Жидкостный ракетный двигатель. Беседы о ракетных двигателях Эксплуатация ракетных двигателей

Классификация, схемы и типы ЖРД

Тема 2. ЖИДКОСТНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Лекция №3

Вопросы к семинару.

1. Понятие и признаки страховых правоотношений.

2. Отличие страховых правоотношений от смежных отношений.

3. Объект страхового правоотношения.

4. Страховой интерес в страховании.

5. Субъекты страхового правоотношения.

Разработал начальник кафедры гражданского права, доктор юридических наук, профессор М.В.Рыбкина

Не претендуя на полноту и всесторонний учет современных ЖРД, классификация наиболее распространенных типов двигателей представлена на рисунке (см. Рис. 2.12.).

В основу предложенной схемы положен принцип деления всех схемно-технических решений на две крупные группы, отличающихся принципами обеспечения подачи компонентов топлива в камеру сгорания ЖРД. Это двигатели с насосной системой подачи и двигатели с вытеснительной системой подачи компонентов.

В первую группу входят, в основном, маршевые двигатели ракет-носителей, межконтинентальных баллистических ракет, многоразовых космических систем. Применение второй группы ЖРД, как правило, ограничено двигательными установками космических аппаратов, крупногабаритных модулей пилотируемых орбитальных комплексов и транспортных кораблей, а также двигательными установками средств межорбитальной транспортировки.

Рис. 2.12. Общая классификация ЖРД

Важным классификационным признаком ЖРД является также способ утилизации рабочего тела (продуктов сгорания топлива), получаемого на выходе из турбонасосного агрегата двигателя. По этому критерию, все двигатели принципиально делятся на двигатели «открытой» схемы и двигатели «закрытой» схемы. В ЖРД «открытой» схемы, генераторный газ после срабатывания на турбине сбрасывается либо без дополнительного использования, либо утилизируется в дополнительных устройствах. В ЖРД «закрытой» схемы, совершивший на турбине генераторный газ поступает в камеру сгорания и дожигается, за счет дополнительно поступающего одного или двух поступающих в камеру сгорания компонентов.

В зависимости от типа газогенератора ЖРД могут быть классифицированы на двигатели с газогенераторами на основных или вспомогательных компонентах топлива, а также иметь безгенераторную схему, когда необходимое для привода ТНА рабочее тело получают путем газификации одного из компонентов топлива в охлаждающем тракте камеры.

Для повышения эффективности и коэффициента полезного действия турбонасосного агрегата иногда применяются схемы с раздельными ТНА по линии горючего и окислителя, а также схемы, в которых турбонасосный агрегат содержит в своем составе и бустерные (подкачивающие) насосы, необходимые для создания необходимого давления на входе в двигатель, особенно при его запуске.

В зависимости от типа газогенератора, ЖРД могут быть классифицированы на двигатели с газогенераторами на основных или вспомогательных компонентах топлива, а также иметь безгенераторную схему, когда необходимое для привода ТНА рабочее тело получают путем газификации одного из компонентов топлива в охлаждающем тракте камеры.

Для повышения эффективности и коэффициента полезного действия турбонасосного агрегата иногда применяются схемы с раздельными ТНА горючего и окислителя, а также схемы, в которых турбонасосный агрегат содержит в своем составе и бустерные (подкачивающие) насосы, необходимые для создания необходимого давления на входе в двигатель, особенно при его запуске.

Сравнительно простые схемы характерны для ЖРД с вытеснительной системой подачи топлива.

В схеме с вытеснительной подачей топлива (см. рис. 2.13.), в баки с окислителем и горючим поступает газ из баллона со сжатым газом (например, с азотом), при этом его давление в баках компонентов топлива поддерживается постоянным с помощью редуктора. Давление в газовой подушке топливных баков обеспечивает вытеснение жидкофазных компонентов в камеру сгорания ЖРД. При этом совершенно очевидно, что давление в камере не может быть выше давления в баках. Отсечные клапана служат для обеспечения запуска и останова двигателя. Несомненным преимуществом представленной выше схемы является ее простота и, как следствие, надежность. Однако, при вытеснительной системе баллон со сжатым газом тяжел и существенно утяжеляются топливные баки. В общем случае:

(2.18.)

Давление газа в топливных баках;

Давление в камере сгорания ЖРД;

Потери давления в гидравлических трактах и элементах автоматики между баками и камерой двигателя.

Давление в газовой подушке топливных баков обеспечивает вытеснение жидких компонентов в камеру сгорания ЖРД. При этом совершенно очевидно, что давление в камере не может быть выше давления в баках. Отсечные клапана служат для обеспечения запуска и останова двигателя. Несомненным преимуществом представленной выше схемы является ее простота и надежность. Так как с повышением давления в камере, повышается экономичность двигателя, стремление повысить его, для данной схемы ЖРД сопряжено с ростом массы всех элементов системы подачи и, прежде всего, топливных баков. Подобные недостатки относятся и к вытеснительной системе подачи топлива с двухкомпонентными ЖГГ. Однако расхода газа, используемого для наддува баков горючего и окислителя, требуется меньше. В таком варианте схемы, поддув осуществляется продуктами сгорания, получаемыми в ЖГГ, а работоспособность «подогретого» газа значительно выше чем «холодного».

Эффект влияния на массовые характеристики двигательной установки с ЖРД может быть наглядно проиллюстрирован на следующем примере. Если бы была осуществлена замена двигательной установки второй ступени ракеты-носителя «Сатурн – 5» на установку с вытеснительной системой подачи при том же давлении в камере сгорания ЖРД, то прирост массы такой двигательной установки оказался бы равным массе космического корабля «Аполлон», что сделало бы невозможным реализацию лунной программы.

Для варианта вытеснительной схемы (см. Рис. 2.14.) можно ожидать некоторое снижение потерь, так как вытеснение компонентов будет осуществляться подогретыми продуктами сгорания, вырабатываемыми в ЖГГ.

Из пояснений следует, почему вытеснительная система подачи с баллонной системой подачи применяется исключительно в двигателях малой тяги с давлением в камере сгорания ЖРД не более 10-12 · 10 5 Па.

Практическое применение ЖРД малой тяги (ЖРДМТ) находят при создании объединенных двигательных установок (ОДУ) для искусственных спутников земли (ИСЗ), космических аппаратов (КА) и космических кораблей (КК). Находясь на орбите, когда за бортом летательного аппарата давление близко к нулю, удельный импульс может иметь достаточно высокое значение, даже при невысоком значении давления в камере. Следует вспомнить, о повышении удельного импульса от отношения давления в камере сгорания к давлению на срезе сопла (см. Рис. 2.10.).

Схемных решений ОДУ с использованием ЖРДМТ может быть рассмотрено достаточно много. В первую очередь, различие вариантов схем будут зависеть от требований, определяемых назначением ЛА. Это могут быть двигатели, как на однокомпонентных, так и на двухкомпонентных топливах. Схемы будут отличаться по принципам регулирования и стабилизации тяги. На определение схемного решения могут влиять и иные факторы. Однако, во всех вариантах схем, давление в аккумуляторах газа должно быть выше давлений в камерах, что определяет особенности вытеснительной системы подачи компонентов.

Представление всех или, хотя бы, большинства возможных схем двигательных установок с вытеснительными системами подачи, в данном учебном пособии, не входит в планы авторов. Поэтому, для иллюстрации возможных схемных вариантов, в качестве примера, приводится схема объединенной двигательной установки (ОДУ) для искусственного спутника земли (ИСЗ) на двух компонентном топливе (см. Рис. 2.15.).

Рис. 2.15. Схема ОДУ с двухкомпонентным ЖРДМТ для ИС.

1. Редуктор давления, 2. ЖРД маневрирования (Каждый с тягой 22 Н),

3. Апогейный ЖРД (тяга 490 Н)

Конструкции и принципиальные особенности функционирования ЖРДМТ весьма разнообразны. К числу наиболее важных проблем по созданию ЖРДМТ, можно отнести обеспечение работоспособности камер сгорания. Особенно, если учесть, что требуемые для ЖРДМТ ресурсы, значительно, превышают ресурсы для камер обычных ЖРД.

В перечень подобных можно включить: осуществление запуска, организацию рабочего процесса, выбор системы противодействия температурному воздействию на стенки камер и ряд других. Большая часть трудно решаемых проблем, связана, прежде всего, с чрезвычайно низкими значениями рабочих расходов компонентов. Так для некоторых камер расходы окислителя м горючего не превышают 0,5 и 0,3 г/с соответственно. Подобное обстоятельство, например, определяет невозможность использования регенеративного охлаждения стенок (как наиболее эффективного), а выбирать для изготовления стенок камер тугоплавкие металлы, применять термостойкие теплозащитные покрытия, значительно ниже оболочек

Для двигательных установок, одна из схем которых приведена на рисунке 2.15., используемых в составе транспортного космического корабля или иного ЛА и находящихся длительное время в полете, должны осуществляться дозаправки топливных баков. Варианты систем дозаправки, представлены на рисунке (см. Рис. 2.16.).

Рис. 2.16. Схемы топливных баков дозаправляемых в полете ЛА.

1. Стенки бака; 2. Патрубок наддува; 3. Поршень; 4. Заборник топлива; 5. Сильфон;

6. Эластичный мешок; 7. Штанга с отверстиями для наддува; 8. Пластичная диафрагма; 9. Пластичные смачиваемые перегородки; 10. Центральная труба для забора топлива.

А - с поршнем; Б - с сильфонным вытеснительным устройством (топливо вне сильфона); В - с сильфонным вытеснительным устройством (топливо внутри сильфона); Г- с вытеснительным мешком (топливо вне мешка); Д - с вытеснительным мешком (топливо внутри мешка); Е - с пластичной диафрагмой; Ж - с капиллярным заборным устройством.

С более полными сведениями по системам дозаправки, можно ознакомиться в учебном пособии, которое упоминается в списке литературы.

Для реализации ЖРД средних, больших и сверх больших тяг, требуется создание двигателей, с возможно большим повышением давлений в камере сгорания. В подобных вариантах двигателей используются схемы с турбонасосной системой подачи компонентов топлива.

На рисунке (см. Рис. 2.17.) представлена структурная схема ЖРД с насосной системой подачи компонентов. Характерной особенностью рассматриваемой схемы следует считать, что отработанный на турбине газ просто сбрасывается в окружающую атмосферу. Следует отметить, что продукты сгорания после турбины обладают еще значительной работоспособностью и не использование их, отрицательно сказываеся на эффективности двигателя. Тем не менее, подобные схемы могут реализовываться.

Рис. 2.17. Пневмогидравлическая схема ЖРД, с турбонасосной подачей компонентов в камеру сгорания.

Компонент унитарного ракетного топлива (например, перекись водорода – Н 2 О 2), из бака, подаются в жидкостный газогенератор. Газогенератор – агрегат, предназначенный для выработки высокотемпературного генераторного газа, используемого для привода турбины ТНА. Турбина обеспечивает крутящим моментом насосы горючего и окислителя. Основные компоненты топлива подаются насосами в камеру двигателя, причем горючее, как правило, используется для охлаждения камеры, для чего оно подается в зазор между ее стенками, обычно называемую, «рубашку» охлаждения. Окислитель подается непосредственно в форсуночную головку камеры, где смешивается с подогретым в охлаждающем тракте горючим. Процесс взаимодействия компонентов топлива происходит в камере сгорания. Образующиеся высокотемпературные продукты сгорания, проходят через критическое сечение камеры и расширяются в сопле до сверхзвуковых скоростей. Истечение продуктов сгорания является конечной фазой работы ЖРД и формирует тягу ракетного двигателя.

Схемы подобного типа, которые носят названия, «открытые схемы», могут быть более эффективными, если после срабатывания на турбине, генераторный газ может сбрасываться через дополнительные устройства, обеспечивающие утилизацию энергию сбрасываемого газа...

В общем случае величина тяги ЖРД «открытой» схемы, может складываться из величины равной сумме тяг, производимых основной камерой и дополнительным затурбинным устройством. Подобный же эффект может быть получен, при обеспечении отвода генераторного газа, во вспомогательное сопло; внедрения в закритеческую часть основного сопла, в разных вариантах конструктивного оформления основного сопла.

На рисунке (см. рис. 2.18) представлены схемы устройств, в которых генераторный газ после реализации части своей энергии на турбине, используется для создания дополнительной тяги.

Рис.2.18 Схемы устройств, утилизирующих затурбинный газ

В любом из представленных вариантов, дополнительная тяга, реализуемая в устройстве, должна быть учтена.

Т.е. имеет место соотношение:

где: - суммарная тяга ЖРД «открытой» схемы;

Тяга, производимая основной камерой ЖРД;

Тяга, производимая в вспомогательных устройствах.

Используя ранее приведенные зависимости для определения удельного импульса (см. уравнения 2.11, 2.12. и 2.13), преобразуем выражение 2.19. к виду 2.20.

(2.20.)

где: - эффективный удельный импульс ЖРД «открытой» схемы;

Удельные импульсы, обеспечиваемые основной камерой и вспомогательной устройствами, соответственно;

Массовый расход топлива в газогенераторе и суммарный массовый расход топлива в ЖРД.

Анализ зависимости 2.20. показывает, что величина эффективного удельного импульса тем больше, чем меньше доля топлива расходуемого через газогенератор и чем более эффективно утилизируется генераторный газ после срабатывания на турбине. Существует вполне определенная зависимость, характеризующая влияние давления в камере ЖРД «открытой» схемы на величину удельного импульса. В отличие от монотонного возрастания величины . В рассмотренном выше общем случае, при увеличении давления в камерах ЖРД, работающих по схеме без дожигания генераторного газа, наблюдается явно выраженная область, отвечающая оптимальному значению (см. Рис.2.19.).

Рис.2.19. Зависимость удельного импульса от давления в камере

двигателя «открытой» схемы

Появление экстремума в зависимости объясняется необходимым увеличением расхода топлива через газогенератор при росте давления в камере сгорании. Увеличение расхода требуется для повышения мощности турбины, чтобы обеспечить возросшую потребность насосов, в большем крутящем моменте. Подобное положение приводит к возрастанию доли неэффективно используемого топлива и, как следствие, к снижению удельного импульса ЖРД.

Допустимо предусмотреть сброс газогенераторного газа осуществлять через специальные поворотные сопла, используемые для управления полетом ракеты

В целях максимального использования возможностей ракетного топлива усилиями российских ученых и инженеров была разработана схема организации рабочего процесса ЖРД, предусматривающая дожигание генераторного газа в камере сгорания после его срабатывания на турбине ТНА, так называемые, «схемы с дожиганием генераторного газа» (см. рис. 2.20.).

Рис. 2.20. Структурные схемы ЖРД с дожиганием генераторного газа

1. и 2. Баки с горючим и окислителем, 3. ЖГГ, 4. и 5. насосы горючего и окислителя, 7., 8. и 9. клапаны, 10. камера сгорания.

Основное особенность «закрытой» схемы, выполненной по варианту Рис. 2.20, заключается в следующем. Весь окислитель, необходимый для работы КС подается в газогенератор. Туда же подается минимально необходимое количество горючего. Соотношение компонентов топлива, подаваемых в газогенератор, диктуется исключительно необходимостью получения газа, с температурой, приемлемой для обеспечения термомеханических нагрузок турбины. После срабатывания генераторного газа на турбине, имеющего в рассматриваемом случае избыток окислительного компонента, газ подается в КС. Туда же поступает дополнительное количество горючего, необходимого для поддержания оптимального соотношения компонентов топлива. В этом варианте, ЖРД работает по схеме «газ (окислитель) – жидкость (горючее)». Возможен и вариант организации рабочего процесса, когда в газогенератор подается избыточное количество горючего при недостатке окислителя. В первом случае говорят об окислительном газогенераторе, во втором – восстановительном.

И тот, и другой способы имеют свои преимущества и недостатки. В случае восстановительного газогенератора существенно легче решаются вопросы обеспечения термической устойчивости, поскольку при высоких температурах рабочего процесса в газогенераторе гораздо легче защитить конструкционные материалы (в основном, металлы и их сплавы) от возгорания при наличии восстановительной среды. Вместе с тем, избыток горючего при недостаточном количестве окислителя чреват целым рядом негативных последствий, связанных с неполнотой сгорания горючего, что приводит в случае углеродсодержащих компонентов к выпадению твердой фазы углерода и, как следствие, к эрозионному износу лопаток турбины и других элементов ТНА.

Окислительная схема газогенерации лишена этих недостатков, но ей присущи свои особенности. Они заключаются в необходимости применения тугоплавких, устойчивых к возгоранию в окислительной среде конструкционных материалов, что приводит к повышению стоимости двигателей, потенциальному снижению их устойчивости при воздействии микрочастиц в окислительном газовом потоке, поступающем на лопатки турбины, что затрудняет создание высоконадежных ЖРД.

На практике восстановительная схема газогенерации применяется, чаще всего, в кислородно–водородных ЖРД, где горючее (жидкий водород) не содержит углерода и, следовательно, принципиально отсутствует опасность сажеобразования. В перспективе рассматривается возможность использования в качестве ракетного горючего первого члена гомологического ряда предельных углеводородов – метана (СН 4), содержание углерода в котором минимально, что делает принципиально возможным эффективное его использование в газогенераторах восстановительной схемы.

Представленная выше схема ЖРД осуществлена по схеме «газ–жидкость». По этому варианту схемы, предусматривается организация рабочего процесса с дожиганием генераторного газа.

В другом варианте, дожигание генераторного газа может быть построено по схеме «газ – газ». Основное отличие этой схемы состоит в наличии двух газогенераторов. Один газогенератор работает по окислительной схеме, второй – восстановительной. Предпочтительно, для восстановительного газогенератора использовать водород, или углеводородное горючее с минимальным массовым содержанием углерода (керосин и т.п.), а в качестве окислителя – жидкий кислород. Так введение жидкого водорода в состав ракетного горючего, позволяет в значительной степени снизить выделение конденсированной фазы углерода (сажи), тем самым обеспечить возможность более надежной работы восстановительного газогенератора.

Продукты газогенерации поступают на турбины окислительного и восстановительного газа, а затем, после прохождения турбин, в камеру сгорания, где и происходит их окончательное взаимодействие, с требуемым соотношением компонентов (см. Рис. 2.21.).

Рис. 2.21. Пневмогидравлическая схема ЖРД с дожиганием генераторных газов.

1. и 2. Баки с горючим и окислителем, 3. и 4. ЖГГ газа с избытком горючего и ЖГГ газа с избытком окислителя, 5. и 6. Насосы горючего и окислителя, 7. и 8. Турбины газа горючего и газа окислительного, 9. и 10. Клапаны, 11. Камера сгорания.

Подобная схема может быть в несколько ином исполнении, когда два газогенератора. ЖГГ с избытком горючего обеспечивает наддув бака горючего. Второй газогенератор вырабатывает окислительный высокотемпературный газ, одна часть которого поступает на турбину и после турбины в основную камеру сгорания. Вторая - меньшая часть в смесителе дополняется дополнительным количеством окислителя и используется для надува окислительного бака.

Для водородно-кислородного двигателя, обычно используется безгазогенераторная схема (см. рис. 2.22.).

Рис.2. 22. Безгазогенераторная схема ЖРД

1. Камера сгорания, 2. регулятор тяги, 3. Насос жидкого водорода. 4. Насос жидкого кислорода, 5. Редуктор оборотов, 6. турбина, 7. 8. и 9.пуско-отсечные клапаны, 10. клапан системы зажигания..

В пневмогидравлической безгазогенераторной схеме работа ЖРД предусматривается следующий порядок выполнение функционирования. Компоненты из ба­ков через входные клапаны поступают на вход насосов. ТНА двига­теля имеет двухвальную схему с параллельными валами и шестеренча­тым редуктором. Это важная особенность данного ТНА. Центробежный насос водорода установлен на одном валу с турбиной, имеет две ступени и осевой вход. Первая ступень насоса шнекоцентробежная. Шнекоцентробежпый насоскислорода выполнен одноступенчатым,. Турбина - осевая двухступенчатая, реактивная.

Жидкий кислород через блок клапанов, с электромеханическим регулятором соотношения компонентов, от насоса поступает в полость смесительной головки. В полете, посигналам системы опорожнения баков, соотношение компонентов может изменяться в пределах ± 10 %. Водород из насоса по трубопроводу подводится к входному коллектору охлажда­ющего тракта камеры.

Жидкий водород из насоса поступает в кол­лектор, расположенный в области критического сечения сопла. Из кол­лектора, по части трубок, водород направляется к срезу сопла, затем, по другой части трубок, движется к коллектору возле головки. Из этого коллектора газообразный водород, нагретый в охлаждающем тракте до температуры 200К, от регулятора тяги направляет­ся на турбину. Регулятор тяги работает на принципе перепуска части водо­рода на выход из турбины. Из турбины отработанный водород через пуско-отсечной клапан, поступает по газоводу в смесительную головку. Все основные клапаны управляются газообразным гелием с помощью управляющих клапанов.

В схеме показаны еще клапаны, которые обеспечивают работу системы захолаживания двигателя перед запуском. Подобная операция необходима для нормального осуществления запуска двигателя использующего криогенные компоненты. что необходимо для гидравлически систем. Наддув баков осуществляется газообразным гелием, запас которого находится в специальном баллоне.

Выше были рассмотрены ряд схем ЖРД, в которых для подачи компонентов в КС используются ТНА. При малых давлениях во входных патрубках могут возникать срывные режимы, характеризующиеся началом кавитации в межлопаточных полостях насосов. Во всех представленных пневмогидравлических схемах ЖРД оснащенных ТНА, в баки с компонентами от баллонов через редукторы подается газ, осуществляющий их наддув. В этом случае можно было бы рассчитывать на получение требуемого давления на входе в насосы. В тоже время давление в баках, необходимое для нормальной работы шнекоцентробежного насоса, часто недопустимо велико, что приводит к заметному уве­личению толщины стенок и массы баков. Отмеченного недостатка можно избежать, если на выходе из баков устанавливать дополнительного подкачивающего (бустерного) насосного агрегата (БНА). Установка БНА, обес­печивающего работу основного насоса ТНА, позволяет суще­ственно снизить величину наддува баков и, следовательно, их массу. Поэтому, конструкция современного ТНА немыслима без последовательного использования различных насосов скомпонованных по многоступенчатой схеме. Роль бустеров может осуществлять лопаточный осевой (шнек) или струйный насос (эжектор).

Подкачивающие бустерные насосные агрегаты (БНА), которые обычно называют преднасосы, располагают в непос­редственной близости от бака с компонентом, что исключает гидравлические потери при подаче компонента от бака до входа в насос БНА. На рисунке (см. рис. 2.30).

Рис. 2.30. Схемы бустерныых устройств

Вариант а). 1. Бак с компонентом, 2. центробежный преднасос, 3. жикостная турбина преднасосного агрегата, 4. турбина основного ТНА, 5. насос ТНА.

Вариант б). 1. Бак с компонентом, 2. преднасос, 3. газовая турбина преднасосного агрегата, 4. насос основного ТНА.

Вариант в). 1. Бак с компонентом, 2. струйный преднасос (эжектор), 3. сопло эжектора, 4. насосос основного ТНА., 5. Магистраль подачи компонента к соплу эжектора.

В схеме варианта «а», гидравлическая турбина БНА приводится в действие жидкостью высокого давления, отбираемой от насоса ТНА. После сра­батывания на турбине жидкость возвращается в напорную магистраль. В схеме варианта «б», газовая турбина работает на газе основного ЖГГ, а в варианте «в», струйный преднасос–эжектор, также как и варианте схемы «а», запитывается компонентом от насоса основного ТНА.

Как это следует из приведенного краткого анализа эффективности возможных вариантов схем ЖРД, повышение давления в камере не во всех случаях, приводит к увеличению удельного импульса. Разобранные особенности построения схем ЖРД, в большей степени относятся к схемам двигателей больших и сверхбольших тяг, а также, в определенной степени к двигателям средних тяг. На рисунке (см. Рис 2.31.) приводится качественная зависимость удельных импульсов камеры и ЖРД, выполненных по вытеснительной схеме, по «открытой» схеме и по «закрытым» схемам различных вариантов.

Рис. 2.31. Зависимость удельного импульса от давления в камере

Из анализа графика следует, что в двигателях выполняемых о схеме жидкость- жидкость, с увеличением давления удельный импульс камеры монотонно возрастает. Однако, в дальнейшем, из-за возрастания расхода газа на привод ТНА (см. Рис. 2.26.), удельный импульс двигателя увеличивается лишь до определенного предела. Увеличение удельных импульсов двигателей, построенных по замкнутым схемам, с ростом давления в камере увеличиваются, хотя инее очень существенно.

При выборе варианта ЖРД для вновь проектируемого ЛА, кроме использования данных полученных из анализа графика представленного на рисунке 2.18, следует рассмотреть зависимость, называемую высотной характеристикой (Рис. 2.32.).

Рис. 2.32. Высотная характеристика.

На рисунке. 2.32. представлены изменения основных параметров двигателя с изменением противодавления. Как видно из рисунка, протекание высотной характе­ристики ЖРД с изменением дав­ления окружающейсреды мож­но разделить на два участка: участок работы сопла без скач­ка уплотнения I и участок ра­боты сопла со скачком уплотне­ния П.

На участке c бесскачковым режимом работы сопла, тяга и удельная тяга линейно уменьшаются с ростом давления окружающей среды. В этом случае рабочий процесс в камере и ее сопле автономен от давления окружающей среды. При некотором давлении р к в сопло камеры входит скачок уплотнения - линейность изменения тяги и удельной тяги нарушается. Характер изменения тяги и удельной тяги на режиме работы сопла со скачком уплотне­ния определяется закономерностью движения скачка уплотнения в глубь сопла и восстановлением давления за скачком уплот­нения. На рисунке 2.33. показан пунктирными линиями характер из­менения основных параметров ЖРД, для случая, если бы скачок уп­лотнения не входил в сопло и при всех давлениях сопле проис­ходило обычное расширение газа. С момента же вхождения скачка уплотне­ния в сопло, давление за скачком увеличивается по мере проникновения скачка уплотнения в глубь сопла. По­добный режим работы наблюдается у ЖРД первой ступени межкон­тинентальных ракет, давление на срезе сопла которых выбирается достаточно малым из условия получения средней максимальной удельной тяги на активном участке траектории движения ракеты. или у ракет, У по­добного типа ракет параметры двигателя выбираются из условия получения средней максимальной удельной тяги на воздушном участке траектории движения. Поэтому для этих ракет давление на срезе сопла полу­чается довольно низким и атмосферного давления до­статочно, чтобы скачок уплотнения вошел в глубь сопла. На рисунке видно, что в указанных условиях ре­жим работы сопла со скачком уплотнения улучшает характери­стики ЖРД.

Для варианта ракеты, дл которой необходимо чтобы тяга в полете изменялась, ЖРД должен быть выполнен с дроссельной характеристикой (см.Рис.2.33.).

Рис. 2.33. Дроссельная характеристика ЖРД.

Как это следует из рисунка, для изменения величины тягового усилия, требуется изменение расходов компонентов. Однако следует помнить, что изменение расхода обеспечивается коррекцией перепада на форсунках в соответствии со следующим выражением.

, (2.21.)

где G - расход компонента через форсунку,

Коэффициент расхода форсунки,

F ф – площадь выходного сечения сопла форсунки,

Плотность компонента,

Перепад давления на форсунке.

Кроме представленных вариантов, иным направлением схемного совершенствования, являются трехкомпонентные ЖРД. В ЖРД подобного типа одновременно используется в качестве горючего какое либо углеводородное (например, керосин) и жидкий водород, а в качестве окислителя – жидкий кислород. Трехкомпонентные двигатели позволяют также в полной мере реализовать возможность эффективного использования различных ракетных топлив на борту одного и того же летательного аппарата. Баллистические и массовые расчеты эффективности применения различных топлив в двигательных установках ракет – носителей, баллистических ракет, многоразовых космических систем во многом определяется характеристиками применяемого ракетного топлива. Как уже показывалось ранее, топлива определяют значение удельного импульса ЖРД, который, особенно важен для двигателей верхних ступеней РН, в то время как первые ступени могут быть оснащены ЖРД с не столь высоким значением , но при этом плотность топлива должна быть максимальной.

Трехкомпонентные двигатели позволяют обеспечить работу первых ступеней при минимальном содержании водорода в ракетном горючем. Т.е., указывается на целесообразность применения топлива с большей плотностью. На последующих же этапах полета ракеты, водород, как горючее более энергоемкое и меньшей плотности, является более предпочтительным, так как его использование приведет к повышению удельного импульса ЖРД, а, следовательно, и эффективности всего летательного аппарата.

ЖРД может обеспечить требуемые параметры и характеристики, при условии включения в состав пневмогидравлической схемы (ПГС) агрегатов автоматики и управления двигателем. К числу наиболее важных функций, осуществляемых агрегатами ПГС можно отнести:

· стабилизацию соотношения компонентов подаваемых в камеру сгорания;

· поддержание требуемого уровня или регулирование тяги;

· обеспечение контроля и управления за работой двигателя и его основных агрегатов (камеры сгорания, ТНА, газогенератора и, возможно, некоторых других), определяющих его общую работоспособность.

Для конкретных типов двигателей, представленный перечень может быть расширен.

Как уже не раз отмечалось, для настоящего учебного пособия, соблюдая условия краткости представляемых материалов, изложить возможные варианты ПГС с описаниями схем, входящих в состав двигателей агрегатов автоматики и регулирования, нет возможности. Можно лишь указать в списке литературных источников, перечнень специальных учебных пособий по данному вопросу.

Однако схемы и конструктивные особенности основных агрегатов будут представлены.

Выделяя словом «основные» агрегаты, авторы имеют ввиду агрегаты, обеспечивающие наиболее важные функциональные параметры и характеристики ЖРД. К таковым можно отнести камеры сгорания, турбонасосные агрегаты, газогенераторы. Эти агрегаты определят тип ЖРД. Работы по их созданию требуют наибольших временных и финансовых затрат, В тоже время необходимо подчеркнуть, что степень важности в определении работоспособности ЖРД, а порой и надежности, не упомянутых в числе основных агрегаты (клапаны, регуляторы, и др.), требуют не меньшего внимания к их конструированию и отработке.

2.5.1. Камеры сгорания ЖРД

Камера сгорания разрабатывается в определенной последовательности. Первоначально, если в техническом задании специально не оговариваются, выбираются компоненты и оптимальное давление в КС Конструктивное оформление КС определяется после выполнения газодинамических расчетов. По результатам этих расчетов, устанавливаются геометрические размеры и газодинамический профиль КС (см. Рис. 2.34.).

Рис. 2.34. Газодинамический профиль камеры сгорания.

КС ЖРД испытывает чрезвычайно большие тепловые нагрузки. Для двигателей средних, больших и очень больших тяг, практически для всех типов компонентов, КС выполняется с наружным охлаждением. Для камер малых тяг, вопросы температурной стойкости, решаются с учетом ресурса, геометрически обводов камеры, тягового усилия и других специфичных особенностей каждого варианта камеры. Основные конструктивные элементы КС, выполненной с внешним охлаждением, представлены на рисунке (см. Рис.2.35.)

Рис. 2.35. Камера сгорания со связанными оболочками

1. Корпус камеры, 2. Смесительная головка, 3.Цилиндрическая часть камеры, 4.Сопло, 5. «Рубашка» камеры, 6. Силовой кронштейн.

а. Узел пояса завесы, б. Узел подвода охладителя (горючего), в. Кронштейны крепления камеры

На рисунке 2.35., ввод охлаждающего компонента в рубашку камеры осуществляется в сечении внешнего диаметра сопла. Это не единственное решение. Проектант обычно выбирает вариант установки коллектора ввода компонента, в зависимости от ряда причин (степень расширения сопла, стремления снизить сопротивление по тракту, прочности и т.п.).

На рисунке (см. рис. 2.36) приводятся варианты расположения сечений ввода.

Рис. 2.36. Варианты расположения сечений ввода охлаждающего компонента в межоболочечный зазор «рубашки» камеры.

а - на выходном сечении сопла. б .- на выходном сечении и в среднем сечении сопла, в – в среднее сечение сопла

В современных двигателях большой тяги, для повышения термической стойкости камеры применяется целый ряд конструктивных мер, направленных на снижение температуры наиболее теплонапряженных элементов камеры сгорания.

К числу таких мер следует отнести:

· организацию регенеративного охлаждения за счет прокачки относительно холодных компонентов топлива через «рубашку» охлаждения;

· использование, так называемых, «завес охлаждения», представляющих собой специальные зоны теплонапряженных областей камеры, снабженные устройствами для подвода дополнительного количества одного из компонентов топлива (как правило, горючего) в целях снижения локальных тепловых потоков;

· применение специальных мер в наиболее нагруженном в тепловом отношении - критическом сечении камеры (уменьшение межоболочечного зазора, вставок тугоплавких материалов в критической части сопла).

Для организации внешнего охлаждения, величина зазора регламентируется специальными проставками – связями. Они же и обеспечивают прочность камеры и устойчивость внутренней оболочки камеры, когда давление охлаждающего компонента в зазоре «рубашки» превышает давление в камере. На рисунке (см. Рис. 2.30.) приводятся виды проставок используемых в современных конструкциях КС. Проставки, внешняя и внутренняя оболочки соединяются пайкой, состав припоя стоек в компоненте и сохраняет при нагревании стенок прочностные характеристики.

Рис. 2.37. Типы связей оболочек КС.

а . гофрированная проставка, б . оребрение внутренней оболочки, в . трубчатая камера.

Существует и еще одно важное обстоятельство повышения работоспособности КС, обеспечиваемое за счет введения в конструкцию КС связей. Корпус камеры ЖРД испытывает значительное силовое нагружение. Процесс сгорания может проходить при давлениях продуктов в нескольких десятков МПа. При этом давление охлаждающего компонента в межоболочечном зазоре всегда должно быть больше чем давление в камере. В противном случае компонент не сможет поступить в КС. Следовательно, внутренняя оболочка камеры, находясь под внешним перепадом давлений, равным разнице давления подачи и давления в камере, может сложиться – потерять устойчивость. И если, при идущем процессе в камере, она прогрета, то механические характеристики материала оболочки, имеют пониженное значение. На первых образцах двигателей, оболочки внешняя и внутренняя, работали независимо одна от другой (см. Рис. 2.38.), что исключало возможность повышения давления в КС.

Рис. 2.38. Камера сгорания двигателя РД-1100

1. Форсуночный блок с системой зажигания, 2. независимо работающие (без связей) оболочки камеры. 3 сопловой блок.

В современных ЖРД, как это было отмечен ранее, КС выполнятся со связанными оболочками. При введении охлаждающего компонента в «межрубашечный» зазор на выходном срезе сопла (наиболее часто исполняемая схема) (см. Рис. 2.39.) определяется наибольший перепад давлений, действующий на внутреннюю оболочку. В этом сечении давление компонента максимальное, а давление в камере близкое к нулю. Оценка прочностной надежности оболочек камеры (прочности оболочек, устойчивости внутренней оболочки, прочности связей и других позиций) должна производиться с учетом этого обстоятельства.

Рис. 2.39. Распределение нагрузок по длине камеры

На графике использованы следующие обозначения: р г - давление в камере, р ж – давление охлаждающего компонента в «межоболочечном» зазоре, t г – температура газа в камере, t ср вн.о. – средняя, по толщине внутренней оболочки, температура, - перепад давлений на форсунке, m охл. – массовый расход охлаждающего компонента, L – длина камеры..

Следует отметить, что варианты связей, приведенные в настоящем пособии, как наиболее часто используемые в современных конструкциях КС, проверены большим числом опытов и хорошо зарекомендовали себя, при эксплуатации многочисленных образцов ЖДД различных размерностей.

Другим средством, способствующим снижению теплового воздействия на внутреннюю стенку камеры, является введение в конструкцию узлов завесы. На рисунке (см. рис. 2.40) изображены варианты конструкторских решений узлов завес, через которые вводится горючие обеспечивающее создание газо-жидкостной пленки на внутренней поверхности оболочки «рубашки».

Рис.2.40. Варианты узлов завесы камеры.

а– с отверстиями, б– с щелевым зазором

Для камер сгорания ЖРДМТ характерны два тип режимов работы (см. Рис. 3.7.). Для камеры с установившимся режимом работы, система охлаждения внутренней стенки может быть избрана по принципу камер только что разобранных. Вариант ЖРДМТ, работающий по импульсному режиму, может использовать камеру с «емкостной системой» защиты стенки камеры. Этот вариант предусматривает исполнение единой оболочки (без «рубашки охлаждения») увеличенной толщины и с дополнительными кольцами жесткости (см. Рис. 2.41.).

Рис. 2.41. Камера сгорания ЖРД малой тяги.

1. Блок клапанов горючего, 2. Камера сгорания, 3. Узел крепления соплового насадка, 4. Сопловой насадок, 5. Воспламенитель, 6. Блок клапанов горючего.

Подобное решение допустимо, так как в перерывах между функционированием камеры, стенка «отдыхает» от воздействия продуктов сгорания и прогрев ее снижается.

Особо важным узлом является головка КС. На днищах головки располагаются форсунки, через которые поступают компоненты в камеру. Типы форсунок значительно различаются по конструктивному оформлению. На рисунке (см. рис. 2.42). приведены некоторые варранты струйных, центробежных и двухкомпонентных форсунок, которые используются в двигателях схемы «жидкость-жидкость».

Рис. 2.42. Варианты жидкостных форсунок.

1. Переднее днище, 2. Среднее днище, 3. Двухкомпонентная струйно-струйная форсунка, 4. Однокомпонентная форсунка с завихрителем, 5. Однокомпонентная струйно-центробежная форсунка, 6. Двухкомпонентная центробежная форсунка с тангенциальными отверстиями, 7. Распорная втулка.

Для двигателей, выполняемых по схемам с дожиганием генераторного газа, головки камер оснащаются газожидкостными форсунками (Рис.2.43.).

Рис. 2 43. Варианты газо-жидкостных форсунок.

1. Переднее днище, 2. Среднее днище, 3. Струйно-струйная форсунка, 4. Струйно-центробежная форсунка, 5. Струйно-центробежная форсунка со шнековым завихрителем, 6. Двухкаскадная (комбинированная) форсунка: первоый каскад – газожидкостная струйно-струйная, второй каскад – жидкостная центробежная с тангенциальными отверстиями.

Вариант форсунок для смесительной головки выбирается проектантом на основании ранее полученного опыта отработки камеры двигателя – прототипа и выполнения расчетов. Расположение форсунок на днищах головки диктуется желанием проектанта получить наилучшую полноту сгорания компонентов и необходимостью создания эффективного пристеночного слоя из горючего. Последняя из упомянутых позиций, должна обеспечить допустимый режим прогрев внутренней стенки камеры (см. рис. 2.44).

Рис. 2.44. Схемы расположения форсунок на головках КС

а – Сотовое расположение форсунок.

1.Струйно-центробежнаые форсунки, 2. Центробежные форсунки.

б – Шахматное расположение форсунок

1. Форсунка окислителя 2. Форсунка горючего.

в – Расположение форсунок по концентрическим окружностям

1 Двухкомпонентная форсунка, 2. Однокомпонентная форсунка

Из рассмотрения рисунков следует, что вне зависимости от схемы расположения форсунок на днищах смесительной головки, необходимо сформировать расположение на внешнем диаметре надежную завесу из форсунок горючего.

КС ЖРД имеет еще большое число узлов, необходимых для нормального функционирования двигателя. Это коллекторы ввода и вывода компонентов, узлы поясов завес, узлы соединений частей камеры (смесительной головки, цилиндрической и сопловой секций), узлы запуска и останова, кронштейны, передающие тяговое усилие к ЛА и др.. Все перечисленные узлы, должны быть спроектированы, оценены расчетами, а также подвергнуты испытаниям, подтверждающих их работоспособность. Желание авторов осветить подобные особенности создания КС, не увязывается с необходимостью обеспечить краткость представляемого учебного пособия.

Оценка совершенства КС характеризуются коэффициентом полноты удельного импульса, определяемого по следующему выражению:

, (2.22.)

где: - коэффициент полноты удельного импульса,

I уд.п - экспериментально измеренный удельный импульс,

Теоретический удельный импульс,

Коэффициент совершенства процесса в камере,

Коэффициент совершенства процесса в сопле камеры,

Коэффициент при проектировании определяют, опираясь на статистические данные, полученные при испытаниях двигателей работающих на аналогичных компонентах. Обычно, величина этого коэффициента составляет 0,96…0,99.

Коэффициент же сопла () вычисляется с учетом потерь на трения () и потерь из-за неравномерности поля скоростей потока на срезе сопла (). Кроме того, учитываются дополнительные потери (), связанные с охлаждением потока в сопле, степень неравновесности и другие:

. (2.23.)

В общем случае, численные значения перечисленных коэффициентов укладываются следующие пределы: = 0, 975… 0, 999, = 0,98…0,99 и = 0,99…0,995. В таком случае, величина = 0,945…0, 975.

С учетом приведенных значений, величина полноты удельного импульса может находиться в пределах от 0, 9 до 0,965.

2.5.2. Жидкостные газогенераторы (ЖГГ).

Конструктивные решения и особенности внутрикамерных процессов в значительной степени зависят, устанавливаются ли ЖГГ на ЖРД «открытой» или «закрытой» схем. Для двигателей «открытой » схемы, ЖГГ выполняются с давлением, близким к давлениям основных КС. ЖГГ двигателей «закрытой» схемы обеспечивают рабочим телом (продуктами сгорания) турбины с давлением, значительно превышающим давление в основной КС. Однако, ЖГГ, как окислительного, так и восстановительного варианта, работают при коэффициентах соотношения компонентов много меньших значениях устанавливаемых для КС. Следовательно, температуры, при которых проходит процесс в камерах газогенераторов также сильно отличается от температур процесса в КС.

В ЖРД применяются двухкомпонентные и однокомпонентные ЖГГ. Наиболее широкое применение находят двухкомпонентные ЖГГ. Для двигателей с дожиганием генераторного газа, двухкомпонентные ЖГГ естественно используются как наиболее естественные. Можно отметить, что значительная часть вопросов, связанных с особенностями проектирования и отработки этого варианта ЖГГ, решаются по позициям принятым для КС. Смесительная головка форсунки и их расположение на днищах головки выполнятся по схемам, используемым, при выборе аналогичных решений для КС. В тоже время, учитывая относительно невысокий уровень температур в камере ЖГГ, обычно используется неохлаждаемый вариант стенки. На рисунке (см. рис. 2.45) представлена основная часть двухкомпонентного ЖГГ, одного из отечественных двигателей.

Рис. 2.45. Двухкомпонентный ЖГГ

Подобный вариант ЖГГ был применен в составе двигателя РД-111 Стрелками на рисунке, показаны штуцеры ввода компонентов.

Разработка однокомпонентных газогенераторов ведется по иным принципам. В недалеком прошлом, для подобных газогенераторов, в качестве компонента, использовалась перекись водорода (Н 2 О 2). В камере газогенератора располагалось специальное вещество (катализатор), взаимодействие с которым перекиси водорода приводило к получению паров воды и газообразного кислорода с высокой температурой (от 720 до 1030 К при концентрации 80% и 90%, соответственно). На рисунке (см. рис. 2.46) представлен ПГГ (так назывался газогенератор, вырабатывающий в качестве рабочего тела турбины пар), разработанный предприятием «Энергомаш» для ЖРД РД-107 и его модификаций.

Рис. 2.46. Однокомпонентный жидкостный газогенератор.

1. Штуцер входа компонента, 2. пакеты катализатора, 3 патрубки выхода пара

Компонент - перекись водорода - не единственный компонент, который может газифицироваться с целью получения рабочего тела для турбины. Особенно, если учесть, что перекись водорода повышенной концентрации не достаточно стабильна при хранении, целесообразно использовать другие компоненты. В качестве таких может применяться гидразин и несимметричный диметилгидразин (НДМГ), но для которых, также как и перекиси водорода, требуются специальные катализаторы.

2.5.3. Турбонасосный агрегат (ТНА),

ТНА во многом определяет энергетические характеристики ЖРД. Степень совершенства основных узлов ТНА, турбины и насосов, в процессе создания современных образцов, всегда находится под пристальным вниманием разработчиков двигателей. Для проектантов КС и ЖГГ, вопросы обеспечения полноты сгорания компонентов, обеспечения температуростойкости и прочности деталей и узлов, определяют успешность последующей эксплуатации создаваемого ЖРД. Для специалиста, работающего над созданием ТНА, главными вопросами являются: повышение коэффициентов полезного действия турбины и насосов, прочности их деталей (лопаток и диска турбины, крыльчаток насосов, корпусов, вала), надежности уплотнений и ряда других, определяющих надежность и совершенство ТНА. Успешное решение перечисленных позиций, увеличивает удельный импульс тяги, снижает удельную массу ТНА и двигателя. При дальнейшем рассмотрении параметров и характеристик ТНА, будет видно, что перечисленные выше позиции, впрямую зависят от такого параметра, как обороты ротора (система - «турбина, насосы, вал»).

Исходными данными для разработки ТНА принимаются типы компонентов, требования по расходам и давлениям, ресурс и другим данным, вытекающим из требований к ЖРД. Проектные проработки, позволяют сделать заключение о расходах и параметрах рабочего тела для создания требуемой мощности турбины, необходимой для привода насосов. При выполнении этих работ определяются: принципиальная компоновка ТНА, обороты ротора, системы уплотнений и, в конечном счете, его массовые характеристики.

В работах над созданием ТНА разработчик учитывает обязательные требования, которыми он руководствуется:

· обеспечение основных параметров (габаритов, массы и деталей креплений ТНА, вытекающих из требований по компоновки двигателя) и характеристик в течение заданного ресурса;

· обеспечение требуемых расходов и давлений компонентов, установленных для использования в двигателе;

· выявления позиций, предусматривающих обеспечения примерной стоимости разрабатываемого образца.

При дальнейших работах над созданием ЖРД могут устанавливаться дополнительны требования.

Среди основных позиций, определяющих конструктивный облик и параметры ТНА, следует считать компоновочные схемы ТНА. Возможные варианты схем представлены на рисунке (см. рис. 2.47) .

Рис. 2.47. Компоновочные схемы ТНА

а, б и в - однороторные ТНА, г . – многороторные ТНА

Принятые обозначения: НО – насосы окислителя, НГ – насосы горючего.

Как следует из рассмотрения рисунка, варианты компоновочных схем отличатся, выбирается ли дальнейшей проработке безредукторная схема или схема с редуктором. При безредукторной схеме, часто не удается выбрать единые оптимальные обороты для турбины и каждого из насосов. Однако ТНА с редукторной схемой будет всегда иметь худшие массовые характеристики. Современные ЖРД средних, больших и очень больших,случае, приблизительная масса ТНА может быть вычислена с использованием следующего выражения:

На рисунке (см. рис. 2.48) даны структурные схемы ТНА, с двухсторонним расположением насосов и односторонним. На схемах показаны узлы, о которых упоминалось выше.

Рис. 2.48. Структурные схемы ТНА

1. Насосы горючего, 2. Турбины, 3. и 4. Внутренние уплотнения насоса и турбины, 5. Насос окислителя, 6. Гидродинамическое уплотнение, 7. Промежуточное уплотнение.

В ЖРД средних, больших и очень больших тяг используются газовые турбины с приводом центробежных насосов. Варианты компоновок зависят от особенностей вариантов ЖРД, таких как тип компонентов, система запуска ТНА, характеристики продукта поступающего на турбину и другие. Конструктивный облик ТНА будет отличаться и от частных решений, определяемых проектантом по своему усмотрению, На рисунках (см. рис. 2.48 и 2.49) представлены виды ТНА, в которых подвод компонентов осуществляется односторонним и двухсторонним входами.

Рис. 2.42. ТНА с насосами, с односторонними входами компонентов

1.Фланец выхлопного коллектора, 2. Турбина, 3. Входной патрубок с шнеком, 4. Входной патрубок насоса горючего, 5. Рессора, 6. Выходной фланец выходного патрубка насоса горючего, 7. Корпус насоса окислителя со шнеком, 8. Фланец входного патрубка насоса горючего.

В ТНА корпуса насосов выполнены с преднасосами (шнеками), обеспечивающими повышение давление на входе перед основными, односторонними крыльчатками. Подобный вариант бустерного устройства, исключает возникновение кавитационного режима при работе насоса.

Рис. 2.50. ТНА с насосами, с двухсторонними входами компонентов

1. Фланец входного патрубка насоса горючего, 2. Входной патрубок насоса окислителя, 3. Пиростарер, 4. Фланец подвода рабочего тела к турбине, 5. Турбина, 6. Выхлопной коллектор турбины.

Представленный вид ТНА, выполнен с газовой двухступенчатой турбиной и двумя центробежным насосами. Насосы имеют двухсторонние входы компонентов. Конструкция ТНА спроектирована с двумя валами, соединенными рессорой. На одном валу, со своими двумя подшипниками и уплотнениями, смонтирована турбина и центробежный насос окислителя. На втором валу, также со своими подшипниками и уплотнениями - насос горючего. Работоспособность подшипников поддерживается консистентной смазкой, заправляемой в подшипниковые полости при сборке ТНА. Одна и вторая части ротора устанавливаются в отдельные корпуса, соединенные между собой шпильками.

В ТНА ЖРД обычно используются центробежные насосы, Для насосов ТНА очень важны антикавитационные свойства, от которых зависит эрозионное воздействие на проточную часть насоса, но и, что особенно важно, возможность срыва всех параметров, стабильность которых определяет выполнение требуемых задач всего ЖРД. Повышение антикавитационных свойств насоса обеспечивается применением специальных устройств, некоторые схемы которых были ранее представлены на рисунке 2.23. Но наиболее широко, в практике создания ТНА, применяются шнекоцентробежные насосы.

Для примера на рисунке (см. рис. 2.51) приводится конструкция кислородного шнекоцентробежного насоса.

Рис.2.51. Шнекоцентробежный насос.

1. Крышка корпуса, 2. Подшипник, 3. Крыльчатка насоса, 4. Корпус насоса. 5. Шнек, 6. Подшипник.

Эффективность насоса зависит от снижения потерь, среди которых основными являются:

· перетекание компонента из полости высокого давления (вход из крыльчатки), во входную полость;

· трения компонента о стенки внутренних полостей насоса;

· трения в уплотнениях, подшипниках.

Оцениваются перечисленные потери КПД насоса - :

Плотность компонента,

Объемный расход компонента,

Н – напор, развиваемый насосом,

N н - фактическая мощность потребляемая насосом.

Обычно КПД насосов ЖРД колеблется в пределах 0,5…0,8,

Дополнительно к отмеченным положениям, на рисунках (см. Рис. 2.52.) показаны конструкции других бустерных устройств – струнных преднасосов (эжекторов).

Рис.2.52. Конструкция струйного устройства (эжектора).

а – эжектор с рядом отверстий. 1. Корпус эжектора, 2. Отверстия подвода компонента, равнорасположенные по окружности, 3. Патрубок подвода компонента. б – эжектор с набором сопел. 1. Патрубок подвода компонента, 2. Сопла, 3. Корпус эжектора.

Струйные насосы из-за низкого КПД целесообразно применять в дви­гателях с дожиганием, так как увеличение мощности турбины при подаче активной жидкости высокого давления на эжектор практически не снижает энергетических характеристик ЖРД. На рисунке. 2.52, а приведена конструкция эжектора с двенадцатью соплами, расположенными по окружности камеры смешения с углом выхода в 18°. При соотношении расхода активной жидкости к эжектируемой до 25%, напор основного потока значительно возрастает. Однако КПД такого устройства на оптимальном режиме достига­ет не более 0,15. Малая напорная способность эжекторов при КПД от 0,08 до 0,2 ограничивает их применение в современных ТНА ЖРД.

Реактивное движение - это такой процесс, при котором от определенного тела с некоторой скоростью отделяется одна из его частей. Сила, которая возникает при этом, работает сама по себе, без малейшего контакта с внешними телами. Реактивное движение стало толчком к созданию реактивного двигателя. Принцип работы его основан именно на этой силе. Как же действует такой двигатель? Попробуем разобраться.

Исторические факты

Идею использования реактивной тяги, которая позволила бы преодолеть силу притяжения Земли, выдвинул в 1903 году феномен российской науки - Циолковский. Он опубликовал целое исследование на данную тему, но оно не было воспринято серьезно. Константин Эдуардович, пережив смену политического строя, потратил годы трудов, чтобы доказать всем свою правоту.

Сегодня очень много слухов о том, что первым в данном вопросе был революционер Кибальчич. Но завещание этого человека к моменту публикации трудов Циолковского было погребено вместе с Кибальчичем. Кроме того, это был не полноценный труд, а лишь эскизы и наброски - революционер не смог подвести надежную базу под теоретические выкладки в своих работах.

Как действует реактивная сила?

Чтобы понять принцип работы реактивного двигателя, нужно понимать, как действует эта сила.

Итак, представим выстрел из любого огнестрельного оружия. Это наглядный пример действия реактивной силы. Струя раскаленного газа, который образовался в процессе сгорания заряда в патроне, отталкивает оружие назад. Чем мощнее заряд, тем сильнее будет отдача.

А теперь представим процесс зажигания горючей смеси: он проходит постепенно и непрерывно. Именно так выглядит принцип работы прямоточного реактивного двигателя. Подобным образом работает ракета с твердотопливным реактивным двигателем - это наиболее простая из его вариаций. С ней знакомы даже начинающие ракетомоделисты.

В качестве горючего для реактивных двигателей вначале применяли дымный порох. Реактивные двигатели, принцип работы которых был уже более совершенен, требовали топлива с основой из нитроцеллюлозы, которая растворялась в нитроглицерине. В больших агрегатах, запускающих ракеты, выводящие шаттлы на орбиту, сегодня используют специальную смесь полимерного горючего с перхлоратом аммония в качестве окислителя.

Принцип действия РД

Теперь стоит разобраться с принципом работы реактивного двигателя. Для этого можно рассмотреть классику - жидкостные двигатели, которые практически не изменились со времен Циолковского. В этих агрегатах применяется топливо и окислитель.

В качестве последнего используется жидкий кислород либо же азотная кислота. В качестве горючего применяют керосин. Современные жидкостные двигатели криогенного типа потребляют жидкий водород. Он при окислении кислородом увеличивает удельный импульс (на целых 30 процентов). Идея о том, что можно использовать водород, также родилась в голове Циолковского. Однако на тот момент по причине чрезвычайной взрывоопасности пришлось искать другое горючее.

Принцип работы состоит в следующем. Компоненты поступают в камеру сгорания из двух отдельных баков. После смешивания они превращаются в массу, которая при сгорании выделяет огромное количество тепла и десятки тысяч атмосфер давления. Окислитель подается в камеру сгорания. Топливная смесь по мере прохождения между сдвоенными стенками камеры и сопла охлаждает эти элементы. Далее горючее, подогретое стенками, попадет через огромное количество форсунок в зону воспламенения. Струя, которая формируется при помощи сопла, вырывается наружу. За счет этого и обеспечивается толкающий момент.

Кратко принцип работы реактивного двигателя можно сравнить с паяльной лампой. Однако последняя устроена значительно проще. В схеме ее работы нет различных вспомогательных систем двигателя. А это компрессоры, нужные для создания давления впрыска, турбины, клапана, а также прочие элементы, без которых реактивный двигатель просто невозможен.

Несмотря на то что жидкостные двигатели потребляют очень много горючего (расход топлива составляет примерно 1000 грамм на 200 килограммов груза), их до сих пор используют в качестве маршевых агрегатов для ракеты-носителей и маневровых для орбитальных станций, а также других аппаратов космического назначения.

Устройство

Устроен типичный реактивный двигатель следующим образом. Основные его узлы - это:

Компрессор;

Камера для сгорания;

Турбины;

Выхлопная система.

Рассмотрим данные элементы более подробно. Компрессор представляет собой несколько турбин. Их задача - всасывать и сжимать воздух по мере того, как он проходит через лопасти. В процессе сжатия повышается температура и давление воздуха. Часть такого сжатого воздуха подается в камеру сгорания. В ней воздух смешивается с топливом и происходит воспламенение. Этот процесс еще больше увеличивает тепловую энергию.

Смесь выходит из камеры сгорания на высокой скорости, а затем расширяется. Далее она следует еще через одну турбину, лопасти которой вращаются за счет воздействия газов. Эта турбина, соединяясь с компрессором, находящимся в передней части агрегата, и приводит его в движение. Воздух, нагретый до высоких температур, выходит через выпускную систему. Температура, уже достаточно высокая, продолжает расти за счет эффекта дросселирования. Затем воздух выходит окончательно.

Мотор самолета

В самолетах также используются эти двигатели. Так, например, в огромных пассажирских лайнерах устанавливают турбореактивные агрегаты. Они отличаются от обычных наличием двух баков. В одном находится горючее, а в другом - окислитель. В то время как турбореактивный мотор несет только топливо, а в качестве окислителя используется воздух, нагнетаемый из атмосферы.

Турбореактивный мотор

Принцип работы реактивного двигателя самолета основан на той же реактивной силе и тех же законах физики. Самая важная часть - это лопасти турбины. От размеров лопасти зависит итоговая мощность.

Именно благодаря турбинам вырабатывается тяга, которая нужная для ускорения самолетов. Каждая из лопастей в десять раз мощнее обыкновенного автомобильного ДВС. Турбины установлены после камеры сгорания там, где наиболее высокое давление. А температура здесь может достигать полутора тысяч градусов.

Двухконтурный РД

Эти агрегаты имеют массу преимуществ перед турбореактивными. Например, значительно меньший расход топлива при той же мощности.

Но сам двигатель имеет более сложную конструкцию и больший вес.

Да и принцип работы двухконтурного реактивного двигателя немного другой. Воздух, захватываемый турбиной, частично сжимается и подается в первый контур на компрессор и на второй - к неподвижным лопастям. Турбина при этом работает в качестве компрессора низкого давления. В первом контуре двигателя воздух сжимается и подогревается, а затем посредством компрессора высокого давления подается в камеру сгорания. Здесь происходит смесь с топливом и воспламенение. Образуются газы, которые подаются на турбину высокого давления, за счет чего и вращаются лопасти турбины, подающие, в свою очередь, вращательное движение на компрессор высокого давления. Затем газы проходят через турбину низкого давления. Последняя приводит в действие вентилятор и, наконец, газы попадают наружу, создавая тягу.

Синхронные РД

Это электрические моторы. Принцип работы синхронного реактивного двигателя аналогичен работе шагового агрегата. Переменный ток подается на статор и создает магнитное поле вокруг ротора. Последний вращается за счет того, что пытается минимизировать магнитное сопротивление. Эти моторы не имеют отношения к освоению космоса и запуску шаттлов.

Что первое приходит на ум при словосочетании «ракетные двигатели»? Конечно же, загадочный космос, межпланетные полеты, открытие новых галактик и манящее сияние далеких звезд. Во все времена небо притягивало к себе человека, оставаясь при этом неразгаданной тайной, но создание первой космической ракеты и ее запуск открыли человечеству новые горизонты исследований.

Ракетные двигатели по своей сути – это обычные реактивные двигатели с одной немаловажной особенностью: для создания реактивной тяги в них не используется атмосферный кислород в качестве окислителя топлива. Все, что нужно для его работы, находится либо непосредственно в его корпусе, либо в системах подачи окислителя и топлива. Именно эта особенность и дает возможность использовать ракетные двигатели в открытом космосе.

Видов ракетных двигателей очень много и все они разительно отличаются между собой не только особенностями конструкции, но и принципом работы. Именно поэтому каждый вид нужно рассматривать отдельно.

Среди основных рабочих характеристик ракетных двигателей особое внимание уделяется удельному импульсу – отношению величины реактивной тяги к массе расходуемого за единицу времени рабочего тела. Значение удельного импульса отображает эффективность и экономичность двигателя.

Химические ракетные двигатели (ХРД)

Этот тип двигателей на сегодняшний день является единственным, который массово используется для выведения в открытый космос космических аппаратов, кроме того, он нашел применение и в военной промышленности. Химические двигатели делятся на твердо- и жидкотопливные в зависимости от агрегатного состояния ракетного топлива.

История создания

Первыми ракетными двигателями были твердотопливные, а появились они несколько веков назад в Китае. С космосом их тогда мало что связывало, зато с их помощью можно было запускать военные ракеты. В качестве топлива использовался порошок, по составу напоминающий порох, только процентное соотношение его составляющих было изменено. В результате при окислении порошок не взрывался, а постепенно сгорал, выделяя тепло и создавая реактивную тягу. Такие двигатели с переменным успехом дорабатывались, совершенствовались и улучшались, но их удельный импульс все равно оставался малым, то есть конструкция была неэффективной и неэкономичной. Вскоре появились новые виды твердого топлива, позволяющие получить больший удельный импульс и развивать большую тягу. Над его созданием в первой половине ХХ века трудились ученые СССР, США и Европы. Уже во второй половине 40-х годов был разработан прототип современного топлива, используемого и сейчас.

Ракетный двигатель РД — 170 работает на жидком топливе и окислителе.

Жидкостные ракетные двигатели – это изобретение К.Э. Циолковского, который предложил их в качестве силового агрегата космической ракеты в 1903 году. В 20-х годах работы по созданию ЖРД начали проводиться в США, в 30-хх годах – в СССР. Уже к началу Второй мировой войны были созданы первые экспериментальные образцы, а после ее окончания ЖРД стали выпускаться серийно. Использовались они в военной промышленности для оснащения баллистических ракет. В 1957 году впервые в истории человечества был запущен советский искусственный спутник. Для его запуска использовалась ракета, оснащенная РЖД.

Устройство и принцип работы химических ракетных двигателей

Твердотопливный двигатель вмещает в своем корпусе топливо и окислитель в твердом агрегатном состоянии, причем контейнер с топливом – это одновременно и камера сгорания. Топливо обычно имеет форму стержня с центральным отверстием. В процессе окисления стержень начинает сгорать от центра к периферии, а газы, полученные в результате сгорания, выходят через сопло, образуя тягу. Это самая простая конструкция среди всех ракетных двигателей.

В жидкостных РД топливо и окислитель находятся в жидком агрегатном состоянии в двух раздельных резервуарах. По каналам подачи они попадают в камеру сгорания, где смешиваются и происходит процесс горения. Продукты сгорания выходят через сопло, образуя тягу. В качестве окислителя обычно используется жидкий кислород, а топливо может быть разным: керосин, жидкий водород и т.д.

Плюсы и минусы химических РД, их сфера применения

Достоинствами твердотопливных РД являются:

• простота конструкции;
• сравнительная безопасность в плане экологии;
• невысокая цена;
• надежность.

Недостатки РДТТ:

• ограничение по времени работы: топливо сгорает очень быстро;
• невозможность перезапуска двигателя, его остановки и регулирования тяги;
• небольшой удельный вес в пределах 2000-3000 м/с.

Анализируя плюсы и минусы РДТТ, можно сделать вывод, что их использование оправдано только в тех случаях, когда нужен силовой агрегат средней мощности, достаточно дешевый и простой в исполнении. Сфера их использования – баллистические, метеорологические ракеты, ПЗРК, а также боковые ускорители космических ракет (ими оснащаются американские ракеты, в советских и российских ракетах их не использовали).

Достоинства жидкостных РД:

• высокий показатель удельного импульса (порядка 4500 м/с и выше);
• возможность регулирования тяги, остановки и перезапуска двигателя;
• меньший вес и компактность, что дает возможность выводить на орбиту даже большие многотонные грузы.

Недостатки ЖРД:

• сложная конструкция и пуско-наладочные работы;
• в условиях невесомости жидкости в баках могут хаотично перемещаться. Для их осаждения нужно использовать дополнительные источники энергии.

Сфера применения ЖРД – это в основном космонавтика, так как для военных целей эти двигатели слишком дорогие.

Несмотря на то, что пока химические РД – единственные способные обеспечить вывод ракет в открытый космос, их дальнейшее усовершенствование практически невозможно. Ученые и конструкторы убеждены, что предел их возможностей уже достигнут, а для получения более мощных агрегатов с большим удельным импульсом необходимы другие источники энергии.

Ядерные ракетные двигатели (ЯРД)

Этот тип РД в отличие от химических вырабатывает энергию не при сгорании топлива, а в результате нагревания рабочего тела энергией ядерных реакций. ЯРД бывают изотопными, термоядерными и ядерными.

История создания

Конструкция и принцип работы ЯРД были разработаны еще в 50-хх годах. Уже в 70-хх годах в СССР и США были готовы экспериментальные образцы, которые успешно проходили испытания. Твердофазный советский двигатель РД-0410 с тягой в 3,6 тонны испытывался на стендовой базе, а американский реактор «NERVA» должен был устанавливаться на ракету «Сатурн V» до того, как спонсирование лунной программы было остановлено. Параллельно велись работы и над созданием газофазных ЯРД. Сейчас действуют научные программы по разработке ядерных РД, проводятся эксперименты на космических станциях.

Таким образом, действующие модели ядерных ракетных двигателей уже есть, но пока ни один из них так и не был задействован вне лабораторий или научных баз. Потенциал таких двигателей довольно высокий, но и риск, связанный с их использованием, тоже немалый, так что пока они существуют только в проектах.

Устройство и принцип действия

Ядерные ракетные двигатели бывают газо-, жидко- и твердофазными в зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива. Топливо в твердофазных ЯРД – это ТВЭЛы, такие же, как в ядерных реакторах. Они находятся в корпусе двигателя и в процессе распада делящегося вещества выделяют тепловую энергию. Рабочее тело – газообразный водород или аммиак – контактируя с ТВЭЛом, поглощает энергию и нагревается, увеличиваясь в объеме и сжимаясь, после чего выходит через сопло под высоким давлением.

Принцип работы жидкофазного ЯРД и его устройство аналогично твердофазным, только топливо находится в жидком состоянии, что позволяет увеличить температуру, а значит и тягу.

Газофазные ЯРД работают на топливе в газообразном состоянии. Обычно в них используется уран. Газообразное топливо может удерживаться в корпусе электрическим полем или же находится в герметичной прозрачной колбе – ядерной лампе. В первом случае возникает контакт рабочего тела с топливом, а также частичная утечка последнего, поэтому кроме основной массы топлива в двигателе должен быть предусмотрен его запас для периодического пополнения. В случае с ядерной лампой утечки не происходит, а топливо полностью изолировано от потока рабочего тела.

Преимущества и недостатки ЯРД

Ядерные ракетные двигатели имеют огромное преимущество в сравнении с химическими – это высокий показатель удельного импульса. Для твердофазных моделей его величина составляет 8000-9000 м/с, для жидкофазных – 14000 м/с, для газофазных – 30000 м/с. Вместе с тем, их использование влечет за собой заражение атмосферы радиоактивными выбросами. Сейчас ведутся работы по созданию безопасного, экологичного и эффективного ядерного двигателя, и главным «претендентом» на эту роль является газофазный ЯРД с ядерной лампой, где радиоактивное вещество находится в герметичной колбе и не выходит наружу с реактивным пламенем.

Электрические ракетные двигатели (ЭРД)

Еще один потенциальный конкурент химических РД – электрический РД, работающий за счет электрической энергии. ЭРД может быть электротермическим, электростатическим, электромагнитным или импульсным.

История создания

Первый ЭРД был сконструирован в 30-х годах советским конструктором В.П. Глушко, хотя идея создания такого двигателя появилась еще в начале ХХ века. В 60-х годах ученые СССР и США активно работали над созданием ЭРД, и уже в 70-х годах первые образцы начали использоваться в космических аппаратах в качестве двигателей управления.

Устройство и принцип работы

Электроракетная двигательная установка состоит из самого ЭРД, строение которого зависит от его типа, систем подачи рабочего тела, управления и электропитания. Электротермический РД нагревает поток рабочего тела за счет тепла, выделяемого нагревательным элементом, или в электрической дуге. В качестве рабочего тела используется гелий, аммиак, гидразин, азот и другие инертные газы, реже – водород.

Электростатические РД делятся на коллоидные, ионные и плазменные. В них заряженные частицы рабочего тела ускоряются за счет электрического поля. В коллоидных или ионных РД ионизация газа обеспечивается ионизатором, высокочастотным электрическим полем или газоразрядной камерой. В плазменных РД рабочее тело – инертный газ ксенон – проходит через кольцевой анод и попадает в газоразрядную камеру с катод-компенсатором. При высоком напряжении между анодом и катодом вспыхивает искра, ионизирующая газ, в результате чего получается плазма. Положительно заряженные ионы выходят через сопло с большой скоростью, приобретенной за счет разгона электрическим полем, а электроны выводятся наружу катодом-компенсатором.

Электромагнитные РД имеют свое магнитное поле – внешнее или внутреннее, которое ускоряет заряженные частицы рабочего тела.

Импульсные РД работают за счет испарения твердого топлива под действием электрических разрядов.

Преимущества и недостатки ЭРД, сфера использования

Среди преимуществ ЭРД:

• высокий показатель удельного импульса, верхний предел которого практически не ограничен;
• малый расход топлива (рабочего тела).

Недостатки:

• высокий уровень потребления электроэнергии;
• сложность конструкции;
• небольшая тяга.

На сегодняшний день использование ЭРД ограничено их установкой на космические спутники, а в качестве источников электроэнергии для них применяются солнечные батареи. Вместе с тем именно эти двигатели могут стать теми силовыми установками, которые дадут возможность исследовать космос, поэтому работы по созданию их новых моделей активно ведутся во многих странах. Именно эти силовые установки чаще всего упоминали фантасты в своих произведениях, посвященных покорению космоса, их же можно встретить и в научно-фантастических фильмах. Пока именно ЭРД является надеждой на то, что люди все же смогут путешествовать к звездам.

Космическая и солнечная радиация, логистика в условиях невесомости и другое. Но самая сложная проблема - это просто оторвать космический корабль от земли. Здесь не обойтись без ракетного двигателя, поэтому в этой статье мы рассмотрим именно это изобретение человечества.

С одной стороны, ракетные двигатели настолько просто устроены, что за небольшую копейку вы сможете построить ракету самостоятельно. С другой стороны, ракетные двигатели (и их ) настолько сложны, что доставкой людей на орбиту, по сути, занимаются только три страны мира.

Когда люди задумываются о двигателе или моторе, они думают о вращении. К примеру, бензиновый двигатель автомобиля производит энергию вращения, чтобы двигать колеса. Электродвигатель производит энергию вращения для движения вентилятора или диска. Паровой двигатель делает то же самое, чтобы вращать паровую турбину.

Ракетные двигатели принципиально отличаются. Ракетные двигатели - это . Основной принцип движения ракетного двигателя - это , «на каждое действие есть равное противодействие». Ракетный двигатель выбрасывает массу в одном направлении, а благодаря принципу Ньютона движется в противоположном направлении.

Понятие «выбрасывания массы и движения по принципу Ньютона» может быть сложно понять с первого раза, потому что ничего не разобрать. Ракетные двигатели, кажется, работают с огнем, шумом и давлением, а не «толкают вещи». Давайте рассмотрим несколько примеров, чтобы получить более полную картину реальности.

Если вы когда-нибудь стреляли из оружия, желательно из дробовика 12-го калибра, то вы знаете, что такое отдача. Когда вы стреляете из оружия, оно отдает вам в плечо, достаточно ощутимо. Этот толчок и есть реакция. Дробовик выпуливает около 30 грамм металла в одном направлении со скоростью больше 1000 км/ч, и ваше плечо чувствует отдачу. Если бы вы стояли на скейтборде или были в роликах, то выстрел из дробовика сработал бы как реактивный двигатель, и вы покатились бы в противоположном направлении.

Если вы когда-либо наблюдали за работой пожарного шлага, вы наверняка заметили, что его достаточно сложно удержать (иногда пожарные вдвоем и втроем его держат). Шланг работает как ракетный двигатель. Он выбрасывает воду в одном направлении, а пожарные используют свою силу, чтобы противостоять реакции. Если они упустят рукав, он будет метаться повсюду. Если бы пожарные стоял на скейтбордах, пожарный рукав разогнал бы их до приличной скорости.

Когда вы надуваете воздушный шарик и выпускаете его, он летает по всей комнате, испуская воздух, - так работает ракетный двигатель. В данном случае вы выпускаете молекулы воздуха из шара. Многие считают, что молекулы воздуха ничего не весят, но это не так. Когда вы выпускаете их из шарика, шарик летит в противоположном направлении.

Еще один сценарий, который поможет объяснить действие и противодействие, — это космический бейсбол. Представьте, что вы вышли в скафандре в космос недалеко от своего космического судна, и у вас в руке бейсбольный мяч. Если вы его бросите, ваше тело среагирует в противоположном направлении от мяча. Допустим, он весит 450 гр, а ваше тело вместе со скафандром весит 45 кг. Вы бросаете бейсбольный мяч весом почти в полкило со скоростью 34 км/ч. Таким образом, вы ускоряете полукилограммовый мяч своей рукой так, что он набирает скорость 34 км/ч. Ваше тело реагирует в противоположном направлении, но весит в 100 раз больше мяча. Таким образом, оно принимает одну сотую ускорения мяча, или 0,34 км/ч.

Если вы хотите создать большую тягу от своего бейсбольного мяча, у вас есть два варианта: увеличить его массу или увеличить ускорение. Вы можете бросить мячик потяжелее или бросать мячи один за другим, либо бросить мяч быстрее. Но на этом все.

Ракетный двигатель, как правило, выбрасывает массу в форме газа под высоким давлением. Двигатель выбрасывает массу газа в одном направлении, чтобы получить реактивное движение в противоположном направлении. Масса идет от веса топлива, которое сгорает в двигателе ракеты. Процесс горения ускоряет массы топлива так, что они выходят из сопла ракеты на высокой скорости. Тот факт, что топливо превращается из твердого тела или жидкости в процессе сгорания, никак не меняет его массу. Если вы сожжете килограмм ракетного топлива, вы получите килограмм выхлопа в виде горячих газов на высокой скорости. Процесс сжигания ускоряет массу.

«Сила» ракетного двигателя называется тягой. Тяга измеряется в ньютонах в метрической системе и «фунтах тяги» в США (4,45 ньютона тяги эквивалентны одному фунту тяги). Фунт тяги - это количество тяги, необходимое для удержания 1-фунтового объекта (0,454 кг) неподвижным относительно силы тяжести Земли. Ускорение земной гравитации составляет 9,8 м/с².

Одной из забавных проблем ракет является то, что топливный вес, как правило, в 36 раз больше полезной нагрузки. Потому что помимо того, что двигателю нужно поднимать вес, этот же вес и способствует собственному подъему. Чтобы вывести крошечного человека в космос, нужна огромная ракета и много-много топлива.

Обычная скорость для химических ракет составляет от 8000 до 16 000 км/ч. Топливо горит около двух минут и вырабатывает 3,3 миллиона фунтов тяги на старте. Три основных двигателя космического шаттла, например, сжигают топливо в течение восьми минут и вырабатывают около 375 000 фунтов тяги каждый в процессе горения.

Твердотопливные ракеты: топливная смесь

Ракетные двигатели на твердом топливе - это первые двигатели, созданные человеком. Они были изобретены сотни лет назад в Китае и используются до сих пор. О красных бликах ракет поется в национальном гимне (написанном в начале 1800-х) - имеются в виду небольшие боевые ракеты на твердом топливе, используемые для доставки бомб или зажигательных устройств. Как видите, такие ракеты существуют уже давненько.

Идея, которая лежит в основе ракеты на твердом топливе, довольно проста. Вам нужно создать нечто, что будет быстро гореть, но не взрываться. Как вы знаете, порох не подходит. Оружейный порох на 75 % состоит из нитрата (селитры), 15 % угля и 10 % серы. В ракетном двигателе взрывы не нужны - нужно, чтобы топливо горело. Можно изменить смесь до 72 % нитрата, 24 % угля и 4 % серы. Вместо пороха вы получите ракетное топливо. Эта смесь будет быстро гореть, но не взорвется, если правильно ее загрузить. Вот типичная схема:

Слева вы видите ракету до зажигания. Твердое топливо отображается зеленым цветом. Оно в форме цилиндра с трубой, просверленной по центру. При зажигании горючее сгорает вдоль стенки трубы. По мере горения оно выгорает к корпусу, пока не сгорит полностью. В небольшой модели ракетного двигателя или крошечной ракетке процесс горения может длиться в течение секунды или того меньше. В большой ракете же топливо горит не менее двух минут.

Твердотопливные ракеты: конфигурации

Читая описание для современных твердотопливных ракет, часто можно найти вот такое:

«Ракетное топливо состоит из перхлората аммония (окислитель, 69,6 % по весу), алюминия (топливо, 16 %), оксида железа (катализатор, 0,4 %), полимера (связующей смеси, удерживающей топливо вместе, 12,04 %) и эпоксидный отверждающий агент (1,96 %). Перфорация выполнена в форме 11-конечной звезды в переднем сегменте двигателя и в форме дважды усеченного конуса в каждом из остальных сегментов, включая конечный. Такая конфигурация обеспечивает высокую тягу при розжиге, а затем уменьшает тягу примерно на треть спустя 50 секунд после старта, предотвращая перенапряжение аппарата во время максимального динамического давления». - NASA

Здесь объясняется не только состав топлива, но и форма канала, пробуренного в центре топлива. «Перфорация в виде 11-конечной звезды» может выглядеть вот так:

Смысл в том, чтобы увеличить площадь поверхности канала, а значит, увеличить площадь выгорания, а значит - тягу. По мере того, как топливо сгорает, форма меняется к кругу. В случае с космическим шаттлом такая форма дает мощную начальную тягу и чуть послабее - в середине полета.

Твердотопливные двигатели обладают тремя важными преимуществами :

• простота
• низкая стоимость
• безопасность

Но есть и два недостатка :

• тягу невозможно контролировать
• после зажигания двигатель нельзя отключить или запустить повторно

Недостатки означают, что твердотопливные ракеты полезны для непродолжительных задач (ракеты) или систем ускорения. Если вам понадобится управлять двигателем, вам придется обратиться к системе жидкого топлива.

Жидкотопливные ракеты

В 1926 году Роберт Годдард испытал первый двигатель на основе жидкого топлива. Его двигатель использовал бензин и жидкий кислород. Также он пытался решить и решил ряд фундаментальных проблем в конструкции ракетного двигателя, включая механизмы накачки, стратегии охлаждения и рулевые механизмы. Именно эти проблемы делают ракеты с жидким топливом такими сложными.

Основная идея проста. В большинстве жидкотопливных ракетных двигателях топливо и окислитель (например, бензин и жидкий кислород) закачиваются в камеру сгорания. Там они сгорают, чтобы создать поток горячих газов с высокой скоростью и давлением. Эти газы проходят через сопло, которое еще больше их ускоряет (от 8000 до 16 000 км/ч, как правило), а после выходят. Ниже вы найдете простую схему.

Эта схема не показывает фактические сложности обычного двигателя. К примеру, норальное топливо - это холодный жидкий газ вроде жидкого водорода или жидкого кислорода. Одной из крупных проблем такого двигателя является охлаждение камеры сгорания и сопла, поэтому холодная жидкость сначала циркулирует вокруг перегретых частей, чтобы охладить их. Насосы должны генерировать чрезвычайно высокое давление, чтобы преодолеть давление, которое создает в камере сгорания сжигаемое топливо. Вся эта подкачка и охлаждение делает ракетный двигатель больше похожим на неудачную попытку сантехнической самореализации. Давайте посмотрим на все виды комбинаций топлива, используемого в жидкотопливных ракетных двигателях:

• Жидкий водород и жидкий кислород (основные двигатели космических шаттлов).
• Бензин и жидкий кислород (первые ракеты Годдарда).
• Керосин и жидкий кислород (использовались на первой ступени «Сатурна-5» в программе «Аполлон»).
• Спирт и жидкий кислород (использовались в немецких ракетах V2).
• Четырехокись азота/монометилгидразин (использовались в двигателях «Кассини»).

Будущее ракетных двигателей

Мы привыкли видеть химические ракетные двигатели, которые сжигают топливо для производства тяги. Но есть масса других способов для получения тяги. Любая система, которая способна толкать массу. Если вы хотите ускорить бейсбольный мячик до невероятной скорости, вам нужен жизнеспособный ракетный двигатель. Единственная проблема при таком подходе - это выхлоп, который будет тянуться через пространство. Именно эта небольшая проблема приводит к тому, что ракетные инженеры предпочитают газы горящим продуктам.

Многие ракетные двигатели крайне малы. К примеру, двигатели ориентации на спутниках вообще не создают большую тягу. Иногда на спутниках практически не используется топливо - газообразный азот под давлением выбрасывается из резервуара через сопло.

Новые конструкции должны найти способ ускорить ионы или атомные частицы до высокой скорости, чтобы сделать тягу более эффективной. А пока будем пытаться делать и ждать, что там еще выкинет Элон Маск со своим SpaceX.

Жидкостный ракетный двигатель – это двигатель, топливом для которого служат сжиженные газы и химические жидкости. В зависимости от количества компонентов ЖРД делятся на одно-, двух- и трехкомпонентные.

Краткая история развития

Впервые использование сжиженного водорода и кислорода как топлива для ракет предложил К.Э. Циолковский в 1903 году. Первый прототип ЖРД создал американец Роберт Говард в 1926 году. Впоследствии подобные разработки проводились в СССР, США, Германии. Самых больших успехов добились немецкие ученые: Тиль, Вальтер, фон Браун. Во время Второй мировой войны они создали целую линейку ЖРД для военных целей. Есть мнение, что создай Рейх «Фау-2» раньше, они бы выиграли войну. Впоследствии холодная война и гонка вооружений стали катализатором для ускорения разработок ЖРД с целью применения их в космической программе. При помощи РД-108 были выведены на орбиту первые искусственные спутники Земли.

Сегодня ЖРД используется в космических программах и тяжелом ракетном вооружении.

Сфера применения

Как уже было сказано выше, ЖРД используется в основном как двигатель космических аппаратов и ракет-носителей. Основными преимуществами ЖРД есть:

• наивысший удельный импульс в классе;
• возможность выполнения полной остановки и повторного запуска в паре с управляемостью по тяге дает повышенную маневренность;
• значительно меньший вес топливного отсека в сравнении со твердотопливными двигателями.

Среди недостатков ЖРД:

• более сложное устройство и дороговизна;
• повышенные требования к безопасной транспортировке;
• в состоянии невесомости необходимо задействовать дополнительные двигатели для осаждения топлива.

Однако основным недостатком ЖРД является предел энергетических возможностей топлива, что ограничивает космическое освоение с их помощью до расстояния Венеры и Марса.

Устройство и принцип действия

Принцип действия ЖРД один, но он достигается при помощи разных схем устройств. Горючее и окислитель при помощи насосов поступают из разных баков на форсуночную головку, нагнетаются в камеру сгорания и смешиваются. После возгорания под давлением внутренняя энергия топлива превращается в кинетическую и через сопло вытекает, создавая реактивную тягу.

Топливная система состоит из топливных баков, трубопроводов и насосов с турбиной для нагнетания топлива из бака в трубопровод и клапана-регулятора.

Насосная подача топлива создает высокое давление в камере и, как следствие, большее расширение рабочего тела, за счет которого достигается максимальное значение удельного импульса.

Форсуночная головка – блок форсунок для осуществления впрыска топливных компонентов в камеру сгорания. Основное требование к форсунке – качественное смешивание и скорость подачи топлива в камеру сгорания.

Система охлаждения

Хотя доля теплоотдачи конструкции в процессе сгорания незначительна, проблема охлаждения актуальна ввиду высокой температуры горения (>3000 К) и грозит термическим разрушением двигателя. Выделяют несколько типов охлаждения стенок камеры:

Регенеративное охлаждение базируется на создании полости в стенках камеры, через которую проходит горючее без окислителя, охлаждая стенку камеры, а тепло вместе с охладителем (горючим) возвращается обратно в камеру.

Пристенный слой – это созданный из паров горючего слой газа у стенок камеры. Достигается этот эффект путем установки по периферии головки форсунок подающих только горючее. Таким образом горючая смесь испытывает недостаток окислителя, и горение у стенки происходит не так интенсивно, как в центре камеры. Температура пристенного слоя изолирует высокие температуры в центре камеры от стенок камеры сгорания.

Абляционный метод охлаждения жидкостного ракетного двигателя осуществляется нанесением на стенки камеры и сопел специального теплозащитного покрытия. Покрытие при высоких температурах переходит из твердого состояния в газообразное, поглощая большую долю тепла. Данный метод охлаждения жидкостного ракетного двигателя использовался в лунной программе «Аполлон».

Запуск ЖРД очень ответственная операция в плане взрывоопасности при сбоях в ее осуществлении. Есть самовоспламеняющиеся компоненты, с которыми не возникает трудностей, однако при использовании для воспламенения внешнего инициатора необходима идеальная согласованность подачи его с компонентами топлива. Скопление несгоревшего топлива в камере имеет разрушительную взрывную силу и сулит тяжелые последствия.

Запуск больших жидкостных ракетных двигателей проходит в несколько ступеней с последующим выходом на максимальную мощность, в то время как малые двигатели запускаются с моментальным выходом на стопроцентную мощность.

Система автоматического управления жидкостных ракетных двигателей характеризируется выполнением безопасного запуска двигателя и выхода на основной режим, контролем стабильной работы, регулировкой тяги согласно плану полета, регулировкой расходников, отключением при выходе на заданную траекторию. Вследствие не поддающихся расчетам моментов ЖРД оснащается гарантийным запасом топлива, чтобы ракета могла выйти на заданную орбиту при отклонениях в программе.

Компоненты топлива и их выбор в процессе проектирования являются решающими в схеме построения жидкостного ракетного двигателя. Исходя из этого, определяются условия хранения, транспортировки и технологии производства. Важнейшим показателем сочетания компонентов является удельный импульс, от которого зависит распределение процента массы топлива и груза. Размеры и масса ракеты рассчитываются при помощи формулы Циолковского. Кроме удельного импульса, плотность влияет на размер баков с компонентами горючего, температура кипения может ограничивать условия эксплуатации ракет, химическая агрессивность свойственна всем окислителям и при несоблюдении правил эксплуатации баков может стать причиной возгорания бака, токсичность некоторых соединений топлива может нанести серьезный вред атмосфере и окружающей среде. Поэтому фтор хотя и является лучшим окислителем, чем кислород, не используется ввиду своей токсичности.

Однокомпонентные жидкостные ракетные двигатели как топливо используют жидкость, которая, взаимодействуя с катализатором, распадается с выходом горячего газа. Основное преимущество однокомпонентных ЖРД в простоте их конструкции, и хотя удельный импульс таких двигателей небольшой, они идеально подходят как двигатели с малой тягой для ориентации и стабилизации космических аппаратов. Данные двигатели используют вытеснительную систему подачи горючего и ввиду небольшой температуры процесса не нуждаются в системе охлаждения. К однокомпонентным двигателям относятся также газореактивные двигатели, которые используются в условиях недопустимости тепловых и химических выхлопов.

В начале 70-х годов США и СССР разрабатывали трехкомпонентные жидкостные ракетные двигатели, которые использовали бы в качестве горючего водород и углеводородное горючее. Таким образом двигатель работал бы на керосине и кислороде при запуске и переключался на жидкий водород и кислород на большой высоте. Примером трехкомпонентного ЖРД в России есть РД-701.

Управление ракетой впервые было применено в ракетах «Фау-2» при использовании графитных газодинамических рулей, однако это снижало тягу двигателя, и в современных ракетах используются поворотные камеры, прикрепленные к корпусу шарнирами, создающими маневренность в одной или двух плоскостях. Кроме поворотных камер, используются также двигатели управления, которые закреплены соплами в противоположном направлении и включаются при необходимости управления аппаратом в пространстве.

ЖРД закрытого цикла – это двигатель, один из компонентов которого газифицируется при сжигании при небольшой температуре с малой частью другого компонента, полученный газ выступает как рабочее тело турбины, а после подается в камеру сгорания, где сгорает с остатками топливных компонентов и создает реактивную тягу. Основным недостатком данной схемы есть сложность конструкции, но при этом удельный импульс увеличивается.

Перспектива увеличения мощности жидкостных ракетных двигателей

В российской школе создателей ЖРД, руководителем которой долгое время был академик Глушко, стремятся к максимальному использованию энергии топлива и, как следствие, предельно возможному удельному импульсу. Так как максимальный удельный импульс можно получить лишь при повышении расширения продуктов сгорания в сопле, все разработки ведутся на поиски идеальной топливной смеси.