9. Системы управления жрд

9.1. Система запуска жрд

Запуск двигательной установки является наиболее ответственным ди­намическим режимом её работы, во время которого параметры рабочего про-

десcaизеняются в широких пределах от нуля до номинальных значений; ем это изменение происходит очень быстро, вследствие чего трудно, аиногда 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 кбольшим 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 (dP/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 dP/dr 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 t₃. Очевидно, чем больше значение т₃, тем больше ус­пеет накопиться топлива до начала воспламенения и тем больше будет заброс даатения.

Рис87

Изменение давления в камере при запуске:

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

t, - 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 турбона-сосной системой подачи. При этом плавность нарастания расхода топливаобеспечивается 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 обуслов-

лена 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.