книги из ГПНТБ / Волков Е.Б. Ракетные двигатели на комбинированном топливе

с рабочими процессами и схемами как Ж Р Д , так и РДТТ. С Ж Р Д гибридный двигатель сближают наличие системы пода­ чи жидкого компонента топлива (включая форсунки) и рабочий процесс этой системы; с двигателем, работающим на твердом топливе, — использование камеры, содержащей за­

ряд твердого компонента.

Удельный импульс гибридного ракетного двига­ теля, как и удельный импульс (удельная сила тяги) РД других типов, работающих на химических источниках энергии, зависит главным образом от состава топлива (содержания энергии в топливе) и от параметров рабочего процесса в камере.

Состав топлива ГРД, в свою очередь, опреде­ ляется составом компонентов и соотношением их расходов при работе двигателя. Следовательно, при данных компонентах топлива, заданной геометрии (размерах сопла) камеры и неизменном внешнем давлении

				давление в камере и сила тяги двигателя					зависят
Рис.		1.1.		от расхода	топлива О^.
					рк	— Os,	P=/Gz-
Принципи­
альная			схе­	Таким	образом,	основные	характеристики Г Р Д
ма	Г Р Д :
/—камера;			2—	при его работе определяются			расходами	компонен­
заряд		твердо­		тов топлива. Изменяя подачу			жидкого	компонента
го	компонен­
та;	3—форсу­			в камеру (например, изменением сечения дросселя,
ночная		голов­
ка;	4,	7—кла­		установленного в магистрали, соединяющей					камеру
паны;		5—бак		с баком), можно влиять на все характеристики дви­
с жидким ком­
понентом;				гателя. Этим обеспечивается возможность регули­
5—редуктор;
8—баллон			со	рования ГРД. Прекращая подачу жидкого компо­
сжатым		газом		нента (перекрытием		магистрали), можно			прекра­
				тить рабочий процесс, т. е. выключить				двигатель;
при необходимости двигатель можно запускать и								останавли­
вать		неоднократно.

1. 1. 2. Особенности горения топлива в ГРД

Закономерности горения топлива в ГРД весьма важны для определения многих особенностей двигателей этого типа. При оценке и расчете характеристик ГРД, так же как и характери­ стик двигателей, работающих на твердом топливе, необходимо знать зависимости, определяющие линейную скорость горения твердого компонента топлива. Эти зависимости отличаются от тех, которые обычно используют для расчета скорости горения твердых топлив в РДТТ, что связано с отличиями в организа-

ции процесса горения и в составе этих топлив. Как известно, твердое топливо РДТТ содержит в своем составе и горючие, и окисляющие вещества, в результате чего реакции взаимодей­

ствия	горючего и		окислителя начинаются					уже	в твердой	фазе
и заканчиваются			в слое	газа,	непосредственно				примыкающем
к поверхности топлива. В ГРД твердая								часть	топлива	чаще
всего	состоит	только из		горючего		или	только		из окислителя,
и поэтому для топлива двигателей						этого типа наличие реакций,
идущих в твердой фазе, не характерно.
	Жидкий компонент
	• \Дроіїпение на капли
					'	Твердый		компонент
	^Нагрев	и	испарение		I	нагрев	и	газиазикацияі
				Смешение
				компонентов
	Тепло		Окислительный					Тепло
				процесс
				т
			Продукты		сгорания
	Рис. 1.2. Схема			горения	твердо-жидкого топлива

Твердый компонент прогревается теплом, поступающим из зоны горения. При достижении на поверхности твердого компо­ нента определенной температуры начинается его газификация. В зависимости от состава твердого компонента процесс газифи­ кации может происходить по-разному. Этот процесс может пред­ ставлять собой плавление с последующим испарением жидкой

фазы, сублимацию		(переход	вещества	из твердого	состояния
в газообразное без промежуточного превращения в					жидкость)
или пиролиз (химическое разложение				с образованием		газооб­
разных веществ). Продукты газификации поступают					в	канал
заряда	и, смешиваясь здесь		с другим	компонентом,	образуют
смесь, в которой и происходят экзотермические					реакции
окисления.
Если	понимать	(как это	понимают,	например, в Ж Р Д )			под
процессом горения		топлива	всю совокупность процессов			в	ка­

мере, приводящую к образованию газообразных продуктов, исте­ кающих из сопла камеры, то следует прежде всего отметить, что процесс горения в ГРД является крайне сложным.

Для того чтобы составить схему процесса горения в ГРД, следует учесть дополнительно и то, что жидкий компонент всту-

пает в процессы окисления также в газообразном виде, т. е. пред­ варительно испарившись. На рис. 1.2 приведена схема горения твердо-жидкого топлива в ГРД.

Поскольку сами реакции окисления происходят в газовой фазе, имеющей достаточно высокую температуру, эти реакции идут весьма быстро, и определяющими для времени протекания горения являются процессы подготовки горючей смеси. Такое горение получило название диффузионного.

Как и в Ж Р Д , количество тепла, выделяющегося в результате горения топлива, и, следовательно, эффективность использова­ ния энергии, запасенной в топливе, зависят в ГРД от соотноше­ ния расходов компонентов при их сжигании. В связи с этим крайне важно осуществить горение топлива при заданном соот­ ношении его компонентов. Основным условием для этого является обеспечение хорошего смесеобразования в камере, что дости­ гается соответствующей работой устройств, распыливающих

жидкий		компонент и определяющих		характер	движения смеси
в канале заряда. Чем мельче будет				распыл жидкого		топлива
и	чем	интенсивнее станет	осуществляться его		перемешивание
с	продуктами газификации		твердого	компонента, тем		лучше

будет проходить процесс горения в камере и тем полнее будет сгорание топлива.

Из сказанного выше о характере				горения	твердо-жидких
топлив можно заключить прежде			всего, что		в	применении
к твердому	компоненту	правильнее	использовать			не термины
«горение»	и «скорость	горения»,	а	термины	«газификация»

и «скорость газификации» *. Кроме того, можно заключить, что определяющими факторами для скорости газификации должны быть факторы, влияющие на интенсивность подвода тепла к по­ верхности твердого компонента, а также теплофизические ха­ рактеристики самого твердого компонента.

Тепло из зоны горения передается к поверхности твердого компонента посредством конвекции и излучения. Процесс тепло­ передачи крайне сложен, однако можно с достаточной уверен­ ностью назвать те факторы, которые больше других влияют на интенсивность теплопередачи. К таким факторам следует отнести скорость омывания твердого компонента потоком газа, состав, плотность и давление газа, а также температуру в зоне горения.

Первый фактор влияет только на интенсивность передачи тепла конвекцией, остальные, кроме того, влияют и на интенсив­ ность радиационного теплообмена. Учет всех отмеченных фак­ торов, так же как и состава твердого компонента, находит отра­ жение в эмпирических зависимостях для скорости газификации

* В зарубежных источниках часто используют термин «регрессия» (regression — обратное движение).

твердого компонента, которые чаще всего в общем виде записы­ вают следующим образом:

где	мі — эмпирический	коэффициент, учитывающий свой­
	ства компонентов топлива;
Ри,	Q, v — соответственно	давление, плотность и скорость
	движения газов;

А— коэффициент истечения, учитывающий свойства продуктов сгорания;

v, )3, а — эмпирические коэффициенты.

	Из уравнения неразрывности газового потока,	движущегося
в	канале с поперечным сечением f и с секундным	расходом G,
получим
	QV=G/F
и,	следовательно,

Но секундный расход газов через сечение канала растет по его длине в результате поступления добавочной массы вследствие газификации твердого компонента. Поэтому в случае примене­ ния заряда с цилиндрическим каналом (F = const), скорость газификации будет возрастать по длине канала, что приведет к искажению его первоначальной формы, и тем в большей сте­ пени, чем больше меняется расход по длине заряда.

Одним из недостатков двигателей, работающих на твердом

топливе, как	отмечалось выше,	является	их	чувствительность
к дефектам	заряда (трещинам,	раковинам	и	т. п.). Появление

трещины в заряде топлива РДТТ приводит к резкому увеличе­

нию поверхности горения (так	как топливо в трещинах горит),
соответствующему росту газообразования в камере,		и заканчи­
вается в некоторых случаях	даже разрушением	двигателя.
В двигателях, работающих на	жидко-твердых топливах, появ­

ление трещин в заряде не столь опасно.

Как следует из рассмотренной схемы горения в ГРД, обяза­ тельным условием газификации твердого компонента является интенсивное поступление тепла из зоны горения, т. е. из потока газа, перемещающегося по каналу заряда. Так как в трещины тепло из этого потока будет поступать менее интенсивно, чем к основной поверхности, скорость газификации здесь снизится, что уменьшит влияние появления трещин на газообразование заряда.

1. 1.3. Воспламенение топлива в ГРД

Условием поддержания стационарного процесса горения твердо-жидкого топлива в ГРД является непрерывный подвод

тепла из зоны горения к поверхности газификации твердого ком­ понента. В момент запуска двигателя зоны горения, естественно, не существует, и для газификации должен быть применен какой-то другой, специальный, источник тепла. В связи с этим вопрос о системе воспламенения топлива для ГРД является не менее важным, чем для ракетных двигателей других типов.

В литературе упоминаются различные способы и системы воспламенения топлива в ГРД. Указывается, что если твердый компонент способен к самостоятельному горению, то можно при­ менить пиротехнический воспламенитель такого же типа, как и используемый в РДТТ. В этом случае процесс газификации (горения) начинается благодаря тепловому воздействию продук­ тов сгорания воспламенителя на поверхность заряда.

ВГРД, где окислителем служит перекись водорода, удобно

осуществить разложение перекиси на входе в камеру. Тогда в канал заряда будет входить газ, нагретый более, чем до 700° С, газификация твердого компонента начнется под действием тепла, поступившего от продуктов разложения перекиси, и доба­ вочного устройства для воспламенения топлива не потребуется.

Демонстрировался небольшой ГРД (см. работу [46]), в топ­ ливе которого окислителем служил кислород и который запу­ скался путем впрыска небольшого количества пропана, воспла­ менявшегося в кислороде с помощью пусковой электрической свечи. Однако отмечалось, что такая система воспламенения усложняет двигатель и пригодна только для ГРД с небольшой силой тяги.

В качестве	способа воспламенения твердо-жидкого топлива,
в наибольшей	степени удовлетворяющего требованиям простоты
и надежности	запуска двигателя, рассматривается воспламене­

ние с использованием самовоспламеняющихся веществ. В тео­ рии Ж Р Д такой способ воспламенения называют иногда «хими­ ческим».

Существуют твердо-жидкие топливные пары, при контакте составляющих которых начинаются экзотермические реакции, ведущие к воспламенению топлива. Если из этих пар составить топливо ГРД, то вопрос о запуске двигателя решается просто. Любое число выключений и запусков двигателя осуществляется простым прекращением и возобновлением подачи жидкого компонента.

Если же основные компоненты, топлива			ГРД	при	контакте
не самовоспламеняются, то может быть подобран				какой-то		тре­
тий, пусковой, компонент, способный к самовоспламенению						при
контакте с одним из основных компонентов			топлива.		В случае,
когда	пусковой компонент	представляет собой		твердое		веще­
ство	и предназначен для	самовоспламенения		при	контакте

с основной жидкой составляющей топлива, он может быть на­ несен на поверхность канала заряда твердого компонента. При этом возможен только один запускдвигателя. Если пусковой

компонент — жидкий и самовоспламеняется при контакте с твердой частью топлива, то его впрыскивают в камеру в момент запуска, непосредственно перед подачей основного жидкого ком­ понента. Путем усложнения схемы двигателя можно обеспечить многократный впрыск в камеру пускового компонента и тем са­ мым — многократное включение камеры в работу.

Воспламенение можно осуществить путем создания пористого твердого компонента и заполнения пор самовоспламеняющейся при контакте с другим компонентом жидкостью. Поверхность газификации должна при включении двигателя иметь достаточ­ ное количество открытых пор, чтобы обеспечить воспламенение, однако поры должны, в то же время, быть настолько малыми, чтобы жидкость не вытекала из них.

Считают также возможным обеспечить воспламенение по­ средством включения в твердый компонент частиц, способных к реакциям с выделением тепла при контакте с жидким ком­ понентом.

1.1.4. Схема и рабочий процесс РДТТ

с разделенными компонентами топлива (РДТТ P C )

Возможная принципиальная схема РДТТ с разделенными компонентами топлива приведена на рис. 1.3. Двигатель вклю­ чает в себя две камеры 1 и 2 с зарядами твердого топлива, соеди­ ненные между собой каналом, в котором устанав­ ливается регулятор расхода газа 3. Камера 2 (га­ зогенератор) имеет воспламенитель 4.

Топливо камеры 2 должно быть способно к са­ мостоятельному горению. В момент запуска двига­ теля срабатывает воспламенитель, и топливо в ка­ мере 2 загорается, а образовавшиеся продукты сгорания поступают в канал заряда камеры / и про­ ходят через него по направлению к соплу, нагревая поверхность топлива в камере / .

В зависимости от состава		твердого	компонента
в камере / начинается тот или иной			процесс	его
Рис. 1.3.	Принципиальная схема РДТ Т с разделенными			ком­
	понентами топлива:
/—тяговая	камера; 2—газогенератор;	3—регулятор	расхода	газа;
	4—воспл а менитель

газификации (горение, сублимация и т. д.). Продукты газифика­ ции поступают в канал, смешиваются с газами, образовавши­ мися в камере 2, и вступают с ними в реакции взаимодействия, в результате которых и образуются продукты сгорания, истекаю­ щие через сопло двигателя.

Очевидно, что процессы в камере 1 в значительной степени подобны процессам в камере ГРД, что и дает основание отно­

сить к одной группе двигателей				и гибридные двигатели					( Г Р Д ) ,
и РДТТ с разделенными компонентами топлива.
Поскольку		сила	тяги РДТТ	PC	определяется		параметрами
рабочего	процесса		(давлением)	в камере 1, а камера 2 служит
лишь для получения одного из				компонентов топлива в газооб­
разном	виде, в дальнейшем камеру				/	будем называть			тяговой,
а камеру 2 —		газогенератором.
Рассмотренная			схема РДТТ	с разделенными			компонентами
топлива более сложна, чем схема					обычного РДТТ,			и в этом
заключается		ее недостаток. Однако			в	отличие	от	«классиче­

ской» схемы двигателя, работающего на твердом топливе, схема РДТТ с разделенными компонентами позволяет:

а) подбирать компоненты топлива (размещенные в раздель­ ных камерах) в более широком диапазоне их характеристик, чем создаются предпосылки для улучшения энергетических пара­ метров двигателя;

б) регулируя подачу газа из газогенератора в тяговую ка­ меру, изменять суммарный расход топлива в двигателе и тем самым регулировать его силу тяги.

1. 2. КЛАССИФИКАЦИЯ КРД

Двигатели, работающие на твердо-жидких топливах, и РДТТ с разделенными компонентами топлива могут сильно разли­

чаться по		схемам и	особенностям организации рабочего про­
цесса. Общепризнанной классификации КРД пока						нет.
В	табл.	1. 1 предлагается возможный			вариант	классифика­
ции ракетных двигателей.
Рассмотрим некоторые				особенности схем и рабочих			процес­
сов КРД различных			типов.
В	том	случае,	когда	в камере ГРД	размещено		горючее,

а в баке ГРД — окислитель, принято называть схему двигателя прямой, в противоположном случае—обратной*. Иногда в ка­ честве компонентов топлива ГРД предпочтительнее использовать не «чистые» окислитель и горючее, а смешанные вещества, — например, смесь твердых окислителя и горючего, т. е. твердое топливо типа топлива, применяемого в РДТТ обычной схемы.

Назовем схему ГРД с таким топливом соответственно							«смешан­
ной прямой»	или «смешанной		обратной» — в зависимости					от то­
го, какой компонент хранится в баке.
Большинство из разрабатываемых и исследуемых						в	настоя­
щее время ГРД относится к числу двигателей					прямых	схем. Это
* Названия	«прямая»	и «обратная»		для схем Г Р Д	не связаны		с	особен­
ностями схем и	рабочих	процессов	этих	двигателей и	представляются слу­
чайными. Однако эти названия уже укоренились в литературе и							для	удоб ­
ства будут использованы		и нами.

Признак, по которо­ му проводится класси­ фикация

Вид компонентов топлива

Размещение компо­ нентов топлива

Возможность регу­ лирования двигателя при работе

Настройка двигате­ ля до работы

Число возможных запусков

Место ввода ком­ понента в камеру

Число компонентов топлива

Тип системы пода­ чи жидкого компо­ нента

Таблица 1.1

К Р Д

		Г Р Д
а)	в	камере — горю­
чее,	в	баке —	окисли­
тель	(прямая схема);
б)	в	камере — окисли­
тель,	в	баке —	горючее
(обратная схема);
в)	смешанная		прямая
схема;
г)	смешанная обратная
-схема

а) регулируемый; б) нерегулируемый

а) настраиваемый; б) ненастраиваемый

а) однократного вклю­ чения;

б) многократного вклю­ чення

	а) только через голов­
ку;
	б)	только у		сопла;
	в)	и через		головку, и
. у	сопла
	а)	на	двух	компонен­
тах;
	б)	на	трех	компонен
• тах
-	а)	с	вытеснительнои
системой			подачи;
	б)	с насосной системой
-подачи

РДТТ PC

,— а) в тяговой ка­ мере — компонент

сизбытком горю­ чего, в газогенера­ торе — компонент

сизбытком окис­ лителя (смешан­

ная	прямая			схе­
ма) ;
б)	в	тяговой ка­
мере —			компонент
с избытком				окис­
лителя,		в	газогене­
раторе		—		компо­
нент	с		избытком
горючего			(смешан­
ная	обратная схе-
— ма)
а)	регулируе­
мый;
б)	нерегулируе-

-мый

-а) настраивае­ мый;

б) ненастраивае-

-мый

-а) однократного включения;

б) многократно-

-—го включения
а)	только		через
головку;
б) только у соп­
ла;
в)	и	через го-
- ловку,		и у	сопла

связывается с тем, что использование жидкого окислителя и твердого горючего дает больше возможностей для создания дви­ гателя с высокими энергетическими характеристиками, чем применение твердого окислителя и жидкого горючего.

В газогенераторе РДТТ PC обязательно должен находиться компонент, состоящий из смеси горючего и окислителя. В тяго­

вой камере возможно, в отличие	от газогенератора,	размещение
и «чистого» компонента (только	горючего или только окисли­
теля).
Выше уже отмечалось, что	и в гибридных	двигателях,

и в РДТТ с разделенными компонентами топлива можно изме­ нять в процессе их работы подачу внешнего компонента в ка­ меру. Этим осуществляется регулирование двигателей. Целью регулирования может служить изменение различных параметров

КРД — силы	тяги,		соотношения расходов компонентов					и т. д.
В зависимости		от того,		регулируются ли		параметры	двигателя
при его работе или не регулируются, ГРД и РДТТ PC делятся
на регулируемые		и	нерегулируемые.
Как было отмечено				выше,	скорость	газификации	твердого
компонента	зависит		от	расхода	газов вдоль поверхности			гази­

фикации (она пропорциональна величине G^). Отсюда следует, что, изменяя расход жидкого компонента в камеру с целью регу­ лирования двигателя, мы оказываем воздействие и на расход твердой составляющей топлива, причем в схеме с подачей жид­

кого

компонента

только

в головку камеры

(см. рис.

1.1) этим

воздействием

нельзя

«управлять», •— оно

определяется

одно­

значно величиной

коэффициента

р. В связи с этим в двигателях

такой схемы регулирование силы тяги сопровождается

измене­

нием

соотношения

расходов

компонентов

топлива —

расход

твердого компонента меняется при изменении расхода

жидкого

компонента не в такой же степени. Это

является

недостатком

ГРД

данной схемы, так как соотношение

расходов

компонентов

выбирается

оптимальным, и всякое отклонение от

него

ухуд­

шает характеристики

двигателя.

Избежать

изменения

соотношения

расходов

компонентов

можно, если через канал заряда твердого компонента

будет

проходить не

весь

жидкий компонент,

подаваемый

в

камеру,

и если долей расхода жидкого компонента, направляемого в ка­ нал заряда, при регулировании двигателя управлять соответст­ вующим образом.

Для осуществления такого режима регулирования ГРД его камера должна выполняться по схеме, изображенной на рис. 1.4. В отличие от ранее рассмотренной схемы камеры с вводом жид­ кого компонента только в головку, в данном случае жидкий компонент вводится в двух местах: кроме подачи его через фор­ сунки, установленные на головке, он подается частично в объем

камеры,	размещенный между зарядом твердого компонента
и соплом.	Процесс горения топлива в камере данного типа раз-

бит по подаче жидкого компонента на две зоны, поэтому предсопловой объем, где заканчивается горение, иногда называют камерой дожигания. Аналогичную схему подачи газа из газо­ генератора в тяговую камеру может иметь и РДТТ раздельного снаряжения, в связи с чем и для этого типа двигателей, как и для ГРД, введена классификация по месту ввода компонентов в камеру.

Как и ракетные двигатели любого другого типа, КРД под­ вержены влиянию внешних условий (например, температуры окружающей среды), в результате чего их характеристики мо­ гут меняться в разных случаях применения. Обеспечить поддер­ жание характеристик двигателя в заданных пределах в любых

Рис. 1.4.	Схема	Г Р Д с подачей	жидкого	компо­
нента в	головку	и предсопловой	объем	камеры

возможных условиях его использования можно введением на­ стройки. Для ГРД настройка может быть осуществлена пере­ крытием дросселя, установленного в линии подачи жидкого ком­ понента, для РДТТ с разделенными компонентами топлива — перекрытием дросселя в трубопроводе, соединяющем газогене­ ратор и тяговую камеру сгорания. Настройки КРД может и не быть и, в соответствии с этим, комбинированные двигатели делятся на настраиваемые и ненастраиваемые.

Топлива гибридных ракетных двигателей могут включать в себя не только два, но и три компонента *. Так, например, в ка­ честве возможной рассматривается схема ГРД, в которой, кроме жидкого окислителя и твердого горючего, предусмотрено использование водорода. Водород предполагается подавать в жидком виде в предсопловую часть камеры с целью уменьше­

ния	молекулярной		массы	газов,	истекающих через				сопло		(для
увеличения удельного импульса), при одновременном										охлажде­
нии	газов и	облегчении		тем самым условий				работы			сопла.
Использование		трех	компонентов		топлива		в РДТТ		с	разделен­
ными компонентами			не имеет смысла, и поэтому					классификация
по числу компонентов топлива предусмотрена только для											дви­
гателей, работающих на жидко-твердых топливах.
Гибридные		ракетные		двигатели		могут	сильно		различаться
и по	особенностям		системы подачи			жидкого компонента. Две

* Двигатели, работающие на твердо-жидком топливе, включающем в себя три компонента, иногда называют трибридными.