Жидкостные ракетные двигатели. В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные
 Скачать 4.57 Mb.
|
|
Рис.91 Принципиальная схема термоакустического устройства для воспламенения горючих смесей: 1 - сверхзвуковое сопло; 2 - корпус; 3 - дренажная полость; 4 - цилиндрическая тупиковая полость; 5 - реакционная полость; 6 - фланец крепления Если подавать холодный газ через сопло 1 в открытый торец цилиндрической тупиковой полости 4, который затем дренируется через полость 3, то во внутренней полости цилиндра образуются колебания газа с частотой, соответствующей собственной акустической частоте цилиндрической тупиковой полости. Усиление амплитуд колебаний давления газа в цилиндре вызывается резонансом вынужденных и собственных колебаний в динамической системе «сопло — полость». Турбулентное течение газов из сопла 1 со сверхзвуковой скоростью при встрече с неподвижной средой сопровождается широким спектром колебаний давления газа в струе. В этом спектре также содержатся колебания с частотой, равной (или близкой) частоте собственных акустических колебаний цилиндрической тупиковой полости. Колебания давления газа в набегающей струе являются вынужденными по отношению к собственным колебаниям цилиндрической тупиковой полости. Настройка динамической системы «сопло -полость», вызывающая резонанс этих колебаний, производится изменением расстояния «х» от сопла до открытого торца тупиковой полости. Таким образом определяется взаимное положение сопла и цилиндра, обеспечивающее сдвиг фаз между вынужденными и собственными колебаниями, равными (или близкими) 180°. При этом в цилиндре тупиковой полости устанавливается максимальная амплитуда колебаний давления колебаний газа. В результате усиления амплитуды колебаний газа в тупиковой полости цилиндра в каждой волне сжатия повышается температура газа и с течением времени за счет большой (собственной) частоты циклов колебаний в цилиндрической тупиковой полости температура одной и той же порции газа намного превышает температуру торможения газовой струи. В результате происходит разогрев стенок цилиндра и особенно закрытого торца тупиковой полости до температур, которые соответствуют установившемуся тепловому балансу цилиндра. Из опытов получено, что за время, приблизительно равное 50 с, торец тупиковой полости нагревает- ся до 1ООО К; за время 100 с - до 1500 К и более, вплоть до расплавления материала тупиковой полости (если не будет организован теплоотвод). Использование термоакустического эффекта разогрева тупиковой полости от холодной струи газа состоит в том, что по достижении необходимой температуры нагреваемого цилиндра на его поверхность направляются пусковые порции несамовоспламеняющихся окислителя и горючего, которые воспламеняются на ней, а затем из реакционной полости 5 подаются в виде нагретых продуктов сгорания в основную камеру двигателя. В результате реализуется форкамерное устройство, которое крепится к форсуночной головке двигателя фланцем 6, представляющее собой автономный агрегат системы воспламенения топлив в камерах двигателя и газогенератора ЖРДУ. Работоспособность такого устройства обеспечивается при давлении подачи холодного газа в сверхкритическое сопло 1 в диапазоне (4 — 15) 105 Па при атмосферном противодавлении в дренажной полости 3. Принципиально цилиндрическая тупиковая полость 4 может быть помещена в полость газогенератора или камеры двигателя без реакционной полости 5 и может служить нагревным источником воспламенения основного топлива. Недостатком термоакустического способа воспламенения горючих смесей является низкая мгновенная мощность тепловыделения и низкий термический коэффициент полезного действия. Усиление мощности тепловыделения возможно путем многокаскадной подачи пускового топлива в реакционной камере форкамерного устройства, или за счет увеличения числа нагревательных цилиндров, помещенных в газогенераторы или камеры двигателя. Низкий термический КПД приводит к значительному расходу холодного газа. Положительным свойством термоакустического устройства следует считать его полную независимость от характера протекания рабочих процессов в камере двигателя или газогенераторах. Нагревный цилиндр полностью изолирован от воздействия на него окружающей среды. Выполненный из жаропрочных и антикоррозионных материалов, он оказывается защищенным от агрессивной среды, нагарообразования, воздействия высоких и низких температур, давления и влажности окружающей среды и других внешних факторов. Свойства автономности термоакустического устройства позволяют предполагать его преимущественное применение при низких начальных температурах окружающей среды (например в космических условиях) для надежного воспламенения несамовоспламеняющихся топлив и в низкотемпературных газогенераторах, использующих жидкий кислород и жидкий водород. Электрические способывоспламенения горючих смесей предполагают применение высоковольтных искровых свечей и низковольтных свечей поверхностного нагрева. Высоковольтная свеча искрового разряда получила широкое распространение в двигателях внутреннего сгорания и других атмосферных двигателях, и ее применение в ЖРД обусловлено естественной исторической преемственностью. Поскольку бортовая система питания электроэнергией располагает низковольтным источником постоянного тока, то для его преобразования в ток высокого напряжения необходимо применение специальных устройств.  Рис.92 Принципиальная схема системы электрического зажигания горючих смесей с помощью высоковольтной искровой свечи: 1 - искрогасящий конденсатор; 2 - источник питания постоянного тока; 3 - ключ зажигания, 4 - низковольтная обмотка преобразователя напряжения; 5 - подвижный контакт,6 - неподвижный контакт; 7 - пружина якоря; 8 - якорь; 9 - сердечник; 10 - высоковольтная обмотка преобразователя напряжения; 11 - резистор; 12 - контакт центрального электрода; 13 - корпус свечи; 14 - керамический вкладыш; 15 - керамический изолятор; 16 - центральный электрод свечи; 17 - боковой электрод свечи На рис.92 показана принципиальная схема системы электрического зажигания горючих смесей с помощью высоковольтной искровой свечи. В состав этой системы входят источник питания, преобразователь напряжения и собственно свеча. При включении ключа зажигания 3 источник питания постоянного тока 2 через замкнутые с помощью пружины 7 подвижный 5 и неподвижный контакты 6 питает низковольтную обмотку преобразователя напряжения 4. Образовавшийся при этом магнитный поток замыкается через высоковольтную обмотку 10, которая по сравнению с обмоткой 4 имеет на три порядка больше витков. Образовавшийся от первичной обмотки магнитный поток проходит через якорь 8, как через магнитопровод. В результате якорь притягивается к сердечнику 9, расположенному между обмотками, и разрывает контакты 5 и 6 питания первичной обмотки. При этом магнитный поток резко падает, а вторичная обмотка 10, испытывая это изменение, генерирует импульс электрического тока с напряжением, пропорциональным соотношению обмоточных характеристик катушек 4 и 10. Этот импульс электрического тока с высоковольтной обмотки 10 подается на контакт центрального электрода 12 электрической свечи. Второй полюс обмотки соединен с корпусом свечи 13 (обычно через массу двигателя). Зазор между центральным электродом 16 и боковыми электродами 17 выбирается таким, чтобы был гарантирован искровой разряд (=1-2 мм). Для избежания пробоя между центральным электродом и корпусом свечи вне искрового промежутка центральный электрод защищен керамическим изолятором 15, а корпус — керамическим вкладышем 14. При исчезновении магнитного потока пружина 7 замыкает контакты 5 я 6, с помощью которых включается питание обмотки 4, и все начинается сначала. Для гашения новообразования при срабатывании контактов 5 и 6 установлен конденсатор 1. Для увеличения частоты автоколебаний сердечник 9, размещенный между обмотками 4 и 10, выполнен из трансформаторных пластин, что способствует в элементах системы преобразователя напряжений существенному снижению остаточного магнетизма. Параметры обмоточных характеристик катушек 4 и 10 подбираются так, что во вторичном контуре питания свечи реализуется напряжение, приблизительно равное 16000 — 20000 В. В каждом цикле автоколебаний в искровом промежутке свечи происходит электрический разряд, а за время включения контакта 3 реализуется серия электрических разрядов, мгновенная мощность которых способна воспламенить находящиеся в окрестностях электродов свечи компоненты топлива. Рассмотренная электрическая система высоковольтной свечи имеет два существенных недостатка. Один из них связан с чрезмерно высоким напряжением, которое способствует самопроизвольному отеканию заряда в местах контакта проводника (на катушке 10 и центрального электрода 12 свечи). Особенно заметно самопроизвольное отекание электрического заряда в ионизированной и влажной атмосфере, при которой каждый импульс сопровождается коронным разрядом в контактных соединениях, а между электродами свечи мощность разряда настолько падает, что это может приводить к отказу зажигания топливной смеси. В местах касания проводника высокого напряжения массы двигателя возможен пробой его изоляции. Второй существенный недостаток заключен в самой свече. При влажной атмосфере окружающей среды центральный и боковые электроды оказываются замкнутыми этой средой и искрообразование становится невозможным. При повторном запуске двигателя, использующего углеводородное горючее, в результате нагарообразования на части корпуса и керамическом изоляторе свечи (обращенных внутрь камеры двигателя или газогенератора) происходит частичное или полное шунтирование центрального и бокового электродов свечи по образовавшемуся нагару, которое вызывает ослабление мощности искрового разряда или полный отказ искрообразования. Несмотря на то, что в системе зажигания для частичной компенсации шунтирования нагаром электродов свечи предусмотрен резистор 11, повторные запуски двигателя, работающего на углеводородных горючих, затруднены (особенно в газогенераторах). Свеча высокого напряжения практически не пригодна для воспламенения топлив с окислителями на основе азотной кислоты, так как попадание окислителя на электроды свечи и особенно на керамический изолятор разрушают последние. Область целесообразного применения высоковольтных свечей вследствие недостатков, собственно касающихся свечей, определяется их применением лишь для воспламенения кислородно-водородных топлив. Для устранения недостатков высоковольтной системы зажигания разработана и применяется в практике низковольтная свеча поверхностного нагрева.  Рис.93 Принципиальная схема системы электрического зажигания горючих смесей с помощью низковольтной свечи поверхностного нагрева: 1 - искрогасящий конденсатор; 2 - источник питания постоянного тока; 3 - ключ зажигания; 4 -низковольтная обмотка преобразователя напряжения; 5 - подвижный контакт, 6 - неподвижный контакт, 7 - пружина якоря; 8 - якорь; 9 - сердечник; 10 - высоковольтная обмотка преобразователя напряжения; 11 - полупроводник; 12 - конденсатор-накопитель заряда; 13 - газоразрядное уст-ройство; 14 - контакт центрального электрода; 15 - центральный электрод; 16 - керамический изолятор; 17 - корпус свечи; 18 - пластинка двуокиси титана На рис.93 приведена принципиальная схема системы зажигания горючих смесей с помощью свечи поверхностного нагрева. Принцип действия преобразователя напряжения в этой системе остался тем же, что и в рассмотренной выше. Для этой части системы на рис.93 сохранена та же нумерация составляющих эту часть элементов, что и на рис.92 (позиция с 1 по 10). Существенная разница рассматриваемой системы по отношению к предыдущей начинается с того, что соотношение обмоточных характеристик катушек 4 и 10 преобразователя напряжения выполнено так, что напряжение высоковольтной катушки на порядок меньше, чем в предыдущей системе, и составляет примерно 1500 — 3000 В. В цепи электрического питания свечи установлен полупроводник 11. конденсатор-накопитель заряда 12 (емкостью примерно 10 мкФ) и газоразрядное устройство 13, которое наполнено парами ртути либо инертным газом (неоном или аргоном). Если в предыдущей системе каждый импульс электрического тока с катушки 10 поступал на свечу, то в рассматриваемой системе этому препятствует газоразрядное устройство, которое может проводить ток только при достижении определенного напряжения (напряжения зажигания газоразрядника Uзаж)- Выключение газоразрядного устройства происходит при несколько более низком напряжении, чем его зажигание (напряжении потухания газоразрядника Unот). Функционально газоразрядник 13 в цепи питания свечи работает как двухпозиционный ключ, пропуская на центральный электрод свечи электрический ток в диапазоне напряжений Uзаж>=U>=Uпот. Напряжение, подаваемое в высоковольтную сеть со стороны катушки 10, заведомо меньше напряжения Uзаж и при выключенном газоразряднике через полупроводник 11 питает конденсатор 12. В каждом цикле автоколебаний преобразователя напряжений конденсатор получает электрическую энергию и накапливает в себе электрический потенциал, так как его разряду, с одной стороны, препятствует полупроводник, а с друтой, — газоразрядник. Как только напряжение на обкладках конденсатора становится равным напряжению Uзаж, включается газоразрядное устройство и пропускает ток на свечу. С этого момента свечу питает конденсатор, на котором напряжение начинает падать. Как только оно становится равным напряжению Uпот, газоразрядное устройство перестает проводить ток и конденсатор снова заряжается и весь цикл повторяется сначала. На рис.94 этот процесс показан в виде зависимости напряжения на обкладках конденсатора Uконд времени. Поскольку конденсатор в цепи активного электрического сопротивления обладает свойством инерционного звена, то нарастание и спад напряжения происходят во времени по экспоненциальной кривой. Из рис. видно, что после некоторого пускового периода в высоковольтной части системы устанавливаются собственные автоколебания напряжения. Их частота определяется соотношением напряжений срабатывания газоразрядника и емкостью конденсатора. В реально выполненных системах частота автоколебаний напряжения в высоковольтном контуре находится в диапазоне 100- 150Гц. Низковольтная свеча поверхностного нагрева также имеет существенное отличие от высоковольтной искровой свечи, рассмотренной выше. В ее корпусе 17 размещен керамический изолятор 16, внутри которого находится центральный электрод 15. Рабочая часть свечи представляет собой коническую пластинку 18 шириной примерно 2—3 мм, через которую центральный электрод соединен с корпусом. Эта пластинка выполнена из двуокиси титана (ТiO2).   Рис94 Процесс установления автоколебаний напряжения в высоковольтном контуре свечи поверхностного накаливания Рис.95 Зависимость электрического сопротивления двуокиси титана от изменения температуры Двуокись титана обладает тем свойством, что при ее нагреве в восстановительной среде происходит частичное восстановление Ti02, которое сопровождается появлением в материале избытка металлических ионов. Вблизи ионов локализуются слабо связанные с ним электроны. При увеличении температуры связь электронов с ионами нарушается. Количество электронов резко возрастает. Соответственно резко увеличивается проводимость материшга и падает его внутреннее электрическое сопротивление, рис.95. В результате этого двуокись титана приобретает свойство электрической проводимости, которая возрастает с увеличением температуры. Падение внутреннего сопротивления ма- териала приводит к увеличению силы пропускаемого тока, а это в свою очередь — к последующему возрастанию температуры материала и т. д. Таким образом, при каждом цикле питания свечи током высокого на-пряжения пластинка с двуокисью титана разогревается и примерно на пятом цикле происходит гарантированное воспламенение горючих смесей вблизи разогретой пластинки. Свеча поверхностного нагрева стойка по отношению ко всем окислителям, но для быстрого нагрева предпочтительно наличие вблизи свечи восстановительной среды (избытка горючего). Мгновенная мощность тепловыделения свечи составляет примерно 40 тыс. Вт, средняя потребляемая первичной катушкой мощность преобразователя напряжения — примерно 300 Вт, полезный коэффициент использования энергии - примерно 0,8. Недостатком этого способа является сравнительно малая тепловая мощность электрической свечи. Поэтому часто при применении электрического зажигания с помощью свечи воспламеняют топливо при небольшом расходе в форкамере, где создается дежурный факел, от которого уже происходит воспламенение компонентов при основном расходе. Кроме того, для обеспечения электрического зажигания необходим источник электрической энергии, который не всегда имеется на летательном аппарате. Электрическое зажигание удобно использовать в камерах многоразового действия и многократного запуска. Для воспламенения некоторых топлив (например, перекиси водорода) возможно использование каталитических поверхностей, способствующих возникновению реакции. 9.4. Остановка двигателя Требования к последовательности остановки ЖРД определяют, назначением. При этом предусматривается либо остановка двигателя полной выработкой компонентов из баков, либо принудительная остановка путем закрытия в заданный момент отсечных клапанов топлива. Работа двигателя до полной выработки компонентов применяется на ЗУРах, торпедах и в некоторых случаях на начальных ступенях многоступенчатых ракет. Принудительная остановка двигателя необходима на баллистических или космических ракетах, когда двигатель должен прекратить работу в заданный момент, например при достижении ракетой определенной скорости. При этом часто двигатель сначала переводится на режим меньшей тяги, а затем полностью отключается. Для прекращения подачи топлива используются пневмогидравлические или пиротехнические отсечные клапаны. Важным критерием качества принудительной остановки двигателя является величина так называемого импульса последействия. 9.5. Система управления направлением вектора тяги Для создания направляющих моментов и усилий в ЖРД используются следующие мероприятия:
Подвижные элементы установленные в газовом потоке, истекающем из сопла  |