340 Гл. 7. Проектирование и расчет камер ЖРД
В зависимости от вида применяемых компонентов топлива, типа двигателя и условий его эксплуатации могут применяться различ ные системы зажигания.
Системы зажигания современных двигателей можно разделить по ряду основных признаков, как то:
1)'по назначению системы: а) однократного действия, приме няемой в двигателях с однократным запуском (снарядных, тор педных и т. п.); б) многократного действия, применяемой в двига телях с многократными запусками (авиационных, стендовых);
2) по месту установки зажигательного устройства на двига теле: а) с установкой зажигательного устройства на головке ка меры сгорания; б) с вводом зажигательного устройства внутрь ка
меры сгорания со стороны сопла (подобно двигателю А-4);
3) по способу зажигания пусковых или рабочих компонентов топлива: а) электрическое зажигание, т. е. при помощи электриче ских устройств — электросвечи, вольтовой дуги; б) пиротехниче ское зажигание, т. е. посредством одного или нескольких пиропат ронов, и в) химическое зажигание, т. е. при помощи самовоспламе няющихся компонентов топлива — пусковых или основных.
Зажигание посредством электросвечи конструктивно просто и при надлежащем его выполнении может обеспечить неограничен ное число запусков двигателя. Электросвеча обычно монтируется
вголовке камеры сгорания.
Кнедостаткам зажигания обычной электросвечой относятся:
а) сравнительно малая тепловая мощность электросвечи и, сле довательно, недостаточная надежность зажигания топлива при низ ких температурах окружающей среды;
б) потребность в источнике электроэнергии, который не всегда
легко разместить на боевом аппарате;
в) ограниченная работоспособность в кислотно-углеводороди-
стых средах ввиду шунтирования разрядного промежутка свечи электропроводной кислотой.
Зажигание обычной электросвечой применяется в двигателях небольших тяг и в малых экспериментальных камерах, служащих для стендовых испытаний.
Для зажигания топлива при запуске двигателя может быть ис
пользована искровая система зажигания большой мощности с при менением полупроводников. В этом случае искровая свеча состоит из двух концентрически расположенных электродов, изолирован ных друг от друга, торцы которых расположены в одной плоскости с изолятором, а поверхность последнего около электродов покрыта слоем полупроводника. Когда к электродам подведено напряже ние, в полупроводнике течет ток; так как полупроводник неодноро ден, то в том месте, где сопротивление проводника меньше, проте
кает ток большей силы. Этот участок проводника нагревается. В связи с этим сила тока в нем растет, вызывая дальнейшее увели чение его температуры. Такая аккумуляция тока создает участок
$ 15. Способы зажигания топлива при запуске двигателя |
341 |
электрической цепи в полупроводнике, температура которого до статочно велика для возникновения ионизации топливной смеси около электродов, и вследствие этого между электродами возникает
искровой заряд большой силы.
В зависимости от величины подведенного напряжения это яв ление может повторяться с периодом порядка 1 мксек. Если в си стеме напряжение составляет 2 кет, то в ней по сравнению с обыч ной высоковольтной системой зажигания уменьшаются потери на коронный и поверхностный разряды.
Пиротехническое зажигание в зависимости от конструкции и раз меров камеры двигателя монтируется в головке камеры сгорания (подобно электросвече) или внутри камеры сгорания, со стороны сопла на специальной державке. В последнем случае после воспла менения рабочих компонентов топлива зажигательное устройство выбрасывается струей газа из камеры наружу.
В двигателе А-4 зажигание топлива при запуске производили введением в камеру сгорания через сопло специальной вертушки с пиропатронами, расположенными тангенциально по окружности. При воспламенении пиропатронов вертушка начинала вращаться, и вся камера заполнялась мощным горящим факелом и газами вы сокой температуры; после этого в камеру сгорания поступало не большое количество топлива, которое воспламенялось, после чего
подача топлива увеличивалась.
Пиропатроны обычно воспламеняются при помощи электриче
ской нити накаливания, надежно срабатывают при |
температурах |
||||
окружающей среды ±60° С, |
горят достаточно равномерно в |
тече |
|||
ние нескольких секунд и |
дают |
факел горения |
с |
температурой |
|
около 2000—2500° С. Поэтому |
пиротехническое |
зажигание |
яв |
||
ляется достаточно надежным как на земле, так и на любой вы
соте.
В настоящее время пиротехническое |
зажигание применяется |
в двигателях разных тяг одноразового и |
многоразового действия |
с одноразовым запуском. |
|
Системы химического зажигания в ряде случаев могут успешно конкурировать с конструктивно простым и достаточно удобным в эксплуатации пиротехническим зажиганием благодаря их боль шой мощности и длительности работы. Этот способ зажигания мо жет применяться в двигателях разных тяг одноразового и много разового пуска.
Для химического зажигания несамовоспламеняющихся компо нентов топлива в систему топливоподачи двигателя включается спе циальная пусковая система, по которой при запуске в камеру сго рания сначала поступают самовоспламеняющиеся компоненты
топлива, а после образования в камере сгорания мощного горящего факела подаются основные компоненты. Такая схема запуска кон структивно проста и позволяет плавно и надежно переходить с пу сковых компонентов топлива на основные.
342 |
Гл. 7. Проектирование и расчет камер ЖРД |
Одноразовое химическое зажигание возможно также и со сторо ны сопла камеры, но при этом зажигательное устройство получает
ся конструктивно сложнее, чем при зажигании со стороны головки камеры сгорания, — через рабочие форсунки. В данном случае за жигательный факел направляется навстречу рабочим компонентам топлива, зажигание получается надежным без дополнительных пусковых устройств на самом двигателе.
Для химического зажигания несамовоспламеняющихся компо нентов топлива иногда целесообразно подобрать специальное пуско
вое горючее, самовоспламеняющееся с основным окислителем топ лива двигателя. Подбор такого горючего практически не представ
ляет особых затруднений. Это горючее должно самовоспламенять ся с задержкой не более 0,03 сек., оно должно быть высококало рийным, неядовитым и недорогим. В качестве зажигательных го рючих могут служить жидкость тонка-250 и другие жидкости.
Имеется большое число самовоспламеняющихся топлив различ ных составов. Они применяются в ЖРД в качестве пускового и основного топлива. Основными недостатками их являются низкая теплотворность, высокая стоимость и дефицитность.
Для получения равномерного и безударного воспламенения ра бочей смеси, поступающей в камеру сгорания, химическое зажи гание двигателя должно удовлетворять следующим дополнитель ным требованиям.
1. Зажигательное устройство должно давать факел, полностью заполняющий интенсивным пламенем весь объем камеры сгорания,
в который должны поступать рабочие компоненты топлива, без темных зон, по крайней мере в той части камеры, куда впрыски ваются рабочие компоненты.
Система зажигания не может рассматриваться вне связи с си
стемой смесеобразования, так как качественное смесеобразование может значительно облегчить требования, предъявляемые к систе ме зажигания двигателя. Допустимая задержка воспламенения пусковых компонентов топлива находится в тесной связи с качест
вом распыла; чем выше задержка воспламенения, тем совершеннее должно быть смесеобразование.
2. Пусковая горючая смесь должна иметь оптимальный состав не по величине удельной тяги, а по малой задержке ее воспламене ния, требующей небольшого количества тепла от источника зажи гания для достижения температуры, при которой может начаться интенсивное горение. Составы топливной смеси, близкие к стехиоме трическим, обычно обладают высокой теплотворностью и, следо
вательно, обеспечивают более быстрое установление теплового рав новесия стенок камеры и газов, чем смеси других составов.
Пусковые компоненты топлива необходимо выбирать с учетом того, что на пусковой режим двигателя оказывают существенное влияние задержка воспламенения пусковых компонентов и харак тер нарастания давления в камере сгорания. Чем меньше задержка