Системы управления ЖРД

6.1. Система запуска ЖРД

Запуск двигательной установки является наиболее ответ­ственным динамическим режимом её работы, во время которого параметры рабочего процесса изменяются в широких пределах от нуля до номинальных значений; причем это из­менение происходит очень быстро, вследствие чего трудно, а иногда невозможно воздействовать на процесс запуска. Во время запуска на конструкцию двигательной установки и ракеты воздействуют различные динамические нагрузки, к которым относятся тепловой удар, давление и ускорение. Этим можно объяснить тот факт, что наибольшее количество отказов и аварий двигательной установки появля­ется во время запуска.

Весь процесс запуска условно можно разделить на два пе­риода:

- воспламенение топлива, поданного в камеру сгорания и газогенератор;

- выход двигательной установки на режим номинальных параметров.

Для безаварийного запуска необхо­димо обеспечить надежное воспламенение топлива, а также такое изменение параметров (в основном-давления в каме­ре сгорания и газогенераторе) во времени, которое не приво­дило бы к большим перегрузкам, действующим на конструк­цию, и взрывам. Процесс запуска начинается с открытия топливных клапанов. Компоненты топлива под действием сил давления насосов или гидростатических сил подаются в ка­меру двигателя с большими скоростями и в значительных ко­личествах. Если не отработано воспламенение, то может произойти выброс компонентов топлива из камеры без вос­пламенения или, наоборот, воспламенение со взрывом. По­ этому в камере двигателя должен создаваться мощный источник тепла, способный зажечь движущееся топливо.

Температура воспламенения паров топлива, применяемого в ЖРД, обычно не менее 300 °С. Такая температура может до­стигаться различными методами. В том случае, когда применяются самовоспламеняющиеся компо­ненты топлива, не требуется до­полнительных источников тепла.

Самовоспламеняющиеся ком­поненты топлива при обычных температурах реагируют при кон­такте в жидкой фазе с выделе­нием тепла, в результате чего обеспечивается разогрев и воспламенение. Такой вид воспламенения называется хими­ческим.

Несамовоспламеняющиеся компоненты топлива требуют для испарения и воспламенения подвода тепла от внешнего источника. Воспламенение топлива с внешним подводом тепла называется термическим.

Термическое воспламенение характеризуется минималь­ной температурой, при которой развивается процесс воспла­менения, и периодом задержки.

Период задержки воспламенения определяется временем от момента впрыска топлива в зону горения до момента по­явления пламени.

Для надежности запуска ЖРД в первую очередь должно быть га­рантировано воспламенение топлива при минимально возможном вре­мени выхода на режим. Сокращение времени выхода на режим позво­ляет уменьшить необходимый запас топлива, а, следовательно, умень­шить стартовый вес, что особенно важно для космических и баллистиче­ских ракет.

В некоторых случаях, кроме того, должна быть обеспечена возмож­ность многократного запуска, запуска двигателя в высотных условиях или в условиях космического полета. Специфические требования к орга­низации запуска возникают при запуске камер двигателей больших тяг.

В зависимости от характера выхода на режим принято различать плавный, ступенчатый и пушечный запуски.

Важными характеристиками запуска являются скорость нара­стания давления в камере при запуске (dР/dt) и величина за­броса (или пика) давления, т. е. величина отношения наибольшего давления в камере при запуске к номинальному.

Величины скорости нарастания давления и заброса давления ха­рактеризуют жесткость запуска. Чем больше эти величины, тем бо­лее жестким является запуск. На рис.87. приведены типичные графики изменения давления в камере сгорания при запуске. Запуск, протекаю­щий в соответствии с кривой 3, очевидно, является наиболее жестким.

При больших значения dР/dt и большом забросе давления появ­ляется опасность разрушения и даже взрыва камеры, как вследствие потери ее прочности, так и в результате возникновения детонационного горения топлива.

Основное влияние на жесткость запуска оказывает время задержки воспламенения топлива t_з. Очевидно, чем больше значение t_з, тем больше успеет накопиться топлива до начала воспламенения и тем больше будет заброс давления.

Рис.87

Изменение давления в камере при запуске:

1 – плавный запуск; 2 – ступенчатый запуск; 3 – жесткий запуск;

t_з – время задержки воспламенения

При плавном запуске воспламенение происходит при неболь­шом расходе топлива и с последующим сравнительно плавным нара­станием расхода топлива. Плавный запуск характерен для ЖРД малых и средних тяг с турбонасосной системой подачи. При этом плавность на­растания расхода топлива обеспечивается за счет инерции ТНА. Про­должительность запуска определяется в основном временем выхода ТНА на номинальный режим («раскруткой ТНА»).

Ступенчатый запуск характерен введением промежуточной (или предварительной) ступени работы ЖРД и иногда целесообразен при запуске двигателей больших тяг. Необходимость введения промежу­точной ступени обусловлена тем, что с ростом тяги, а, следовательно, и мощности ТНА время, расходуемое на раскрутку ТНА (инерцион­ность ТНА) уменьшается. В результате влияние инерционности ТНА на скорость нарастания давления становится ничтожным, так что запуск приходится смягчать введением промежуточного режима.

При запуске ЖРД, работающих на несамовоспламеняющихся ком­понентах, введение предварительной ступени обеспечивает прогрев ка­меры и образование надежного факела.

Пушечным называют запуск, при котором сразу подается пол­ный расход топлива. В чистом виде пушечный запуск не применяется, так как при этом получился бы очень большой заброс давления в камере, поэтому в системе подачи или в головке двигателя всегда устанавли­ваются устройства, смягчающие запуск. Запуски, близкие к пушечному, возможны при использовании вытеснительных систем подачи.

6.2. Способы воспламенения горючих смесей

В классификации задач, возлагаемых на системы управления ДУ, задача воспламенения горючих смесей отнесена к обеспечению нестационарного процесса запуска двигателя и решается с помощью авто­номных систем воспламенения топлив в камерах и газогенераторах ЖРД.

Под системой воспламенения топлив предусматривается полный цикл мероприятий по организации не только начального этапа воспламенения компонентов топлива, но также и весь цикл обеспечения этого процесса без аномальных явлений (срывов горения, незапусков, пульсации, забросов давлений и других возможных видов отказов на этапе запуска).

Естественно, что принудительного воспламенения требуют несамовоспламеняющиеся топлива. Ими являются углеводородные горючие, рабо­тающие с кислородом или с азотнокислотными окислителями, а также кислородно-водородное топливо.

Существует несколько способов воспламенения горючих смесей.

Химический способ предусматривает на начальном этапе запуска ис­пользование самовоспламеняющихся компонентов топлива, которые за­пасают в трубопроводах или специальных емкостях перед камерами двига­теля и отделяют их от основного топлива мембранами свободного проры­ва. Запас пусковых порций самовоспламеняющегося топлива должен обес­печивать работу камеры на пусковом топливе, примерно равном 80 % времени запуска. Целесообразность применения этого способа ограничивает­ся ДУ однократного включения.

Добавка триэтилбора или триэтилалюминия (» 2 — 3 %) к керосину обеспечивает надежное одно- и многократное его воспламенение с кисло­родом. Однако высокая токсичность этих добавок сдерживает их широкое практическое применение, так как токсичным становится не только горю­чее. но и продукты сгорания, содержащие эти добавки.

Пиротехнический способ воспламенения горючих смесей предусматри­вает установку на стартовых позициях внутрь камеры двигателя системы пирозарядов, одновременное срабатывание которых обеспечивает надежное воспламенение пусковой части топлива, рис.89. Число пирозарядов зависит от размеров камеры двигателя. Для одновременного воспламене­ния многокамерных двигателей в каждой камере должно быть размещено не менее шести зарядов, ориентированных друг относительно друга так, чтобы первый воспламенившийся заряд поджигал соседний с ним. Для обес­печения надежного воспламенения горючих смесей необходима определен­ная мощность тепловыделения в короткий промежуток времени, которая способна не только инициировать горение топлив, но и уменьшить началь­ную задержку его воспламенения.

Систему пирозарядов можно применять для многократного включения газогенераторов и камер двигателя. При этом число установленных заря­дов будет определять число включений. Однако если не применять спе­циальных мероприятий по теплоизоляции этих зарядов, то в процессе рабо­ты двигателя или после его останова вследствие чрезмерного нагрева за­рядов возможно их самопроизвольное срабатывание.

Рис.89

Система пирозарядов, обеспечивающая воспламенение топлива

в камере двигателя на стартовых позициях

Предварительный нагрев элементов конструкции двигателей, исполь­зующих гидразин как монотопливо, примерно на 600 К способствует ак­тивному процессу саморазложения гидразина.

Термохимический способ воспламенения горючих смесей предусматри­вает организацию пускового факела с помощью специальной пусковой камеры (форкамеры), которая устанавливается на форсуночной головке двигателя, рис.90. Перед запуском основной камеры двигателя любым из способов воспламеняется пусковое топливо в форкамере. В частности, возможен вариант использования газов, отобранных из газогенератора питающего ТНА, для воспламенения пускового топлива. Возможно также применение в форкамере самовоспламеняющихся топлив или легковоспла­меняющихся топлив («кислород + этиловый спирт»).

Для обеспечения надежного воспламенения топлива в камере требует­ся непрерывная работа запального факела для поддержания горения основ­ных расходов топлива вплоть до установления номинального давления в основной камере двигателя. Для этого необходимо, чтобы давление подачи пускового топлива перед форсунками форкамеры всегда превышало дав­ление в основной камере двигателя, а перепад давлений на сопле форкаме­ры всегда был сверхкритическим. Если основное топливо только пересе­кает пусковой факел или в него не попадает, то оно воспламеняется с боль­шой задержкой, что сопровождается забросами и пульсациями давления и запуск становится ненадежным. Для избежания аномальных явлений необ­ходим такой пусковой факел, чтобы время пребывания в нем основного топлива было наибольшим, а его форма гарантировала попадание в пуско­вой факел всего основного топлива. Из всех возможных вариантов распо­ложения форкамеры на основной камере для надежного воспламенения топлива должен быть принят вариант соосного расположения форкамеры с основной камерой двигателя. При этом профиль расширяющейся части сопла форкамеры обеспечивает полный контакт пускового факела с основ­ным топливом (хотя продукты сгорания не во всех случаях могут следо­вать за профилем сопла).

Рис.90

Форкамерный способ воспламенения горючих смесей

Для более плавного запуска с форкамерным устройством больших камер двигателей в атмосферных условиях при включении основного рас­хода топлива предпочтительнее опережение подачи окислителя.

В современных ЖРД необходимая мощность тепловыделения для га­рантированного воспламенения горючих смесей требует пусковых расхо­дов для форкамерного устройства примерно на два - три порядка меньше, чем расходы основной камеры.

Форкамерные устройства для воспламенения горючих смесей по сравне­нию с другими способами имеют то преимущество, что могут быть включе­ны и в период останова двигателя. Это способствует принудительному догоранию топлива, попадающего в камеру двигателя из заклапанных полос­тей после закрытия главных топливных клапанов.

Термоакустический способвоспламенения горючих смесей основан на эффекте разогрева газа в тупиковой полости при набегании на ее откры­тый торец струи холодного газа со сверхзвуковой скоростью, рис.91.

Рис.91

Принципиальная схема термоакустического устройства

для воспламенения горючих смесей:

1 – сверхзвуковое сопло; 2 – корпус; 3 – дренажная полость; 4 – цилиндрическая

тупиковая полость; 5 – реакционная полость; 6 – фланец крепления

Если подавать холодный газ через сопло 1 в открытый торец цилиндричес­кой тупиковой полости 4, который затем дренируется через полость 3, то во внутренней полости цилиндра образуются колебания газа с частотой, соответствующей собственной акустической частоте цилиндрической тупи­ковой полости. Усиление амплитуд колебаний давления газа в цилиндре вызывается резонансом вынужденных и собственных колебаний в динами­ческой системе «сопло — полость».

Турбулентное течение газов из сопла 1 со сверхзвуковой скоростью при встрече с неподвижной средой сопровождается широким спектром колебаний давления газа в струе. В этом спектре также содержатся коле­бания с частотой, равной (или близкой) частоте собственных акустических колебаний цилиндрической тупиковой полости. Колебания давления газа в набегающей струе являются вынужденными по отношению к собственным колебаниям цилиндрической тупиковой полости. Настройка динамической системы «сопло – полость», вызывающая резонанс этих колебаний, произво­дится изменением расстояния «х» от сопла до открытого торца тупиковой полости. Таким образом определяется взаимное положение сопла и ци­линдра, обеспечивающее сдвиг фаз между вынужденными и собственными колебаниями, равными (или близкими) 180°. При этом в цилиндре тупико­вой полости устанавливается максимальная амплитуда колебаний давления колебаний газа. В результате усиления амплитуды колебаний газа в тупи­ковой полости цилиндра в каждой волне сжатия повышается температура газа и с течением времени за счет большой (собственной) частоты циклов колебаний в цилиндрической тупиковой полости температура одной и той же порции газа намного превышает температуру торможения газовой струи. В результате происходит разогрев стенок цилиндра и особенно закрытого торца тупиковой полости до температур, которые соответствуют устано­вившемуся тепловому балансу цилиндра. Из опытов получено, что за время, приблизительно равное 50 с, торец тупиковой полости нагревается до 1000 К; за время 100 с - до 1500 К и более, вплоть до расплавления материала тупиковой полости (если не будет организован теплоотвод). Использование термоакустического эффекта разогрева тупиковой полости от холодной струи газа состоит в том, что по достижении необходимой температуры нагреваемого цилиндра на его поверхность направляются пус­ковые порции несамовоспламеняющихся окислителя и горючего, которые воспламеняются на ней, а затем из реакционной полости 5 подаются в виде нагретых продуктов сгорания в основную камеру двигателя. В результате реализуется форкамерное устройство, которое крепится к форсуночной головке двигателя фланцем 6, представляющее собой автономный агрегат системы воспламенения топлив в камерах двигателя и газогенератора ЖРДУ. Работоспособность такого устройства обеспечивается при давле­нии подачи холодного газа в сверхкритическое сопло 1 в диапазоне (4 — 15) 10⁵ Па при атмосферном противодавлении в дренажной полости 3.

Принципиально цилиндрическая тупиковая полость 4 может быть помещена в полость газогенератора или камеры двигателя без реакционной полости 5 и может служить нагревным источником воспламенения основ­ного топлива.

Недостатком термоакустического способа воспламенения горючих смесей является низкая мгновенная мощность тепловыделения и низкий термический коэффициент полезного действия. Усиление мощности тепловыделения возможно путем многокаскадной подачи пускового топлива в реакционной камере форкамерного устройства, или за счет увеличения чис­ла нагревательных цилиндров, помещенных в газогенераторы или камеры двигателя. Низкий термический КПД приводит к значительному расходу холодного газа.

Положительным свойством термоакустического устройства следует считать его полную независимость от характера протекания рабочих про­цессов в камере двигателя или газогенераторах. Нагревный цилиндр пол­ностью изолирован от воздействия на него окружающей среды. Выполнен­ный из жаропрочных и антикоррозионных материалов, он оказывается за­щищенным от агрессивной среды, нагарообразования, воздействия высоких и низких температур, давления и влажности окружающей среды и других внешних факторов.

Свойства автономности термоакустического устройства позволяют предполагать его преимущественное применение при низких начальных температурах окружающей среды (например в космических условиях) для надежного воспламенения несамовоспламеняющихся топлив и в низко­температурных газогенераторах, использующих жидкий кислород и жид­кий водород.

Электрические способы воспламенения горючих смесей предполагают применение высоковольтных искровых свечей и низковольтных свечей поверхностного нагрева.

Высоковольтная свеча искрового разряда получила широкое распространение в двигателях внутреннего сгорания и других атмосферных двига­телях, и ее применение в ЖРД обусловлено естественной исторической преемственностью.

Поскольку бортовая система питания электроэнергией располагает низковольтным источником постоянного тока, то для его преобразо­вания в ток высокого напряжения необходимо применение специальных устройств.

6.3. Остановка двигателя

Требования к последовательности остановки ЖРД определяются его назначением. При этом предусматривается либо остановка двигателя полной выработкой компонентов из баков, либо принудительная оста­новка путем закрытия в заданный момент отсечных клапанов топлива.

Работа двигателя до полной выработки компонентов применяется на ЗУРах, торпедах и в некоторых случаях на начальных ступенях мно­гоступенчатых ракет.

Принудительная остановка двигателя необходима на баллистиче­ских или космических ракетах, когда двигатель должен прекратить работу в заданный момент, например при достижении ракетой опреде­ленной скорости. При этом часто двигатель сначала переводится на ре­жим меньшей тяги, а затем полностью отключается. Для прекращения подачи топлива используются пневмогидравлические или пиротехниче­ские отсечные клапаны. Важным критерием качества принудительной остановки двигателя является величина так называемого импульса последействия.

6.4. Система управления направлением вектора тяги

Для создания направляющих моментов и усилий в ЖРД используются следующие мероприятия:

- подвижные элементы, устанавливаемые в газовом потоке, истекающем из сопла;

- камеры, устанавливаемые на шарнирном или карданном подвесе;

- рулевые двигатели;

- поворотные сопла;

- впрыск жидкости или вдув газа в расширяющуюся часть сопла;

- изменение тяги отдельных камер многокамерного двигателя.