3.11.3. Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД)

При использовании системы с вытеснительной подачей КРТ

втопливных баках создается избыточное давление нейтрального газа (например, азота), которое выдавливает КРТ по трубопрово­ дам в КС РД. Однако, несмотря на простоту конструкции, данная система имеет серьезные недостатки. Во-первых, она не может обеспечить высокие значения массового расхода топлива в КС, вовторых, наличие избыточного давления в баках с горючим и окис­ лителем требует повышенной прочности стенок баков и приводит

ких значительному утяжелению. Поэтому вытеснительные систе­ мы применяются, в основном, во вспомогательных двигателях ма­ лой тяги, предназначенных для управления и коррекции траекто­ рии полета КЛА и боевых блоков МБР с разделяющимися головными частями.

Вмаршевых ЖРД применяется насосная подача топлива, обеспечивающая большие расходы КРТ и высокое давление в КС. Для привода топливных насосов используют газовую турбину (ГТ). Низкотемпературный газ для вращения ГТ вырабатывается

вгазогенераторе (ГТ). ГТ приводит в действие (вращает) центро­ бежные (ЦБ) насосы подачи в камеру сгорания (КС) окислителя

игорючего.

Обычно ГТ и ЦБ насосы находятся на одном валу и объеди­ няются единым корпусом в турбонасосный агрегат (ТНА). ГТ представляет собой индивидуальную камеру сгорания и может «питаться» как от вспомогательного (обычно унитарного), так и от основного жидкого ракетного топлива (ЖРТ).

3.11.3.2. Принципиальные схемы Ж РД

Схема без дожигания генераторного газа приведена на рис. 3.36.

Работа на установившемся режиме. Горючее Г и окисли­ тель О из баков подаются с помощью ЦБ насосов 3, 4 в камеру ЖРД 7 и в ГТ 5, причем горючее подается в камеру через коллек­ тор и, проходя между стенками камеры 7, охлаждает ее.

Низкотемпературный генераторный газ, образующийся при сго­ рании горючего и окислителя в ГТ 5, расширяется в ГТ 2, совер­ шая работу по ее вращению (приводу ЦБ насосов 3, 4 \ и выбрасы­ вается в атмосферу через выхлопной патрубок 11.

Рис. 3.36. Схема ЖРД «без дожигания»:

1 - камера ЖРД; 2 - ГТ; 3 - ЦБ насос горючего; 4 - ЦБ насос окислителя; 5 - ГГ; 6 - пусковые клапаны; 7- регу­ лируемые дроссельные краны; 8 - пусковая турбина; 9 - пусковой ГГ; 10 - отсечные клапаны; 11 - выхлопной патрубок

Недостатком данной схемы является то, что генераторный газ после совершения работы в ГТ выбрасывается в атмосферу, не участвуя в создании тяги /?РД, что приводит к потерям суммар­ ного импульса тяги £/, а значит, к снижению экономичности РД.

Преимуществом является газодинамическая независимость работы камеры ЖРД от ГГ с ГТ, что обеспечивает устойчивую ра­ боту двигателя в целом и упрощает доводку камеры ЖРД и ГГ с ГТ.

Схема с дожиганием генераторного газа приведена на рис. 3.37. Особенностью работы данной схемы является то, что в ГТ органи­ зуется горение с большим избытком окислителя. После расшире­ ния в ГТ генераторный газ, содержащий непрореагировавший окислитель, поступает в камеру ЖРД. При соединении с горючим происходит горение (дожигание генераторного газа) с последую­ щим расширением продуктов сгорания в PC.

Преимуществом данной схемы является то, что все топливо участвует в создании тяги /?РД, вследствие чего увеличивается суммарный импульс тяги Ы (повышается экономичность).

Недостатком схемы является наличие газодинамической связи камеры ЖРД и ГТ с ГТ и, как следствие, недостаточно устойчивая работа двигателя, сложность доводки ЖРД , увеличе­ ние массы не только КС, но и ГГ при увеличении давления в КС ЖРД.

Работа ЖРД на неустановившихся режимах. Неустановившиеся режимы - это такие режимы работы ЖРД, на которых тяга двигателя изменяется с течением времени (запуск и выключе­ ние ЖРД; переход на повышенный или пониженный режимы работы).

Для запуска маршевого ЖРД ракеты-носителя напряжение по­ дается на пусковые пироклапаны 6 и пиропатрон поджига твердо­ топливного газогенератора 9 пусковой ГТ 8 (см. рис. 3.36, 3.37).

Пусковая турбина начинает раскручивать вал ТНА, и на­ сосы 3, 4 подают горючее и окислитель из баков через открытые пусковые пироклапаны 6 в основной газогенератор 5. Пусковой газогенератор 9 выгорает за небольшое время (несколько секунд), достаточное для запуска основного газогенератора 5.

Генераторный газ раскручивает ГТ 2 до расчетной частоты вращения (порядка 18 000 об/мин), а она - ЦБ насосы 3, 4, подаю­ щие горючее и окислитель в камеру сгорания ЖРД 1 и ГТ 5, где происходит горение.

Примечание. При использовании несамовоспламеняющегося ракетного топлива в КС и ГТ ЖРД предусматривается система воспламенения для первичного поджига КРТ в момент запуска двигателя.

Для перехода на повышенный (пониженный) режим работы ЖРД система автоматики осуществляет с помощью электроприво­ да открытие (прикрытие) регулируемых дроссельных кранов 7 подачи топлива в ГТ 5. При этом увеличивается (уменьшается) массовый расход генераторного газа, проходящего через ГТ 2, мощность ГТ 2 и частота ее вращения увеличиваются (уменьша­ ются), увеличивая (уменьшая) производительность топливных на­ сосов 3, 4, подающих КРТ в КС ЖРД. Массовый расход газа через реактивное сопло камеры ЖРД возрастает (уменьшается) и тяга ЖРД возрастает (уменьшается).

Для выключения ЖРД система автоматики закрывает отсеч­ ные клапаны 70, перекрывающие подачу КРТ в КС ЖРД. Отсеч­ ные клапаны 10 располагаются непосредственно у входа в КС для быстрого прекращения работы ЖРД после поступления

тяги (ЖРД управления и коррекции траектории) и работают в им­ пульсном режиме. Изготавливаются из тугоплавких вольфрамони­ келевых и никель-молибденовых сплавов или из высокопрочной стали на хромоникелевой основе ЭП-56 (1Х16Н4Б), СПЗЗ (ЗЗХЗСНМВФА) с обляционным покрытием (охлаждением). Та­ ким образом, внутри камера покрывается легкими органическими материалами (например, углепластиком), которые при нагреве разлагаются с поглощением тепла, а газообразные продукты раз­ ложения уносятся с продуктами сгорания. Камеры с обляционным теплозащитным покрытием (ТЗП) легки, просты в изготовлении, но время их работы ограничено временем полного разложения ТЗП, а внутренняя геометрия изменяется при работе.

основе Ni и Мо и состоят из двух оболочек, связанных между собой гофрами (см. рис. 3.40, а) или спиральными ребрами (см. рис. 3.40, б). Отдельные секции (см. рис. 3.38) соединяют электродуговой сваркой в защитной среде аргона или электронно­ лучевой сваркой в вакууме. Наружное регенеративное охлаждение (отбор тепла от внутренней оболочки) осуществляется одним из КРТ, обычно горючим, протекающим между оболочками и выполняющим роль хладагента.

Из распределения тепловых потоков q внутри камеры ЖРД (рис. 3.41) видно, что конвективные тепловые потоки 1,

Дрф. Вытекающая струя топлива дробится на капли при взаимо­ действии с окружающей газовой средой. Величина расходов КРТ зависит от режима работы двигателя и определяется величи­ ной Дрф.

Однокаскадные струйные форсунки просты в изготовлении, но не обеспечивают качественного распыла КРТ и практически не применяются в современных ЖРД.

Рис. 3.44. Типы топливных форсунок:

а - струйная однокомпонентная; б - центробежная тангенциальная; в - центробежная шнековая; г - комбинированная двухкомпонентная газожидкостная

Центробежные тангенциальные (рис. 3.44, б) и шнековые (рис. 3.44, в) форсунки за счет закрутки КРТ позволяют получить на выходе мелкодисперсный распыл, что определило их широкое применение в РД без дожигания генераторного газа.

В ЖРД с «дожиганием» используются комбинированные двухкомпонентные газожидкостные форсунки (рис. 3.44, г).

Элементы автоматики: отсечные клапаны, пусковые клапаны, регулируемые дроссельные краны и др. - обеспечивают регулиро­ вание подачи топлива при пуске, останове, изменении режима работы ЖРД.