Файл: Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей.pdf

чить с поверхности камеры сгорания, ограничено, то ограничен­ ной оказывается и работоспособность газа RT. В связи с этим такую схему целесообразно применять для компонентов, имею­ щих высокую газовую постоянную R (например, водород).

Кроме указанных выше отличий одной схемы Ж РД от дру­ гой, двигатели могут различаться также по типу бустерных на­ сосов, установленных на входе в основные насосы ТНА. Необхо­ димость в бустерных насосах возникает из-за противоречий между требованием облегчения баков ракеты путем снижения давления наддува в них п требованием уменьшения веса двига­ теля, что достигается путем увеличения частоты вращения турбонасосного агрегата, а это из-за кавитации возможно только при увеличении давления на входе в насосы ТНА, для чего на трактах между баками и насосами устанавливаются бустерные насосы различных типов. Введение бустерных насосов изменяет пневмогидравлическую схему двигателя.

1.2.ВНЕШНИЕ СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ИУПРАВЛЕНИЕ ВЕКТОРОМ ТЯГИ

Зависимость основных параметров двигателя: тяги и удель­

ЖРД. Единственным * внешним условием, влияющим на указан­ ные параметры двигателя, является давление во внешней среде у среза сопла камеры сгорания и срезов выхлопных патрубков ТНА (для двигателя с выбросом генераторного газа в атмос­ феру). Давление у среза сопла зависит от высоты полета ра­ кеты.

Режим работы двигателя определяется секундным расходом топлива и соотношением расходов компонентов топлива, пода­ ваемых насосами в камеру сгорания. Режимом работы двигате­ ля управляют системы регулирования ракеты и самого двигате­ ля. Кроме того, на режим работы двигателя оказывают воздей­ ствие возмущения, связанные с отклонением от расчетных значений конструктивных параметров элементов двигателя (так называемые внутренние факторы) и параметров компонентов на входе в насосы двигателя (внешние факторы).

Системы управления ракеты и двигателя могут изменять как суммарный расход компонентов топлива, так и их соотношение. При изменении соотношения компонентов (т. е. коэффициента избытка окислителя а), при сохранении постоянным суммарного расхода топлива одновременно изменяется и удельный импульс тяги двигателя. Существует некоторое оптимальное значение а, при котором удельный импульс тяги имеет максимальное зна­

* Если не учитывать случайных возмущений, действующих на режим ра­ боты двигателя, о которых будет сказано ниже.

15

чение (рис. 1.11). Для каждого значения давления в камере сгорания (давление на срезе сопла рс принято постоянным) имеется свое оптимальное значение коэффициента избытка окис­ лителя а.

Приведенные на рис. 1.11 кривые являются результатом термодинамиче­ ских расчетов и не учитывают возможной неполноты сгорания топлива в ка­ мере сгорания, которая также зависит от соотношения компонентов. Учет зависимости полноты сгорания от соотношения компонентов приводит к еще более резкому изменению удельного импульса тяги при изменении а.

В связи с существенной зависимостью основной энергетиче­

сгорания и двигателя в целом, Они отличаются на 1—3% из-за дополнительных потерь при выбросе генераторного газа после турбины во внешнюю среду,

Для двигателя с дожиганием характеристики камеры сгорания и двигателя совпадают.

1.2.1. Дроссельная характеристика двигателя

Характеристики камеры сгорания рассчитывают по следую­ щим уравнениям [5]:

16

где Р л — удельный импульс тяги камеры сгорания; ЯуЛ „ — теоретическое значение удельного импульса тяги в

пустоте (/?іг=0); <руД —■коэффициент удельного импульса тяги камеры сго­

рания, учитывающий все виды потерь в ней; F c — площадь среза сопла камеры сгорания;

р„ — давление во внешней среде;

G s— суммарный расход компонентов через камеру сгора­ ния;

Р — тяга двигателя.

При относительно небольшом диапазоне регулирования ре­ жима работы камеры сгорания (в пределах до ±10%) можно принять, что Руд.п и фуд не зависят от режима работы двигателя. Вместо расхода компонентов в качестве аргумента в расчетных зависимостях используют давление в камере сгорания как вели­ чину, измеряемую проще, чем расход. Давление в камере сгора­ ния связано с суммарным расходом компонентов линейной за­ висимостью

нии давления в камере сгорания ухудшается эффективность сгорания компонентов и, кроме того, появляется отрыв потока газа от стенок сопла из-за большого перерасширения. В резуль­ тате уменьшается по сравнению с его теоретическим значением удельный импульс тяги и, как следствие, — тяга двигателя.

17

Кривая удельной тяги на теоретической дроссельной харак­

Уменьшение удельного импульса тяги двигателя при дроссе­ лировании является одной из основных трудностей, с которыми сталкиваются при глубоком регулировании двигателя. По мере уменьшения расхода компонентов пропорционально квадрату расхода уменьшается и перепад давления на форсунках камеры сгорания и вследствие этого ухудшаются процессы распыла и смесеобразования компонентов. Ухудшение качества распыла и перемешивания является основной причиной уменьшения коэф­ фициента полноты сгорания топлива в камере сгорания фуд и, как следствие [см. (1.1) и (1.2)] — уменьшение тяги и удельного импульса тяги.

С другой стороны, уменьшение перепада давления на фор­ сунках способствует возникновению низкочастотных колебаний (см. § 1.7), что в ряде случаев может оказаться дополнительным лимитирующим фактором при глубоком регулировании ЖРД.

Единственным способом избежать потерь удельного импуль­ са тяги из-за нерасчетного режима работы сопла при глубоком регулировании двигателя является использование сопла с регу­ лируемой площадью критического сечения. Однако создание конструкции такого сопла — задача очень сложная. Кроме того, такое сопло не решает других проблем, связанных с глубоким регулированием — ухудшения полноты сгорания и возможности возникновения низкочастотных колебаний.

Для устранения этих явлений можно использовать форсунки с регулируемым проходным сечением. Эта задача конструктив­ но также достаточно сложная, но более реальная, чем создание регулируемого сопла для камеры сгорания.

Наиболее простым способом регулирования тяги в широких пределах является использование двигательной установки с не­ сколькими независимыми двигателями или двигателя с не­ сколькими камерами. Изменение тяги в этом случае осущест­ вляется включением или выключением отдельных камер или двигателей.

1.2.2. Высотная характеристика двигателя

Высотная характеристика двигателя может быть определена по соотношениям (1.1) и (1.2), учтя зависимость атмосферного давления ра ют высоты Я pH—f(H). При этом обычно принима­ ют постоянными расход компонентов и их соотношение.

Существует некоторая высота, на которой режим работы сопла оказывается расчетным, т. е. давление на срезе сопла pG

18