Твердотопливный гг

1—корпус ТГГ; 2—воспламенитель; 3—пружина; 4-заряд;5,9-гайки;

б, 11— шайбы; 7-прокладка; 8- диафрагма; 10—сопло; 12-крышка.

К веществам, используемым в ТГГ, предъявляют следующие основные требования: возможно большее значение RT при конструктивно допустимых температурах, физическая и химическая стабильность при хранении и эксплуатации, способность устойчиво гореть при заданных температуре и давлении, однозначность физико-химических свойств в партии зарядов, отсутствие или минимальное количество твердых частиц в газе, минимальное коррозионное и эрозионное воздействие газа на конструктивные элементы, минимальное отклонение параметров газа от расчетных при работе в заданном диапазоне температур окружающей среды и др.

Выбор состава твердого топлива. В состав заряда ТГГ в общем случае могут входить окислитель, горючее, замедлители горения, флегматизаторы (добавки, уменьшающие чувствительность составов к трению и удару), связующие вещества (органические полимеры, обеспечивающие механическую прочность спрессованных составов), вещества технологического назначения (например, растворители для связующих). Следует отметить, что одно и то же вещество может выполнять в составе заряда несколько функций, например связующие выполняют функцию горючего, а в некоторых случаях и замедлителей горения. Основой всякого состава является смесь окислителя с горючим.

Давление в камере ТГГ для заданной конструкции камеры и вида твердого топлива определяется газопроизводительностью заряда и расходом газа через критическое сечение сопла. Связь между этими параметрами определяется зависимостями, с помощью которых можно по заданному давлению в камере сгорания и поверхности горения заряда определить площадь сопла.

При проектировании нужно стремиться к снижению гидравлического сопротивления по газовому тракту и обеспечению его постоянства по времени. Наибольшая величина гидравлических сопротивлений обычно приходится на диафрагму, поддерживающую заряд. Через отверстия диафрагмы газ истекает в предсопловой объем. Гидравлическое сопротивление диафрагмы рассчитывают по общим формулам газодинамического расчета трактов. Обычно площадь сечений диафрагмы принимается в 3—5 раз больше площади сопла ТГГ. Рекомендуется, чтобы скорость течения газа не превышала 100—150 м/с.

Гибридный ТГГ. Работа гибридного ТГГ основана на введении во внутренний объем камеры ТГГ жидкого или газообразного окислителя, в результате взаимодействия которого с твердым горючим, находящимся в камере, генерируется газ. Преимущество гибридного ТГГ—возможность регулирования его газопроизводительности и параметров газа.

В качестве примера можно указать на гибридный ТТТ, у которого в качестве твердого горючего использована смесь «литий + полибутадиен»; в качестве жидкого окислителя - смесь фтора с кислородом. Этот ТГГ устойчиво работает в широком диапазоне изменения соотношения компонентов топлива (стехиометрическое соотношение 2,8) и обеспечивает генерацию газа как с избытком, так и с недостатком окислителя.

В системах с ТГГ иногда устанавливают фильтры и устройства для охлаждения и регулирования расхода газа. Фильтры используют для устранения твердых продуктов, образующихся при горении многих типов твердых топлив. Применяют фильтры динамического (сепарационного), сетчатого, а иногда комбинированных типов. В последнем случае грубая очистка осуществляется в сепараторе, мелкая - сетками. Расход газа можно регулировать путем установки клапанов сброса или регуляторов, изменяющих сечение сопла ТГГ, при этом потребное изменение площади сопла можно определить аналитическим путем.

Последний способ регулирования может обеспечить наиболее полное и эффективное использование всей массы заряда. Его конструктивное решение осложняется требованием создания малоинерционного регулятора, работающего в условиях термического и эрозионного воздействия продуктов сгорания твердотопливного заряда.

Однокомпонентный ЖГГ. Работа однокомпонентного ЖГТ основана на использовании компонента топлива, обладающего экзотермической реакцией разложения (перекиси водорода, гидразина, изопропилнитрата, аммиака, несимметричного диметилгидразина и др.). Основными условиями, определяющими возможность использования компонента топлива в однокомпонентом ЖГГ, являются: способность к каталитическому или термическому разложению; устойчивость протекания процесса разложения; постоянство давления, температуры, химического состава и др.). Температура газа на выходе из ЖГТ не должна превышать допустимую для конструктивных элементов, находящихся под воздействием газового потока. Разложение компонента топлива может осуществляться каталитическим или термическим методом. Каталитическое разложение осуществляется подачей компонента топлива на активную поверхность твердого катализатора, размещенного во внутреннем объеме ЖГТ или вводом жидкого катализатора в камеру ЖГТ. Последний способ разложения в современных двигателях применяется лишь для некоторых специальных целей, так как он влечет за собой усложнение схемы и увеличение массы ЖРД

В современных ЖРД среди однокомпонентных газогенераторов наибольшее распространение получили перекисеводородные, т. е. работающие на перекиси водорода Н2О2.- Обычно применяется ее водный раствор, содержащий не менее 80—85%- (по весу) перекиси водорода; из растворов меньшей концентрации образуется газ с низкой температурой (и работоспособностью).

В качестве катализаторов используются перманганаты щелочных металлов (NaMn04, КМ1Ю4) или сетки из серебряной проволоки. Тепло, выделяющееся при разложении раствора перекиси водорода, затрачивается на испарение балластной воды и подогрев смеси паров воды и молекулярного кислорода, именуемой парогазом.

Кроме перекиси водорода однокомпонентными средствами газогенерации могут служить несимметричный диметилгидразин (НДМГ), гидразин, изопропилнитрат, окись этилена и другие вещества. НДМГ и гидразин используются в качестве компонентов основного топлива ЖРД, поэтому, применяя их как средства газогенерации, можно упростить конструкцию двигателя, повысить его надежность и облегчить эксплуатацию ракеты. НДМГ является эндотермическим соединением и при температуре, превышающей 350° С, способен быстро разлагаться, выделяя тепло, достаточное для нагрева продуктов разложения выше температуры начала интенсивного разложения (т. е. выше 350° С). Поэтому процесс разложения НДМГ, будучи возбужден, в дальнейшем может самоподдерживаться без дополнительного подвода тепла извне.

Использование гидразина в качестве однокомпонентного средства газогенерации также основывается на его способности к термическому разложению, причем распад гидразина сопровождается выделением такого количества тепла, которого вполне достаточно для того, чтобы поддержать процесс на нужном температурном уровне. Важное преимущество гидразина по сравнению с другими однокомпонентными средствами газогенерации—отсутствие твердой фазы в продуктах разложения.

При термическом методе реакция протекает под действием тепла, получающегося за счет разложения ранее поступивших порций компонента топлива или подводимого от внешнего источника. Для запуска пусковой расход компонента топлива должен быть прогрет от постороннего источника тепла до температуры саморазложения (электросвеча, химический источник тепла и т. д.). Возможен изотопный подогрев, при котором во внутреннем объеме камеры ЖГГ размещают капсулы с радиоизотопом.

При расчете однокомпонентного ЖГТ задаются физико-химическими параметрами газа, потребным количеством катализатора, эффективным объемом и площадью смесительной головки ЖГТ. Параметры газа определяются на основании термодинамического расчета реакции разложения заданного компонента топлива.

Под эффективным объемом понимают внутренний объем ЖГГ (от головки до выходного сечения) за вычетом объема, занимаемого катализатором или тепловым аккумулятором. Потребное количество катализатора определяется условиями протекания реакции разложения и количеством разлагаемого компонента топлива.

Количество катализатора рассчитывают из условия обеспечения разложения секундного расхода компонента топлива.

Эффективный объем газогенератора определяется временем пребывания компонента в камере. Время пребывания в свою очередь определяется условиями протекания реакции разложения и находится экспериментально.

Двухкомпонентный ЖГГ. Работа двухкомпонентного ЖГГ основана на химической реакции между жидкими окислителем и горючим, подаваемыми во внутренний объем ЖГТ. Процесс горения топлива в двухкомпонентном ЖГГ протекает при таких значениях коэффициента избытка окислителя, при которых обеспечивается заданная температура газа на выходе из ЖГТ. Соответственно процесс в ЖГТ может проходить при избытке (восстановительные продукты ГГ) или недостатке (окислительные продукты ГГ) горючего. Выбор восстановительных или окислительных продуктов ГГ определяется конкретными задачами, решаемыми при проектировании ЖРД. При этом нужно учитывать, что величина RT восстановительных продуктов ГТ, полученных из углеводородных топлив, при прочих равных условных выше RT окислительных. Применение окислительных продуктов ГТ обусловливает повышенные требования к коррозионной стойкости конструктивных элементов; при генерации восстановительного газа возможно наличие твердой фазы, вызывающей повышенный эрозионный износ конструктивных элементов, загромождение проходных сечений газовых трактов и т. п.

В результате отложения твердых продуктов неполного сгорания во внутреннем объеме ЖГГ может изменяться расчетное время пребывания газа в камере ЖГТ, условия смесеобразования и, как следствие этого, химический состав генерируемого газа.

Рис.85