Материал: Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

506 Гл. 10. Проектирование и расчет систем топливоподачи ЖРД

Удельный вес вытеснительной системы топливоподачи с газо­ вым аккумулятором давления равен:

1) при отсутствии специального подогрева газа в системе

Фиг. 10. 12. Удельный вес вытеснительной системы топливоподачи при раз­ личных источниках энергии в зависимости от прочностных свойств баков,

давления подачи и других факторов.

1—ВАД-1; 2—ЖАД при /?кГк=10 ООО кгм/кг; 3—ЖАД при /?КГК=25 ООО кгм/кг и ВАД-2

при подогреве воздуха до 325’С; 4—ЖАД при /?кГк=50 ООО кгм/кг; 5—ПАД при /?КГК=

=75 000 кгм/кг; 6—одни топливные баки.

2) при наличии специального подогрева газа в системе

сти топливных баков вследствие нагревания учитывается увеличе­ нием запаса прочности с 2,5 до 3) и других данных.

Вытеснительная система топливоподачи с ВАД проста и на­ дежна в работе, благодаря чему она получила применение как в ЖРД, так и в стендовых экспериментальных установках.

Большим недостатком вытеснительной системы топливоподачи с ВАД являются тяжелые топливные баки и газовый баллон. Так, например, для подачи из баков в камеру двигателя 1 м3 топлива при давлении в баках 35—45 кг/см2 требуется около 50 кг сжатого воздуха при 300 ата. Для размещения этого воздуха на снаряде требуется баллон емкостью 150 л. Такой баллон шаровой формы, изготовленный из стали, имеет вес около 150 кг при диаметре

680 мм.

Поэтому вполне естественно стремление конструкторов исполь­ зовать в качестве рабочего тела для аккумулятора давления твер­ дые или жидкие вещества, имеющие относительно большой удель­ ный вес и высокую температуру продуктов сгорания. Одной из схем получения газа высокой температуры из конденсированного твердого вещества является топливоподача с пороховым аккумуля­ тором давления.

§ 4. Расчет порохового аккумулятора давления системы

топливоподачи двигателя

Пороховой аккумулятор давления (ПАД) представляет собой

агрегат, вырабатывающий горячий газ в виде продуктов сгорания

пороха в специальной камере, необходимый для вытеснения ком­ понентов топлива из баков в камеру сгорания двигателя.

По величине давления пороховых газов в камере ПАД делятся на докритические без сопла и сверхкритические с соплом для сни­

жения давления газов до давления подачи в баках. В сверхкри­ тическом ПАД давление достигает 200—250 ата.

В ЖРД обычно применяют докритические ПАД, как имеющие

относительно лучшую весовую характеристику и вырабатывающие

газ с меньшей температурой. Давление газов в камере этого ПАД

почти равно давлению подачи в баках и поддерживается постоян­

ным в системе при помощи клапана сброса давления.

Для ПАД применяют обычно бездымные пороха в виде брони­ рованных шашек, с постоянной поверхностью горения с одного или с двух торцов. Исподьзуемые для ПАД пороха должны гореть

устойчиво при низких температурах и небольших давлениях. Бро­ нированные шашки помещают в толстостенной камере, из которой пороховые газы через сопло поступают в топливные баки. Для вос­ пламенения основного порохового заряда при запуске двигателя обычно применяют специальный воспламенитель из мелкого дым­ ного пороха марки ДРП, зажигаемый пиропатроном с электроза­ палом.

508 Гл. 10. Проектирование и расчет систем, топливоподачи ЖРД

Для уменьшения веса пускового порохового заряда по торцовой поверхности горения основного порохового заряда можно делать специальные проточки или зазубрины. Это увеличивает поверх­ ность горения пороха основного заряда в период выхода двигателя на режим и, следовательно, количество образующихся пороховых газов в единицу времени. За счет этого пусковой пороховой заряд можно уменьшить на 40—60%, а вес камеры для него — на 15—

30% • При этом длина основного порохового заряда незначительно увеличивается без изменения габаритов основной камеры ПАД.

В каждом топливном баке на входе пороховых газов устанав­ ливают специальный отражатель (экран), чтобы струя горячего газа не попадала (не била) на поверхность жидкости в баке, не разбрызгивала ее в первое время работы системы и незначитель­ но охлаждалась. При отсутствии экрана объем горячего газа, по­

ступающего в бак, будет значительно уменьшаться, вследствие чего потребуется большое количество его для вытеснения из баков в камеру сгорания заданных количеств компонентов топлива. При

в его конструктивной компактности и меньшем удельном весе бла­ годаря относительно малому объему потребного количества по­

роха.

Недостатком ПАД является то, что большинство порохов горит устойчиво только при достаточно высоком давлении в камере (больше 40—50 ата), причем скорость горения, а значит, и скорость газообразования значительно зависят от температуры начала го­ рения, т. е. от внешних атмосферных условий. Кроме того, тепло­ вые потери пороховых газов в топливных баках, а следовательно, и температура газов меняются по времени и зависят от колебаний поверхности компонентов во время полета снаряда.

В результате отдачи тепла в окружающую среду через стенки

Для предохранения верхних стенок топливных баков от воздей­ ствия пороховых газов высокой температуры можно применить их

экранирование в виде металлической тонкостенной трубы подобно экранировке камеры сгорания английского стартового ускорителя «Супер-Спрайт». Наиболее теплонапряженными являются верхние части баков со стороны подачи горячих газов. В баке окислителя

температура обычно выше, чем в баке горючего, вследствие дого­

рания в нем пороховых газов (Н, СО и др.).

Всвязи с невозможностью точно учесть тепловые потери газа

вокружающую среду расчет системы топливоподачи с ПАД прак­ тически возможен только приближенно.

Иногда удобно каждый из последовательно расположенных

топливных баков снабдить отдельным пороховым аккумулятором

давления.

Применение внутрибаковых аккумуляторов давления обуслов­ ливается стремлением уменьшить их вес и тепловые потери от по­ роховых газов в окружающую среду, а также решить проблему

охлаждения аккумулятора при значительной продолжительности

работы двигателя. Однако в случаях применения агрессивных ком­

понентов топлива внутрибаковый пороховой аккумулятор давления приходится изготовлять из кислотоупорных, а следовательно, бо­ лее дорогих сталей. К тому же монтаж аккумулятора внутри бака относительно сложнее.

При времени работы двигателя больше 30—40 сек. камеру сго­ рания ПАД необходимо охлаждать одним из тех компонентов

топлива, который не используется для охлаждения камеры двига­ теля. Небольшое снижение при этом давления компонента в охлаж­ дающем тракте аккумулятора не имеет существенного значения, так как его давление приходится часто снижать соответственно давлению того компонента, которым охлаждается камера двигате­ ля, установкой в его магистрали дроссельной шайбы. Отводимое тепло от пороховой камеры сгорания аккумулятора охлаждающим

компонентом топлива (нагрев последнего) необходимо учитывать при термодинамическом расчете двигателя и расчете распылитель­

ной головки камеры сгорания.

К системе подачи с ПАД любой схемы предъявляются следую­ щие особые требования:

1)конструктивная простота и малый удельный вес;

2)удобство охлаждения камеры ПАД одним из компонентов топлива;

3)простое и надежное включение ПАД в работу;

4)возможно малая длина газопроводов;

5)совпадение (или небольшое смещение) центра тяжести си­ стемы подачи с центром давления снаряда в полете;

6)равномерное вытеснение компонентов топлива из баков даже при возможных вибрациях, перегрузках в полете и колебаниях температуры окружающей среды.

Система топливоподачи с ПАД в общем случае может состоять

из следующих главных элементов (см. фиг. 16. 2):

1)основной камеры ПАД, в которой располагается и сгорает

основной пороховой заряд;

2)пусковой камеры с соплом, в которой располагается и сго­ рает пусковой пороховой заряд в момент запуска двигателя (слу­

жит для зажигания основного порохового заряда и быстрого за­