Проектирование двигательной установки и элементов конструкции второй ступени баллистической ракеты (стр. 2 из 24)
При насосной системе подачи топлива нет необходимости поддерживать в баках высокое давление. Небольшое давление воздушной подушки в баках
, создаётся для обеспечения бескавитационной работы насосов. Насосная система подачи топлива значительно сложнее вытеснительной, но для двигателей средних и больших тяг она предпочтительнее, т. к. вес всей системы питания ЖРД, включая баки с топливом, будет меньше.Системы питания ЖРД с насосной подачей топлива бывают:
- с автономной (независимой) турбиной (схема “без дожигания”);
- с предкамерной турбиной (схема “с дожиганием”).
Системы ЖРД с автономной турбиной применяются для маршевых двигателей средней тяги (максимальное значение давления в КС
). Следует учитывать то, что автономные турбины являются высокоперепадными и малорасходными, а также то, что они снижают удельный импульс тяги двигателя на 2-6 % из-за выброса “мятого” газа за борт ракеты.Системы ЖРД с предкамерной турбиной используются в двигателях большой тяги с высоким давлением в КС
. Предкамерные турбины являются высокорасходными и низкоперепадными. Двигатели данной схемы более экономичны, так как в них исключаются потери удельного импульса тяги из-за расходования топлива на питание турбин.Так как проектируемый двигатель является двигателем средней тяги с давлением в КС
, то выбираем насосную систему подачи топлива без дожигания генераторного газа (рис. 1). 
Рис.1.1 Схема ЖРД с автономной турбиной: 1- насос горючего, 2- насос окислителя, 3- камера сгорания, 4-газогенератор, 5-турбина, 6-выхлопной патрубок.
1.2 Выбор давления в камере сгорания и на срезе сопла
Величина давления в камере сгорания влияет на удельный импульс, габариты и массу ДУ. Увеличение давления в КС ведет к росту удельного импульса двигателя, уменьшению линейных размеров КС и соответственно, к уменьшению массы двигателя.
Уменьшение площади критического сечения ведет к уменьшению расхода топлива. Но для подачи топлива в КС насосы должны создавать большие давления подачи, что требует повышения мощности турбины и расхода топлива на нее.
Уменьшение размеров КС вызывает трудности с размещением форсунок на форсуночной головке, а также может вызвать проблему охлаждения двигателя, так как растет теплонапряженность.
Выбирая давление в камере сгорания, необходимо учитывать, что выигрыш в увеличении удельного импульса, уменьшения габаритов и массы ДУ может быть потерян из-за увеличения расхода топлива на турбину и увеличения массы ТНА. В зависимости от схемы ЖРД и системы подачи топлива, существуют рекомендации на величину давления в камере сгорания:
- Для вытеснительной системы подачи топлива
.- Для насосной системы подачи топлива без дожигания генераторного газа (с автономной турбиной)
.- Для насосной системы подачи топлива с дожиганием генераторного газа с предкамерной турбиной работающей по схеме «газ-жидкость»
.- Для насосной системы подачи топлива с дожиганием генераторного газа с предкамерной турбиной работающей по схеме «газ-газ»
.Для проектируемого двигателя работающего без дожигания генераторного газа принимаем давление в камере
.Величина давления на срезе сопла, как и величина давления в камере сгорания, влияет на удельный импульс, габариты и массу ДУ.
При малых значениях давления на срезе сопла увеличивается величина удельного импульса. Но при этом размеры закритической части сопла увеличиваются, что приводит к росту массы ЖРД, а также к увеличению габаритов сопловой части двигателя.
Выбираем давление на срезе сопла минимальным при условии, что прирост удельного импульса компенсирует потери появившиеся за счет увеличения массы двигателя, а его габариты не окажут трудностей при компоновке.
В зависимости от назначения ДУ существуют рекомендации по выбору оптимального давления на срезе сопла:
- для первой ступени давление на срезе сопла принимают
.- на второй ступени давление на срезе сопла принимают
.Для проектируемого двигателя выбираем давление на срезе сопла равным
.1.3 Выбор количества камер сгорания двигательной установки
В зависимости от числа камер сгорания ДУ бывают:
- однокамерные – могут иметь один или два турбонасосных агрегата (ТНА);
- многокамерные – имеют один или два общих ТНА на все камеры ДУ;
- блочные – состоят из нескольких автономных независимых двигателей, объединённых общей рамой и общей системой управления.
При одной и той же тяге однокамерный двигатель большей тяги требует большего времени на доводку, чем многокамерная связка двигателей. При этом также повышается вероятность возникновения высокочастотных колебаний. Кроме того, связка двигателей имеет меньшие габаритные размеры по высоте и лучше заполняет объём двигательного отсека. Масса связки сопоставима с массой однокамерного двигателя. Но увеличение числа камер приводит к увеличению количества различных агрегатов, обеспечивающих работу двигателя, что снижает надёжность установки, также существенно усложняется система подачи топлива из-за разветвленной системы трубопроводов.
При выборе схемы двигательной установки мы будем руководствоваться значением тяги проектируемого двигателя. По существующим рекомендациям одна камера двигательной установки должна создавать тягу в интервале от 200 до 300 кН. Проектируемый двигатель имеет тягу равную 208кН, следовательно, выбираем число камер двигательной установки Z=1.
1.4 Управление вектором тяги
Для того, чтобы обеспечить заданную траекторию полёта ракеты, необходимо создать требуемые по величине и направлению управляющие силы и моменты.
Основными способами управления вектором тяги для ЖРД имеющих одну камеру сгорания являются следующие:
1) Основная камера неподвижна, управляющее усилия создаются четырьмя поворотными двигателями (рис.2а) или поворотными соплами, установленными в шарнирных подвесах. В случае использования рулевых двигателей возможно применять для них собственный ТНА, в этом случае возможен раздельный запуск основного и управляющих двигателей. К недостаткам можно отнести худшие массовые характеристики.
2) Основная камера неподвижна, вместо четырех камер используется две камеры (рис. 2б). В этом случае камеры качаются в двух плоскостях (камеры устанавливаются в карданном подвесе). Достоинством данной схемы является то, что сохраняется возможность управления при отказе одного из рулевых двигателей.
3)Основной двигатель расположен в карданном подвесе, следовательно камера качается в двух плоскостях создавая управляющие моменты по рысканью и тангажу. Для управления по крену применяются два качающихся в одной плоскости сопла (рис. 2в).
4) Основной двигатель расположен в карданном подвесе. Для управления по крену применяются управляющие сопла работающие на генераторном газе или двигатели ориентации (рис.2г).
Рис. 1.2 Способы управления вектором тяги
Из представленных вариантов управления вектором тяги на мой взгляд наиболее удобно осуществлять вторым из представленных способов т. к. данная схема обладает большими по сравнению с другими схемами достоинствами.
1.5 Регулирование тяги двигательной установки по величине
Регулирование тяги ЖРД необходимо как для сохранения постоянства тяги при изменении условий работы двигательной установки, так и для изменения тяги с целью обеспечения заданного режима полёта ракеты.
Существуют следующие способы регулирования тяги:
1. Изменение отношения
. Однако практически выполнить конструкцию, позволяющую изменять , сложно.2. Изменение площади критического сечения
:а) размещение в критическом сечении профилированной иглы (рис. 3). При этом обеспечивается возможность большого диапазона изменения тяги. Главный недостаток этого способа – значительное усложнение конструкции, в первую очередь, из-за трудности охлаждения подвижной иглы.
б) впрыском рабочего тела выше по потоку (метод вихревого клапана).
Рис. 1.3. Схема изменения
профилированной иглой: 1 – игла, 2 – уплотнение иглыДанные способы регулирования тяги сложны, и ведут к изменению рабочих параметров КС (рост давления, уменьшение перепада давления на форсунках и т.д.) поэтому практически не применяются.