10.4. РЕГУЛИРОВАНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ТЯГИ

Есть несколько возможностей регулирования тяги ракетного Двигателя, вытекающих из самой формулы тяги

т. е. возможно изменять тогда как с остается практически постоянной величиной.

10.4.1. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЯГИ ЖРД

Начнем с ЖРД, изменение тяги которых осуществляется более широким набором средств, так как удельный импульс ЖРД зависит от соотношения компонентов, которое регулируется. Этого пути, однако, следует избегать, так как, помимо ухудшения характеристик, один из компонентов топлива, находящихся на борту, не будет полностью израсходован. Другой возможностью является изменение площади критического сечения — механическое, с использованием дроссельной иглы, или аэродинамическое, впрыском рабочего тела выше по потоку (метод вихревого клапана). Оба метода применялись на практике, хотя они не лишены недостатков: в механическом методе требуется охлаждение иглы, что представляет собой трудную задачу для конструктора и технолога, а аэродинамический метод сопровождается существенными потерями. Кроме того, уменьшение площади критического сечения приводит к повышению давления в камере сгорания, если только не снижать давления подачи. Повышение может ухудшить горение в камере вследствие снижения перепада давления на форсунках Арфу так что этот метод может использоваться только для случаев увеличения в довольно узком диапазоне.

Как следствие, если требуется широкий диапазон регулирования тяги, необходимо изменять давление в камере или массовый расход топлива. Так как зависимость от невелика, можно допустить, что величина тяги пропорциональна давлению в камере сгорания. Нужно, однако, помнить, что на малых высотах уменьшение может вызвать отрыв потока от стенки сопла. С другой стороны, не следует забывать и о квадратичной зависимости перепада давления на форсунках от расхода

поэтому, чтобы уменьшить расход в 3 раза, давление впрыска нужно понизить в 9 раз, что ухудшит распыливание и смешение и может привести к возникновению неустойчивости. Как следствие, при дросселировании тяги расход уменьшают не более чем в 2—3 раза. В вытеснительной системе подачи это обеспечивается регуляторами с переменным проходным сечением, а в турбонасосной системе — изменением мощности турбины путем регулирования расхода через газогенератор.

Другой возможностью является изменение проходных сечений форсунок смесительной головки; для заданного давления подачи эта мера позволяет увеличить перепад давления на форсунках с улучшением распыла струй. Этот метод требует высокого уровня проектирования и с успехом используется

на практике. Еще одна возможность состоит в том, чтобы использовать группы форсунок с автономным подводом топлива к каждой из них, чтобы при необходимости отключать некоторые из групп. Предпочтительнее всего одновременно регулировать и параметры системы подачи, и условия на входе в камеру. В этом случае нет ограничений по коэффициенту тяги и потери в камере остаются на низком уровне. Таким путем осуществлялось регулирование в ЖРД посадочного лунного модуля, тяга которого могла изменяться от 45 до Этот ЖРД работает на азотном тетраксиде и аэрозине-50 (смесь гидразина и монометилгидразина в соотношении 1:1). Горючее подается вдоль оси камеры сгорания в цилиндрическое кольцо, окислитель впрыскивает радиально, сталкиваясь с горючим. Для защиты стенки камеры используется завеса из струй горючего (10% расхода на полной тяге, 25% - на минимальной). Камера сгорания этого двигателя изготовлялась из фенолпласта, армированного кварцевой нитью, который под действием тепла аблирует в результате реакции

Внутренняя оболочка из абляционного материала устанавливается в титановом корпусе. Расширяющаяся часть сопла выполнена из ниобия с покрытием из дисилицида ниобия от сечения с до выходного сечения с и охлаждается излучением. Титановый корпус теплоизолирован (стекловатой в стальной оболочке).

10.4.2. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЯГИ РДТТ

Для регулирования величины тяги в РДТТ, установленных, например, на ракетах, предпочтительнее применять твердотопливный газогенератор. Расход продуктов сгорания в газогенераторе можно изменять, используя тот факт, что скорость горения большинства ТРТ зависит от давления. Эта особенность позволяет предложить простую схему регулирования тяги с переменным расходом (рис. 125, а). Давление в генераторе регулируется изменением площади проходного сечения в клапане: при ее уменьшении давление возрастает, что вызывает рост скорости горения и, следовательно, расхода.

Такая система регулирования с обратной связью, позволяющая изменять в пределах 10-1 (от 0,7 до в конкретном РДТТ) и увеличивать расход продуктов сгорания в пределах описана в работе [175].

Аналогичный принцип регулирования используется в другом газогенераторном РДТТ [115]. Горячие газы из твердотопливного газогенератора поступают в двигатель через

Рис. 125. Системы с переменным расходом для регулирования тяги [175].

трехпозиционный клапан для обеспечения осевой тяги в соответствии с определенной командой (рис. 125,б). Когда требуется отсечка тяги, клапан закрывается и поток из газогенератора либо прекращается, либо направляется в систему стабилизации. Эффективность такого РДТТ определяется свойствами газовой смеси, истекающей из основного сопла. Его характеристики можно улучшить, используя фторуглеродное ТРТ на основе ПХА, содержащее высокий процент твердых компонентов, и обычный газогенератор. Такие газогенераторные РДТТ прошли успешные испытания при более чем 36 циклах срабатывавания клапана.

Другим примером являются разработки модельных РДТТ для оценки перспективных ТРТ. Фирма «Аэроджет» [152] разработала два таких двигателя, в которых площадь критического сечения сопла может изменяться более чем в 2,5 раза. Один из них применялся в качестве источника газов для сравнительного исследования различных систем управления выхлопной струей в РДТТ; другой использовался для исследования характеристик гашения различных топлив.

Оба двигателя снабжены центральным телом (дроссельной иглой), перемещаемым в осевом направлении в окрестности горловины сопла с помощью гидропривода. На рис. 126, а показан принцип работы регулируемого таким образом сопла,

а на рис. 126,б схематически изображено регулируемое сопло фирмы «Аэроджет». Центральное тело, установленное на стойках крепления, перемещается по команде влево или вправо вдоль оси двигателя, изменяя таким образом площадь критического сечения сопла. Когда центральное тело переводится в крайнее левое положение, при котором площадь критического сечения максимальна, происходит погасание заряда. При перемещении центрального тела в крайнее правое положение

Рис. 126. Принцип работы регулируемого сопла с центральным телом (а) и натурное разрезное регулируемое сопло с центральным телом (фирма «Аэроджет») системы регулирования вектора тяги (б) [152]. 1 - обечайка корпуса РДТТ со стойками крепления центрального тела; 2 — центральное тело сопла с гидроприводом; 5 — карданный подвес сопла; 4 — привод для управления вектором тяги в плоскости рыскания; 5 — профилированный внутренний вкладыш горловины сопла; 6 — выходной раструб сопла; 7 — узел горловины сопла; 8 — привод управления вектором тяги в плоскости таигажа.

площадь критического сечения минимальна и двигатель работает при максимальном давлении, развивая максимальную тягу. При промежуточном положении центрального тела величины рабочего давления и тяги РДТТ определяются баллистическими свойствами ТРТ, особенно показателем степени в законе скорости горения (желателен показатель степени 0,85-0,95).

Для рассматриваемого РДТТ было специально разработана топливо, имеющее высокую скорость горения и высокий пока затель степени в законе горения. Оно отличается от обычных СТТ по целому ряду признаков: 1) ПХА предварительно подвергнут частичному термическому разложению для получения частиц с контролируемой пористостью кристаллической решетки; 2) пластинчатые частицы алюминия вместо сферических;

3) добавки для улучшения характеристик гашения и/или

4) катализатор, ускоряющий разложение ПХА. Топливо такого типа названо «регулируемым» ТРТ. Чтобы предотвратить преждевременное самопроизвольное воспламенение топлива, на торцевую часть заряда, обращенную к сопловому блоку, наносят слой медленногорящего топлива, содержащего ингибиторы горения и характеризующегося высоким газовыделением и низкотемпературными продуктами сгорания (что приводит к значительному снижению теплопередачи от нагретых поверхностей центрального тела и сопла к основному топливу). На рис. 127 показана зависимость площади критического сечения сопла от положения центрального тела для рассматриваемого РДТТ фирмы «Аэроджет». Перемещение центрального тела из крайнего правого положения в крайнее левое приводит к изменению площади критического сечения от 380,61 до Этому соответствует падение давления в камере двигателя с 13 до 0,7 МПа, что приводит к гашению заряда.

Процесс изготовления заряда, связанного с корпусомч РДТТ, показан на рис. 128 [152]. Он включает следующие технологические операции.

а) Нанесение термоизоляции. Внутреннюю поверхность корпуса двигателя сначала очищают, промывают и высушивают. Затем на нее наносят первичный слой поливинилфенольного покрытия, которое после полимеризации также промывают и просушивают. Далее последовательно наносят первичный и адгезионный эпоксидные слои и слой теплозащитного покрытия на основе ПБАН с асбестовым наполнителем, а в зоне соплового днища корпуса, где предусмотрена раскрепляющая манжета торца заряда, помещают ленту из тефлона. После этого в корпусе устанавливают предохранительный экран из пористого асбеста, предотвращающий прилипание к термоизоляции надувного резинового мешка, используемого для удержания ее на. месте во время отверждения. Затем мешок, экран и

Рис. 127. Изменение площади критического сечения в зависимости от положения центрального тела [152]. по геометрии; по аэродинамике.

Рис. 128. Технология изготовления РДТТ на регулируемом топливе [152]. 1 - корпус двигателя; 2 — первичный слой эпоксида; 3 — адгезионный слой эпоксида; 4 — термоизоляция; 5 — экран; 6 — промежуточный адгезионный слой; 7 — топливо.

тефлоновые ленты убирают, изоляцию зачищают, шлифуют, промывают и высушивают.

б) Нанесение адгезионного промежуточного слоя. Перед нанесением адгезионного слоя (который предназначен для обеспечения адгезии между термоизоляцией и топливом) в зоне соплового днища помещают экран из пористого асбеста, а вдоль оси корпуса устанавливают необходимое оборудование. Корпус двигателя выдерживают в течение при затем поверх изоляции наносят кистью адгезионный слой и оставляют его отверждаться при

в) Заливка заряда основного ТРТ. Двигатель помещают в вакуумную камеру, монтируют прессовое оборудование и заливают корпус массой основного ТРТ. Далее в течение 5 мин производят виброуплотнение топлива и оставляют его отверждаться при до достижения требуемой твердости по Шору. После отверждения прессовое и литейное оборудование убирают, а задний торец заряда подвергают механической обработке.

Рис. 129. Разрез модельного регулируемого газогенератора [152]. 1 — пропилы в заряде; 2 — заряд регулируемого ТРТ; 3 - защитный слой медленногорящего топлива; 4 — регулируемое сопло с центральным телом.

г) Заливка заряда медленногорящего топлива. Двигатель устанавливают в вакуумную камеру и размещают литейное оборудование. Дополнительный слой медленногорящего топлива наносят на задний торец заряда основного топлива и оставляют его отверждаться при температуре 79 °С (в течение четырех суток) до достижения требуемой твердости по Шору. Затем литейное оборудование убирают и заряду придают окончательную форму.

На рис. 129 показан разрез модельного регулируемого РДТТ. Диаметр корпуса двигателя 0,76 м, длина 2,69 м, а характеристики приведены в табл. 19. Двигатель характеризуется относительно низким коэффициентом заполнения камеры топливом, поскольку в нем предусмотрен увеличенный свободный объем между задним торцом заряда и сопловым блоком для предотвращения повторного самовоспламенения

Таблица 19. (см. скан) Характеристики модельного регулируемого РДТТ [152].

основного топлива под действием лучистого теплового потока от нагретых поверхностей соплового блока. Защитный слой медленногорящего топлива способствует диссипации тепловой энергии, генерируемой при работе двигателя. Канал заряда имеет форму прямого кругового цилиндра с пятью симметричными пропилами шириной 5 см. Материалами для промежуточного адгезионного слоя служили изготовленные из полиуретана наполненные нейтральные каучуки и (для покрытия кормовой части корпуса).

Заданный рабочий цикл регулируемого РДТТ показан на рис. 130. Он включает три последовательных запуска, соответствующие маршевому режиму, участку ускорения и конечному участку полета. На рис. 131 приведены записи осевой составляющей тяги, давления в камере РДТТ и давления в вакуумкамере (в которой производился запуск РДТТ), моделирующей начальную высоту полета 29 км. На первом режиме двигатель запускался и работал в течение запланированных 4,1 с при среднем давлении в камере 1,35 МПа (на 20% ниже расчетного). После подачи команды на отсечку тяги давление в камере упало с 1,65 до 0,35 МПа и произошло погасание заряда. Двигатель был запущен повторно через 180 с (период «безмоторного полета») и работал в течение запланированных 2,0 с при среднем рабочем давлении (расчетное 13МПа). Максимальное давление в камере и максимальная тяга на этом режиме составили 10,5 МПа и 675 кН соответственно.

Рис. 130. Режимы испытаний регулируемого РДТТ.

Рис. 131. (см. скан) Регистрограммы испытаний регулируемого РДТТ [152].

Затем вновь поступила команда на отсечку тяги, давление в камере РДТТ уменьшилось от начального значения 7,25 до — 0,3 МПа и произошло погасание заряда. После второго периода ожидания длительностью 20 с двигатель был вновь запущен для проведения третьего режима огневых испытаний, который продолжался 3 с до полного выгорания заряда.

(кликните для просмотра скана)

Рис. 133 (см. скан) (продолжение)

Второй регулируемый РДТТ (рис. 132) имеет следующие размеры: полная длина 4,14 м, длина двигателя 2,49 м, диаметр 1,19 м. Заряд РДТТ имеет массу 2725 кг и по форме почти аналогичен заряду рассмотренного выше регулируемого РДТТ (за исключением того, что вместо 5 пропилов было 7). В каждом запуске в начальный период времени продолжительностью 3 с центральное тело сопла устанавливалось в таком положении, чтобы давление в камере составляло 2,75 МПа, а затем — в таком, чтобы в течение 2 с давление составило 0,6 МПа.

Далее, через 0,2 с после того, как центральное тело полностью открывало сопло, должно было произойти погасание заряда. На рис. 133 приведены результаты огневых испытаний; значения давлений, при которых происходило погасание, составили 0,25, 0,18, 0,22, 0,21 и 0,18 МПа. Время, прошедшее с момента поступления команды на гашение, составляло 0,61, 0,58, 0,43, 0,53 и 0,48 с, что несколько больше расчетного (0,2 с). Колебания тяги и давления в камере РДТТ вызваны работой привода центрального тела сопла.

Наконец, следует упомянуть так называемые пульсирующие РДТТ. В этих двигателях гашение и повторный запуск достигаются благодаря механическому разделению слоев топлива тепловыми экранами. Каждый слой топлива имеет свой воспламенитель. Отсечка тяги (или ее регулирование) по команде в таких РДТТ невозможна. Однако существует множество приложений, в которых требуются отсечка тяги и повторный запуск в соответствии с заранее заданной программой. Важнейшим преимуществом пульсирующего двигателя является то» что в нем можно использовать топливо с любой желаемой рецептурой.