Жидкостные ракетные двигатели (стр. 29 из 36)

Последнийспособ регулирования может обеспечить наиболее полное и эффек-тивноеиспользование всей массы заряда. Его конструктивное решение ослож-няетсятребованием создания малоинерционного регулятора, работающего в условиях термического и эрозионного воздействия продуктов сгорания твердотопливного заряда.

Однокомпонентный ЖГГ. Работа однокомпонентного ЖГТ основана на использовании компонента топлива, обладающего экзотермической реакцией разложения (перекиси водорода, гидразина, изопропилнитрата, аммиака, несимметричного диметилгидразина и др.). Основными условиями, определяющими возможность использования компонента топлива в однокомпонентом ЖГГ, являются: способность к каталитическому или термическому разложению; устойчивость протекания процесса разложения; постоянство давления, температуры, химического состава и др.). Температура газа на выходе из ЖГТ не должна превышать допустимую для конструктивных элементов, находящихся под воздействием газового потока. Разложение компонента топлива может осуществляться каталитическим или термическим методом. Каталитическое разложение осуществляется подачей компонента топлива на активную поверхность твердого катализатора, размещенного во внутреннем объеме ЖГТ или вводом жидкого катализатора в камеру ЖГТ. Последний способ разложения в современных двигателях применяется лишь для некоторых специальных целей, так как он влечет за собой усложнение схемы и увеличение массы ЖРД

В современных ЖРД среди однокомпонентных газогенераторов наибольшее распространение получили перекисеводородные, т. е. работающие на перекиси водорода Н₂О₂.- Обычно применяется ее водный раствор, содержащий не менее 80—85%- (по весу) перекиси водорода; из растворов меньшей концентрации образуется газ с низкой температурой (и работоспособностью).

В качестве катализаторов используются перманганаты щелочных металлов (NaMn0₄, КМ1Ю4) или сетки из серебряной проволоки. Тепло, выделяющееся при разложении раствора перекиси водорода, затрачивается на испарение балластной воды и подогрев смеси паров воды и молекулярного кислорода, именуемой парогазом.

Кроме перекиси водорода однокомпонентными средствами газогенерации могут служить несимметричный диметилгидразин (НДМГ), гидразин, изопропилнитрат, окись этилена и другие вещества. НДМГ и гидразин используются в качестве компонентов основного топлива ЖРД, поэтому, применяя их как средства газогенерации, можно упростить конструкцию двигателя, повысить его надежность и облегчить эксплуатацию ракеты. НДМГ является эндотермическим соединением и при температуре, превышающей 350° С, способен быстро разлагаться, выделяя тепло, достаточное для нагрева продуктов разложения выше температуры начала интенсивного разложения (т. е. выше 350° С). Поэтому процесс разложения НДМГ, будучи возбужден, в дальнейшем может самоподдерживаться без дополнительного подвода тепла извне.

Использование гидразина в качестве однокомпонентного средства газогенерации также основывается на его способности к термическому разложению, причем распад гидразина сопровождается выделением такого количества тепла, которого вполне достаточно для того, чтобы поддержать процесс на

нужном температурном уровне. Важное преимущество гидразина по сравнению с другими однокомпонентными средствами газогенерации—отсутствие твердой фазы в продуктах разложения.

При термическом методе реакция протекает под действием тепла, получающегося за счет разложения ранее поступивших порций компонента топлива или подводимого от внешнего источника. Для запуска пусковой расход компонента топлива должен быть прогрет от постороннего источника тепла до температуры саморазложения (электросвеча, химический источник тепла и т. д.). Возможен изотопный подогрев, при котором во внутреннем объеме камеры ЖГГ размещают капсулы с радиоизотопом.

При расчете однокомпонентного ЖГТ задаются физико-химическими параметрами газа, потребным количеством катализатора, эффективным объемом и площадью смесительной головки ЖГТ. Параметры газа определяются на основании термодинамического расчета реакции разложения заданного компонента топлива.

Под эффективным объемом понимают внутренний объем ЖГГ (от головки до выходного сечения) за вычетом объема, занимаемого катализатором или тепловым аккумулятором. Потребное количество катализатора определяется условиями протекания реакции разложения и количеством разлагаемого компонента топлива.

Количество катализатора рассчитывают из условия обеспечения разложения секундного расхода компонента топлива

, Эффективный объем газогенератора определяется временем пребывания компонента в камере. Время пребывания в свою очередь определяется условиями протекания реакции разложения и находится экспериментально.

Двухкомпонентный ЖГГ. Работа двухкомпонентного ЖГГ основана на химической реакции между жидкими окислителем и горючим, подаваемыми во внутренний объем ЖГТ. Процесс горения топлива в двухкомпонентном ЖГГ протекает при таких значениях коэффициента избытка окислителя, при которых обеспечивается заданная температура газа на выходе из ЖГТ. Соответственно процесс в ЖГТ может проходить при избытке (восстановительные продукты ГГ) или недостатке (окислительные продукты ГГ) горючего. Выбор восстановительных или окислительных продуктов ГГ определяется конкретными задачами, решаемыми при проектировании ЖРД. При этом нужно учитывать, что величина RTвосстановительных продуктов ГТ, полученных из углеводородных топлив, при прочих равных условных выше RTокислительных. Применение окислительных продуктов ГТ обусловливает повышенные требования к коррозионной стойкости конструктивных элементов; при генерации восстановительного газа возможно наличие твердой фазы, вызывающей повышенный эрозионный износ конструктивных элементов, загромождение проходных сечений газовых трактов и т. п.

В результате отложения твердых продуктов неполного сгорания во внутреннем объеме ЖГГ может изменяться расчетное время пребывания газа в камере ЖГТ, условия смесеобразования и, как следствие этого, химический состав генерируемого газа.

Рис.85

Схемы двухкомпонентных ЖГГ

Огаосительно простым типом двухкомпонентного ЖГГ является одно-зонный, рис.85 а, в котором подвод компонентов топлива осуществляется только через смесительную головку 1. К недостаткам такого ЖГГ можно отнести сложность обеспечения устойчивого процесса горения, протекающего в условиях относительно низких температур. Указанного недостатка лишен многозонный газогенератор, рис.85 б. В этом газогенераторе имеются: смесительная головка 1, обеспечивающая подачу топлива для генерации высокотемпературного газа, пояс (пояса) разбавления 2, обеспечивающий подачу и смешение с высокотемпературным газом компонента топлива, находящегося в избытке. Конструкция, условия работы и методы расчета смесительной головки аналогичны головке камеры сгорания ЖРД. Соответственно внутренний объем таких ЖГГ делится на две зоны: горения и разбавления.

Рассматриваемый тип газогенератора позволяет: иметь в газогенераторе стабильный высокотемпературный очаг пламени (зону горения); организовывать наиболее эффективные образом ввод избыточного компонента топлива, обеспечивая тем самым минимальный объем зоны разбавления и равномерное поле температур по сечению газогенератора; подбирать объем зоны разбавления, обеспечивающий оптимальные параметры газа на выходе из газогенератора.

При проектировании двухкомпонентного ЖГГ рассчитывают объем ЖГГ, площади смесительной головки и пояса разбавления, смесеобразование и охлаждение.

В общем виде процесс газогенерации можно рассматривать как одновременное протекание взаимосвязанных процессов—горения и испарения топливных компонентов, идущих одновременно с разложением избыточного компонента топлива. Полнота реакций, протекающих при этих процессах, во многом зависит от организации рабочего процесса в ЖГГ и от времени пребывания в нем топлива.

В ряде случаев время пребывания топлива в ЖГГ оказывает определяющее влияние на химическое равновесие протекающей реакции, следовательно, на температуру и химический состав генерируемого газа. Например, для ЖГГ, вырабатывающего восстановительный газ, время пребывания, с одной стороны, должно быть достаточным для того, чтобы был завершен процесс частичного сгорания, испарения и разложения избыточного горючего, а с другой—при слишком большом времени пребывания и установлении химически равновесного процесса, из избыточного горючего могут образоваться побочные продукты с большой молекулярной массой (кокс, тяжелые смолы), что помимо снижения газовой постоянной может привести к загромождению газового тракта. Чтобы этого избежать, в ЖГГ, генерирующих восстановительный газ, иногда заведомо стремятся создать химически неравновесный рабочий процесс путем задания меньшего времени пребывания. Для каждого топлива при задан -ной температуре газа и конструктивном типе ЖГГ время пребывания подбирается экспериментально из условий получения наибольшего значения газовой постоянной и обеспечения стабильного протекания рабочего процесса.

При температуре газа порядка (1000—1200) К время пребывания топлива в однозонном ЖГГ - (0,004— 0,008) с.