ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ КАМЕРЫ ЖРД. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ КАМЕРЫ ЖРД С КОЛЬЦЕВЫМ. Критическим сечением, расположенным в сверхзвуковом сопле
 Скачать 498.67 Kb.
|
УДК 621.453/.457 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ КАМЕРЫ ЖРД С КОЛЬЦЕВЫМ КРИТИЧЕСКИМ СЕЧЕНИЕМ, РАСПОЛОЖЕННЫМ В СВЕРХЗВУКОВОМ СОПЛЕ В.Д. Горохов Приведен краткий обзор конструкций ЖРД с кольцевым критическим сечением по материалам российских и зарубежных изданий. Показаны преимущества и недостатки ЖРД с кольцевым критическим сечением по отношению к ЖРД с соплом Лаваля Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель, кольцевое критическое сечение, сверхзвуковое сопло В настоящее время одной из основных проблем при создании жидкостных ракетных двигателей является получение высокого зна- чения удельного импульса тяги при уменьше- нии габаритных размеров камеры, в частности сопла. Одним из путей, позволяющих обеспе- чить достаточно высокое значение удельного импульса тяги при уменьшении габаритных размеров камеры, является использование вме- сто обычных круглых сопел Лаваля сопел с центральным телом [3]. Отличие между соплом Лаваля и соплом с центральным телом состоит в том, что сопло с центральным телом имеет форму критического сечения не круглую, а кольцевую, и, в то время, как сопло обычного ЖРД оптимизировано для определенного ре- жима работы и не может одинаково эффектив- но работать в широком диапазоне высот и дав- лений - от старта до выхода на орбиту, двига- тель с соплом с центральным телом использует атмосферу, как часть сопла, и поток воздуха сам оптимизирует факел. При старте летательного аппарата реак- тивная струя вначале прижата к соплу атмо- сферным давлением, а затем, по мере подъема, расширяется в стороны. Поскольку газовый по- ток при обтекании сопла расширяется до дав- ления, близкого к окружающему, то при полете ракеты сопло работает постоянно в режиме, соответствующем максимальному удельному импульсу, что является значительным преиму- ществом сопла внешнего расширения по срав- нению с применяющимся соплами Лаваля. В настоящее время известны следующие схемы сопел с центральным телом (рис. 1) [5]. Сопла для сравнения показаны вместе с каме- рой сгорания с соблюдением относительных размеров. Горохов Виктор Дмитриевич – ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел.(4732) 63-36-73 Кольцевые сопла позволяют увеличить площадь выходного сечения сопла и разместить часть агрегатов в центральной части, что при- водит к уменьшению линейных размеров дви- гателя. Рис. 1. Типы сопел ЖРД а - коническое сопло Лаваля; б - профилиро- ванное сопло Лаваля; в - штыревое; г - штыре- вое аэродинамическое, д - тарельчатое, е - та- рельчатое с обратным потоком, ж - тарельчатое с горизонтальным потоком В связи с этим большой интерес вызыва- ют ЖРД с соплом внешнего расширения, в ча- стности, выполненные по схеме 1в или 1г. (рис. 2). В этом случае сопло внешнего расширения представляет собой профилированное тело, су- жающееся по направлению газового потока, похожее на конический или призмообразный сосуд с дном. Камера сгорания на рисунке име- ет вид кольца, охватывающего сопло. Внутри сопла располагаются все другие элементы кон- струкции ЖРД, включая турбонасосный агре- гат, что позволяет значительно уменьшить ли- нейные габариты двигателя. Другим преимуществом сопел внешнего расширения являются их существенно меньшие габариты (они короче обычных сопел в 3-4 раза), что объясняется их газодинамическими характеристиками. Применение сопел внешнего расширения позволяет значительно увеличить удельный импульс и уменьшить габариты ЖРД, не прибегая к увеличению давления в камере свыше 100 атм. К настоящему времени испыта- ны экспериментальные образцы ЖРД с соплом Использование кольцевой камеры с та- рельчатым соплом для такого двигателя позво- лило обеспечить следующие преимущества по сравнению с камерой с традиционным соплом Лаваля (рис.4): - более высокое значение удельного им- пульса тяги при одинаковой длине двигателя; - меньшую массу при одинаковых значе- ниях удельного импульса тяги; - исключение необходимости специальных стендовых устройств (барокамеры и ГДТ) при проведении огневых испытаний в земных усло- виях [1]. Двигатель (рис. 5, 6) представляет собой сварно-паяную конструкцию, состоящую из тарельчатого сопла 1, кольцевой цилиндриче- ской камеры сгорания 2, расположенной осе- симметрично внутри сопла. Основные парамет- ры двигателя приведены в табл. 1. Рис. 5. Камера ЖРД с кольцевым критическим сечением и тарельчатым соплом 1-тарельчатое сопло, 2-кольцевая камера сгора- ния, 3-охлаждаемый цилиндр, 4-смесительная головка,5 –критическое сечение Рис. 6. Камера ЖРД с кольцевым критическим сечением и тарельчатым соплом (макет) Основные параметры кислородно- водородного двигателя Тяга в пустоте, тс (кН) 4 (39,24) Удельный импульс тяги в пустоте, кгс·с/кг (м/с) 476 (4670) Давление в камере, кгс/см² (МПа) 70 (6,86) Компоненты топлива: окислитель горючее жидкий кислород жидкий водород Масса двигателя, кг 240 Габариты двигателя, мм: высота диаметр среза сопла 1600 1580 Внутри камеры сгорания осесимметрично установлен профилированный охлаждаемый цилиндр 3, один конец которого соединен со смесительной головкой 4, другой - с тарельча- тым соплом 1. Тарельчатое сопло 1, профили- рованная наружная стенка цилиндра 3 и стенка кольцевой камеры сгорания образуют кольце- вое критическое сечение 5. Внутри охлаждае- мого цилиндра 3 установлены трубопроводы подачи компонентов в кольцевую смеситель- ную головку 4. Тарельчатое сопло 1 состоит из регенера- тивно охлаждаемой части и неохлаждаемого насадка из КМ, соединенных между собой при помощи фланцевого соединения. Система охлаждения двигателя содержит два независимых контура - контур охлаждения цилиндра и контур охлаждения сопла. При ра- боте двигателя компоненты топлива подаются через форсунки смесительной головки 4 в ка- меру сгорания 2, реагируют друг с другом в камере сгорания и далее поступают к критиче- скому сечению 5. После выхода из критическо- го сечения поток компонентов разворачивается в обратную сторону и подается к срезу сопла. По этим обстоятельствам был рассмотрен вари- ант нетрадиционного кольцевого тарельчатого сопла. При определении параметров камеры с кольцевым тарельчатым соплом использова- лись расчетные и экспериментальные материа- лы ИЦ им. Келдыша [1], [2], а также экспери- ментальные данные ЦНИИМАШ [3] по иссле- дованию характеристик камеры ЖРД с кольце- вым тарельчатым соплом при огневых испыта- ниях модельной камеры. По данным ИЦ им. Келдыша [2], при одинаковых значениях гео- Рис. 10. «Революционный» линейный ЖРД «Аэроспайк» «Революционный» линейный ЖРД “Аэ- роспайк”, созданный в результате работ по про- грамме NASP, проведенных в США, показан на рис. 10. Таким образом, проведенный анализ имеющейся научно-технической и патентной литературы показал, что до настоящего време- ни нет созданного и эксплуатируемого ЖРД с соплом внешнего расширения, а основной про- блемой в создании камеры с кольцевым крити- ческим сечением сечения являются трудности организации камеры двигателя с таким соплом из-за сильно развитого периметра критического сечения и сложности подвода охладителя. Необходимо отметить, что трудности ох- лаждения несколько уменьшаются при исполь- зовании тарельчатого сопла. Также недостаточно полно исследованы и определены такие параметры камеры ЖРД с кольцевым критическим сечением, как обес- печение стабильности его размеров при работе двигателя, его прочность и устойчивость, охла- ждение камеры и тарельчатого сопла и др. Несмотря на вышеперечисленные про- блемы, необходимо отметить, что технические решения по созданию камер с соплами внешне- го расширения открывают большие возможно- сти по разработке двигателей с саморегулируе- мыми кольцевыми соплами. Появляется воз- можность плавного регулирования тяги двига- теля и степени расширения сопла по траекто- рии полета, что существенно улучшает их энер- гетические характеристики, однако практиче- ское использование такого способа в ракетном двигателестроении до настоящего времени сдерживается сложностью обеспечения работо- способности центрального тела, элементов ка- меры, образующих кольцевое критическое се- чение и отсутствием экспериментальных дан- ных по эффективности его применения. Применение кольцевых камер в перспек- тивных двигателях с большой степенью расши- рения сверхзвукового сопла (вторые и третьи ступени, разгонные и орбитальные блоки) по- зволит существенно уменьшить длину двигате- лей и на 30 – 40% снизить их массу при макси- мальных значениях удельного импульса и су- щественно упростить проведение огневых ис- пытаний за счет исключения использования барокамеры и ГТД. Литература 1 Братухин Н.А., Горохов В.Д., Лобов С.Д., Ми- гдаль С.М., Орлов В.А., Черниченко В.В. Газодинамиче- ское испытательное устройство. Патент РФ № 2239085, ОАО КБХА, Воронеж, 2004. 2 Горохов В.Д., Лобов С.Д., Орлов В.А., Черничен- ко В.В. Камера жидкостного ракетного двигателя. Патент РФ № 2151318, ОАО КБХА, Воронеж, 2001. 3 Добровольский М.В. Жидкостные ракетные дви- гатели. Основы проектирования. Учебник для вузов. М., Машиностроение, 1968, 396с. 4 Космонавтика. Энциклопедия. Под ред. Глушко В.П. М.: Сов. энциклопедия, 1985.-528 с., ил., 29 л.илл. 5 Левин В.Я. Испытания жидкостных ракетных двигателей. Учеб. пособие для авиац. специальностей вузов, И:, Машиностроение, 1981, 280 с. 6 Рачук В.С. КБХА нацелено на разработку двига- телей ХХI века. Журнал «Вестник авиации и космонавти- ки», 01, 2002, стр. 56 7 Aviation stock in demand. — Interavia Air Lett., 1958, N 4054, p. 1. 8 Fluorine rocket. — Aeroplane and Astronaut., 1960, N 2555, p. 508. 9 Interavia Air Lett., 1960, N 4587, p. 6. 10 .McGuire F.G. STL/Bell Draco could fill pre-Saturn booster gap. - Missiles and Rockets, 1961, 9, N 14, p. 24–25. 11 Low mixture ratio fluorine/hydrogen propulsion system investigation. - AIAA Bull., 1965, 2, N 5, p. 211. Воронежский государственный технический университет RESEARCH OF THE POSSIBILITY OF THE CREATION LRE’CAMERA WITH RECIRCULATING CRITICAL SECTION, LOCATED IN SUPERSONIC NOZZLE V.D. Gorohov The broughted synopsis design LRE with recirculating critical section on material russian and foreign publishing. Ad- vantage and defect LRE with recirculating critical section to LRE with Lavalya nozzle are shown Key words: Liquid rocket engine, recirculating critical section, supersonic nozzle |
Рис. 2. Камера ЖРД с соплом Лаваля и камера
ЖРД с тарельчатым соплом одинаковой тяги
1 - турбонасосный агрегат, 2 - вспомогательные баки
На рис. 3 представлена камера ЖРД с та- рельчатым соплом, выполненным по схеме 1ж
[3]. В данном тарельчатом сопле кольцевое критическое сечение располагается ближе к оси сопла, что позволяет уменьшить размеры каме- ры сгорания. Продукты сгорания вытекают из критического сечения, расходясь в направлении от оси.
Рис. 3. Камера ЖРД с тарельчатым соплом с горизонтальным потоком
Смесительная головка выполнена в виде цилиндра с цилиндрической огневой поверхно- стью, внутри которого проходят трубопроводы подачи компонентов в смесительную головку.
Камера сгорания представляет собой кольцо, расположенное перпендикулярно к продольной оси камеры и имеющее профилированное попе- речное сечение. Боковые поверхности камеры сгорания образованы круговыми плоскими стенками разного диаметра с профилированны- ми периферийными участками.
Центральная часть боковых поверхностей соединена между собой цилиндрическим огне- вым днищем, а периферийная образует кольце- вое критическое сечение. Компоненты подают- ся в цилиндрическую смесительную головку и перемешиваются на выходе из форсунок. Про- дукты сгорания по радиальным лучам, перпен- дикулярным к оси камеры, подаются в критиче- ское сечение, где изменяют направление дви- жения и поступают в сопло.
Основными недостатками данной кольце- вой камеры являются значительные диамет- ральные размеры, связанные с тем, что компо- ненты и, соответственно, продукты сгорания на выходе из смесительной головки движутся не вдоль оси камеры, а перпендикулярно к ней, изменяя направление своего движения в крити- ческом сечении. Это вызывает уменьшение времени пребывания продуктов сгорания в ка- мере сгорания и не позволяет обеспечить необ- ходимое значение удельного импульса тяги.
Кроме этого, плоская профилированная по- верхность не позволяет обеспечить достаточно большие давления внутри камеры сгорания из- за возможной потери прочности и устойчивости оболочек тракта охлаждения.
В ОАО «КБ Химавтоматики» (ОАО
КБХА) создан кислородно-водородный ЖРД
(рис.4), выполненный по безгенераторной схе- ме, для разгонных блоков и межорбитальных буксиров [2].
Рис. 4. Камера ЖРД с соплом Лаваля (слева) и камера ЖРД с тарельчатым соплом
В двигателе используется камера принци- пиально новой конструктивной и газодинами- ческой схемы, а именно: кольцевая цилиндри- ческая камера сгорания размещена внутри со- пла, что позволило значительно сократить ли- нейные размеры. Продукты сгорания поступа- ют от смесительной головки к щелевому кри- тическому сечению, разворачиваются в нем на
180 0
, и подаются в тарельчатое сверхзвуковое сопло.
Одной из отличительных особенностей данного двигателя является выполнение та- рельчатого сопла из углерод-углеродного ком- позиционного материала (УУКМ).
F
ис- пользование кольцевого тарельчатого сопла вместо круглого сопла сокращает его длину
40%. Данное преимущество следует из особен- ности профилирования сопел. Так, при профи- лировании круглого сопла Лаваля на начальном участке разгон газового потока осуществляется при его развороте за критическим сечением как бы около «двух угловых точек».
В кольцевом тарельчатом сопле на на- чальном участке разгон газового потока осуще- ствляется при его развороте за критическим сечением, которое представляет кольцевой ка- нал, около одной угловой точки. В этом случае, согласно газодинамическим расчетам, угол раз- ворота газового потока может быть более 90
°
и контур такого сопла на начальном участке яв- ляется более выпуклым по сравнению с конту- ром круглого сопла. Наличие тарельчатой части сопла при угле разворота газового потока на угол более 90
°
позволяет разместить в ней по направлению оси сопла входную часть сопла и собственно камеру сгорания. В этом случае суммарный угол разворота газового потока от зоны горения компонентов топлива у смеси- тельной головки до выходного сечения состав- ляет
∼
170
°
. Подобное расположение собствен- но камеры сгорания, как показали результаты конструкторских проработок, позволили при длине камеры L
к
=1900 мм иметь длину сверх- звуковой части сопла L
с
=1840 мм.
В 1998 г. на стендовой базе КБХА прове- ден первый этап огневых стендовых испытаний новой камеры (рис.7).
Рис. 7. Огневые испытания камеры ЖРД с кольцевым критическим сечением и тарельча- тым соплом
Программа испытаний состояла из 5 пус- ков, длительностью 20 – 30 сек каждый. Давле- ние в камере сгорания изменялось в диапазоне от 35 до 73 кг/см
2
при соотношении компонен- тов топлива k m
=4,0
÷
6,4.
Испытания проводились на стендовом ва- рианте камеры. Стендовая камера отличалась от объектовой укороченным сверхзвуковым соплом - отсутствовала неохлаждаемая часть сопла, выполненная из УУКМ. Диаметр среза укороченного сопла составлял 600 мм. При этом расчетное давление продуктов сгорания на срезе в вакууме равнялось 0,03 кг/см
2
Огневые испытания стендового варианта натурной кольцевой камеры подтвердили рабо- тоспособность и перспективность этого на- правления отечественного двигателестроения.
Одним из основных достижений, получен- ных при отработке принципиально новой каме- ры, явилось подтверждение безотрывного те- чения продуктов сгорания в сопле данной кон- струкции.
При расчетном давлении продуктов сгора- ния в выходном сечении сопла 0,03 кгс/см
2
от- рыва потока в земных условиях не происходи- ло. При этом уровень вибрации сопла имел ми- нимальное значение. Объектовый подогрев во- дорода в тракте охлаждения обеспечивался в земных условиях без газодинамической трубы и барокамеры. Последнее обстоятельство дает возможность испытывать высотный двигатель на номинальном режиме работы на земле [1].
При работе двигателя с кольцевым крити- ческим сечением в земных условиях, при нали- чии атмосферы, продукты сгорания топлива после кольцевого критического сечения исте- кают по поверхности сопла. При этом внутрь кольцевой струи продуктов сгорания попадает окружающий камеру воздух с давлением окру- жающей среды Р
н
≅1 кгс/см
2
, который и прижи- мает, а не отрывает, продукты сгорания компо- нентов топлива к поверхности сопла и испы- туемых элементов конструкции изнутри по всей линии профиля.
Таким образом, на испытуемый элемент конструкции изнутри действуют продукты сго- рания с давлением Р
пс
, а снаружи – атмосфер- ный воздух с давлением окружающей среды Р
н
, причем Р
пс
< Р
н
, что позволяет имитировать на- турные условия работы элементов конструкции по силовому нагружению и тепловым потокам.
Конструкция двигателя защищена патен- том РФ на изобретение [2].
Аналогичные работы по созданию камер
ЖРД с соплами внешнего расширения прово- дятся и за рубежом.
Одной из основных особенностей проекта
LASRE фирмы Rocketdyne (теперь - Boeing
North American - Rocketdyne) является исполь- зуемый линейный ЖРД с внешним расширени- ем (Linear aerospike rocket engines).
Название происходит от английского
Aerospike, (сокр. от Aerodynamic spike- аэро-
В ЖРД «Аэроспайк» камера сгорания с горловиной сопла образованы набором одина- ковых секций, соединённых с общим выходным участком сопла и питаемых от одного ТНА. Та- кая секционная камера технологична и удобна в отработке. Исследуются ЖРД типа «Аэро- спайк» с кольцевой (тороидальной) камерой сгорания и с линейной.
Рис. 8. Схема ЖРД «Аэроспайк»: 1,8- турбина;
2-газогенератор; 3,6- насосы; 4- трубопровод горючего (жидкий водород); 5 – трубопровод окислителя (жидкий кислород); 7- камера сго- рания с участком сопла; 9- выходной участок сопла; 10 - перфорированное днище
Рис. 9. Экспериментальный «линейный» ЖРД
(тяга 1150 кН, высота 2,4 м):1-силовая рама;
2- турбонасосный агрегат жидкого кислорода;
3- турбонасосный агрегат жидкого водорода;
4 - камера сгорания с горловиной сопла (по 10 с каждой стороны); 5 - выходной участок сопла;
6 - днище
Тягу линейного ЖРД можно варьировать, изменяя число секций в камере; установкой в ряд нескольких линейных ЖРД (модулей) по- лучают РД необходимой тяги. Такой ЖРД «Аэ- роспайк» хорошо сочетается с космическим аппаратом(КА), корпус которого рассчитан на создание подъёмной силы. ЖРД «Аэроспайк» рассматривают как двигатели будущих пер- спективных КА, например, одноступенчатых аппаратов многократного применения. На стен- дах испытано несколько экспериментальных
ЖРД «Аэроспайк» с использованием кислород- но-водородного топлива: во 2-й пол. 60-х гг.- кольцевые ЖРД «Аэроспайк» тягой до 1,1 МН, в 1-й пол. 70-хгг.– кольцевой «Аэроспайк» тя- гой 1 1 1 кН и линейный тягой 1,15МН. Полу- чен удельный импульс тяги ЖРД 4460–4630 м/с при давлении в камере 7-8 МПа.
Rocketdyne предложил такой ЖРД для использования на космическом корабле «Space
Shuttle», но двигатель был отвергнут, так как технология была признана в то время слишком незрелой.
С тех пор Rocketdyne выполнил 73 лабо- раторных и наземных испытательных запусков, во время которых двигатель проработал более чем 4000 сек. Rocketdyne потратил более чем $
500 миллионов за эти годы для проверки и улучшения технологии ЖРД.
В то время как сопло обычного ЖРД оп- тимизировано для определенного режима рабо- ты и не может одинаково эффективно работать в широком диапазоне высот и давлений - от старта до выхода на орбиту, новый двигатель использует атмосферу, как часть сопла и поток воздуха сам оптимизирует факел.
Линейный ЖРД позволяет осуществлять управление вектором тяги в одной плоскости
(по тангажу) без отклонения его оси путем соз- дания разности тяги верхней и нижней половин
(до +/-15%).
Это позволяет отказаться от его подвиж- ной подвески. К тому же линейный ЖРД на 75
% меньше обычного с аналогичной тягой, что еще более снижает массу двигателя, корабля и топлива, уменьшая стоимость вывода полезной нагрузки.
В 1997 г. началась серия испытаний ли- нейного двигателя в полете со скоростью от 0,8 до 3М на высотах от 6 до 24 км.
На летающей лаборатории NASA SR-71
#844 (17980/ #2031) был установлен контейнер
Linear Aerospike SR-71 Experiment (LASRE).
Контейнер длиной 12,3 м представляет собой модель X-33 в масштабе 1:10 с 8 секциями дви- гателя, газообразным водородом, гелием (для "холодного" запуска) и измерительным обору- дованием общим весом 5,8 т (14,300 фунтов).
Имеющегося топлива хватает для 2-3 с работы двигателя с тягой до 2800 кг. Общая стоимость программы LASRE - приблизительно $ 20 мил- лионов.