Файл: Динамика и управление ядерным ракетным двигателем [Текст] 1974. - 253 с.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.06.2024
Просмотров: 194
Скачиваний: 0
метрической степени расширения сопла е = 10 удельная тяга двигателя равна 715 сек.
На рис. 1.3 приведена структурная схема системы уп равления двигателем ХЕ-1. Она обеспечивает запуск дви гателя, регулирование на режиме по температуре или мощ ности, останов двигателя и его расхолаживание. Кроме того, система управления обеспечивает безопасность работы двигателя. Активная зона атомного реактора двигателя
|
Рис. |
1.2. Реактор двигателя |
«Нерва»: |
|
|
1 — экран; |
2 — регулирующий стержень; |
3 — подвод |
во |
||
дорода; 4 — регенеративно охлаждаемое |
сопло; 5 — ка |
||||
налы |
охлаждения; |
6 — активная зона; |
7 — изолирую |
||
щая |
оболочка; 8 — |
отражатель (стрелками показано |
дви |
жение рабочего тела).
ХЕ-1 имеет твердые тепловыделяющие элементы, поэтому температура, до которой может быть нагрето рабочее тело, не может превысить температуру материала тепловыделяю щих элементов, чем и ограничивается величина интенсив ности подвода энергии к рабочему веществу. Однако ис пользование тугоплавких материалов и рабочего вещества
с большой теплоемкостью (например, водорода) позволит »
теоретически получить скорости |
истечения |
порядка 8— |
10 км!сек (или удельную тягу до |
1000 сек), |
что вдвое пре |
вышает возможности лучших химических топлив. Этим объясняется интерес к такому типу ЯРД, получивших название ЯРД с твердыми тепловыделяющими элементами
и проходящих в настоящее время стадию интенсивной теоретической и экспериментальной разработок. Примени тельно к твердотопливным ядерным ракетным двигателям соотношение (1.2) показывает, что для получения макси мально возможной скорости истечения необходимо под держивать максимальную температуру тепловыделяющих
8
Логическое устройство |
.г |
Логическое устройство для упра ~ |
|
регулирования температуры |
вления регулирующими стержнями |
||
!- - |
, - F ^ |
р е гул и р о в а н и я |
|
|
|
температурь/ и |
|
|
|
|
м о щ н о с т ь ю |
|
|
|
Привод |
|
|
|
регулирующих |
|
|
|
стержней |
|
|
|
—< Обратная связь |
|
|
|
по положению стержней |
|
|
|
|
|
|
LnNm |
|
|
|
|
|
|
^Нейтронный |
|
|
|
|
|
|
поток |
|
|
|
|
|
|
flpuDoö регулятора |
|
|
|
|
|
|
туроины |
|
|
|
|
— |
|
^.Обратная связь по |
|
|
|
|
Гд/TL1 I» положению регуля - |
||
|
|
|
|
— •+* |
^т ора турбины |
|
|
Тм |
о. |
‘ Щ~Фильтр |
I---- < Температура |
||
|
|
I - |
r |
I |
активной зоны |
|
\________ Логическое устройство |
|
|
г Фильтр |
I----СДавлвние в номере |
||
программы остановки |
|
|
||||
Окончание охлаждения-4—17>= Тр,, |
I----——I Фильтр |
I-----сіенпература на |
||||
|
I |
|
I----------- 1 |
входе в отражатель |
Рис. 1.3. Схема системы управления двигателя ХЕ-1:
Т£>— уставка температуры; L tiNd — уставка мощности: |
е д — уставка |
скорости регулировании' ад — уставка |
|
положения регулятора турбины; |
р д — уставка давления, |
Тм — регулируемая температура; L nN M — регулируе |
|
мая мощность; ад* — изменяемое положение регулятора |
турбины; Гк — температура в камере; Та.з — температу |
||
ра активной |
зоны; Гн — температура на входе в |
отражатель. |
элементов реактора ЯРД. Температура должна прибли жаться к температуре плавления материала твэла. В реак торе «Нерва» применяются карбиды урана и циркония, выдерживающие температуру до 3050° С и выше. Тепло выделяющие элементы набираются из пористых блоков, имеющих достаточно большую поверхность охлаждения. Насколько близко можно подходить к температурному пределу твэла, зависит, в частности, и от того, как жестко температура реактора ЯРД будет поддерживаться во время переходных процессов. Далее, во время полета ракеты про исходит регулирование тяги двигателя в соответствии с про граммой полета. Как показывает соотношение (1.1), изме нение тяги двигателя естественно производить изменением массового расхода рабочего вещества, а не скорости его истечения, так как иначе снижается удельная тяга и уве личивается необходимый запас топлива. Условие под держания скорости истечения на прежнем уровне требует при этом сохранения температуры твэла и, следовательно, соответствующего изменения мощности реактора.
Таким образом, система управления ЯРД должна из менять тягу двигателя в соответствии с программой полета и поддерживать температуру газа (скорость истечения) на максимальном уровне. Создание системы управления, удовлетворяющей этим требованиям, должно опираться на знание динамических свойств и особенностей ЯРД. Как и в любых других случаях, построению системы управления должно предшествовать изучение ЯРД как объекта управления.
Следует заметить, что подача рабочего вещества в дви гатель может определяться турбонасосным агрегатом, ко торый приводится в действие либо некоторой частью нагре того вещества, отбираемого от основного потока, либо ос новным потоком рабочего вещества после предваритель ного подогрева. Возможны схемы, в которых поступающий на турбину горячий газ смешивается с холодным для полу чения нужной температуры.
Графит твэлов служит одновременно замедлителем. Функцию замедления быстрых нейтронов выполняет также рабочее тело (водород) и в некоторых случаях — специаль ные конструкционные элементы. В центре реактора KIWI-A [4] для этой цели помещен цилиндр с циркули рующей D20 . Отражатель, поскольку в нем не происходит такого интенсивного выделения тепла, как в твэлах, может состоять из менее теплостойкого материала с хорошими за-
10
ч
медляющими свойствами (окись |
бериллия, гидрид лития |
и т . п.). Как говорилось выше, |
кроме перечисленных эле |
ментов реактор ЯРД имеет управляющие элементы (стерж ни, барабаны и т. п.), осуществляющие регулировочные операции.
С нейтроннофизической точки зрения перед реактором стоят следующие задачи: 1) обеспечение необходимой мощ ности; 2) обеспечение управляемости, т. е. возможности менять при необходимости режимы работы; 3) обеспечение равномерности тепловыделения по сечению активной зоны. Последнее требование возникает из-за того, что профиль нейтронного потока в реакторе не равномерен, а имеет вид «усеченной» синусоиды с всплесками на границе с отра жателем [5]. Выравнивание тепловыделения достигается не равномерным насыщениём твэлов ураном. Так как тепло выделение пропорционально произведению плотности пото
ка нейтронов на плотность |
урана |
|
q (г, х) ~ ср |
(г, X) у (г, х), |
(1.3) |
то желаемый эффект может быть достигнут. При изменении режима работы в небольших пределах распределение ней тронного потока, т. е. сама функция ср (г, х), будет изме няться почти конгруэнтно 15], и, таким образом, заметных искажений в работе реактора не будет.
Дополнительное требование к нейтроннофизическим свойствам реактора — его устойчивость. Она может быть следствием наличия в реакторе отрицательного мощностного или температурного эффекта реактивности ( — öökidT) или ( — dèk'dN). Наличие эффектов такого рода иногда может быть достигнуто соответствующими конструктивными мерами, но чаще является результатом свойств материалов и конструкции активной зоны.
Отрицательные эффекты реактивности возникают по ряду причин. Во-первых, эффекты возникают вследствие того обстоятельства, что сечение поглощения нейтронов убывает с температурой [5]. Во-вторых, размеры актив ной зоны при увеличении температуры изменяются из-за
температурного расширения, что, |
как правило, |
приводит |
к уменьшению коэффициента |
размножения |
ансамбля. |
В-третьих, в ЯРД при увеличении температуры активной зоны уменьшается плотность находящегося в ней рабо чего тела, что ухудшает замедление нейтронов и приводит опять-таки к падению реактивности.
11
С точки зрения термодинамики реактор ЯРД представ ляет собой в высшей степени напряженную тепловую машину. Это является следствием двух основных требова ний, предъявляемых к нему: 1) в реакторе ЯРД рабочее тело должно нагреваться до максимально возможной тем пературы; 2) реактор ЯРД должен иметь минимальный вес и объем (последнее облегчает его лучевую защиту).
Вообще говоря, получение наивысшей температуры
рабочего тела представляет |
собой весьма сложную техни |
||
* |
і1 |
? |
ческую проблему, кото |
рая может быть решена |
|||
|
|
|
различными способами |
|
|
|
|
|
|
(см., например, |
[6]). |
||||
|
|
|
|
|
|
рти |
способы порождают |
||||
|
|
|
|
|
|
различные схемы двига |
|||||
|
|
|
|
|
|
телей, отличающиеся те |
|||||
|
|
|
|
|
|
ми |
или |
иными |
деталя |
||
|
|
|
|
|
|
ми, как-то: |
организа |
||||
|
|
|
|
|
|
цией движения |
рабоче |
||||
|
|
|
|
|
|
го тела |
по трактам дви |
||||
|
|
|
|
|
|
гателя, |
|
конструкцией |
|||
|
|
|
|
|
|
активной |
зоны |
реакто |
|||
Рис. 1.4. Реактор ракетного двигателя |
ра, |
организацией систем |
|||||||||
с |
жидкой активной |
зоной: |
|
подачи |
рабочего |
тела и |
|||||
/ — силовая оболочка: |
2 — отражатель |
т. |
и. Существенно под |
||||||||
нейтронов; 3 — подача |
рабочего тела; 4 — |
||||||||||
пористая |
оболочка |
активной |
зоны; |
5 — |
черкнуть, |
что ядерный |
|||||
вращающееся жидкое делящееся вещество. |
реактор |
ядерного ракет |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
ного двигателя представ |
|||||
ляет собой в высшей степени |
сложную |
термодинамиче |
|||||||||
скую |
машину |
и |
именно термодинамическая |
его |
сторона |
||||||
(а не |
нейтроннофизическая) |
формирует |
его |
технический |
облик и выдвигает пределы и ограничения в его работе, ко торые и ставят задачи для системы управления и опреде ляют смысл и характер ее работы.
Итак, видим, что в твердотопливном ЯРД достижимы скорости истечения до 10 кмісек. Дальнейшее повышение скорости истечения возможно только путем перевода ак тивной зоны реактора в расплавленное состояние. При этом предлагается [6, 7] решить проблему формирования активной зоны вращением ее корпуса со скоростью несколь ко сот оборотов в минуту (рис. 1.4). Такой скорости вра щения достаточно для удержания формы активной зоны при любых практически достижимых ускорениях корабля. Отвод тепла может быть организован путем барботирова-
12
ния пузырьков газа через расплавленное делящееся веще ство. При этом возникает проблема сепарации и удержания в реакторе активного вещества, увлеченного газом из рас плава, так как потеря его, даже незначительная, обойдется слишком дорого. Эта проблема — разделение активного и рабочего веществ перед истечением последнего через сопло двигателя — основная для двигателей с жидкой активной зоной. Предельно достижимая температура в реакторе с жидкой активной зоной 4500°К, т. е. на 1000 градусов боль ше, чем в реакторах с твердой активной зоной. При этом получается заметный выигрыш в скорости истечения и удельной тяге двигателя (до 15— 16 км/сек или до 1500 сек по удельной тяге).
Технические трудности, связанные с реализацией жид кофазного реактора, весьма велики. В настоящее время такие двигатели прорабатываются теоретически. Напри мер, в работе [7] дается проект жидкофазного реактора для ЯРД с тягой 44 Т и удельной тягой 1200 сек, темпера турой рабочего тела 3700—3900°К, давлением 100—200 атм.
Вполне естественное стремление к созданию ядерных ракетных двигателей с большим удельным импульсом и высокой абсолютной тягой приводит к необходимости рас смотрения реакторов, в которых ядерное горючее находится в газовой фазе. Уже в первых работах, посвященных ис пользованию ядерной энергии в ракетных двигателях [8, 9], делается вывод о перспективности ЯРД с газофаз ной активной зоной.
yS Если бы удалось создать такую схему реактора, в кото рой температура потока рабочего тела совершенно не ли митировалась бы свойствами конструкционных материалов, то возможная удельная тяга могла бы достичь величины порядка 20 000 сек [10]. Однако обычно в большинстве схем доля тепла, выделяющаяся в конструкционных материалах реактора, составляет примерно около 10% [11]. Отсюда следует, что температура рабочего тела, как правило, не может более чем в десять раз превышать максимально до пустимую для конструкционных материалов температуру. Это ограничивает реальную величину удельной тяги, кото рая в результате не может быть, по-видимому, больше 3000 сек. Проблемы газофазного реактора требуют разре шения вопросов, относящихся к такой его газодинамической схеме, в которой наряду с созданием условий критичности обеспечивается надлежащий теплообмен между ядерным горючим и рабочим телом, высокая степень удержания ядер
13