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

В табл. 1.6 приведены значения удельного импульса, рассчи­ танные по массовому расходу топлива. Поскольку, кроме требо­ вания высокой энергетической эффективности, к топливам предъ­ является и требование большой плотности, для оценки топлив удобно использовать объемный удельный импульс / о б = / о т , т. е. силу тяги, приходящуюся на расход топлива в 1 л/с (здесь дт — плотность топлива в кг/л).

На рис. 1.5 приведены данные, позволяющие сравнить между собой твердые, жидкие и гибридные топлива по величинам мас­ сового и объемного удельных импульсов. Теоретические значе­ ния удельного импульса определены для степени расширения газов в сопле рк/ра = 70/1.

Данные, приведенные на рис. 1.5, свидетельствуют о больших энергетических возможностях двигателей, работающих на твер­ до-жидких топливах. По величине объемного удельного импульса ГРД при использовании ряда топливных композиций сущест­ венно превосходят другие типы ракетных двигателей, работаю­ щих на химических источниках энергии.

1.4. ОСОБЕННОСТИ УСТРОЙСТВА КАМЕР И СИСТЕМ ПОДАЧИ ЖИДКОГО КОМПОНЕНТА ТОПЛИВА В ГРД

1.4. 1. Камеры гибридных ракетных двигателей

Схема наиболее простой камеры ГРД (подача жидкого ком­ понента только через головку; компоненты самовоспламеняю­ щиеся; сопло неохлаждаемое) отличается от схемы камеры РДТТ только наличием форсунок и отсутствием воспламенительных устройств.

Заряд твердого компонента должен иметь форму, обеспечи­ вающую необходимое изменение поверхности газификации в те­ чение всего времени работы двигателя. В зарубежных ГРД испытывались и применяются заряды с каналами, сечение которых не меняется по длине заряда или меняется по участкам. Некото­ рые из форм сечений каналов, упоминавшиеся в зарубежной литературе, приведены на рис. 1.6.

Для оценки возможности выбора той или иной формы заряда в ГРД следует иметь в виду, что скорость газификации многих твердых компонентов топлива невелика и составляет l - f - 5 мм/с. Это означает, что заряды ГРД должны иметь небольшую тол­ щину горящего свода и очень развитую поверхность газифика­ ции. Соотношения размеров зарядов простейших форм оказы­ ваются (особенно для больших двигателей) невыгодными. Если,

например, газообразование		заряда		должно	составлять	25 кг/с
при скорости газификации		2,5	мм/с	и Q t = 2000 К Г / М 3 , ТО		поверх­
ность горения S должна быть			равна:
-	0		2 5	:5	М*.
	UQT	2,5-10-3-2000

Если, к тому же, время работы двигателя составляет 50 с, а диа­

метр внутреннего канала	равен 0,1 м, то наружный	диаметр
шашки должен быть равен 0 = 0,1 + 2- 5 0 - 2 , 5 - Ю - 3 = 0,35		м, а ее
длина L = S/nD = 5/n-0,l	16 м. Совершенно очевидно, что такое

соотношение размеров шашки (длина 16 м при диаметре 35 см)

Рис. 1.6. Формы зарядов твердого компонента

неприемлемо. Выход из положения можно найти путем исполь­

зования либо	многокамерной	конструкции	(например, восемь
камер по 2 м длиной), либо многоканальных			зарядов. Правда,
и тот и другой	вариант имеют	и свои недостатки: применение не­

скольких камер осложняет и утяжеляет конструкцию, а исполь­ зование многоканального заряда затрудняет отработку органов

впрыска		жидкого	компонента. В				связи	I Жидкий
с этим, желательно, чтобы скорость							гази­
фикации твердого компонента была боль­
ше, чем ее величина, достигнутая							к на­
стоящему		времени	для многих			топлив­
ных пар.
В	зарубежной		печати		сообщается
о попытках создания ГРД, имеющих ка­
меры, выполненные по схемам,						отличаю­
щимся от рассмотренной наиболее про­
стой	схемы.
Французскими			учеными		(см. работу
[59])	испытан ГРД, схема			камеры			кото­
рого	приведена на рис.			1.7. В		корпусе

	камеры	/	размещен	заряд	2, представ­
	ляющий	собой цилиндрическую				беска­	Рис. 1.7.	Схема	Г Р Д
	нальную шашку, установленную на упо­
							с перемещающимся		за­
	рах 3. Жидкий компонент подается					через	рядом:
	форсунку 4 в предсопловое				пространство.		1—камера;	2—перемещаю­
	Заряд	газифицируется по			торцу.	Если	щийся заряд; 3—упоры; 4—
	бы шашка была в камере неподвижна, то						форсунка;	Л—полость	ка­
								меры
	в процессе		работы	двигателя поверх­

ность газификации перемещалась бы относительно форсунок, что изменяло бы условия горения. Чтобы избежать этого, полость А камеры соединили с трубопроводом подачи жидкого компонента, в результате чего давление в этой полости при работе двигателя будет выше давления в камере. Под перепадом давлений заряд

твердого компонента перемещается по мере газификации вниз, прижимаясь все время к упорам 3.

Данную схему, по-видимому, можно применять только в том случае, если удастся обеспечить надежное уплотнение на по­ верхности соприкосновения заряда со стенкой камеры. В опи­ санных опытах заряд изготовлялся из полибутадиена и герме­ тичность была обеспечена эластичными свойствами самого горю­ чего. Отмечается высокая полнота сгорания и стабильность характеристик (время горения доходило до 34 с ) .

Рис. 1.8. Камера Г Р Д с секционным зарядом:

/—корпус; 2—заряд твердого компонента; 3—дроссельная шайба; 4—сопло

Указывается, что подобные камеры могут оказаться пригод­ ными для ГР Д с небольшой силой тяги и длительным временем работы. По-видимому, камеры данной схемы более пригодны для ГР Д с несамовоспламеняющимися компонентами топлива, иначе дополнительно возникает проблема изоляции твердого компонента от жидкого по поверхности, воспринимающей дав­ ление.

На рис. 1.8 приведена схема камеры ГРД с секционным, зарядом. Между секциями заряда 2 установлены дроссельные шайбы 3, изготовляемые так же, как и секции заряда, из твер­ дого компонента топлива. Наличие дроссельных шайб вызывает интенсивную турбулизацию потока газов в каналах секций, бла­ годаря чему улучшается перемешивание компонентов и повы­ шается полнота их сгорания.

В качестве возможной схемы камеры ГР Д рассматривается схема камеры, в которой установлен заряд из пористого твер­ дого компонента. Жидкий компонент подводится к наружной части заряда и, проходя через поры, поступает в канал заряда равномерно по всей его поверхности.

Работа форсуночной головки имеет для ГР Д очень большое значение — не меньшее, чем для Ж Р Д , где, как известно, отра­

ботке	органов впрыска топлива уделяется всегда			значительное
внимание. Форсунками камеры ГРД определяются					условия
входа	жидкого	компонента	топлива в канал заряда		и, тем са­
мым, — факторы,		влияющие	на интенсивность	теплообмена
и горения в канале.

В некоторых случаях, как уже указывалось ранее, жидкий компонент перед входом в канал газифицируется, что улучшает условия смесеобразования.

На рис. 1.9 показана схема камеры ГРД, окислителем топ­ лива в котором является перекись водорода. Перед поступле­ нием в камеру перекись проходит через катализатор, где и раз­ лагается.

Опубликованы данные об испытаниях ГРД с различными

типами

форсунок

для

подачи

жидкого

компонента.

Некоторые

из

этих

данных

приведены

на

рис. 1.10.

В

качестве

окислителя

'

нг/с

в

опытном

двигателе

использова­

2700г

лась

смесь

фтора

и

кислорода,

в

качестве

горючего — полиэтилен.

гьоо

Линией

показана

расчетная кривая

0

О

зависимости

удельного

импульса

от

2300

с

<-

Катализатор

2 W0

°

?f

О

а

0,5

1,0

1,5

2,0 К

Рис.

1.9.

Камера

Г Р Д

с

подачей

Н 2

0 2

Рис. 1.10. Зависимость удель-

в головку

ного

импульса

от

соотношения

расходов

компонентов

для

топлива

«полиэтилен +

FLOX»

соотношения расходов компонентов, точками — эксперименталь­ ные данные для различных типов форсунок; кружочки — для струйных форсунок, квадраты — для струйных форсунок с пере­ сечением струй, ромбы — для форсунок с завихрением жидкости.

Как следует из рис. 1.10, тип форсунок оказывает весьма существенное влияние на полноту сгорания топлива. Наиболее полное сгорание в данном случае обеспечивалось форсунками с завихрением. Это означает, что турбулизация потока жидкого компонента на входе в канал заряда благоприятно сказывается на горении топлива.

Тип форсунки влияет и на скорость газификации твердого компонента. Так, например, по данным шведской фирмы приме­ нение в ГРД, окислителем топлива в котором является белая дымящаяся азотная кислота, центробежных форсунок вместо струйных значительно увеличивает скорость газификации на начальном участке заряда. Влияние типа форсунки на скорость газификации прослеживалось примерно до 2/3 длины шашки.

На рис. 1.11 приведен профиль выгорания заряда,	выполнен­
ного из L i A l H 4 , в двигателе, где окислителем были	продукты

2

1796

33

разложения перекиси водорода. Отчетливо видна зона увели­ ченной скорости газификации. Авторы работ по исследованию этих двигателей объясняют такое местное повышение скорости

газификации воздействием	продуктов	разложения	Н2О2,	что
связано с работой форсунок.
Как известно из теории Ж Р Д , для того чтобы жидкое топливо
сгорало полностью, необходим определенный объем			камеры —
для Ж Р Д , работающего на	высококипящих компонентах			топ­
лива, например, требуется объем около		1 л на расход топлива
в 1 кг/с.

Рис. 1. 11. Профиль выгорания	Рис. 1. 12. Камера Г Р Д с диафраг-
заряда	мой-турбулизатором

Определенный объем нужен и для горения топлива в гиб­ ридных ракетных двигателях. Этот объем образуется объемом канала заряда и объемом предсопловой части камеры, (в объем камеры Ж Р Д обычно включают объем до критического сечения сопла). В предсопловую часть камеры из канала заряда исте­ кают газы, в которых имеются не до конца перемешанные и не полностью прореагировавшие компоненты топлива.

Для того чтобы обеспечить догорание компонентов, требуется определенная длина свободного объема камеры. Это было под­ тверждено и опытным путем — удлинение камеры за зарядом вело к увеличению полноты сгорания. Однако, как и в жидкост­ ных ракетных двигателях, удлинение камеры в ГРД полезно лишь до некоторой величины, так как при удлинении камеры ра­ стут тепловые потери. Кроме того, естественно, увеличение сво­

бодного	объема камеры	ведет к ухудшению ее характеристик
по массе	и габаритных	характеристик.

Опытами установлено также, что интенсифицировать дого­ рание компонентов в полости за зарядом можно и без заметного увеличения ее объема. Для этого нужно турбулизировать поток продуктов сгорания установкой в полости после заряда диа­ фрагмы с отверстиями. На рис. 1. 12 показана схема опытной камеры ГРД с такой диафрагмой-турбулизатором *.

По результатам испытаний камер ГРД можно заключить, что в тех случаях, когда действительно имеет место неполнота сго-

* Авторами статьи, в которой приведена эта схема, диафрагма названа «mixing disc» — «смешивающий диск».

практически охлаждать необходимо лишь сопло. Не все жидкие компоненты топлив ГРД одинаково удобны для охлаждения сопла, однако многие из них могут быть применены в случае необходимости для этой цели.

В	качестве		примера		камеры		ГРД рассмотрим		камеру
(рис.	1. 13)	экспериментального				двигателя,		рассчитанного		на
создание силы			тяги	~ 4 0 0	Н при		давлении	в камере	около
15-105 Па и времени				работы 18 с. Двигатель				выполнен	по	пря­
мой	схеме;	горючее—на основе				толуидина, окислитель — азот­

ная кислота. Жидкий компонент подается только в головку ка­ меры через центробежную форсунку. Заряд твердого компонента изготовлен в виде одноканальной шашки. В верхней части ка­ нала нанесен слой вещества, самовоспламеняющегося при кон­ такте с окислителем. Ниже заряда твердого компонента распо­ ложена графитовая вставка, выполняющая несколько функций. Поперечный диск вставки с отверстиями служит турбулизатором; после турбулизатора вставка образует камеру, где проис­ ходит догорание топливной смеси. При испытаниях получен коэффициент полноты сгорания, равный 0,95. Сопло камеры охлаждается окислителем.

1.4.2. Системы подачи жидкого компонента топлива в ГРД

Уже отмечалось, что системы подачи жидкого компонента топлива в ГРД могут быть разделены на две группы — вытеснительные и насосные.

Основным в работе вытеснительных систем подачи жидкого компонента является вытеснение его из бака в камеру сжатым газом.

В Ж Р Д	для создания давления в баках при использовании
вытеснительной системы подачи		применяют		газовые,	пороховые
и жидкостные аккумуляторы давления			(называемые также газо­
генераторами). В первом случае		газ	для	создания	давления
в баках	подается из баллона,	где	он был запасен		заранее;

во втором случае газ образуется при сжигании твердого топлива

и в третьем случае газ образуется при горении	компонентов
топлива Ж Р Д .
Аналогичные системы могут быть применены и	для	гибрид­
ных ракетных двигателей.
Насосная система подачи жидкого компонента	предполагает
установку насоса в магистрали, соединяющей бак	с	камерой.

В этом	случае давление в баке может быть существенно меньше,
чем давление в камере.
Как и в Ж Р Д , для системы подачи жидкого компонента топ­
лива в	ГРД в качестве привода насоса удобнее всего использо­

вать газовую турбину. В отличие от турбонасосного агрегата

Ж Р Д турбонасосный агрегат гибридного двигателя			будет вклю­
чать в себя только один насос для подачи топлива			в камеру.
В качестве генераторов газа для турбины могут быть исполь­
зованы различные	устройства. Если,	например,	окислителем
в топливе служит	перекись водорода,	то наиболее	рационально

применение перекирного газогенератора, схема и конструкция которого хорошо отработаны в Ж Р Д .

По аналогичной схеме может быть выполнена также система подачи жидкого компонента во всех тех случаях, когда, как и для перекиси водорода, можно обеспечить его разложение на газообразные продукты с выделением тепла. Если применить твердое топливо, при сгорании которого получаются газы, обла­ дающие необходимыми для турбины параметрами и составом

(соответствующая	температура,	отсутствие в газах твердых ча­
стиц и смолистых	продуктов),	то	можно	осуществить схему
с газогенератором,	работающим	на	твердом	топливе.

И, наконец, можно получать газ для турбины путем сжига­ ния твердо-жидкого топлива, в том числе и топлива, применяе­ мого в двигателе. Эта схема может быть реализована в двух вариантах. В первом случае в схему ГРД включают особый газогенератор с зарядом твердого компонента. Жидкий компо­ нент подается основным насосом не только в камеру, но и в га­ зогенератор. Здесь происходит при нужном (обеспечивающем требуемые параметры газа) соотношении расходов компонентов горение топлива, в результате чего образуется газ, питающий турбину.

Другой вариант основан на отборе газа из основной камеры, с последующим охлаждением его жидким компонентом, который

выполняет роль хладоагента			и подается в		таком	количестве,
чтобы довести	параметры		газа,	направляемого		в	турбину,
до нужных значений.
Для современных		Ж Р Д с насосной системой подачи					топлива
рассматриваются	две	возможные		схемы — с	дожиганием гене­

раторного газа (замкнутая, или закрытая схема) и без дожига­ ния генераторного газа (разомкнутая, или открытая схема).Для

ГРД также можно использовать обе эти схемы.
В	теории Ж Р Д		показано,	что	двигатели, выполненные		по
схеме	с	дожиганием	генераторного		газа, имеют	(особенно	при
высоких		давлениях	в камере)	больший удельный		импульс,	чем

двигатели с выбросом рабочего тела турбины в атмосферу. Это справедливо и по отношению к ГРД, поэтому и в этих двигате­ лях применение замкнутых схем при больших давлениях в ка­ мере может оказаться предпочтительнее использования разом­

кнутых схем.
Однако следует иметь в		виду, что, поскольку	оптимальное
в отношении	характеристик	по массе давление в	камере ГРД
должно быть	ниже, чем в Ж Р Д (вследствие того,		что	камера
ГРД значительно больше по размерам), то и выигрыш				в удель-

ном импульсе при переходе от разомкнутой схемы к замкнутой для двигателей этого типа будет менее существенным, чем для Ж Р Д .

Сравнение вытеснительных и насосных систем подачи топ­ лива проводят обычно по их характеристикам по массе. Известно, что чем больше давление в камере двигателя, его сила тяги и время работы, тем больше проигрывает вытеснительная система подачи топлива в Ж Р Д по массе насосной системе подаче.

Критерием для определения необходимости перехода					в Ж Р Д
от вытеснительной	системы	подачи к	насосной иногда		прини-
мают определенное	значение	импульса	силы тяги	/ т =	т
					\ Pdx,
					S
где Тд — время работы двигателя. В соответствии с этим					вытес-
нительная система применяется при малых значениях				А,	насос­

ная — при больших. Такой подход правомерен и для ГРД. Но, поскольку в ГРД масса бака жидкого компонента составляет меньшую часть в общей пассивной массе двигателя, чем в Ж Р Д (а именно масса баков сильнее всего зависит от типа системы подачи), то можно ожидать, что диапазон значений параметров, при которых целесообразно применять вытеснительную систему подачи, в ГРД будет шире, чем в ЖРД -

1. 5. СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТКИ КРД ЗА РУБЕЖОМ

Первые сведения об испытаниях гибридных ракетных двига­ телей появились в зарубежной литературе в 1956 г., когда были опубликованы американские данные по изучению ГРД, рабо­ тающих на перекиси водорода и полиэтилене. В последующийпериод интерес к ГРД и количество публикуемых материалов по их разработке быстро возрастали. Исследованиями ГРД за­ нимались многие ведущие фирмы США, а также специализиро­ ванные организации во Франции, Швеции и Западной Германии. В 1964 г. во Франции были проведены первые летные испытания ракеты с ГРД *.

Несмотря на кажущуюся простоту схемы и рабочего про­ цесса гибридных ракетных двигателей, первые же их исследова­ ния показали, что без решения целого ряда научных проблем (главным образом из области горения твердо-жидких топлив) нельзя создать гибридные двигатели, способные конкурировать с другими типами ракетных двигателей.

В частности, было установлено, что горение твердо-жидких топлив происходит, если не принять каких-то специальных мер, с очень низкой полнотой сгорания. Потери на неполноту сгора-

* В Советском Союзе ракета, двигатель которой работал на жидком кислороде и отвержденном (желеобразном) бензине, т. е. по сути дела был выполнен по схеме Г Р Д , была запущена в 1933 г. (см. работу [2]).

ния в ГРД оценивались десятками процентов, тогда как в Ж Р Д и РДТТ они составляют всего несколько процентов.

Была обнаружена неравномерность выгорания зарядов по длине канала, что, как оказалось, является следствием зависи­ мости интенсивности газификации твердых компонентов от усло­ вий движения потока газов в канале. Выяснилось, что в про­ цессе регулирования ГРД может существенно изменяться соот­ ношение расходов компонентов топлива, в результате чего снижаются энергетические характеристики двигателя и может иметь место неодновременное выгорание компонентов.

В связи с этими недостатками можно было вообще поставить под сомнение целесообразность и возможность разработки ГРД, характеристики которых были бы сравнимы с характеристиками ракетных двигателей других типов. Поэтому основное внимание в исследованиях гибридных ракетных двигателей уделялось изу­ чению внутрикамерных процессов. Результаты этих исследова­ ний в целом можно оценить как обнадеживающие.

Полнота сгорания путем подбора характеристик топлив, рационального профилирования зарядов, выбора соответствую­ щих типа и параметров органов впрыска жидкого компонента, применения устройств, турбулизирующих потоки в камере, была повышена очень существенно, и в настоящее время коэффициент полноты сгорания может достигать значений 0,95 и более (см. работу [58]).

Установлены пути для компенсации нежелательного измене­ ния соотношения расходов компонентов топлива при регулиро­ вании двигателя — подбором топливных пар, обеспечивающих определенный закон газификации твердого компонента, приме­ нением специальных схем камер двигателя и т. д.

Одновременно с исследованием этих, наиболее важных, во­ просов по горению твердо-жидких топлив и регулированию ГРД, были подтверждены и ожидавшиеся от двигателей этого типа положительные качества — высокая устойчивость работы, нечувствительность к дефектам заряда, возможность неодно­ кратного запуска и др.

По результатам исследований ГРД, проведенных за рубе­ жом, можно заключить, что создание двигателей этого типа с характеристиками, близкими к расчетным, стало реальным. Это означает, что возможно создание ракетных двигателей, обладающих такими качествами, которые в определенных усло­ виях делают применение ГРД предпочтительнее использования ракетных двигателей других типов.

Из данных, приведенных в зарубежной печати, следует, что намечается применение гибридных ракетных двигателей двух групп: 1) работающих на относительно низкоэффективных топливах, но обладающих другими важными качествами (простотой, надежностью, дешевизной и т. п.) и 2) работающих на высоко-