Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

Р а з д е л 7

ЖИДКОСТНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ РАКЕТ НОСИТЕЛЕЙ

Глава 7.1

ЖИДКОСТНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

7.1.1. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ЖРД

Назначение маршевых ЖРД — обеспе чить разгон ступеней РН до заданной скоро сти. Эти двигатели превосходят другие ЖРД по уровню тяги (от сотен килоньютонов до де сятков меганьютонов). Они рассчитаны обыч но на однократное включение (кроме ЖРД не которых верхних ступеней РН) и работу в те чение 2…10 мин. В этих двигателях (в дальней шем — просто ЖРД) используются жидкие ра кетные топлива, относящиеся к классу двух компонентных — состоящих из окислителя и горючего, которые хранятся в отдельных топ ливных баках ракетной ДУ.

На первой советской космической РН устанавливались пять ЖРД (РД 107 и РД 108) суммарной стартовой тягой 4 МН с топливом: жидкий кислород–керосин. ТНА двигателей приводились в действие продуктами каталити ческого разложения концентрированного пе роксида водорода. С начала 60 х гг. в РН при меняются ЖРД на высококипящих топливах, оба компонента которых являются жидкостя ми в широком диапазоне условий окружаю щей среды. В их числе окислители и горючие, самовоспламеняющиеся при контакте ре ЖРД, что является фактором надежного

пуска двигателя. В середине 60 х гг. в

СССР созданы мощные однокамерные ЖРД с дожиганием на высококипящих компонентах, а в США — ЖРД на кислородно водородном топливе с приводом ТНА водородом, нагре тым в рубашке охлаждения камеры. С 1981 г. используются кислородно водородные ЖРД с дожиганием, которые функционируют от старта ракетного аппарата (космического чел нока) до вывода полезного груза на околозем ную орбиту.

В 80 х гг. в СССР были созданы: самый мощный в мире ЖРД РД 170 на кислороде с керосином тягой около 8 МН и РД 120 на том же топливе тягой около 0,9 МН. Ис

пользуются на первой и второй ступенях РН «Зенит» (программа «Морской старт»). На рубеже веков в России создан кислород но керосиновый двигатель РД 180 с тягой около 4 МН, используемый на РН «Атлас 3» и «Атлас 5» (США).

Тяга ЖРД создается в камере (рис. 7.1.1), где потенциальная химическая энергия топ лива преобразуется в кинетическую энергию реактивной газовой струи. Камера содержит оснащенную смесительной головкой цилин дрическую камеру сгорания (КС), где проис ходит сгорание топлива при давлении pк5…30 МПа, и реактивное сопло Лаваля — для разгона полученного высокотемператур ного газа до сверхзвуковых скоростей (до M 4); при этом температура газа может снизиться в 2–3 раза, а давление — в тысячи раз. Плотность теплового потока в камере q (количество теплоты, проходящей в единицу времени через единичную площадь поверхно сти камеры) измеряется десятками МВт/м2,

Рис. 7.1.1. Камера ЖРД и изменение парамет ров газового потока по ее длине:

1 — смесительная головка КС; 2 — рабочее пространство КС; 3, 4 — дозвуковая и сверх звуковая часть сопла соответственно

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

790	Глава 7.1. ЖИДКОСТНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
и для сохранения	целостности конструкции	ЖРД выполняют по двум основным
камеры ее охлаждают частью топлива (обыч		функциональным схемам: без дожигания ге
но горючим) перед его сжиганием (регенера		нераторного газа в камере и с дожиганием.
тивная схема охлаждения). Топливные ком		В первом случае (рис. 7.1.2) газ срабатыва
поненты подаются в камеру турбонасосным		ют на высокоперепадной турбине примерно
агрегатом (ТНА), обычно включающим осе		до 0,15 МПа, направляя его затем в отдель
центробежные насосы и осевую турбину, ко		ный выхлопной патрубок, концевой участок
торая вращается газом, получаемым в газоге4		камеры или в специальное сопло (в ЖРД
нераторе (ГГ) при сгорании части жидкого		верхних ступеней РН). Ввиду низких термо
топлива при большом избытке одного из		динамических параметров генераторного га
компонентов.		за значение удельного импульса Iу для ЖРД

Рис. 7.1.2. Принципиальная схема ЖРД РД 252:

1 — 2, 4, 5 — отсечные пироклапаны; 3 — ГГ; 6 — регулятор тяги с электроприводом; 7 — стабилизатор соотношения топливных компонентов; 8 — обратный клапан; 9 — пусковой клапан; 10, 11 — разделительные пиромембранные клапаны; 12 — дроссель системы опорожнения баков (СОБ) с электроприводом; 13 — шнекоцентробежный насос горючего; 14 — шнекоцентробежный насос окислителя; 15 — турбина ТНА; 16 — пиростартер; 17 — отсечной клапан горючего; 18 — вы

хлопное сопло ТНА

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

		ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ЖРД		791
оказывается ниже, чем для камеры. Поэто			привода ТНА требуется много газа (до 80 %
му схема без дожигания целесообразна до			от расхода через камеру при pк 15 МПа),
уровня pк 7…10 МПа, когда на привод тур			чаще применяют окислительные ГГ (исклю
бины требуется не более 3		ходуемого	чение составляют ЖРД на водородном го
двигателем топлива (при		потери Iу на	рючем ввиду его высоких термодинамиче
привод ТНА достигают	2	Дальнейшее	ских свойств). При этом в ГГ поступает вся
увеличение pк приводит к		ходимости	масса окислителя, расходуемого ЖРД, с не
срабатывать генераторный газ на низкопе			большой долей горючего, основная масса
репадной турбине и затем дожигать его в			которого подается насосом в тракт регене
камере с остальной частью топлива, что			ративного охлаждения камеры.
устраняет потери Iу. Стойкость неохлаждае			Схема с дожиганием окислительного га
мого турбинного тракта ограничивает тем			за (рис. 7.1.3 и 7.1.4) позволяет реализовать pк
пературу генераторного	газа величиной		на уровне около 30 МПа. Для дальнейшего
850 К при избытке окислителя и 1300 К —			существенного повышения pк необходима га
при избытке горючего. Это обстоятельство,			зификация всего топлива перед дожиганием в
вместе с меньшей молекулярной массой			камере, что потребует использования двух ГГ:
восстановительного газа,		предопределяют	окислительного и восстановительного (схема
его повышенную работоспособность и энер			«газ — газ») и соответственно двух турбин в
гетическую выгодность для ЖРД без дожи			системе подачи ЖРД. На современном уровне
гания. Однако в ЖРД с дожиганием, где для			техники главным инструментом для разработ

Рис. 7.1.3. Принципиальная схема ЖРД РД 253:

1 — газовод; 2 — ГГ; 3, 4, 14 — отсечные пироклапаны; 5 — регулятор тяги с электроприводом; 6 — турбина ТНА; 7 — струйный бустерный насос; 8, 10 — разделительные пиромембранные клапаны; 9 — шнекоцентробежный насос окислителя; 11, 12 — двухступенчатый шнекоцентробежный насос горючего; 13 — дроссель СОБ с электроприводом; 15 — камера. Не показаны ГГ наддува баков и от бор горючего на рулевую машину (суммарный расход: окислителя — 2,13 кг/с, горючего 1,51 кг/с)

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

792	Глава 7.1. ЖИДКОСТНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Рис. 7.1.4. Принципиальная схема ЖРД РД 120:

1 — регулятор тяги с электроприводом; 2 — (двухступенчатый) шнекоцентробежный насос горючего; 3 — дроссель СОБ с электроприводом; 4 — главный (пуско отсечной) клапан горючего; 5 — шнеко центробежный насос окислителя; 6 — клапан пояса завесного охлаждения камеры; 7 — камера; 8 — турбина основного ТНА; 9 — ГГ; 10 — отсечной клапан горючего; 11 — главный (пуско отсечной) клапан окислителя; 12 — гелиевый теплообменник наддува бака; 13 — бустерный ТНА окислителя; 14 — обратный клапан; 15 — бустерный ТНА горючего. Не показаны гелиевые магистрали управле

ния клапанами и пусковая система (включающая емкость с зажигательным составом)

ЖРД, влияющим на техническое совер шенство проектируемой конструкции, являет (при выбранном топливе) параметр pк, с увеличением которого возрастает Iу и сокра щаются габариты камеры и всего ЖРД. Одна ко этому сопутствуют наращивание мощно сти насосов и все возрастающие трудности

создания ЖРД.

7.1.2. КОНСТРУКТИВНО МОНТАЖНАЯ СХЕМА ЖРД

Компоновка агрегатов. ЖРД (рис. 7.1.5– 7.1.8) включает кроме камеры, ТНА и ГГ также трубопроводы жидкости и газа, уст ройства и системы запуска; агрегаты авто матики с электроприводами, пневмо , пи ро и гидросистемами и устройствами для

управления работой ЖРД; агрегаты системы аварийной защиты; датчики системы теле метрических измерений; электрические ка бельные стволы для подачи сигналов на аг регаты автоматики и приема сигналов от те леметрических датчиков; чехлы и экраны, обеспечивающие надлежащую температуру в двигательном отсеке РН и исключающие перегрев либо переохлаждение отдельных элементов; агрегаты наддува баков (тепло обменники, смесители и т.п.); нередко — рулевые ЖРД, камеры и сопла с системами, обеспечивающими их работу. ЖРД могут быть одно и многокамерными, с питанием нескольких камер от одного ТНА. На пер вых ступенях РН часто используют блочные ЖРД — из набора одинаковых двигате лей блоков (модулей), соединенных общей

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

КОНСТРУКТИВНО МОНТАЖНАЯ СХЕМА ЖРД	793

Рис. 7.1.5. Двигатель РД 216 с тягой на земле 151 т на топливе азотная кислота — несиммет ричный диметилгидразин (НДМГ)

Рис. 7.1.6. Двигатель РД 253 с тягой на земле 150 т на топливе азотный тетроксид — несим метричный диметилгидразин (НДМГ)

Рис. 7.1.7. Двигатель РД 120 с тягой в пустоте	Рис. 7.1.8. Двигатель РД 170 с тягой на земле
90 т на топливе кислород — керосин	740 т на топливе кислород — керосин

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

794	Глава 7.1. ЖИДКОСТНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
рамой; общими могут быть элементы управ		незначительно,		благодаря	чему поворотные
ления ЖРД.		камеры получили широкое применение, не
	Обычно в ЖРД предусматривают сило	смотря на необходимость в отклоняющих
вую раму для передачи тяги на борт РН. Вы		гидроприводах и в усложняющих ЖРД меха
полненная в виде сварной пространственной		нических компенсаторах взаимного переме
фермы, рама крепится одним торцом к каме		щения частей		конструкции Компенсатор
ре, а другим стыкуется со шпангоутом РН.		содержит	сравнительно		стальной
Рама вместе с камерой (камерами) образу		или никелевый сильфон,			или внут
ют силовую конструкцию, на которой соби		ри которого может размещаться кардан, вос
рается ЖРД. В силовую конструкцию ЖРД с		принимающий осевые силы от внутреннего
дожиганием включают также корпус турби		давления и допускающий угловые перемеще
ны с ГГ и газоводом, объединяемые с каме		ния узла. Для разгрузки компенсатора в ус
рой в сварной моноблок. При использова		ловиях осевых и угловых перемещений маги
нии ЖРД в целях управления полетом между		стральный	сильфон (рис. 7.1.9) окружают
камерой и рамой размещают дополнитель		гидравлической камерой, образуемой допол
ный узел — шарнирный подвес, который		нительными сильфонами. Сильфонный ком
крепят обычно к головке камеры. Двигатель		пенсатор возмещает угловые деформации до
ная рама может не включаться в состав		/8 при температуре рабочего тела до 1020 К
ЖРД — в расчете на ее крепление к шпанго		и давлении до 30 МПа, за счет установки де
уту РН перед установкой ЖРД.		флектора обеспечивается минимальное гид
	Шарнирный подвес обеспечивает от	равлическое сопротивление. Вместе с каме
клонение камеры в пределах до /10 от но		рой можно отклонять и другие агрегаты
минального положения. При этом продоль		ЖРД, жестко соединенные с камерой. Это
ная составляющая вектора тяги уменьшается		упрощает конструкцию ЖРД, однако услож

Рис. 7.1.9. Сильфонный компенсатор возмещает угловые деформации до 8 при температуре рабо чего тела до 1020 К и давлении до 30 МПа

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

КОНСТРУКТИВНО МОНТАЖНАЯ СХЕМА ЖРД	795

няет задачу создания мощных быстродейст вующих приводов приемлемых размеров и массы (приводы разрабатываются специали зированными организациями и обычно уста навливаются при сборке РН).

Главной целью при компоновке ЖРД является достижение минимальных габари тов и массы ЖРД при обеспечении высокой технологичности конструкции, простоты производственной сборки, возможности об работки рабочих полостей после контроль но технологических испытаний и т.д. Ука занная цель достигается, прежде всего, плот ным размещением агрегатов. Современные ЖРД содержат реактивные сопла больших размеров (часто определяющих габариты всего двигателя), и свободное пространство вокруг камеры целесообразно использовать для размещения различных агрегатов. ТНА располагают в районе КС — обычно вдоль ее оси или (для многокамерного ЖРД) в про странстве между камерами. ТНА в ЖРД с дожиганием устанавливают турбиной вверх, чтобы укоротить газовод подачи отработав шего газа в смесительную головку камеры: получаемое снижение массы и гидравличе ского сопротивления газовода заметно ска зывается на массе ЖРД и требуемом напоре насосов. К входу турбины посредством ко роткого патрубка крепят ГГ. Входы насосов снабжают монтажными фланцами, прибли жая их к бакам соответствующих топливных компонентов.

Сборка ЖРД. При компоновке ЖРД учитываются разносторонние аспекты техно логического процесса сборки. В целях его ускорения и удешевления конструкция ЖРД большой тяги разбивается на отдельные крупные блоки, собираемые параллельно в различных цехах и объединяемых в цехе об щей сборки. Например, РД 170 насчитывает семь блоков. Газовод с двигательной рамой и траверсами шарнирных подвесов камер об разуют базовый блок, обладающий высокой прочностью, большой жесткостью и точны ми установочными поверхностями, к кото рым стыкуются остальные блоки. В конст рукции ЖРД широко применяется сварка, также позволяющая заметно снизить массу двигателя. Отдельные элементы могут объе диняться в сварные блоки (подсборки) — с сохранением возможности переборок после огневых стендовых испытаний ЖРД (кото рые необходимы для отработки нового об

разца и предусмотрены для контроля качест ва поставляемых двигателей).

Одним из условий высокой надежности ЖРД является обеспечение герметичности разъемных соединений. Для их герметизации в магистралях высококипящих топливных ком понентов используются в основном сравни тельно дешевые эластомерные прокладки — из специальных резин и пластмасс. Герметич ность магистралей криогенных компонентов и горячего газа обеспечивается упругими метал лическими уплотнениями разнообразной кон фигурации осевого и радиального обжатия. Они обычно работают в упругопластической области, что уменьшает размеры и массу со единения.

Для крупногабаритных, высоконагру женных соединений с облегченными флан цами сравнительно малой жесткости разра ботаны специальные упругие металлические уплотнения (рис. 7.1.10), в которых исполь зуется эффект самоуплотнения, возрастаю щий с повышением давления рабочей среды. Причем герметичность обеспечивается даже при расхождении фланцев в зоне уплотнения при условии сохранения плотности стыка в зоне крепежа. Затяжка таких соединений тре бует значительно меньших усилий, чем со единений с пластически деформируемыми прокладками. Кроме того, упругие уплотне ния сохраняют работоспособность при мно гоцикловых нагружениях без подзатяжки, что существенно повышает надежность ЖРД. Разработаны уплотнения для диапазона про

х диаметров 30…700 мм, рабочих тем ператур от 253 до 800 С и давлений до МПа. В этих уплотнениях, выполненных высокопрочных сталей и сплавов, исполь зуются герметизирующие покрытия (медь, се ребро, фторопласт и металлофторопласт), обеспечивающие также коррозионную стой

кость и пожаробезопасность.

В особо ответственных соединениях ис пользуются более сложные и дорогостоящие двухбарьерные уплотнения (рис. 7.1.11). Их отличает повышенная надежность, достигае мая дублированием уплотнительных поверх ностей в сочетании с возможностью раздель ной диагностики барьеров уплотнения (с по дачей и без подачи давления в рабочую по лость). Это позволяет контролировать герме тичность соединений на протяжении всего срока хранения и эксплуатации ЖРД. Во мно гих случаях целесообразно выполнять соеди

Аджян А.П., Аким Э.Л., Алифанов О.М., Андреев А.Н. Ракетно-космическая техника. Машиностроение. Энциклопедия. T. IV-22 В двух книгах. Книга первая

796	Глава 7.1. ЖИДКОСТНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Рис. 7.1.10. Сечения упругих металлических уплотнений:

для плоских соединений; б — для сфериче ских

нения (высоконагруженные, крупногабарит ные) со сферическими сопрягаемыми поверх ностями, образующими «статический» шар нир, который обеспечивает компенсацию до пусков при изготовлении и снижение монтаж ных напряжений в трубопроводах при сборке. Это позволяет наряду с повышением надеж ности обойтись меньшим числом сложных, массивных компенсаторов. Размещение между сферическими поверхностями двухбарьерных уплотнений, в которых второй барьер служит также разделительным кольцом, предотвраща ет повреждение уплотнительных поверхностей и обеспечивает возможность многократной повторной эксплуатации агрегатов без дора ботки фланцев.

В трубопроводах малого диаметра целе сообразно использовать беспрокладочные штуцерно стяжные соединения со «статиче ским» шарниром, содержащие упругий эле

мент. Такие простые соединения выдержи вают многоцикловые нагрузки без подзатяж ки резьбы.

В процессе сборки ЖРД неизбежны грешности во взаимном расположении сты куемых агрегатов, и поэтому в конструкции предусматривают механические компенсато ры размеров. Для компенсации угловых и ли нейных деформаций при перекосах и несоос ности магистралей широко используются шланги. При диаметре до 25 мм они могут выполняться из фторопластовых, а при диа метре до 60 мм — из резиновых трубок, за ключаемых в одно или многослойную метал лическую оплетку. В высоконапорных шлан гах большего диаметра вместо указанных тру бок устанавливают металлические сильфоны (одно и многослойные, цельнотянутые и сварные) с кольцевыми гофрами, усиленными снаружи промежуточными металлическими