Жидкостные ракетные двигатели. В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные
 Скачать 4.57 Mb.
|
|
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- десca изеняются 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:
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. При больших значения dP/dr и большом забросе давления появляется опасность разрушения и даже взрыва камеры, как вследствие потери ее прочности, так и в результате возникновения детонационного горения топлива. Основное влияние на жесткость запуска оказывает время задержки воспламенения топлива t3. Очевидно, чем больше значение т3, тем больше успеет накопиться топлива до начала воспламенения и тем больше будет заброс даатения.  Рис87 Изменение давления в камере при запуске: 1 - плавный запуск; 2 - ступенчатый запуск; 3 - жесткий запуск; t, - время задержки воспламенения При плавном запуске воспламенение происходит при небольшом расходе топлива и с последующим сравнительно плавным нарастанием расхода топлива. Плавный запуск характерен для ЖРД малых и средних тяг с турбона-сосной системой подачи. При этом плавность нарастания расхода топлива обеспечивается за счет инерции ТНА. Продолжительность запуска определяется в основном временем выхода ТНА на номинальный режим («раскруткой ТНА»). Ступенчатый запуск характерен введением промежуточной (или предварительной) ступени работы ЖРД и иногда целесообразен при запуске двигателей больших тяг. Необходимость введения промежуточной ступени обуслов- лена тем, что с ростом тяги, а, следовательно, и мощности ТНА время, расходуемое на раскрутку ТНА (инерционность ТНА) уменьшается. В результате влияние инерционности ТНА на скорость нарастания давления становится ничтожным, так что запуск приходится смягчать введением промежуточного режима. При запуске ЖРД, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах, введение предварительной ступени обеспечивает прогрев камеры и образование надежного факела. Пушечным называют запуск, при котором сразу подается полный расход топлива. В чистом виде пушечный запуск не применяется, так как при этом получился бы очень большой заброс давления в камере, поэтому в системе подачи или в головке двигателя всегда устанавливаются устройства, смягчающие запуск. Запуски, близкие к пушечному, возможны при использовании вытеснительных систем подачи. 9.2. Влияние условий запуска двигателя Начальная температура топлива. Изменение начальной температуры приводит к изменению химической активности топлива, а также к изменению физических свойств, влияющих на перемешивание топлива при впрыске (вязкость, поверхностное натяжение). С уменьшением начальной температуры t3 увеличивается. Так, например, для топлива, состоящего из азотной кислоты и смеси фурфурилового спирта с анилином, при понижении температуры с -10 до -30 °С время задержки воспламенения увеличивается с 0,015 до 0,040 сек, т. е. более чем в два раза. Начальное давление в камере сгорания. Вопрос о влиянии начального давления в камере на воспламенение очень важен при организации запуска двигателя в высотных условиях. Понижение давления приводит к увеличению t3 и, как следствие, к увеличению заброса давления при запуске. Некоторые самовоспламеняющиеся топлива при большом уменьшении давления могут вообще утратить способность к самовоспламенению. Такие условия могут, в частности, возникнуть при запуске двигателя в космосе, где давление окружающей среды равно нулю. Однако, в таких случаях топливо, поступающее в камеру с давлением близким к нулю, оказывается в перегретом состоянии. Происходит очень быстрая возгонка топлива и за счет образовавшихся паров давление в камере сгорания повышается. Состав топлива. На величину t3влияет как изменение соотношения компонентов топлива, так и наличие различных, иногда неизбежных (например, вода), а иногда специально вводимых разбавителей или добавок. Наименьшее значение t3 ряда топлив не соответствует стехиометриче-скому соотношению.   Рис.88 Влияние состава топлива (а) и опережения впрыска на  (б)Так, например, для топлива «азотная кислота + 50% ксилидина и 50% фурфурилового спирта» изменение t3при изменении коэффициента избытка окислителя  происходит, как показано на рис. а и минимальное значение соответствует =1,1.Аналогичные графики можно получить и для других топлив. В каждом случае наименьшему значению  будет соответствовать свое а.Различные добавки в топливе могут увеличивать или уменьшать  Так, например, увеличение содержания воды в азотной кислоте приводит к росту t3.Опережение подачи одного из компонентов. В ЖРД трудно обеспечить одновременную подачу окислителя и горючего, запаздывание же одного из них может привести к увеличению, а иногда к уменьшению  Так, из графика изменения в зависимости от опережения подачи t для топлива «азотная кислота + фурфуриловый спирт», рис.88 б, видно, что для данного топлива опережение подачи окислителя уменьшает т. е. улучшает запуск. Величина рационального опережения подачи того или иного компонента зависит от состава топлива, а также от конструкции головки, так что для каждого топлива и конструкции головки имеется свой наиболее целесообразный порядок подачи компонентов.Иногда при выборе опережения подачи горючего или окислителя учитывают также, что при догорании несгоревшей в камере части горючего за соплом двигателя образуется мощный факел.   Прочие влияния. На t3и запуск двигателя, кроме указанных основных факторов, оказывают влияние также физические свойства топлива, перепад давления на форсунках dРФ (увеличение dРФ обычно уменьшает  ), форма и объем камеры, количество подаваемого компонента (увеличение количества подаваемого топлива часто приводит к уменьшению ), многократность запуска и т. д.149 9.3. Способы воспламенения горючих смесей В классификации задач, возлагаемых на системы управления ДУ, задача воспламенения горючих смесей отнесена к обеспечению нестационарного процесса запуска двигателя и решается с помощью автономных систем воспламенения топлив в камерах и газогенераторах ЖРД. Под системой воспламенения топлив предусматривается полный цикл мероприятий по организации не только начального этапа воспламенения компонентов топлива, но также и весь цикл обеспечения этого процесса без аномальных явлений (срывов горения, незапусков, пульсации, забросов давлений и других возможных видов отказов на этапе запуска). Естественно, что принудительного воспламенения требуют несамовоспламеняющиеся топлива. Ими являются углеводородные горючие, работающие с кислородом или с азотнокислотными окислителями, а также кислородно-водородное топливо. Существует несколько способов воспламенения горючих смесей. Химический способпредусматривает на начальном этапе запуска использование самовоспламеняющихся компонентов топлива, которые запасают в трубопроводах или специальных емкостях перед камерами двигателя и отделяют их от основного топлива мембранами свободного прорыва. Запас пусковых порций самовоспламеняющегося топлива должен обеспечивать работу камеры на пусковом топливе, примерно равном 80 % времени запуска. Целесообразность применения этого способа ограничивается ДУ однократного включения. Добавка триэтилбора или триэтилалюминия («2 — 3 %) к керосину обеспечивает надежное одно- и многократное его воспламенение с кислородом. Однако высокая токсичность этих добавок сдерживает их широкое практическое применение, так как токсичным становится не только горючее, но и продукты сгорания, содержащие эти добавки. Пиротехнический способвоспламенения горючих смесей предусматривает установку на стартовых позициях внутрь камеры двигателя системы пирс-зарядов, одновременное срабатывание которых обеспечивает надежное воспламенение пусковой части топлива, рис.89. Число пирозарядов зависит от размеров камеры двигателя. Для одновременного воспламенения многокамерных двигателей в каждой камере должно быть размещено не менее шести зарядов, ориентированных друг относительно друга так, чтобы первый воспламенившийся заряд поджигал соседний с ним. Для обеспечения надежного воспламенения горючих смесей необходима определенная мощность тепловыделения в короткий промежуток времени, которая способна не только инициировать горение топлив, но и уменьшить начальную задержку его воспламенения. Систему пирозарядов можно применять для многократного включения газогенераторов и камер двигателя. При этом число установленных зарядов будет определять число включений. Однако если не применять специальных мероприятий по теплоизоляции этих зарядов, то в процессе работы двигателя  или после его останова вследствие чрезмерного нагрева зарядов возможно их самопроизвольное срабатывание. Рис89 Система пирозарядов, обеспечивающая воспламенение топлива в камере двигателя на стартовых позициях Предварительный нагрев элементов конструкции двигателей, использующих гидразин как монотопливо, примерно на 600 К способствует активному процессу саморазложения гидразина. Термохимический способвоспламенения горючих смесей предусматривает организацию пускового факела с помощью специальной пусковой камеры (форкамеры), которая устанавливается на форсуночной головке двигателя, рис.90. Перед запуском основной камеры двигателя любым из способов воспламеняется пусковое топливо в форкамере. В частности, возможен вариант использования газов, отобранных из газогенератора питающего ТНА, для воспламенения пускового топлива. Возможно также применение в форкамере самовоспламеняющихся топлив или легковоспламеняющихся топлив («кислород + этиловый спирт»). Для обеспечения надежного воспламенения топлива в камере требуется непрерывная работа запального факела для поддержания горения основных расходов топлива вплоть до установления номинального давления в основной камере двигателя. Для этого необходимо, чтобы давление подачи пускового топлива перед форсунками форкамеры всегда превышало давление в основной камере двигателя, а перепад давлений на сопле форкамеры всегда был сверхкритическим. Если основное топливо только пересекает пусковой факел или в него не попадает, то оно воспламеняется с большой задержкой, что сопровождается забросами и пульсациями давления и запуск становится ненадежным. Для избежания аномальных явлений необходим такой пусковой факел, чтобы время пребывания в нем основного топлива было наибольшим, а его форма гарантировала попадание в пусковой факел всего основного топлива. Из всех возможных вариантов расположения форкамеры на основной камере для надежного воспламенения топлива должен быть принят вариант соосного расположения форкамеры с основной камерой двигателя. При этом профиль расширяющейся части сопла форкамеры обеспечивает полный контакт пускового факела с основным топливом (хотя продукты сгорания не во всех случаях могут следовать за профилем сопла).  Рис.90 Форкамерный способ воспламенения горючих смесей Для более плавного запуска с форкамерным устройством больших камер двигателей в атмосферных условиях при включении основного расхода топлива предпочтительнее опережение подачи окислителя. В современных ЖРД необходимая мощность тепловыделения для гарантированного воспламенения горючих смесей требует пусковых расходов для форкамерного устройства примерно на два - три порядка меньше, чем расходы основной камеры. Форкамерные устройства для воспламенения горючих смесей по сравнению с другими способами имеют то преимущество, что могут быть включены и в период останова двигателя. Это способствует принудительному догоранию топлива, попадающего в камеру двигателя из заклапанных полостей после закрытия главных топливных клапанов. Термоакустический способвоспламенения горючих смесей основан на эффекте разогрева газа в тупиковой полости при набегании на ее открытый торец струи холодного газа со сверхзвуковой скоростью, рис.91.  |