9.2. ЖРД С КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ И ЦЕНТРАЛЬНЫМ ТЕЛОМ

В двигателе, показанном на рис. 95, используется сопло с центральным телом, которое лучше приспособлено для работы в условиях переменного атмосферного давления. Камера сгорания такого двигателя имеет форму кольца, размещенного вокруг центрального тела, образующего сопло. ЖРД с центральным телом значительно компактнее двигателя с обычным колоколообразным соплом. Экспериментальный образец, спроектированный и изготовленный фирмой «Рокетдайн», работал на жидких кислороде и водороде, которые использовались и для охлаждения. ЖРД разрабатывался на следующие параметры: рабочее давление в камере расчетная тяга в вакууме — 112500 Н, степень расширения сопла соотношение компонентов 5,5, удельный импульс в пустоте 471 с. Заданный Диапазон регулирования тяги Размеры двигателя: диаметр длина полная сухая масса (для

Рис. 95. Схема конструкции ЖРД с центральным телом [78]. Максимальное давление в камере сгорания степень расширения сопла 200, номинальное соотношение компонентов 5,5, диапазон дросселирования тяги удель импульс в пустоте 471 с, сухая масса длина диаметр главный клапан жидкого водорода; 2 — узел подвеса двигателя; 3 — камера сгора горючего; 5 — донная поверхность; 6 — вдув газа в донную область.

Рис. 96. Сегмент камеры сгорания [78]. 1 — оболочка; 2 — смесительный блок; 3 — коллектор питания жидкого водорода; 4 — область критического сечения; 5 — сопловая кромка.

сравнения, японский тягой 100000 Н имеет такой же диаметр, но почти в 5 раз длиннее; см. табл. 22 в гл. 12).

Камера сгорания состоит из 24 регенеративно охлаждаемых сегментов (рис. 96), смонтированных вместе с турбонасосным агрегатом, газогенератором и арматурой на легкой силовой раме в карданном подвесе (рис. 97). На последнем рисунке показана также последовательность отработки: сначала

изготавливался и испытывался охлаждаемый водой сегмент, затем несколько сегментов собирали в блок. Последним этапом являлась сборка всей кольцевой камеры.

В ЖРД с центральным телом, как показано на рис. 98, используется сопло, образуемое центральным усеченным конусом, в донную область которого вдувается газ для повышения давления, компенсирующего укорочение сопла. Продукты сгорания топлива истекают из камеры через кольцевое критическое сечение вдоль поверхности центрального тела, создавая

Рис. 97. Основные этапы отработки ЖРД с кольцевой камерой сгорания и центральным телом [78]. а — сегмент камеры стендовой конструкции с водяным охлаждением; сегмент камеры летной конструкции с регенеративным охлаждением; в — летный вариант конструкции двигателя.

Рис. 98. Схема работы двигателя с кольцевой камерой сгорания и центральным телом [78]. 1 - замыкающий скачок уплотнения; 2 — внешняя граница свободной струи; струи; донная поверхность; — кольцевое сопло; 6 — тороидальная камера сгорания; 7 — давление вспомогательного газа на донную поверхность (дополнительная сила тяги); 8 — основной поток.

(кликните для просмотра скана)

тягу. При работе двигателя в вакууме этот поток продолжает расширяться и после среза центрального тела, замыкая донную область. Рециркуляция части потока служит аэродинамической заменой металлической кромки центрального тела. Рециркуляция продуктов сгорания повышает давление в донной области выше окружающего. Это давление, действуя на срез центрального тела, создает дополнительную тягу. Вспомогательный газ, подаваемый через дно, обычно составляет малую часть (менее 0,2%) основного расхода и также способствует получению дополнительной тяги за счет увеличения донного давления. Сообща основной и вспомогательный потоки обеспечивают очень высокую эффективность работы ЖРД с центральным телом; величина его удельного импульса достигает 471 с.

На рис. 99 показано, что сопло этого типа нормально работает при различных внешних давлениях вследствие того, что с внешней стороны истекающий поток представляет собой свободную струю. На большой высоте свободная струя расширяется наружу в соответствии с закономерностями течения Прандтля — Майера. На уровне моря высокое давление окружающей среды поджимает истекающий поток к центральному телу, увеличивая статическое давление на стенке и у дна и исключая отрыв потока. Особенностью сопла с центральным телом является возможность его безопасной и надежной отработки в наземных условиях.

Принципиальная схема ЖРД с центральным телом приведена на рис. 100. Водород, нагретый до 660 К после прохождения каналов регенеративной системы охлаждения, подается параллельно в турбины ТНА окислителя и горючего. Пройдя турбины, водород (за исключением малой доли, подаваемой в донную область центрального тела) поступает в коллектор смесительной головки камеры сгорания.

Система управления двигателем проста и универсальна; она состоит из двух главных клапанов в магистралях питания окислителя и горючего, регулятора мощности турбины окислителя и байпасного клапана турбины. Регулирование тяги обеспечивается байпасным клапаном, с помощью которого регулируется расход подогретого водорода, идущего на турбины. Соотношение компонентов регулируется посредством изменения мощности турбины ТНА окислителя и, следовательно, изменения расхода окислителя.