§ 2. Ноправления в развитии ЖРД |
19 |
температурные напряжения, которые значительно |
снижают |
запас ее прочности ввиду трудности надлежащего охлаждения такой толстой оболочки, имеющей небольшой коэффициент
теплопроводности (материалы, обладающие повышенным коэффи циентом теплопроводности, часто имеют относительно небольшую прочность).
В ряде случаев это явление еще усложняется упругой неустой чивостью оболочки вследствие большого давления на нее охлаж
дающей жидкости и силы тяги со стороны сопла. Кроме того, двига
тели большой тяги имеют сопло больших размеров, вес которого
составляет основную часть камеры двигателя. Применение же блоч
ной конструкции двигателя встречает большие трудности в осуще ствлении синхронизации и регулирования работы блока.
Параллельно с развитием кислородных двигателей больших тяг
для СДД в ряде стран ведутся работы по созданию для этих целей азотнокислотных двигателей (ЖРД «Эрликон» 54).
В процессе развития мощных жидкостных ракетных двигателей возникла проблема их регулирования, в первую очередь:
1)поддержание постоянства тяги и давления в камере сгорания либо изменение их в соответствии с заданной программой;
2)поддержание заданного соотношения компонентов топлива,
т. е. весового отношения окислителя к горючему;
3)поддержание динамической устойчивости системы подачи топлива и процесса сгорания топлива в камере двигателя;
4) программирование изменения давления в камере сгорания и соотношения компонентов топлива в процессе стендовых испыта ний двигателя;
5) компенсация периодических либо постоянных ошибок, связан
ных с производственными отклонениями в двигателе.
Регулирование соотношения компонентов топлива в процессе работы двигателя необходимо для поддержания оптимальной удель ной тяги, что увеличивает продолжительность работы двигателя
и снижает конечную массу снаряда, увеличивая дальность его по лета.
Величина тяги в баллистических снарядах должна изменяться по заданной программе, обусловленной величиной допустимых уско рений, либо поддерживаться постоянной. Второй случай приемлем только при отсутствии аэродинамического сопротивления и поэтому может применяться в последних ступенях многоступенчатых сна рядов. В остальных случаях для достижения максимальной конеч ной скорости требуется оптимальное программирование величины тяги. Это также относится и к крылатым снарядам.
Одной из важных проблем, даже при использовании систем автоматического регулирования, является обеспечение в камере динамической устойчивости процесса сгорания топлива, на который, помимо формы камеры сгорания и ее головки, а также химических и физических свойств применяемых компонентов топлива, сущест
2*
20 Гл. 1. Введение
венное влияние оказывают время задержки и нелинейность процес
са сгорания, жесткость конструкции, включая топливные баки и магистрали, сжимаемость компонентов топлива и аэродинами ческие силы. Несмотря на наличие ряда работ, посвященных теоре
тическому исследованию этой проблемы, в настоящее время борьба с высоко- и низкочастотными колебаниями давления газов в камере
сгорания двигателя ведется пока эмпирическими методами.
В связи с созданием в последние годы космических и сверхдаль них снарядов, а также снарядов для запуска крупных спутников Земли потребовались ЖРД с тягой в сотни тонн *. В дальнейшем в двигателях больших тяг, видимо, будет использована ядерная энергия.
1 Interavia, No. 4038. 1958.
Глава 2
ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖРД
Основным элементом жидкостных ракетных дальнобойных, зенит ных и другого назначения снарядов является их двигатель—ЖРД- Дальность полета снарядов при прочих равных условиях в большой мере зависит от совершенства конструкции двигателя, вида приме
няемых компонентов топлива для него, а также от его конструктив ных и эксплуатационных характеристик.
Для оценки эксплуатационных качеств существующих типов ЖРД и выбора двигателя согласно тактико-техническим условиям
сначала нужно ознакомиться с некоторыми понятиями, определе ниями, основными данными и характеристиками ЖРД.
В этой главе изложена классификация существующих ЖРД и приведены их общие характеристики, позволяющие выяснить их достоинства и недостатки, сравнить их качества и установить целе сообразные области применения того или иного типа двигателя. Помещены таблицы численных значений основных параметров и краткие данные о конструктивных особенностях существующих ЖРД. Приведен также анализ основных факторов, влияющих на
дальность полета, и требования к двигателям боевых аппаратов.
Одновременнорассмотрены и другие вопросы, относящиеся к тео рии и основам проектирования ЖРД.
§ 1. Основные конструктивные элементы ЖРД
Реактивным двигателем называется тепловой двигатель, соз дающий тягу за счет результирующей газодинамических сил, дей ствующих на камеру двигателя при сгорании в ней топлива и исте чении образующихся продуктов сгорания через сопло в окружаю щую среду.
Жидкостным ракетным двигателем называется реактивный дви гатель, использующий для своей работы жидкое топливо.
Основными конструктивными элементами ЖРД в общем случае являются следующие.
1. Камера двигателя, в которой осуществляется сжигание топли ва и преобразование тепловой энергии газов в кинетическую энер гию вытекающей струи, в результате чего создается тяга.
22 |
Гл. 2. Общие характеристики ЖРД |
Камера двигателя состоит из головки, камеры сгорания и сопла. Головка камеры двигателя служит для распыла в заданном весовом
соотношении компонентов топлива, подаваемых в камеру сго рания.
Вкамере сгорания двигателя происходит непосредственно сме
шение, подогрев, испарение и сгорание топлива.
Всопле камеры двигателя происходит преобразование тепло вой энергии продуктов сгорания топлива в кинетическую энергию истечения их в окружающую среду. Эти процессы оказывают огром ное влияние на экономичность работы и тяговые характеристики
двигателя.
Процессы в камере сгорания и в сопле двигателя тесно связаны между собой. От степени завершенности процесса в камере сгорания зависит доля химической энергии, которая может выделиться в соп ле в результате догорания топлива и рекомбинации молекул газов.
2. Система топливоподачи двигателя, обычно состоящая из
одного, двух или нескольких топливных баков, механизма принуди тельной подачи компонентов топлива в камеру двигателя, источни ка энергии для приведения в действие этого механизма, коммуни каций и арматуры (трубопроводы, вентили, клапаны, расходные шайбы и т. п.), обеспечивающих в совокупности нормальный запуск,
рабочий режим и остановку двигателя.
В некоторых случаях топливные баки в число элементов двига теля не включаются, а входят в состав летательного аппарата.
Двигатель может иметь такие системы топливоподачи и управ
ления, при которых можно запустить его в работу и остановить
вслучае необходимости.
3.Система зажигания двигателя, представляющая собой при способление для зажигания топлива при запуске ЖРД.
В некоторых типах ЖРД система зажигания конструктивно не связана с камерой двигателя и даже иногда совсем отсутствует, если используются самовоспламеняющиеся компоненты топлива.
4.Силовая рама двигателя или другие средства для крепления агрегатов двигателя между собой и передачи силы тяги к боевому аппарату.
Питание агрегатов двигателя сжатым газом бывает автономным
ибортовым. Для автономного питания иногда используется воздуш
ный баллон с блоком редукторов, трубопроводами, арматурой и клапанами, необходимыми для создания напора в топливных ба ках и других целей.
Жесткие требования, предъявляемые к двигателю в связи с боль шой концентрацией энергии в применяемых топливах, сложность протекания в нем физико-химических процессов, а также требова ния техники безопасности во время работы привели к тому, что
современные ЖРД в конструктивном отношении во многих случаях
являются весьма сложными силовыми установками со значительно развитой автоматикой управления.
£ 2. Классификация существующих ЖРД |
23 |
Стремление предельно автоматизировать работу двигателя объясняется основной особенностью ЖРД. В этих двигателях за короткое время надо проделать все операции, необходимые для надежного зажигания топлива, увеличения его подачи в камеру сго рания до номинального значения, поддержания этого расхода по
стоянным или его изменения в соответствии с программой работы двигателя, и, наконец, в нужный момент остановить двигатель.
Нельзя забывать, что топливо, поданное в камеру сгорания,
представляет собой взрывчатую горючую смесь. Учитывая большие секундные расходы топлива в двигателе, можно ясно представить себе, что малейшее нарушение правильности работы системы подачи или запаздывание момента воспламенения топлива может привести к накоплению его в камере сгорания и, следовательно, к внезапно му воспламенению с резким повышением давления в камере сгора ния до большой величины и даже вследствие этого к взрыву двига теля. То же самое может произойти и при случайном перерыве горения топлива или при повторной подаче его в горячую камеру сгорания после остановки двигателя. Воспламенение топлива в этом случае от накаленной поверхности камеры также может вызвать
взрыв двигателя.
Из сказанного ясно, что система топливоподачи должна рабо
тать очень четко. Практически это достигается автоматизацией
и блокировкой системы топливоподачи двигателя. Под автоблоки ровкой понимается создание таких условий, когда последующая операция, совершаемая в системе подачи двигателя, не будет вы полнена до тех пор, пока не осуществится предыдущая операция.
Автоматизация системы топливоподачи в современных ЖРД доводится до такого совершенства, что все операции по запуску, выводу двигателя на заданный режим и остановке его производятся только после подачи на двигатель одной команды.
Столь высокая степень автоматизации ЖРД нужна также и по
тому, что он большей частью устанавливается на беспилотных лета тельных аппаратах.
Назначение снаряда определяет тип двигателя, его тягу и про
должительность работы, что в свою очередь оказывает влияние на размеры камеры, емкость топливных баков и на выбор рода компо нентов топлива.
§ 2. Классификация существующих ЖРД
Существующие жидкостные ракетные двигатели по своим кон структивным схемам, рабочим характеристикам и другим призна кам весьма разнообразны. Это объясняется:
1)большим разнообразием применяемых в них топлив;
2)назначением того или иного типа двигателя, что определяет величину его тяги, программу и продолжительность работы;