлива. При прочих равных условиях смешение будет протекать тем интенсивнее, чем мельче газовые струйки компонентов топлива и больше скорость их относительно друг друга. Полнота сгорания топлива в конечном итоге определится отношением времени пребывания рабочего тела в камере сгорания ко времени, потребному для завершения процесса сгорания топлива. Местные отклонения коэффициента состава топлива в камере сгорания от расчетного всегда приводят к неполноте сгорания и, следовательно, к понижению удельной тяги двигателя. Доказано, что начальная неравномерность состава компонентов топлива в пределах шага между форсунками быстро выравнивается без заметного снижения удельной тяги двигателя, а неравномерность состава топлива при ее масштабе больше шага форсунок обычно не успевает выравниваться и значительно снижает удельный импульс. Для защиты оболочки камеры двигателя от перегрева иногда горючую смесь вблизи поверхности оболочки преднамеренно обогащают специальной подачей через периферийные форсунки около 2—4% горючего от общего расхода его в камеру сгорания. При этом головка двигателя обеспечивает постоянство коэффициента избытка окислителя в центральной части камеры сгорания и заниженное значение его у поверхности оболочки камеры. 3. Расходонапряженность топлива по поперечному сечению камеры сгорания должна быть одинаковой, так как там, где расход топлива будет больше расчетного, процесс сгорания будет неполным, а в местах, где этот расход окажется меньше указанного, объем камеры сгорания будет использован неполностью.
Равномерность расхода топлива по поперечному сечению камеры сгорания является количественным критерием распыла компонентов топлива. Этот критерий влияет на выбор формы камеры двигателя. 4. Зона смесеобразования топлива по длине камеры сгорания должна быть возможно короткой, так как в противном случае потребуется относительно больший объем камеры сгорания, что может увеличить ее габариты и удельный вес.
Зона распыла компонентов лежит вблизи головки камеры, определяется типом и конструкцией форсунок и характеризуется расстоянием от головки камеры до места проникновения капель. Эта зона при обычных струйных форсунках имеет большую длину, чем при центробежных форсунках. Форма факела обусловливается в основном конструкцией распылительной головки камеры и дальнобойностью струи распыливаемых компонента топлива. 5. Суммарный факел распыла компонентов топлива относительно оси
камеры сгорания должен быть симметричным, так как если факел горящего топлива будет бить о поверхность оболочки камеры и сгорать на ней, то возможны ее перегрев и прогар.
Струя окислителя не должна бить по поверхности оболочки камеры, так как это вызовет быстрый ее прогар вследствие окисления металла. Форсунки нужно расположить на головке так, чтобы результирующее направление потока топлива после столкновения всех струй было параллельно оси камеры. Это требование особенно относится к струйным форсункам с пересекающимися струями. Задачей конструктора является распределить форсунки на головке камеры так, чтобы при равномерном распределении компонентов топлива по поперечному сечению камеры сгорания не попадало много окислителя на стенки. Уменьшения попадания компонентов топлива при распыле его форсунками на поверхность оболочки камеры можно добиться соответствующим направлением форсунок, изготовлением их со срезом под углом и т. п. б. Перепад давлений компонентов топлива в форсунках должен быть оптимальным как по физической полноте сгорания топлива, так и по удельному весу системы топливоподачи двигателя.
При понижении перепада давлений распыливаемой жидкости в форсунках уменьшаются давление подачи топлива в камеру сгорания и, следовательно, мощность и вес системы топливоподачи, но при этом ухудшаются процессы смесеобразования и сгорания топлива. При повышении же перепада давлений в форсунках происходит обратное. Удовлетворение этого требования практически сопряжено с большими трудностями, и поэтому при расчете ЖРД перепадом давлений компонентов топлива в форсунках обычно задаются на основании статистических данных. 7. Распыливающее устройство двигателя должно быть конструктивно простым и дешевым в производстве, мало чувствительным к изменению режима работы двигателя и к возможным вибрациям.
К распыливающему устройству двигателя с регулируемой тягой предъявляются дополнительные требования. Опыты показывают, что перепад давлений в форсунках меньше 2 кг/см2
,
как и малое число форсунок, приводит к неудовлетворительному распылу компонентов топлива и, следовательно, к неустойчивой работе двигателя. Если при работе двигателя на минимальном режиме перепад давлений компонентов топлива в форсунках принять равным 2— 3 кг/см2
,
то при этом перепад давлений в форсунках на режиме номинальной тяги окажется резко завышенным (может быть в 5—10 раз больше, чем на режиме минимальной тяги), что весьма невыгодно из-за относительно большого веса системы топли-воподачи. Поэтому регулирование тяги двигателя изменением перепада давлений компонентов топлива в форсунках может быть оправдано только в небольшом диапазоне. Выполнить все перечисленные выше требования к распыливающему устройству ЖРД можно путем правильного проектирования и конструирования головки камеры двигателя, т. е. целесообразным выбором ее формы, типа форсунок, их параметров, числа и схемы расположения на головке и т. д. Правильная организация распыла компонентов топлива в ЖРД позволяет уменьшить объем камеры сгорания, ее габариты и удельный вес, повысить надежность, ресурс, экономичность и устойчивость работы двигателя. Качественное смесеобразование также облегчает условия зажигания топлива при запуске двигателя и снижает число аварий. 6.12.Типы топливных форсунок Топливные форсунки ЖРД представляют собой весьма важные органы смесеобразования горючего и окислителя, подаваемых в камеру сгорания. От типа и конструкции форсунок в значительной мере зависит качество процесса смесеобразования. Применяемые в двигателях форсунки в большинстве случаев не имеют специальной регулировки тонкости распыла, а некоторые из них вообще обладают невысокими качественными характеристиками. Топливные форсунки ЖРД можно разделить по следующим характерным признакам. 1.По числу распыливаемых компонентов топлива одной форсункой: а)однокомпонентные форсунки,
предназначенные для распыла одного б)двухкомпонентные форсунки,
предназначенные для одновременного 2.По принципу действия форсунки: а) струйные форсунки,
подающие жидкость в камеру сгорания в виде струек в направлении своей оси; б)центробежные форсунки,
в которых движущаяся под напором дав в)центробежно-струйные форсунки (смешанного типа).
Рис.45
Струйные форсунки: а - одноструйные; б - двух струйные; в - трех струйные; г пяти струйные, д - щелевые с параллельным течением струй; е - щелевые с перекрёстным течением струй; ж - с отражающей пластиной Двухкомпонентные струйные форсунки, все типы центробежных форсунок и центробежно-струйные конструктивно выполняются в виде отдельных узлов, устанавливаемых в отверстиях головки камеры двигателя. В ЖРД без дожигания генераторного газа используются струйные, центробежные и струйно-центробежные форсунки. В двигателях с дожиганием генераторного газа применяются газовые и газожидкостные форсунки. Струйные форсунки конструктивно делятся на: 1) одноструйные,
представляющие калиброванные отверстия в головке камеры диаметром на выходе жидкости в камеру сгорания 0,8—2,5 мм, рис.45 а: 2)двухструнные,
предназначенные для распыла одного компонента топлива в виде двух соударяющихся между собой струй, рис.45 б; 3)трехструйные,
предназначенные для распыла двух компонентов топлива в виде одной центральной струи горючего и двух боковых струй окислителя, расположенных в одной плоскости и пересекающихся в одной точке, рис.45 в; 4)четырех- и пятиструйные,
предназначенные для распыла двух компонентов топлива в виде одной центральной струи горючего или соответственно четырех струй окислителя, расположенных в двух плоскостях и пересекающихся в одной точке, рис.45 г; 5) щелевые,
предназначенные для одновременного распыла двух компонентов и конструктивно представляющие концентрические щели в головке камеры двигателя. Различают щелевые форсунки: - с параллельным течением струи, рис.45 д; - с перекрестным течением струек, рис.45 е; - с отражающей пластиной, рис.45 ж. Рис.46
Схемы центробежных форсунок а - тангенциальная закрытая; б - тангенциальная открытая; в - с завихрителем (шнековая); 1 - вход жидкости; 2 - завихритель (шнек); 3 - вихревая камера. Центробежные форсунки по способу получения закрутки в них потока жидкости делятся на: а)тангенциальные,
в которых жидкость входит в полость форсунки б)шнековые,
в которых закручивание жидкости создается по В двухкомпонентных центробежных форсунках горючее и окислитель смешиваются между собой в сопле форсунки или в ее специальной камере смешения и поступают в камеру сгорания в виде эмульсии. Существуют разные конструкции этих форсунок, но принцип их действия остается одним и тем же. Преимущества струйных форсунок:
- струйные форсунки обладают конструктивной простотой и относительной дешевизной изготовления; - сравнительно малые диаметральные размеры форсунок, что позволяет увеличить количество установленных форсунок при постоянстве пло- щади; - невозможность прогара огневого днища, в связи с повышенной дально Недостатки струйных форсунок:
- малая тонкость распыла; - повышенная длина зоны распыла этих форсунок обуславливает увели чение потребного объема и удельного веса камеры сгорания. Угол факела распыла струйной форсунки весьма мал, 5—10°, причем зона конца распада струи на капли далеко отстоит от головки камеры. Этот угол измеряется от среза сопла форсунки и характеризует форму факела распиливаемой жидкости. Величина этого угла зависит в основном от соотношения длины сопла (отверстия) к его диаметру, степени турбулизации расширяющегося факела и давления в камере сгорания. Для укорочения зоны распыла, получения более тонкого распыла и равномерного распределения компонентов топлива по поперечному сечению камеры сгорания струйные форсунки обычно располагают так, чтобы струи распыливаемых жидкостей пересекались между собой. Приближение точек столкновения струй к головке позволяет с максимальной полнотой использовать объем камеры сгорания и создать более устойчивое сгорание образующейся топливной смеси благодаря уменьшению до минимума нереагирующих газовых застойных зон вблизи головки камеры, а также более качественному смесеобразованию. Углы, определяющие направление струй впрыска компонентов топлива одноструйными форсунками, должны быть выбраны так, чтобы результирующий вектор количества движения после столкновения струй имел осевое направление, т.е. параллельное оси камеры двигателя. При увеличении угла соударений струй средний диаметр капель уменьшается в связи с увеличением относительной скоростижидкостей струй в точке соударения. Это способствует более равномерному распределению топлива по поперечному сечению факела. Одновременно улучшается однородность смешиваемых компонентов топлива. Оптимальными углами соударения струй, создаваемых струйными форсунками, следует считать 80—100°, так как при больших углах значительная часть распыливаемой жидкости будет отлетать в сторону головки, что ухудшит смесеобразование, а при малых углах соударения струй (60° и меньше) образуется резко выраженная неравномерность расходонапряженности в ядре факела и удлиняется камера сгорания за счет увеличения зоны перемешивания компонентов. Преимущества и недостатки центробежных форсунок.
Центробежные форсунки имеют относительно больший угол распыла жидкости (около 70—120°) при небольшой длине факела и дают более тонкий распыл, чем струйные форсунки; но изготовление их относительно сложнее. Форма факела этих форсунок в основном зависит от степени закручивания в них распыливаемой жидкости. В центробежной форсунке жидкость поступает в камеру закручивания по тангенциальным каналам, ось которых смещена относительно оси сопла. В камере закручивания жидкость приобретает интенсивное вращательное движение и далее поступает в сопло. Рис. 47 Двухкомпонентные центробежные форсунки: а - со смешением компонентов топлива вне форсунки; б - со смешением компонентов топлива внутри форсунки (эмульсионная форсунка). При выходе из сопла форсунки тонкая пленка жидкости, на которую прекратилось действие центростремительных сил, делится на капли, разлетающиеся по прямолинейным траекториям, образуя факел. Угол факела и коэффициент расхода центробежных форсунок обусловлены законом сохранения момента количества движения жидких частиц относительно оси сопла. На указанные параметры можно действовать соответствующим выбором соотношений между размерами сопла, камеры закручивания и входных каналов. В настоящее время наибольшее применение в двигателях получили однокомпонентные центробежные форсунки благодаря их надежной работе и достаточно эффективному распылу. Кроме того, в этих форсунках в широком диапазоне можно изменять угол распыла для наиболее равномерного распределения компонентов топлива по поперечному сечению камеры сгорания. Двухкомпонентные центробежные форсунки по способу смешения компонентов топлива делятся на два типа: 1) со смешением компонентов топлива вне форсунки, рис.47 а. 2) со смешением компонентов топлива внутри форсунки, в спе- анальной смесительной камере (эмульсионные форсунки), рис.47 б. Существуют также конструкции двухкомпонентных форсунок, в которых компоненты топлива смешиваются в сопле форсунки. Форсунки первого типа выполняются соосными, одна в другой. Сопло внутренней форсунки вписывается зазором в воздушный вихрь наружной форсунки. Чтобы обеспечить хорошее смешение компонентов топлива, угол распыла внутренней форсунки должен быть больше угла распыла наружной форсунки. Форсунка второго типа состоит из двух расположенных друг за другом форсунок. Размеры распылительной части двухкомпонентной форсунки должны быть подобраны так, чтобы обеспечить безопасность запуска ее даже при входе в камеру закручивания одного из компонентов топлива раньше другого. Рис.48
Двухкомпонентные газожидкостные форсунки: а,б,в - с внутренним смешением компонентов; г - с внешним смешением компонентов. Преимущества двухкомпонентных эмульсионных форсунок.
Применение двухкомпонентных эмульсионных центробежных форсу- нок существенно улучшает смесеобразование и уменьшает зону распыла, так как они обеспечивают смешение компонентов топлива в заданном весовом соотношении перед подачей их в камеру сгорания. К тому же топливная эмульсия обладает меньшими вязкостью и поверхностным натяжением и поэтому легко дробится на мельчайшие капли. Применение эмульсионного распыла компонентов топлива в ЖРД дает следующие выгоды: а)уменьшается длина камеры сгорания за счет укорочения зоны рас б)получается почти полное сгорание топлива при относительно мень в)требуется меньшее число форсунок; г)отпадает необходимость в большом перепаде давлений компонентов Недостатки двухкомпонентных эмульсионных форсунок.
При использовании форсунок этого типа несколько затруднена защита горючим оболочки камеры от перегрева ее горячими газами. В этом случае оболочку приходится защищать, устанавливая на головке камеры периферийные однокомпонентные струйные или центробежные форсунки. Существует еще одна разновидность двухкомпонентных форсунок -это двухкомпонентные газожидкостные
форсунки, которые применяются в камерах ЖРД с дожиганием генераторного газа. Они выполняются двух типов - с внешним и с внутренним смешиванием компонентов, рис.48. Форсунки с внешним смешиванием компонентов представляют собой две соосные форсунки - газовую и жидкостную, размещенные в одном корпусе. Газовая форсунка - струйная, а жидкостная - обычно центробежная с тангенциальным завихрителем. Преимущества форсунки с внешним смешением компонентов.
Смешение компонентов происходит в камере сгорания (вне форсунки), при этом внешний жидкий конус распыла, создаваемый центробежной форсункой, защищает огневое днище от перегрева обратными токами горячих газов. В форсунках с внутренним смешением компонентов газ течет по центральному каналу, а жидкость впрыскивается в него через наклонные отверстия в стенке корпуса форсунки. Для защиты днища головки от воздействия горячих газов конструкцию газожидкостной форсунки дополняют наружным контуром в виде центробежной тангенциальной или шнековой жидкостной форсунки. Преимущества форсунок с внутренним смешением комп
онентов. Широкий конус распыла жидкости (до 120°), создаваемый этим контуром форсунки, обеспечивает при небольшом расходе жидкости (10-15%общего расхода через форсунку) надежную пленочную защиту поверхности днища между форсунками. Чтобы избежать взрыва двухкомпонентной форсунки, нужно исключить возможность проникновения одного из компонентов топлива в полость другого, для чего: 1) угол распыла задней форсунки подобрать так, чтобы входные отверстия передней форсунки находились вне полости удара конуса распыла о стенку задней форсунки; 2) диаметр газового вихря передней форсунки должен быть больше диаметра сопла задней форсунки. Момент количества движения в передней форсунке распространяется на всю массу смешанной и распыливаемой жидкости. Форсунки всех типов должны иметь хорошо обработанную поверхность, соприкасающуюся с движущейся жидкостью. Струйные форсунки должны иметь точный угол направления оси сопла относительно оси камеры двигателя. Производительность единичных однокомпонентных центробежных форсунок ЖРД с цилиндрической камерой сгорания и плоской головкой составляет около 20—80 г/сек
горючего и 50—200 г/сек
окислителя, а перепад давлений в форсунках—порядка 3,5—12 кг/см2
.
Чем большее число форсунок установлено на головке камеры двигателя, тем качественнее распыл ими компонентов топлива. Поэтому в двигателях средней и большой тяг число форсунок достигает нескольких сотен. Практически число форсунок двигателя ограничивается конструктивными и другими соображениями, в частности, необходимостью иметь не слишком малые проходные сечения каждой форсунки. При малых проходных сечениях форсунка может легко засориться механическими примесями, попавшими случайно в распыливаемую жидкость или образовавшимися в ней вследствие ее физической и химической нестойкости. Для изготовления топливных форсунок в виде отдельных узлов применяются различные материалы, от низко- и высоколегированных сталей до бронзы и латуни. Выбор материала для форсунок обусловливается видом и состоянием распыливаемых компонентов топлива, продолжительностью и условиями работы двигателя, числом его запусков, требованиями прочности и другими факторами. В случае применения химически активных компонентов топлива (например азотной кислоты, жидкого фтора и т. п.) внутренняя поверхность материала форсунок должна обладать высокой сопротивляемостью окислению и коррозии. Если у головки камеры двигателя будет значительная турбулизация горячих газов, вследствие которой в ряде мест форсунки будут нагреваться до 1300—1400° С, то материал этих форсунок должен обладать также высокой прочностью. При высокой температуре возможно оплавление сопел форсунок и нарушение их работы, что в результате может привести к аварии двигателя. Во время работы двигателя форсунки охлаждаются потоком проходящей через них распыливаемой жидкости. Температура этой жидкости перед поступлением в форсунки может быть отрицательной (в случае использования сжиженных компонентов топлива) и положительной, иногда даже близкой к температуре кипения при данном рабочем давлении, если жидкость предварительно используется для охлаждения камеры двигателя. 6.13.Способы размещение топливных форсунок на плоских головках камеры двигателя Форсунки размещают на головке камеры после того, как выбраны конструкция головки, тип наиболее приемлемых форсунок и их количество, а также определены их геометрические параметры. Рис.49
Схема расположения форсунок на плоских головках. а - шахматное; б - сотовое; в - круговое; О- форсунки окислителя; «форсунки горючего При выборе схемы расположения форсунок на головке камеры проектируемого ЖРД необходимо учесть требования, предъявляемые к распылу компонентов топлива, и данные по распылу на существующих двигателях. В настоящее время форсунки горючего и окислителя размещают на головке камеры ЖРД в шахматном, сотовом, кольцевом и групповом порядках, рис. 49 При шахматном расположении
форсунки горючего и окислителя чередуются между собой. При этом каждая форсунка горючего окружена четырьмя форсунками окислителя. Недостаток такого размещения форсунок состоит в том, что количество форсунок горючего примерно равно количеству форсунок окислителя большей производительности, так как окислителя в топливе почти в 2—5 раз больше, чем горючего. Вследствие этого мощная струя окислителя плохо смешивается со слабой струёй горючего, сбивая ее в сторону, что отрицательно сказывается на качестве смесеобразования. Наиболее совершенным является сотовое расположение форсунок. При сотовом расположении
количество форсунок окислителя больше количества форсунок горючего. При этом каждая форсунка горючего окружена шестью форсунками окислителя, в результате чего смесеобразование сравнительно с шахматным расположением улучшается. В данном случае образуется столько отдельных пучков капель, сколько единичных групп форсунок расположено на головке камеры. При сотовом расположении можно иметь лишь вполне определенное количество форсунок горючего и окислителя. Шахматное и сотовое расположение форсунок можно осуществить, применяя плоскую головку с двумя полостями, расположенными одна над другой. Такая головка обеспечивает примерно одинаковый перепад давлений в форсунках каждого из компонентов топлива. По конструктивным соображениям в нижнюю полость головки обычно подают тот компонент топлива, который охлаждает камеру двигателя. При концентричном расположении
форсунок, т. е. по поясам головки камеры, форсунки горючего и окислителя между собой чередуются. Удобство этого способа состоит в том, что при его применении упрощается подвод компонентов топлива к форсункам. Однако этот способ имеет небольшое применение. Для двигателей с плоской головкой камеры в основном применяют шахматное и сотовое расположение форсунок. При групповом расположении
форсунки располагаются отдельными группами на огневом днище для обеспечения рационального температурного поля в объеме камеры ЖРД. Соответствующим расположением на головке форсунок горючего и окислителя можно защитить оболочку камеры от чрезмерного ее нагрева и прогара, создавая избыток горючего около ее поверхности. В этом случае приходится несколько нарушить выбранный принцип чередования форсунок и на периферии головки размещать избыточное количество форсунок горючего, которое могло бы создавать завесу горючего около поверхности оболочки. Для уменьшения расхода горючего на образование защитной завесы эти периферийные форсунки иногда выполняют с уменьшенным расходом топлива относительно основных форсунок. Защитить оболочку от перегрева горючим проще при сотовом расположении. При шахматном расположении форсунок по периферии головки необходимо устанавливать форсунки с уменьшенным расходом горючего; если расстояние от крайних форсунок до оболочки камеры будет велико, то около поверхности оболочки образуются мощные конвективные газовые токи, которые будут размывать пристеночный слой горючего, служащий для защиты оболочки от перегрева. Соответствующим расположением на головке форсунок горючего и окислителя можно защитить оболочку камеры от чрезмерного ее нагрева и прогара, создавая избыток горючего около ее поверхности. В этом случае приходится несколько нарушить выбранный принцип чередования форсунок и на периферии головки размещать избыточное количество форсунок горючего, которое могло бы создавать завесу горючего около поверхности оболочки. Для уменьшения расхода горючего на образование защитной завесы эти периферийные форсунки иногда выполняют с уменьшенным расходом топлива относительно основных форсунок. 6.14. Назначение, схемы и конструктивные особенности топливных баков Топливные баки являются конструктивной составной частью (подсистемой) пневмогидравлической системы ЖРДУ, Они служат емкостями для размещения компонентов жидкого топлива и осуществления их подачи в камеры ЖРД. Топливные баки двухкомпонентных ЖРДУ обычно объединяются в отдельные агрегаты — баковые отсеки. Основными конструктивными элементами топливных баков являются оболочки (обечайки) и днища, образующие емкость; устройства для сбора топлива и ввода газа; заправочные и дренажные горловины; демпферы, разделители и другие устройства. Конструкция топливных баков зависит от типа и параметров ЖРДУ и особенностей летательных аппаратов, применяемых компонентов топлива, типа системы подачи, числа включений двигателя, максимальной и минимальной величин тяги, способов ее регулирования, величин действующих продольных и поперечных перегрузок, невесомости, места размещения баков на летательном аппарате, условий их нагружения и некоторых других специфических особенностей компоновки ЖРДУ на ЛА. К конструкции топливных баков предъявляется ряд требований: — размещение (хранение) заданного объема компонентов топлива; — обеспечение устойчивой подачи компонентов топлива в двигатель при всех допустимых режимах полета и колебаниях топлива в баках; — обеспечение минимальной массы баков при выполнении условий прочности и жесткости в диапазоне действующих эксплуатационных нагрузок; — применение оптимальных конструктивных решений, обеспечивающих прогрессивные технологические методы изготовления и испытаний; — применение рациональной компоновки баков на летательном аппарате, обеспечивающей удобства эксплуатации и заправки топливом и дающей минимальные перемещения центра масс в процессе выработки топлива; — изготовление из материалов, обладающих высокими удельными прочностными характеристиками, коррозионной стойкостью (для агрессивных компонентов), пластичностью при низких температурах (для криогенных компонентов). Конструкции топливных баков в зависимости от восприятия обечайками баков внешних нагрузок разделяют на несущие и ненесущие. В несущих баках обечайки совмещают в себе функции стенок баков и обшивки корпуса и воспринимают как внешние нагрузки на корпус летательного аппарата, так и внутреннее давление наддува баков. Создаваемые избыточным давлением наддува растягивающие напряжения в обечайках уменьшают сжимающие напряжения от внешних нагрузок, что повышает устойчивость конструкции корпуса и позволяет уменьшить толщину стенок. Поэтому в конструктивном отношении несущие баки наиболее совершенны. Их широко применяют как в маломаневренных, так и в высокоманевренных летательных аппаратах. Баки, устанавливаемые внутри корпуса летательного аппарата и не воспринимающие внешние нагрузки, называются ненесущими. Они обычно применяются на маломаневренных летательных аппаратах, когда конструкцию баков следует изолировать от внешнего воздействия либо по конструктивным или эксплуатационным требованиям нельзя совмещать стенки баков с обшивкой корпуса. На летательных аппаратах могут применяться баки, подвешиваемые под корпусом или крылом и сбрасываемые после их опорожнения. Такие топливные баки позволяют уменьшить полетную массу и аэродинамическое сопротиэление летательного аппарата после их сбрасывания. Анализ действующих напряжений в обечайках несущих баков показывает, что в зависимости от соотношения величин внутреннего избыточного давления Ризб
и внешних нагрузок, действующих на корпус летательного аппарата (изгибающего момента Мизг
, продольных Nx
и поперечных Ny
), обечайки несущих топливных баков могут испытывать растяжение и сжатие, а при определенном сочетании этих нагрузок напряжения в обечайках баков могут полностью отсутствовать, либо быть очень небольшими. Поэтому все несущие баки можно разделить на нагруженные и разгруженные. К нагруженным бакам относятся баки ЖРДУ с вытеснительными системами подачи, так как высокое избыточное давление в этих баках создает растягивающие напряжения в обечайках, являющиеся определяющими расчете баков на прочность. К разгруженным бакам относятся обычно баки ЖРДУ с насосными системами подачи при невысоком избыточном давлении наддува и ограниченных внешних нагрузках. В этом случае избыточное давление в растягивающее обечайки баков, уменьшает суммарные напряжения в обечайке бака до минимальных (разгружает бак). Однако если сжимающие напряжения, создаваемые внешними нагрузками, существенно больше растягивающих напряжений от избыточного давления (характерно для высокоманевренных летательных аппаратов) такие топливные баки относятся к нагруженным. Формы топливных баков, применяемых на летательных аппаратов разнообразны, рис.50. При выборе форм баков учитываются функциональное назначение летательного аппарата, условия их оптимальной компоновки, возможность обеспечения минимальной массы баков, а также получения требуемых удобств при эксплуатации. Наибольшее распространение на летательных аппаратах получили баки цилиндрической формы, рис.50 а, имеющие при заданном объеме наименьшее поперечное сечение и обеспечивающее плотную компоновку летательного аппарата. Вопрос выбора взаимного расположения баков горючего и окислителя в топливном отсеке должен решаться исходя из требований по центровке ЛА и заданных эксплуатационных условий (например, требований по заправке баков компонентами топлива). При выборе порядка размещения баков следует учитывать, что плотность окислителей, применяемых в ЖРД двухкомпонентных топлив, обычно значительно больше плотности горючих. Поэтому взаимная перестановка баков горючего и окислителя позволяет существенно изменять положение центра масс летательного аппарата. Рис.50
Формы баков, применяемых на ЛА: а — цилиндрический; б — шаровые; в - эллипсоидальные; г — тороидальные; д - бак, состоящий из сегментов. Сферические баки, рис.50 б, по сравнению со
всеми другими формами баков получаются наиболее легкими. Однако плотность компоновки сферических баков в корпусе летательного аппарата существенно меньше по сравнению с цилиндрическими. Поэтому сферические баки целесообразно применять только тогда, когда их диаметры равны поперечным размерам корпуса летательного аппарата, либо существенно меньше, позволяет создавать более плотную компоновку набором сферических баков внутри корпуса. Эллипсоидальные, рис.50 в, и тороидальные, рис-50 г, баки имеют хорошие прочностные качества и при определенных условиях обеспечивают достаточно плотную компоновку (например, при применении торовых баков, если внутри торов размещается какой-либо поле груз или проходит труба и тд.). Иногда в летательных аппаратах применяются баки более сложной формы. Так, например, для получения формы бака, близкой к прямоугольной его стенки могут быть выполнены из отдельных сегментов, скрепленных между собой стяжками, рис.50 д. Расположение топливных баков на летательном аппарате определяется прежде всего особенностями его конструктивно-компоновочной схемы. Однако на выбор месторасположения баков прежде всего влияют требования по центровке ЛА, от которой зависят продольная устойчивость его движения и динамические характеристики управления. Центровка ЛА по времени зависит от взаимного расположения топливных баков по длине корпуса ЛА, величины и направления действующих продольных и поперечных перегрузок, формы и компоновки топливных баков, рис.51. Рис.51
Влияние исходного положения топлива в баке на центровку JIA: а—у заднего днища; б - вдоль обечайки; в - у переднего днища; г - наклонно к оси ЛА Таким образом, конструктивные особенности топливных баков определяются как особенностями летательных аппаратов, так и специфическими особенностями пневмогидравлических систем ЖРДУ. Поэтому выбор проектных параметров и конструкции топливных баков должен осуществляться при проведении тщательного анализа как параметров пневмогидравлической системы ЖРДУ, так и конструкции летательного аппарата. 7. Система охлаждения камер ЖРД
7.1.
Физическая картина теплообмена в камере ЖРД На рисунке представлено распределение температуры в системе "полоссть камеры сгорания - внутренняя стенка камеры ЖРД - зарубашеч-ное пространство", т.е. рассматривается процесс теплопередачи между газообразной и жидкими средами, разделёнными твёрдой стенкой. Условные обозначения к рис.52: Тг
, Тохл
, ТСТ1
, Тст2
- температуры газового потока, охладителя в зару-оашечном пространстве и поверхностей внутренней стенки, соответственно, К; Wr
и W0
XJI
- скорости теплового потока и охладителя, соответственно, м/с. qx- суммарная плотность газового потока, воздействующая на внутреннюю стенку камеры сгорания, Вт/м2
;
|