Основные типы ракетных двигательных установок

Различают два понятия "двигатель" и "двигательная установка".

Ракетным двигателем называют камеру и совокупность агрегатов, узлов и трубопроводов, обеспечивающих дозированную подачу компонентов топли­ва в нее. Указанные узлы и агрегаты размещаются непосредственно на камере или на раме двигателя, используемой для его крепления и передачи тяги к си­ловому кольцу ракеты-носителя.

Ракетная двигательная установка (РДУ) - более сложное устройство. РДУ включает в себя следующие системы и агрегаты.

1) Двигатели. В составе РДУ может быть один однокамерный или многока­мерный маршевый двигатель или несколько однокамерных маршевых двигате­лей с заданной суммарной тягой. Наряду с маршевыми двигателями в составе РДУ могут быть и

вспомогательные двигатели с относительно небольшой тягой (рулевые, тормоз­ные и т.д).

2) Баки с компонентами топлива. Внутри и снаружи баков устанавли­ваются различные агрегаты и трубопроводы: клапаны, расходные и заправочные трубопроводы и др.

Рисунок 8 - РДУ с газобаллонной вытеснительной подачей:

1-баллон со СГ; 2,5,6-клапаны; 3,4-топливные баки; 7-камера

3) Системы автономного управления (САУ) и регулирования (САР)

4) Агрегаты систем наддува, продувок, контроля и др.

В зависимости от способа подачи компонентов топлива в камеру различают жидкостные РДУ с вытеснительной и насосной системами подачи топлива.

В РДУ с вытеснительной подачей компоненты топлива из баков в ка­меру подаются за счет энергии сжатых газов. Давление в топливных баках за счет их наддува газом поддерживается выше, чем в камерах.

Простейшая схема такой РДУ показана на рисунке 8. Двигательная установка состоит из камеры 7, топливных баков 3, 4, баллона со сжатым газом I и пневмоклапанов 2, 5, 6. При открытии клапана 2 сжатый газ из баллона поступает в газовую подушку топливных баков, давление в баках возрастает. При открытии клапанов 5 и 6 компоненты топлива поступают в камеру, в которой начинаются процессы горения и истечения продуктов сгорания из сопла. Для выключения двигателя необходимо закрыть клапаны2,5 и 6. Рассмотренная РДУ обладает достаточной простотой,, высокой надежностью и имеет широкое применение в тех случаях, когда необходимы малые тяги и не­большие суммарные импульсы. С увеличением суммарного импульса тяги воз­растают массы газа и баллона, поэтому использование вытеснительной подачи становится нерациональным. РДУ с такой подачей имеет еще один недостаток - низкое давление в камере. Его повышение связано с необходимостью повышать давление в топливных баках, а значит, и толщины их стенок. Это приводит к возрастанию массы баков и всей РДУ.

РДУ с насосной подачей компонентов топлива из баков в камеру имеют в своем составе насосы (как правило, шнекоцентробежные). Привод насосов осу­ществляется газовой турбиной, рабочим телом для которой является генератор­ный газ, вырабатываемый в специальном газогенераторе. Давление в баках такой РДУ поддерживается существенно ниже давления в камерах. Конструктивно аг­регаты насосной системы подачи входят в состав ЖРД. Различают ЖРД с насос­ной подачей, работающие по схеме без дожигания (схема "жидкость - жид­кость") и по схеме с дожиганием в камере генераторного газа (схемы "газ жид­кость" или "газ - газ").

В состав ЖРД без дожигания (ЖРД «открытой» схемы с газогенератором, работающим на основных компонентах топлива) (рисунок 9) входят камера, турбонасосный агрегат, включающий в себя насосы окислителя 3,горючего 5, и газовую турбину 4, газогенератор 6, клапаны. Компоненты топлива с помощью насосов через клапаны подаются в жидком виде в камеру, часть их через клапаны отбирается в газогенератор. Продукты сгорания из газогенератора (генераторный газ с избытком горючего или окислителя) поступают на газовую турбину 4, приводят ее во вращение и далее выбрасываются через специ­альное сопло или патрубок в атмосферу, создавая небольшую тягу. Газовая турбина приводит во вращение насосы.

В состав ЖРД без дожигания (ЖРД «открытой» схемы с газогенератором, работающим на однокомпонентном топливе – перекиси водорода (Н₂О₂) (рисунок 10), входят камера 3, турбонасосный агрегат, включающий в себя насосы на основных магистралях окислителя и горючего 2, газовую турбину 4, газогенератор 6, насос, подающий компонент в газогенератор 5, клапаны. При зажигании пирошашки пирогаз из газогенератора поступает на первичную раскрутку турбины, которая приводит в движение насосы. Основные компоненты поступают в камеру, а для последующей раскрутки турбины насос 5 подает перекись водорода Н₂О₂ в газогенератор и тем самым турбина поддерживает вращение за счет продукта разложения перекиси водорода. Чтобы увеличить тягу двигателя (форсирование двигателя), увеличивают количество перекиси в газогенератор на раскрутку турбины, при уменьшении подачи перекиси водорода в газогенератор (дросселирование двигателя) и уменьшении оборотов ротора турбины тяга двигателя уменьшается.

В ЖРД без дожигания (рисунки 9, 10) выброс генераторного газа после турбины в окружающее пространство, минуя камеру, снижает удельный импульс дви­гателя в целом. С увеличением давления в камере это сниже­ние становится все более ощутимым, поэтому такие схемы применяются до давлений в камере 10...12 Мпа.

ЖРД с дожиганием имеют практически тот же состав агрегатов, что и ЖРД без дожигания. Однако в данных дви­гателях генераторный газ после турбины не выбрасывается в окружающее пространство, а по газоводу направляется в ка­меру для дожигания. Различают ЖРД с дожиганием типа "газ - жидкость" и ЖРД с дожиганием типа "газ - газ". В ЖРД с дожиганием типа "газ - жидкость" (рисунок 11) имеется один турбонасосный агрегат и один тип газогенератора. В таком ЖРД один из компонентов топлива (на приведенной схеме - окислитель) полным расходом от насоса 6 подается в газогенератор 3, второй компонент (на схеме - горючее) поступает в газогенератор небольшим рас­ходом от автономного насоса 8, Генераторный газ таким об­разом имеет большой избыток окислителя (является окисли­тельным газом). Основной расход горючего от насоса 7 по­дается на охлаждение камеры 10 и далее через ее смеси­тельную головку в жидком виде поступает в камеру. После совершения работы на турбине окислительный генераторный газ подается в камеру, где и сжигается с основной массой горючего. Образовавшиеся продукты сгорания истекают через реактивное сопло, создавая тягу двигателя.

ЖРД с дожиганием типа «газ-газ» (рисунок 12)имеет два ТНА и два типа газогенераторов: окислительный 5 с избытком окислителя и восстановителей 8 с избытком горючего. Газ первого газогенератора служит ра­бочим телом турбины 2, приводящей во вращение насос окис­лителя 3, газ восстановительного газогенератора аналогично приводит во вращение турбину 11 и насос горючего 10. Ге­нераторные газы после турбин поступают по газоводам в ка­меру 1, дожигаются и, истекая, создают тягу. Двигатели с дожиганием имеют более высокий удельный им­пульс и допускают повышение давления в камере до 20 МПа и выше.

3 Требования к ракетным двигательным установ­кам

К двигательным установкам космических ракет, предъявляются ряд общих и специфических требований. К общим требованиям относятся следующие.

1) РДУ должны иметь высокие энергетические характери­стики. Высокая энергетика РДУ позволяет получать необхо­димые приращения скорости

Рисунок 9 – ЖРД «открытой» схемы с газогенератором, работающем на основных компонентах топлива: 1 и 2 – компоненты топлива; 3 и 5 – насосы; 4 – турбина; 6 - газогенератор

ступенями ракет-носителей при ограниченных запасах топлива, а следовательно, и началь­ных массах ракет.

2) РДУ должны иметь минимальную массу. Снижение массы РДУ достигается:

а) рациональной конструкцией всех систем и агрегатов;

б) использованием ракетного топлива с большой массовой плотностью (снижается объем топливных баков);

в) уменьшением остатков топлива в баках и полостях ЖРД после выключения.

3) РДУ должны обладать высокой надежностью функциониро­вания, т.е. работать безотказно в течение заданного вре­мени в заданных условиях.

Рисунок 10 – ЖРД «открытой» схемы с газогенератором, работающем на однокомпонентном топливе (Н₂О₂):1 - основные компоненты; 2 – насосы на магистралях основных компонентов; 3 – камера сгорания; 4 – турбина; 5 – насос для подачи компонента в газогенератор; 6 - газогенератор

Это достигается с помощью со­вершенствования принципиальных схем РДУ и ее конструкции, повышения качества изготовления, проведения большого объ­ема испытаний при подготовке к пуску.

4) Конструкция РДУ должна обладать высокой технологич­ностью, контроле - и ремонтопригодностью, низкой стоимо­стью, минимальным вредным воздействием на окружающую сре­ду и личный состав.

5) РДУ должны обеспечивать удобство эксплуатации, в ча­стности:

а) простоту и безопасность перевозки, хранения, обслу­живания и ремонта;

б) небольшую чувствительность к внешним воздействиям (к загрязнениям, ошибкам эксплуатирующего персонала при обслуживании и т.д.)

Рисунок 11 - ЖРД с дожиганием окислительного газа. (типа "газ –жидкость»): 1 - газовод; 2 - турбина; 3 - газогенератор; 4, 5, 9 - клапаны;

6, 7, 8 - насосы; 10 – камера ЖРД с дожиганием типа «газ – жидкость»

Рисунок 12 - ЖРД с дожиганием окислительного и восстанови­тельного газов типа "газ - газ":1 - камера; 2, 11 - турбины; 3,10 - насосы; 4, 6, 7, 9 - клапаны; 5 - окислительный газогенератор; 8 - восстанови­тельный газогенератор

В зависимости от назначения и условий функционирования к каждой конкретной РДУ, являются и специфические требования, к которым относятся:

1) кратность использования и включения;

2) точность выдаваемой тяги и удельного импульса;

3) участие в управлении полетом космической ракеты и т.д. Отметим, что наиболее жесткие требования предъявля­ются к РДУ космических ракет, обеспечивающих выведение пилотируемых космических кораблей, а также орбитальных и межпланетных станций.

Контрольные вопросы

1 Основы классификации ракетных двигателей.

2 Схемное построение ракетного двигателя на твердом топливе.

3 Схемное построение ракетного двигателя на гибридном топливе.

4 Схемное построение солнечного ракетного двигателя.

5 Схемное построение ядерного ракетного двигателя.

6 Схемное построение газового ракетного двигателя.

7 Схемное построение электростатического ракетного двигателя.

8 Чем отличаются понятия «ракетный двигатель» и «ракетная двигательная установка»?

9 Отличительные особенности РДУ с газобаллонной вытеснительной подачей.

10 Отличительные особенности РДУ с насосной пордачей.

11 Схемное построение ЖРД без дожигания.

12 Схемное построение ЖРД с дожиганием типа «газ-жидкость».

13 Схемное построение ЖРД с дожиганием типа «газ-газ».

14 Требования к ракетным двигательным установкам.

Литература

1 Гончар А.Г., Ковалев А.П., Поляков А.П. Ракетно-космический ком-

плекс как объект эксплуатации. Учебное пособие. – СПб.: ВИККИ им.

А.Ф. Можайского, 1977. – 98с.: ил.

2 Гузенко В.П., Ковалев А.П., Поляков А.П., Прохорович В.Е. Спра-

вочник по эксплуатации космических средств: Под ред. проф. А.П. По-

лякова. – СПб.: ВИКУ им. А.Ф. Можайского, 2001. – 480 с.: ил.

3 Машиностроительная гидравлика

4 Уманский С.П. Ракеты-носители. Космодромы. Под ред. Ю.Н.Коп-

тева. М., Изд-во Рестарт+, 2001. – 216 с.: ил.

5 Космодром / Под общ. ред. А.П. Вольского. – М.: Воениздат, 1977. –

312 с.: ил.

6 Эксплуатация ракетно-космических комплексов: Базовый курс лекций

/ Под общ. ред. А.П. Ковалева. – СПб.: ВИКУ им. А.Ф. Можайского,

2001. – 496 с.: ил.