Жидкостные ракетные двигатели (стр. 30 из 36)

Время пребывания топлива в зоне горения (0,002— 0,004) с.

Время пребывания в зоне разбавления определяется временем испарения избыточного компонента. В первом приближении при диаметре капель <60 микрон и температуре газа на выходе из газогенератора не меньше 1100 К можно принять время пребывания топлива в зоне разбавления (0,001-0,003) с.

Как уже отмечалось, в современных ЖРД применяются только такие двухкомпонентные газогенераторы, которые в качестве средств газогенерации используют компоненты основного топлива двигателя при соотношении между ними, далеком от стехиометрического.

На рис.86 изображены графики зависимости температуры Т, газовой постоянной Rи работоспособности (RT) продуктов сгорания топлива «керосин + HN0₃» от коэффициента избытка окислителя а типичные и для других топ-лив.

Видно, что одна и та же температура То (порядка 1000—1300° К), приемлемая для рабочих органов турбины, может быть достигнута как при большом избытке горючего, так и при большом избытке окислителя. Образовавшийся из топлива с большим избытком горючего восстановительный генераторный газ при одной и той же температуре имеет существенно большее значение газовой постоянной R, чем окислительный, вследствие значительного количества составляющих с малым молекулярным весом (СО, Н и т. п.). Этот газ оказывает также слабое воздействие на большинство конструкционных

материалов, что дает возможность повысить предельно допустимое значение температуры до 1300° К.

Рис.86

Графики зависимости Т, Rи RTот а

По этим причинам работоспособность восстановительного газа существенно выше, чем у окислительного. Кроме того, параметры восстановительного газа (R, Т) менее чувствительны к изменению а.

Это значит, что выходные параметры восстановительного газогенератора являются стабильными даже при не очень точном регулировании соотношения между компонентами топлива. Большой недостаток восстановительного газа состоит в том, что в нем обычно имеются сажа и смолообразные продукты, способные засорить проточную часть турбины и форсунки камеры (в схемах ЖРД с дожиганием генераторного газа).

Окислительный газ способен оказывать сильное окисляющее воздействие на металлы, что заставляет снижать предельно допустимое значение Г до 800—1000° К. Вследствие пониженной работоспособности окислительный газ характеризуется отсутствием в его составе смол и сажи, а также тем, что не воспламеняется на воздухе. Окислительный газ более целесообразен там, где этот недостаток может быть без большого ущерба для экономичности двигателя компенсирован увеличением его расхода, например в ЖРД с дожиганием генераторного газа. В этом случае использование окислительного газа увеличивает к тому же располагаемую мощность турбины, так как при прочих равных условиях расход окислителя всегда больше расхода горючего. Увеличивая же располагаемую мощность турбины, можно повысить давление в камере двигателя и тем самым увеличить его удельную тягу.

Восстановительный генераторный газ из-за его большой работоспособности чаще применяют в ЖРД с выбросом генераторного газа в атмосферу,

где потери энергии топлива на привод ТНА имеют существенное значение и поэтому расход рабочего тела турбины целесообразно уменьшать.

Вследствие большого избытка одного из компонентов топлива в двух-юмпонентном газогенераторе при любой схеме смесеобразования невозможно обеспечить равномерное температурное поле.

Это положение, очевидное в случае применения однокомпонентных форсунок, является справедливым также и при использовании двухкомпонент-кых форсунок, поскольку при их изготовлении всегда существует разброс размеров, соосности, чистоты обработки каналов и других факторов, влияющих наравномерность распределения жидкости в конусах распыла. Благодаря этому в газогенераторе образуются зоны с самым различным соотношением компонентов, .

В зонах с благоприятным (близким к стехиометрическому) соотношением компонентов горение протекает быстро и на высокотемпературном уровне. В зонах с неблагоприятным соотношением компонентов горение топлива происходит вяло или вообще не имеет места. Из этих зон смесь диффундирует в соседние зоны (зоны горения) и там перемешивается с продуктами реакции, вступая с ними в химическое взаимодействие, термически разлагается или просто подогревается и испаряется. В результате диффузионных процессов параметры газа постепенно выравниваются.

Испарительный ЖГГ. Принцип работы испарительного ЖГГ основан на газификации жидкости (в специальном теплообменном устройстве) путем подвода к ней тепла. В качестве такой жидкости может быть использован либо один из компонентов топлива, либо вещество, специально для этого предназначенное, запасы которого находятся на борту ЛА в отдельных емкостях.

Широкое применение в качестве испарительного ЖГГ систем наддува для криогенных топлив получил трубчатый змеевик, расположенный в выхлопном коллекторе турбины.

Аккумулятор сжатого газа. АСГ, являясь источником газа, может рассматриваться как ГГ, отличающийся той особенностью, что газ в нем не вырабатывается во время работы ЖРД, а запасен заранее и расходуется по мере необходимости. В настоящем разделе рассмотрена методика расчета указанных ГГ. В качестве исходных данных для расчета ГГ должны быть заданы вещества, служащие для получения газа; давление в топливных баках; температура газа на выходе из ГГ; секундный расход газа и допуски на его изменение; время работы и требования, предъявляемые к физико-химическим свойствам газа: кислородный баланс, наличие твердой или жидкой фазы степень равновесности химического состава газа на выходе ГГ и т. д.

9. Системы управления ЖРД

9.1. Система запуска ЖРД

Запуск двигательной установки является наиболее ответственным динамическим режимом её работы, во время которого параметры рабочего про-

десcaизеняются в широких пределах от нуля до номинальных значений; ем это изменение происходит очень быстро, вследствие чего трудно, а иногда невозможно воздействовать на процесс запуска. Во время запуска на конструкцию двигательной установки и ракеты воздействуют различные динамические нагрузки, к которым относятся тепловой удар, давление и ускорение. Этим можно объяснить тот факт, что наибольшее количество отказов и аварий двигательной установки появляется во время запуска.

Весь процесс запуска условно можно разделить на два периода:

- воспламенение топлива, поданного в камеру сгорания и газогенератор;

- выход двигательной установки на режим номинальных параметров.

Для безаварийного запуска необходимо обеспечить надежное воспламенение топлива, а также такое изменение параметров (в основном-давления в камере сгорания и газогенераторе) во времени, которое не приводило бы к большим перегрузкам, действующим на конструкцию, и взрывам. Процесс запуска начинается с открытия топливных клапанов. Компоненты топлива под действием сил давления насосов или гидростатических сил подаются в камеру двигателя с большими скоростями и в значительных количествах. Если не отработано воспламенение, то может произойти выброс компонентов топлива из камеры без воспламенения или, наоборот, воспламенение со взрывом. По этому в камере двигателя должен создаваться мощный источник тепла, способный зажечь движущееся топливо.

Температура воспламенения паров топлива, применяемого в ЖРД обычно не менее 300 °С. Такая температура может достигаться различными методами. В том случае, когда применяются самовоспламеняющиеся компоненты топлива, не требуется дополнительных источников тепла.

Самовоспламеняющиеся компоненты топлива при обычных температурах реагируют при контакте в жидкой фазе с выделением тепла, в результате чего обеспечивается разогрев и воспламенение. Такой вид воспламенения называется химическим.

Несамовоспламеняющиеся компоненты топлива требуют для испарения и воспламенения подвода тепла от внешнего источника. Воспламенение топлива с внешним подводом тепла называется термическим.

Термическое воспламенение характеризуется минимальной температурой, при которой развивается процесс воспламенения, и периодом задержки.

Период задержки воспламенения определяется временем от момента впрыска топлива в зону горения до момента появления пламени.

Для надежности запуска ЖРД в первую очередь должно быть гарантировано воспламенение топлива при минимально возможном времени выхода на режим. Сокращение времени выхода на режим позволяет уменьшить необходимый запас топлива, а, следовательно, уменьшить стартовый вес, что особенно важно для космических и баллистических ракет.

В некоторых случаях, кроме того, должна быть обеспечена возможность многократного запуска, запуска двигателя в высотных условиях или в условиях космического полета. Специфические требования к организации запуска возникают при запуске камер двигателей больших тяг.

В зависимости от характера выхода на режим принято различать плавный, ступенчатый и пушечный запуски.

Важными характеристиками запуска являются скорость нарастания давления в камере при запуске (dP/dt) и величина заброса (или пика) давления, т. е. величина отношения наибольшего давления в камере при запуске к номинальному.

Величины скорости нарастания давления и заброса давления характеризуют жесткость запуска. Чем больше эти величины, тем более жестким является запуск. На рис.87. приведены типичные графики изменения давления в камере сгорания при запуске. Запуск, протекающий в соответствии с кривой 3, очевидно, является наиболее жестким.