РД1 Лекции жрд 2017

1 – аккумулятор давления;

2 – клапан;

3 – редуктор;

4 – обратный клапан

5 – бак «Г»,

6 – бак «О»;

7 – главные клапаны «Г» и «О»;

8 – камера

9 – разделительные клапаны

10 – ТНА;

11 – Насос «Г»;

12 – Насос «О»;

13 – Турбина;

14 – ГГ основной;

15 – Твердотопливный ГГ 16, 17 – регулируемые дроссели;

18 – утилизационное сопло (патрубок)

надежностью ЖРД без дожигания применяют на верхних ступенях PH и КЛА.

2.3.3.2. НПТ с дожиганием генераторного газа

Наиболее широкое применение нашли ЖРД, у которых НПТ с полной

газификацией одного компонента и после турбины его направляют в камеру

сгорания.

Если горючее углеводородное, то полностью газифицируют окислитель.

Если горючее жидкий водород, то полностью газифицируют именно его.

31

В ЖРД с НПТ с дожиганием ГГ в камере устраняют потери химической

энергии, связанной с выбросом газа после турбины в окружающую среду.

Кроме этого можно ↑ Pк .

Полная газификация одного компонента упрощает систему подачи.

Можно обеспечивать TГГ в допустимых пределах. Из-за выделения сажи и

смолы, которые могут забить форсунки, керосин никогда не газифицируют.

ЖРД с дожиганием по сравнению с двигателями без дожигания

позволяют получить более высокий Iy .

Однако эти конструкции сложнее, а их доводка требует больших затрат

времени и средств, они более

теплонагруженные и ↑ динамические нагрузки. Менее надежны.

1, 2 – насосы «Г» и «О», 3 – основная турбина, 4 – ГГ, 5 – главный клапан «О»,

6 – главный клапан «Г»,

αoГГ = 20...40 ;

9 – камера двигателя; 10 – пусковая турбина; 11 – твёрдотопливный ГГ; 12 – клапан «Г» ГГ; 13 – датчик давления.

2.3.4. Выбор системы подачи топлива

Область использования различных систем подачи топлива в первую очередь определяется возможностью получения Iy = max при минимальной

массе ДУ mуд = mmin .

На рисунке показана зависимость τ = f (P) для двигателей с ВПТ и НПТ при условии, что они имеют одинаковую удельную массу myВПТ = myНПТ .

В области А удельная масса ДУ myВПТ будет меньше, чем масса ДУ с НПТ.

32

Поэтому систему с ВПТ целесообразно использовать при небольших импульсах тяги в двигателях (ДУ) при ориентации, стыковке, разделении, торможении, коррекции орбиты КА и иногда для верхних ступеней ракет.

Двигатели с НПТ без дожигания ГГ газа

33

Незначительно меньше, из-за ξ =0,03…0,08, а удельная масса ДУ mбуд/д < mсуд/д

Поэтому ДУ без дожигания выгоднее применять на второй, особенно

так как его работа начинается при условии ( PС = PН ).

При окончательном выборе типа системы подачи топлива учитывают сложность, время и средства, необходимые для доводки двигателя до заданной степени надежности, и другие факторы.

____________________________________________________________________

Лекция 4

2.3.5.Система автоматического управления ДУ

-Управление работой ДУ как правило осуществляется автоматически.

-Управление осуществляется с помощью

1– программного устройства (механического, электрического); 2 – на основе бортовой ЭВМ (БЭВМ), в которую закладывается

программа управления ЛА и ДУ и т.д. на всех этапах её работы.

34

-На ЖРДУ устанавливаются в основном исполнительные и контролирующие устройства системы автоматического управления (САУ).

-Управляющее устройство подаёт электрические сигналы (команды) на срабатывание соответствующих исполнительных устройств.

ДУ имеет основные системы [5]: 1 - управления запуском; 2 - изменения режима работы ДУ;

3 - автоматического регулирования параметров;

4 - управления остановом.

Рассмотрения действия и особенностей работы перечисленных систем.

2.3.5.1.Система управления запуском ЖРДУ

1.Особенности процесса запуска:

- процесс запуска является нестационарным процессом работы ЖРДУ (изменяется во времени τК , pК ,m& как функция времени)

- во время запуска могут наблюдаться неустойчивость горения в камере сгорания компонентов топлива; Поэтому основная аварийность происходит в момент запуска.

2. Требования к запуску: а) безаварийность запуска.

б) минимизирование времени запуска (время запуска τз = 0,8...5с) в) минимизирование перегрузок конструкции ЖРДУ при запуске.

Из-за задержки воспламенения компонентов топлива в камере сгорания

Перегрузка конструкции при этом оценивается коэффициентом перегрузки по давлению

Pmax

nn.к = К ;

PК

35

г) минимизации количества топлива, израсходованного во время запуска ЖРДУ

Mтоплива ≤ (0,03...0,04)МТ _ ЖРДУ

3.Этапы запуска ЖРДУ

магистралей подачи топлива к двигателю и ЖГГ по обеим магистралям или по магистралям горючего);

6 – подать компоненты топлива в ГГ и камеру.

При использовании криогенных компонентов, для избежание отклонения физических свойств компонентов от расчётных и предотвращения теплового удара в материалах трубопроводов и агрегатов системы подачи, могущего повлечь разрушения конструкции, производят захолаживание магистралей ЖРДУ. Пар компонентов отводят за борт ЛА, или по циркуляционному трубопроводу – в бак.

1. Система наддува баков.

Операции 1, 2, 5 выполняют путем открытия клапанов.

Обеспечивает в системе с ВПТ подачу компонентов топлива в камеру сгорания ДУ, – с НПТ – безкавитационную работу насосов ТНА и устойчивость более при расходовании топлива и действия основных перегрузок.

36

2.Предстартовый наддув – сжатый газом от наземной установки или ГАД, при работе ДУ – газом от ЖГГ, ГАД, ПАД и т.д., с применением, или без применения теплообменников.

3.Для раскрутки ТНА часто применяют твердотопливный газогенератор (ТГГ). Это прочный корпус, заполненный зарядом топлива и оснащённый пирозапалом для его воспламенения. Время работы ТГГ – до 1с.

В ЖРД без дожигания газы ТГГ поступают прямо на турбину ТНА.

В ЖРД с дожиганием поступают на пусковую турбину. Применение пусковой турбины позволяет исключить возможность засорения форсунок головки камеры твёрдыми частицами от ТГГ.

Раскрутка ТНА [с помощью пирогазогенератора (ТГГ), или пусковой

турбиной] до nвр когда NТ _ осн > Nнасосов (25-30% от nномин )

Включение ЖГГ (пирозажигание в камере, если несамовоспламеняющееся топливо, открыть клапаны подачи компонентов в камеру ЖГГ)

4 Включение зажигания в ГГ и камере необходимо только в случае применения несамовоспламеняющихся компонентов топлива, горение которых возможно в газовой фазе при T>600 К.

Оно осуществляется с помощью пиротехнических, химических, электрических и других запальных устройств.

Пиротехническое зажигание в ЖРД – однократного включения с помощью пиросвечь.

Химическое зажигание – обеспечивается с помощью дополнительных пусковых компонентов [триэтилалюминий (C2H5 )3 Al или триэтилбор (C2H5 )3 B ], которые самовоспламеняются в кислороде или используются в качестве пускового окислителя.

Небольшое количество компонента заливают в участок трубопровода и изолируют мембраной, и под давлением основного компонента подаётся в камеру.

37

Электрическое зажигание с помощью электроискровой свечи, аналогично ВРД. Оно обеспечивает многократность запуска.

5 – Продувка магистрали инертным газом Удаляют посторонние вещества (воздух, пары воды и т.д.), а также

предотвращают смешение компонентов топлива до огневой полости ЖГГ или основной камеры.

Газ для продувки берут из тех же источников, что и предстартовый наддув баков.

6 – Подача компонентов в ГГ и камеру системой подачи и ВКЛЮЧЕНИЕ (запуск) основной камеры – ЖРД

6.1Включение зажигания (для несамовоспламеняющегося топлива)

6.2Подача топлива в камеру (окислитель поступает первым, а горючее, проходя через рубашку охлаждения, поступает, как правило, с задержкой)

6.3Выключение продувки двигателя

6.4Выход двигателя на основной режим (в случае программ запуска). Программа должна обеспечить надежный и быстрый выход ЖРДУ на

основной режим.

– По характеру изменения давления в камере ЖРД можно выделить четыре вида запуска:

1 – идеальный

2 – непрограммированный

3 – плавный

4 – ступенчатый

1 Идеальный запуск – характерен подачей топлива в камеру сгорания с расходом равным расходу на основном режиме и мгновенным сгоранием его без заброса давления. Однако есть τ з - время запаздывания воспламенения.

2 Напрограммированный запуск.

Топливо в камеру подаётся под давлением равным давлению подачи на основном режиме (пушечный запуск)

38

запаздыванием τ з . К моменту воспламенения в камере успевает накапливаться

некоторое количество компонентов, которые поступали под ↑ Pф в камеру. Это и вызывает заброс давления.

Пушечный запуск применяется в двигателях с небольшой тягой и ↓ PК , а также, когда нужна быстрота запуска (ДУ зенитных ракет, 8К75 – борьба с неустойчивостью горения).

Для однокамерного ЖРД больших тяг применяют плавный запуск.

3 Плавный запуск – осуществляется путём постепенного (плавного) повышения давления компонентов перед форсунками камеры ЖРД (кривая 3) (путём плавного разгона ТНА, применение специальной арматуры, клапанов и т.д.). Перегрузка nn.к при этом запуске небольшая, но увеличивается дополнительный расход топлива Mпуска .

Применяют для ЖРДУ однокамерных средних и больших тяг.

39

Воспламенение компонентов в камере при малом расходе с последующим нарастанием до расчётного. Достигается при ↑ nвр ТНА.

4 Ступенчатый (программируемый) запуск осуществляется за счёт введения предварительных режимов работы ЖРДУ на которых двигатель выдерживается на время, необходимое для контроля правильности запуска (см. кривая 4).

Применяется для многокамерных и многодвигательных ДУ.

Перегрузка при ступенчатом запуске, как и при плавном, меньше, чем при пушечном, но повышается τ запуска и повышается расход топлива на запуск Mзапускатоплива , повышается надёжность запуска ДУ.

До 80% отказов ЖРДУ происходит во время запуска.

2.3.5.2. Останов (выключение) двигателя ЖРДУ

Режим ЖРДУ с момента подачи команды на останов двигателя до полного исчезновения тяги, путем прекращения подачи топлива в камеру двигателя.

Останов – нестационарный режим работы ЖРДУ

Характеризуется:

1.– временем останова τ

2.– импульсом последействия (ИПТ) тяги

В зависимости от назначения и условий эксплуатации ЛА – используют следующие способы останова ДУ:

1)после израсходования одного из компонентов

2)на основном режиме работы ДУ

3)на конечном режиме работы ДУ

Способ останова

1. Применяют на 1-х ступенях космических ракет, стартовых ДУ самолетов, когда останов ДУ строго обусловлен (нужно максимально использовать топливо). В ДУ с ВПТ оставшийся компонент может быть удален через камеру ДУ.

40