10.2. УПРАВЛЕНИЕ ВЕКТОРОМ ТЯГИ В ЖРД

Управление вектором тяги в летательных аппаратах с ЖРД осуществляется несколькими способами (рис. 115): 1) поворо том камеры сгорания (или всего двигателя) в карданном подвесе; 2) поворотом выхлопных патрубков турбины; 3) поворотом сопла камеры сгорания; 4) использованием газовых рулей в сверхзвуковом потоке продуктов сгорания; 5) установкой

кольцевого дефлектора газовой струи; 6) вторичным впрыском рабочего тела; 7) использованием управляющих сопел. Первые пять способов требуют наличия гидравлических, пневматических или электрических приводов. Последние два обеспечивают управление вектором тяги изменением расхода вспомогательного рабочего тела.

В поворотных системах весь двигатель, сопло или выхлопные патрубки турбины установлены в подшипниках и могут поворачиваться в пределах какого-то угла с изменением направления вектора тяги. Это наиболее распространенный способ управления (маршевые двигатели ракет-носителей семейства «Сатурн», маршевый двигатель ВКС «Спейс Шаттл» с центральным телом), так как характеризуется минимальными потерями удельного импульса. Газовые рули и дефлекторы изменяют направление движения газового потока на выходе из сопла. Они доказали свою высокую надежность, но подвержены сильной эрозии и их применение приводит к потерям осевой тяги. Вторичный впрыск рабочего тела (газа или жидкости) через стенку расширяющейся части сопла в основной поток продуктов сгорания приводит к возникновению косых скачков уплотнения, вызывающих изменение направления истечения части газа. Вспомогательные управляющие сопла постепенно эволюционировали к ЖРД малой тяги, которые также используются для управления космическим аппаратом и регулирования скорости полета при выключенном маршевом двигателе. Маленькие верньерные ЖРД применялись на ракетах «Тор» и «Атлас». Они же используются в системе реактивного управления ВКС «Спейс Шаттл».

Рис. 115. Способы управления вектором тяги ЖРД. а - установка двигателя в карданном или шарнирном подвесе; верньерные сопла или двигатели.

В качестве рулевых приводов обычно используются гидроцилиндры, но возможно применение электромагнитных и пневматических (с турбинами) приводов. В пилотируемых полетах для надежности используются два вида приводов, дублирующих друг друга. Привод ЖРД, установленного в подвесе, одним концом крепится к ракете, другим — к двигателю (рис. 116). Узлы крепления должны обеспечивать передачу силы, причем со значительным запасом. Обычно двигатель снабжается двумя приводами, действующими в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, чтобы их совместная работа обеспечивала поворот двигателя в любом направлении. Максимальное отклонение при наличии двух приводов больше, чем для одного. К примеру, если привод допускает поворот на 7°, то два таких привода — уже на 10°. Очень важно, чтобы и другие элементы конструкции (трубопроводы, цапфы и подшипники) выдерживали нагрузки, связанные с поворотом двигателя.

Рис. 116. Основные элементы системы управления вектором тяги ЖРД установленного в карданном подвесе.

1 — привод (по одному в плоскостях тангажа и рыскания); 2 — рама крепления ЖРД к ракете; 3 подвес; 4 — поверхность стыка ЖРД и ракеты; 5 — подшипник подвеса.

10.2.1. ВТОРИЧНАЯ ИНЖЕКЦИЯ

Для вторичной инжекции возможно использование жидкостей (как инертных, так и компонентов топлива) и газов (которые можно отобрать в камере сгорания, получить в специальном газогенераторе или подать из специальной емкости). Эффективность работы системы вторичного впрыска можно оценить по двум параметрам: коэффициенту усиления и коэффициенту прироста тяги

где подстрочный индекс относится к управляющему (боковому) импульсу силы, а вторичный осевой удельный импульс — есть отношение увеличения осевой тяги к массе впрыскиваемого рабочего тела Заданный коэффициент усиления определяет количество рабочего тела, необходимого для создания управляющей боковой силы, тогда как коэффициент прироста тяги определяет потери удельного импульса двигателя, обусловленные появлением боковой силы. Если оба коэффициента известны, можно рассчитать полный эффект влияния выбранной системы вторичного впрыска. Коэффициент усиления определяет также максимальный расход, дополнительные объем и массу баков, рабочего тела наддува и элементов системы вторичного впрыска. Коэффициент прироста тяги позволяет оценить потери удельного импульса ЖРД. На оба параметра оказывают влияние расположение и ориентация каналов впрыска. В некоторых случаях впрыск по направлению потока дает лучшие результаты; несколько каналов вместо одного отверстия обычно обеспечивают более высокие характеристики. Конструктивно можно обеспечить коэффициент усиления, равный двум и более.

Расчеты показывают, что при отборе продуктов сгорания кислорода и водорода расход на управление вектором тяги должен составлять общего расхода [67]. Газогенераторная система по сравнению с системой отбора имеет лучшие характеристики, но более сложна. Система впрыска жидкости гораздо проще, но дает малое усиление и требует 5—6% общего расхода. Четыре блока впрыска обычно располагают равномерно по окружности сопла. Одновременно работает не более Двух смежных блоков.