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

ПОТРЕБНОЕ ДАВЛЕНИЕ НАДДУВА БАКОВ	905

Рис. 8.5.3. Влияние количества ступеней ЛА и погрешностей СООБ на гарантийные остатки, приведенные к полезной нагрузке, при выклю

чении промежуточных ступеней по командам от датчиков окончания компонентов:

а— идеальная СООБ; б — СООБ с погрешно стью 0,05; в — СООБ с погрешностью 0,10

Введением гарантийного остатка горюче го Мг г , можно уменьшить пассивную массу при K 6 0, уравняв ее с пассивной массой при

K + 0,

Mт

| K |

Mг г K Mт

| K |

Mг г ,

K 1

K (K 1)

откуда

Mг г Mт

K 1

K

, или в безраз

(K 1)2 K

мерной форме

.г г

(1 .к )

K 1 K

.

(8.5.18)

(K

1)2 K

Введение

гарантийного

остатка

вызовет

потерю скорости n g

p

.г г

на каждой

0

уд

.к

из промежуточных ступеней или в сумме для всего ЛА с N ступенями:

nк* g	p	1 .к	(N 1)			K 1		K	.	(8.5.19)
8	0 уд .к					(K 1)2 K
Выражение (8.5.16), с учетом (8.5.19)
принимает вид
		Χ		0	n8к n8к* ,					(8.5.20)
		K 3				n8

что позволяет учесть влияние погрешностей ре альной СООБ на величину приведенных к по лезной нагрузке гарантийных остатков при вы ключении по ОКТ двигателей промежуточных ступеней.

Как из рис. 8.5.3, отказ от СООБ при соответствующем увеличении погрешно

стей одновременного опорожнения K до

K

0,07...0,10 существенно снижает выигрыш за счет выключения промежуточных ступеней ЛА по ОКТ.

8.5.2.ПОТРЕБНОЕ ДАВЛЕНИЕ НАДДУВА БАКОВ

Чтобы обеспечить нормальную работо способность ЖРД, в ДУ необходимо добиться превышения в полете давления компонентов топлива на входе в насосы над давлением их насыщенных паров для безкавитационной ра боты насосов.

Кавитация — процесс нарушения сплош ности потока жидкости в зоне понижения дав ления, заключающийся в образовании полос тей, наполненных паром и выделяющимся га зом. Кавитация вызывает отрицательные явле ния, приводящие к нарушению работы насо сов и ЖРД в целом.

Установка бустерных насосов (шнеков) перед центробежными насосами существенно улучшает антикавитационные качества по

следни	уменьшает допустимые минимальные
давления	входе в насосы.
	давления на входах в насосы —

одно из основных направлений уменьшения масс конструкции топливных отсеков ракетных блоков.

При проектировании ЖРД в целях обес печения надежности его работы принимают, что располагаемое превышение давления больше необходимого на некоторую величину

резерва 7н h		.	Тогда		потребное			давление
	рез			7н h
pmin	pн 7н h					, откуда
вх потр	S	рез			ср в
	pmin	7н ( h			h		) pн	, (8.5.21)
	вх потр			ср в		рез	S

где pвхminпотр — минимальное потребное давление на входе в насос; 7нS — давление насыщенного пара, соответствующее номинальной темпера

туре компонента; pвх min 7н ( hср в hрез) — превышение давления на входе в насос над дав

лением насыщенного пара компонента.

С повышением температуры компонен тов топлива плотность их насыщенных паров увеличивается. Для сохранения требуемого превышения давления необходимо с ростом температуры компонентов увеличивать давле ние на входе в насосы.

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

906 Глава 8.5. СИСТЕМА ОДНОВРЕМЕННОГО ОПОРОЖНЕНИЯ БАКОВ

Определение потребных давлений наддува

баков. Зная минимальные потребные давления pвхminок , pвхminг на входе в насосы, потребные дав

ления наддува баков окислителя pбокн и горю чего pбгн при номинальных и выходных харак теристиках ДУ можно определить из следую щих соотношений:

pбокн pвхminок pс ок pSок 7ок (Tок )hок (t)nx (t);

(8.5.22)

pбгн pвхminг pсг pSг 7г (Tг )hг (t)nx (t),

(8.5.23)

где pс ок , pсг — гидравлические потери в сис

темах окислителя и горючего; pSок pSок (Tок )

pSок (Tокн ), pSг pSг (Tг ) pSг (Tгн ) — прирост давления насыщенных паров окислителя и го

рючего соответственно из за прогрева в полете;

7ок (Т ок ), 7г (Т г ) — плотность окислителя и го рючего соответсвенно в зависимости от их тем

пературы; hок(t), hг(t) — высота «гидравличе ского столба» окислителя и горючего соответст венно; nx(t) — осевая перегрузка в зависимости от времени полета.

Давление насыщенного пара в баках окислителя и горючего зависит от времени полета. Во время полета температура окисли теля и горючего повышается вследствие теп лообмена между стенками топливных баков, зеркалом жидкости и газом наддува. Макси мальных значений температур окислитель и горючее достигают в конце активных участ ков перед выключением двигателей, поэтому потребные номинальные давления наддува баков определяют максимально потребные значения давлений на входе в насосы компо нентов в конце активных участков траекто рий ступеней.

На рис. 8.5.4 показана типовая зависи мость потребных давлений на входе в насосы окислителя и горючего в зависимости от вре

Рис. 8.5.4. Зависимость потребных давлений на входе в насосы окислителя и горючего от вре мени работы ДУ ракетного блока первой ступени БР и РН

мени работы ДУ ракетного блока первой сту пени БР и РН.

Полученные номинальные значения над дува баков pб ок и pб г должны быть несколь ко увеличены, чтобы обеспечить безкавита ционную работу насосов, из за возмож ных ошибок настройки pнастр характери

стик ДУ и влияния внешних возмущающих факторов pвф:

p	pH	pнастр pв ф		;	(8.5.24)
б ок	б ок	б ок	б ок
p	pH	pнастр pв ф.			(8.5.25)
б г	б г	б г	б г

Так как отклонения внешних характери стик, вызванные допусками на точность на

стройки и внешними возмущающими фактора ми, случайны и независимы, то pнастр и pв ф

определяются следующими выражениями:

pнастр

0p

2

0p

2

&

б ок pнастр )

&

б ок m

настр ) ;

б ок

& 0p

уд

)

&

0m

)

%

уд

(

%

(

(8.5.26)

pнастр

0p

2

0p

2

&

б г

pнастр )

&

б г

mнастр ) ;

б г

& 0p

уд

)

& 0m

)

%

уд

(

%

(

(8.5.27)

0p

2

0p

2

pв ф

&

б ок

T

)

&

б ок

7

) (7

б ок

)2 ;

б ок

&

0Tок

ок

)

&

07ок

ок )

%

(

%

(

(8.5.28)

0p

2

0p

2

pв ф

&

б г

T

)

&

б г

7

)

(7

б г

)2 ,

б г

&

0Tг

г

)

&

07г

г )

%

(

%

(

(8.5.29)

где pнастр

— отклонение удельной тяги из за

уд

настройки двигателя; mнастр — отклонение

расхода компонентов из за настройки двига теля; Tок Tок TокH , Tг Tг Т гН — воз можное повышение температуры окислителя

и горючего на входе в насосы перед выклю чением ДУ; 7ок , 7г — допустимые откло нения плотности окислителя и горючего из за сортности (допусков на плотность);pб ок , pб г — точность поддержания номи нальных давлений в баках (точность работы систем наддува).

Требования к системам наддува баков. Ис, ходные данные для определения их характери, стик. Системы наддува баков обеспечивают поддержание требуемого давления в баках. Ос новные требования к системам наддува:

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

ПОТРЕБНОЕ ДАВЛЕНИЕ НАДДУВА БАКОВ	907

1)поддержание потребного давления в баках с максимальной точностью;

2)обеспечение постоянства характери стик системы наддува (давление в баках, рас ход и температура газов наддува);

3)минимальная масса газов наддува, аг регатов и элементов системы наддува и не за бираемых из баков компонентов топлива;

4)высокая надежность системы (простота конструкций, минимальное количество компо нентов);

5)удобство и безопасность эксплуата ции, высокая герметичность в процессе экс плуатации.

зависимости от конкретного назначе системы наддува и применяемых компо топлива в ЖРД к ней предъявляют и специфические требования. Так, для БР одно из таких требований — постоянная

готовность к пуску в процессе всего периода эксплуатации. Классификация систем надду ва может быть произведена по типу газа, ис пользуемого для наддува баков, принципи альным схемам, агрегатному состоянию ис ходных веществ для получения газа наддува

ит.д.

Системы наддува можно разделить на две принципиально различающиеся группы:

1.Холодные, в которых газ наддува, акку мулированный в баллонах высокого давления, подается в баки через редуктор или дроссель ные шайбы.

2.Горячие, использующие газ с более вы сокой температурой, чем температура жидких компонентов.

Вхолодных системах наддува рабочими телами служат воздух, азот, гелий.

Горячие системы подразделяются на газогенераторные с непосредственным вво дом реагирующего вещества в бак, испари тельные и газобаллонные с подогревом ра бочего тела.

ВБР в качестве основных систем наи большее распространение получили газогене раторные и системы с непосредственным вво дом реагирующего вещества в баки, а в РН с ДУ ракетных блоков, использующими крио генные компоненты топлива, — испаритель ные и газобаллонные системы с подогревом сжатых газов.

Втопливные баки должен подаваться газ

ссоответствующим кислородным балансом. Поэтому газ, отбираемый до или после тур бины одиночных ЖРД, поступает в два газо

генератора или в смесители системы наддува, которые вырабатывают для бака окислителя газ с избытком окислителя, а для бака горю чего — горючего.

Источником тепловой энергии для испа рения криогенных жидкостей и подогрева сжатых газов могут быть газы, отбираемые до или после турбины одиночных ЖРД. Основ ные горячие системы наддува баков выходят на режим только после запуска основных ЖРД, поэтому для обеспечения надежного вы хода и предотвращения провала давлений на входе в насосы необходим предварительный наддув свободного от компонентов объема ба ков, так называемых газовых подушек.

Предварительный наддув баков односту пенчатых и первых ступеней многоступенча тых ракет осуществляют наземной газобаллон ной системой наддува, последующих ступеней до старта — с использованием наземной систе мы, в полете — из бортовых баллонов со сжа тым газом.

Исходные данные для определения ха рактеристик и выбора рациональной системы наддува баков:

pокmin , pгmin — минимальные давления на входе в насосы окислителя и горючего;

mокmax mокН mок , mгmax mгН mг

максимальные массовые расходы компонентов топлива;

Vокmax (mокmax /7minок ), Vгmax (mгmax /7minг ) —

максимальные объемные расходы компонен тов топлива;

конфигурация баков, зависимости hок (t),

hг (t);

ПГСхок, ПГСхг — пневмогидравлические схемы систем окислителя и горючего;

физико химические характеристики газов наддува;

Tок (t),Tг (t) — изменения температур окис лителя и горючего в зависимости от времени работы ДУ;

nx(t) — изменение осевых перегрузок в за висимости от времени работы ДУ;

Vокн ,Vгн — объемы, занимаемые номи нальными запасами окислителя и горючего;

Vбнок ,Vбнг — объемы баков окислителя и горючего.

Основные характеристики системы над дува баков:

pб ок , pб г — давления наддува баков окис лителя и горючего в полете;

pбпрок , pбпрг — давления предварительного наддува баков окислителя и горючего;

mг ок , mг г

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

908 Глава 8.5. СИСТЕМА ОДНОВРЕМЕННОГО ОПОРОЖНЕНИЯ БАКОВ

— массовые расходы газов над дува окислителя и горючего;

Tок ,Tг — температуры газа наддува бака окислителя и горючего;

mг н — масса газов наддува в баках окис лителя и горючего в момент выключения ДУ ракетного блока;

mнез — масса остатков незабора компо нентов топлива при выключении ДУ;

mс н — масса агрегатов и элементов кон струкции систем наддува, окислителя и го рючего.

Требуемые давления наддува в баках окислителя и горючего могут быть найдены по (8.5.22)...(8.5.29). Для этого по исходным дан ным рассчитывают гидравлические потери:

pг п pс pм pтр,

(8.5.30)

где pc — потери давления на создание скоро сти: pм — потери давления на преодоление ме стных сопротивлений трубопроводов; pтр — потери давления на трение о стенки трубопро водов.

Потери давления на создание скорости, преодоление местных сопротивлений трубо проводов и трение об их стенки определяются из следующих выражений:

	p		7w2			(8.5.31)
					;
		c	2
		7w2			n
	pм				?i ;	(8.5.32)
		2			i 1
	p			l	7w2
					,	(8.5.33)
			c d
	тр				2

где w — скорость движения компонента; 7 — максимальная плотность компонентов в момент выключения ДУ; ?i (i 1,2,..., n коэффициенты местного сопротивления элементов систем окислителя и горючего (заборные устройства, сильфоны, элементы автоматики, шайбы, вход в двигатель, пово роты, изменение сечения трубопровода);c — коэффициент сопротивления трения; l — длина трубопровода; d — диаметр трубо провода.

Для круглых топливоподающих труб при турбулентном движении c определяется по формуле

					100		0,25
	c	01,&1,45					) ,	(8.5.34)
		&	dг				)
		%				Re (

где Re wdг — критерий Рейнольдса; — сред v

няя шероховатость трубопровода, м; dг — гид равлический диаметр, м; v — кинематическая вязкость жидкости, м2/с.

предварительного наддува должны обеспечивать необходимое для безка витационной работы давление на входе в на сосы до момента выхода на режим основной системы наддува.

Величина давления предварительного (до запуска ДУ) наддува должна находиться в диа

пазоне pб min + pб + pб max .

В целях исключения превышения pб зна чения pб max на баке устанавливают дренаж но предохранительный клапан с давлением

открытия pп к pб max pп к .

Снижение давления менее допустимого pб min исключено благодаря выбору соответ ствующей величины свободного объема ба ка (газовой подушки) или подпитке бака компонентом до момента выхода основной системы наддува на режим. Если предвари тельный наддув прекращен до момента включения двигателя, то при изотермиче ском процессе расширения газа в баке ми нимальный свободный объем можно опре делить по формуле

Vcв min	pб minVcв max	,	(8.5.35)
	pп к pб min

где Vc max — максимальный объем компонента топлива, сливаемого из бака, до момента выхо да системы наддува на режим:

Vc max Vз Vд ,

(8.5.36)

где Vз — объем компонента, необходимый для заполнения гидравлических трактов ДУ; Vд — объем компонента топлива, расходуемый в двигателе до выхода системы наддува на ре

9 м

жим: Vд :Vdt, где V — текущий секундный

9 з

объемный расход, 9з — момент заливки дви гателя: 9м — момент выхода системы наддува на режим.

Если предварительный наддув от агрега тов наземного оборудования продолжается до старта ракеты, то необходимый расход газа для поднаддува определяется по формуле

m		pб maxVc max	,	(8.5.37)
г н		g0RT (9ст 9з)

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

ПОТРЕБНОЕ ДАВЛЕНИЕ НАДДУВА БАКОВ	909

где 9ст — момент старта; RT — удельная работо способность газа предварительного наддува, равная произведению газовой постоянной на температуру. Наибольшее применение в каче стве газов наддува получили нейтральные га зы — гелий R 212 и азот (R 30,26).

Предстартовый расход mг н газа надду ва — основа для расчета автоматики и сечений трубопровода системы предварительного над дува баков.

Потери давления компонентов топлива определяют конкретными пневмогидравли ческими схемами систем окислителя и горю чего и их общей внутрибаковой компонов кой. Б льшую часть этих потерь составляют потери на трение, зависящие от длины и диаметра трубопроводов. Диаметры трубо проводов зависят при заданном расходе от скорости движения жидкости в них. Чем больше скорость, тем меньше диаметр и масса трубопровода, но при этом возрастают потери на трение, которые необходимо ком пенсировать увеличением давления в баке, что приводит к увеличению массы баков и газов наддува.

Следовательно, оптимальное значение диаметра трубопровода и скорости движения в нем целесообразно выбирать из условия

min m8 min(mб	mтр), (8.5.38)
где mб — масса бака; mг н	газа наддува в

баке; mтр — масса трубопровода.

При этом следует рассмотреть два вари анта размещения трубопроводов — внутри и вне баков.

Зная pб ок , pб г ,Vок ,Vг , секундный расход газов наддува можно определить по формулам

	p	V			p	V
mб ок	б ок	ок	; mб г		б г	г	,	(8.5.39)
г н	(RTэф )ок		г н		(RTэф)г

где mгб нок , mгб нг — секундный расход газов надду ва баков окислителя и горючего соответствен но; (RTэф)ок , (RTэф)г — эффективная работоспо собность газа внутри бака окислителя и горюче го соответственно.

Значения RTэф для холодных, испари тельных и газобаллонных систем с подогревом газа при некоторых допущениях можно с при емлемой точностью рассчитать по известным термодинамическим соотношениям.

Значения RTэф для горячих систем надду ва газогенераторными газами из за сложности внутрибаковых процессов, протекающих при

таком наддуве баков (теплообмен, конденса ция, испарение, химические реакции), опреде ляют экспериментально. По результатам экс перимента RTэф рассчитывают по формуле

RT	pкV9	,	(8.5.40)
эф	mг н

где p9 — абсолютное давление в баке; V9 — сво бодный объем бака на момент времени 9; mг н — количество газа, израсходованного на наддув бака на момент времени 9.

Массу газов наддува определяют из сум мы массы газов предварительного наддува mп н

t

и массового расхода газа в ходе полета : mг нdt.

0

Следовательно, максимальную массу га зов в баках в момент выключения ДУ можно рассчитать по следующим формулам:

	tK		p	V
mгб нок mпб нок :			б ок			ок			dt;	(8.5.41)
			(RT
					)		ок
	0		эф
	tK		p	V
mгб нг mпб нг :			б г	г				dt;		(8.5.42)
		(RT		)
						г
	0		эф
m	mб ок		mб г			.				(8.5.43)
г н	г н			г н

При горячем наддуве баков температура газа над свободной поверхностью компонента выше температуры самого компонента. Поэто му в полете происходит прогрев компонентов за счет теплопроводности жидкости и конвек тивного теплообмена из за движения газа и жидкости внутри бака, зависящего от конст рукции насадки, через который газ подается в бак. Чем выше температура газа наддува, тем меньше его масса, больше прогрев компонента и масса конструкции баков вследствие повы шения давления наддува для компенсации прогрева компонента.

Массу системы наддува баков mсн можно разделить на две части: массу газов наддува в баках mгн при выключении ДУ, пропорцио нальную в первом приближении номинально му количеству компонентов топлива, и массу элементов конструкции системы наддува mснкон , зависящую от давления, температуры, расхода газов наддува и пропорциональную в первом приближении тяге ДУ ракетного блока:

m	m	mкон a m	,	P , (8.5.44)
с н	г н	с н с н т		с н п

где aс н mг н / mт — масса газа наддува, при ходящаяся на единицу массы топлива;