Запуск, останов, регулирование и управление ЖРД

Запуском называют режим работы двигателя от первой команды на его включение до выхода на основной режим, именно с запуском связано большинство отказов. Основные требования к запуску: плавность изменения давления в камере, исключение неустойчивости горения, минимизация массы топлива на запуск путем уменьшения времени. Выполнение этих требований происходит организацией запуска, т.е. мероприятиями по обеспечению подачи в заданной последовательности в камеру и ГГ компонентов топлива в необходимых количествах. В предпусковые операции для ЖРД с криогенными топливами входят продувка камеры и полостей нейтральными газами и захолаживание ДУ - основные трубопроводы и полости насосов предварительно охлаждаются до температуры компонентов. В противном случае первые порции компонентов топлива будут нагреваться, и газифицироваться, при раскрутке ТНА насосы закавитируют и не будут качать компоненты. Поступающий в камеру пар может привести к образованию взрывоопасных смесей или к неустойчивому горению.

Изменение давления в камере при одновременной подачи двух компонентов показано на рис.16.1. Расход топлива на форсунках резко падает, соответственно уменьшается давление. Этот процесс может повторяться несколько раз до установления стационарного значения давления. Пик давления является нежелательным – резкое уменьшение подачи топлива после него может привести к затуханию пламени, а при последующем поступлении топлива возможен взрыв. Расчетное определение значения крайне затруднительно – неточности определения количества топлива, накапливающегося до момента воспламенения, неясен механизм горения при переменном давлении и др.

Плавность запуска обеспечивают программированием процесса, при котором пусковой расход топлива меньше номинального.

Остановом (выключением) двигателя называют режим работы от первой команды на его выключение до полного прекращения тяги. Останов производят после достижения требуемой скорости ступени или для выполнения маневра КА, при работе на стенде или в аварийной ситуации. Выключение ЖРД производят прекращением подачи компонентов топлива при срабатывании отсечных клапанов. Для исключения недопустимых перегрузок на ЛА и сохранения конструкции двигателя принимают определенную последовательность срабатывания отсечных клапанов.

После команды на останов за период времени до полного прекращения тяги создается некоторый импульс тяги – импульс последействия. Он возникает вследствие истечения из камеры оставшихся продуктов сгорания и догорания или истечения паров компонентов, поступающих в камеру из объемов между отсечными клапанами и смесительной головкой. Наличие импульса последействия затрудняет получение заданной конечной скорости ЛА, поэтому стремятся уменьшить этот импульс и сделать его стабильным. Для этого уменьшают объемы между клапанами и головкой. Выключение производят через промежуточный по тяге режим, либо выдувом за борт ЛА компонентов топлива из тракта до головки (рис.16.2).

Регулирование модуля тяги ЖРД с помощью агрегатов системы автоматики по командам системы управления ЛА осуществляют несколькими способами.

1. Регулирование расхода компонентов, поступающих в ЖГГ ТНА. Такую схему применяют в двигателях без дожигания генераторного газа двухкомпонентного ЖГГ. На трубопроводе окислителя восстановительного ЖГГ ставят регулятор давления, а на трубопроводе горючего – корректор соотношения компонентов . Тогда происходит заданное изменение расхода окислителя и «подстраивание» расхода горючего, соответственно изменяется подача топлива в камеру сгорания и тяга двигателя. Эта схема допускает изменение тяги в широком диапазоне и достаточно апробирована на практике.

2. Регулирование соотношения компонентов. Применяется в ДУ с дожиганием генераторного газа при небольшом диапазоне изменения тяги (не более 10% от максимального значения). Регулятор давления стоит на трубопроводе горючего и позволяет изменять соотношение компонентов топлива. Вследствие этого изменяется газовая постоянная и температура продуктов сгорания, соответственно изменится и мощность турбины, а далее и подача топлива в камеру сгорания. Данная схема ограничена условиями горения топлива.

3. Регулирование давления подачи компонентов на входе в камеру двигателя. Регуляторы давления, они же и регуляторы расхода, на каждом трубопроводе поддерживают или изменяют расходы компонентов при неизменном соотношении между ними.

Для одновременной выработки компонентов из баков в схему двигателя вводят еще один специальный регулятор соотношения компонентов системы опорожнения баков на одном из трубопроводов. Данные по расходам компонентов анализирует СУ и дает команду на уменьшение или увеличение расхода компонента, чтобы одновременно опорожнить баки.

Управление вектором тяги ЖРД. Для управления ЛА в полете двигатель имеет систему управления вектором тяги (СУВТ), создающая относительно центра масс ЛА моменты по трем каналам: тангажу, курсу и крену. Для однокамерных ДУ СУВТ может быть следующей.

1. Основная камера – неподвижная, управление ВТ производят четыре поворотных сопла, работающих на отработанном уже в ТНА генераторном газе. Но уровень тяги невысокий, такая схема применима к верхним ступеням ракеты. Для увеличения тяги ставят поворотные рулевые камеры, работающие на основных компонентах.

2. Основная камера – неподвижная, управление ВТ осуществляется восемью неподвижными соплами, работающими на отработанном генераторном газе. Управляющие моменты создаются перераспределением расхода газа между соплами. Схема пригодна для верхних ступеней РН и КА.

3. Основная камера устанавливается в карданном подвесе. Камера поворачивается в двух плоскостях для управления по каналам тангажа и курса. Управление по крену производят поворотные сопла, работающие на генераторном газе. Такая схема применима и к первой ступени РН.

Для многокамерных ДУ схемы получения управляющих моментов зависят от числа камер, но все они позволяют создавать усилия по трем каналам управления.

а. Четыре основные камеры закреплены в подвеске, позволяющей поворот их на угол до 8^о в одной плоскости.

б. Пятикамерная блочная – четыре боковых двигателя поворотные, а центральный неподвижный. Такая схема реализована в двигателе F-1 РН «Сатурн-V».

в. Восьмикамерная блочная – четыре боковых двигателя поворотные, а четыре внутренних неподвижные. Это есть схема ДУ первой ступени РН «Сатурн-1В».

г. Многокамерная ДУ со специальными рулевыми камерами – управляющие моменты создаются рулевыми камерами, питающимися от основных ТНА. Такая схема реализована на РН «Восток».