Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Классификация ракетных двигательных установок
Конечной целью всех процессов, протекающих в ракетных двигателях, является обеспечение наибольшей кинетической энергии реактивной струи путем ускорения рабочего тела (продуктов сгорания, разложения, нагрева) тем или иным способом.. В электрических РД и ДУ рабочее тело в реактивной струе находится в виде плазмы. Общая классификация РД и ДУ по видам первичной и промежуточной энергий приведена в табл. 1.1. Различают следующие виды первичной энергии: химическая, ядерная, механическая (энергия сжатого газа), солнечная и энергия лазерного излучения. РД и ДУ, в которых первичная энергия преобразуется в энергию теплового движения (промежуточная энергия), называют термическими. РД и ДУ, в которых первичная энергия преобразуется в электрическую энергию (промежуточная энергия), называют электрическими. Химической энергией обладают, как уже указывалось, вещества, которые могут вступать в химические реакции, протекающие с выделением теплоты и образованием газообразных продуктов. Химические ракетные двигатели являются наиболее распространенными и хорошо освоенными РД, компоненты топлива которых одновременно являются источником теплоты и массы отбрасываемого вещества; последним в этом случае являются продукты реакции взаимодействия компонентов топлива. Химические РД классифицируют по агрегатному состоянию топлива (компонентов топлива) (табл. 1.2). В химических РД могут использоваться один, два и значительно реже три компонента топлива, причем исходное агрегатное состояние компонентов в топливах может быть одним и тем же или различным; топлива с компонентами, имеющими различное (гибридное) исходное агрегатное состояние, называют гибридными. Основными (маршевыми) ДУ (РД) называют двигательные установки, обеспечивающие основное увеличение скорости РН, искусственного спутника Земли (ИСЗ), космического корабля (КК) или космического аппарата (КА) при их разгоне и снижение скорости КК или КА при их торможении (например, для спуска с орбиты на Землю или для перевода КК или КА на орбиту спутника другой планеты или Луны). В составе ИСЗ кроме ДУ ориентации также может быть собственная маршевая двигательная установка. Для перевода ИСЗ с низкой орбиты на стационарную часто используют двухимпульсный маневр и соответственно два двигателя: перигейный двигатель, включаемый в перигее низкой орбиты и обеспечивающий первое приращение скорости спутника и его вывод на переходную (промежуточную эллиптическую) орбиту, и апогейный двигатель, включающийся в апогее переходной орбиты и обеспечивающий второе приращение скорости и вывод спутника на стационарную орбиту. В двухступенчатых межорбитальных буксирах (МОБ), предназначенных для перевода ИСЗ с низкой орбиты на стационарную, первая ступень оснащена перигейной, а вторая -- апогейной ДУ. В некоторых случаях одна и та же двигательная установка выполняет функции и перигейной, и апогейной ДУ.
Таблица 1 Общая классификация РД и ДУ
Основной двигатель взлетной ступени спускаемого аппарата и посадочного блока, осуществивших мягкую посадку на Луну и планеты Солнечной системы, называют взлетным. Рулевые (или управляющие) двигатели, или двигатели реактивной системы управления (РСУ), представляют собой вспомогательные двигатели, создающие управляющий момент для управления угловым положением ЛА. Надобность в указанных двигателях для ступеней баллистических ракет (БР) и РН отсутствует, если в ступени применены два и более двигателей с карданным подвесом. При наличии в ступени одного двигателя с карданным подвесом необходимы лишь двигатели для управления по крену. Например, третья ступень РН "Сатурн-5" имела вспомогательную ДУ из шести ЖРДМТ для управления по крену, а также для управления ступенью при пассивном полете по программе "Аполлон". При шарнирной подвеске четырех основных двигателей ступени также отсутствует надобность в двигателях РСУ. При шарнирной установке четырех рулевых двигателей обеспечивается управление ракеты по тангажу, рысканью и вращению. Если основной двигатель или основные двигатели установлены неподвижно, то необходимы двигатели РСУ для управления по всем трем осям. Для поворота относительно заданной оси ориентации обычно используют два рулевых двигателя (в некоторых случаях две камеры или два сопла), создающих пару сил (управляющий момент) относительно этой оси. Различают два режима работы двигателей РСУ: режим ориентации и режим стабилизации. Режим ориентации имеет место при неработающих основных двигателях, при этом отсутствует влияние на движение центра масс, т.е. управление угловым положением КА при ориентации является самоцелью. Двигатели РСУ при ориентации создают моменты, используемые для разворота ИСЗ, КА или КК относительно той или иной оси при их ориентации перед включением тормозного двигателя, ориентации антенны КА на Землю или панелей солнечных батарей на Солнце, ориентации КК на звезды при астрономических исследованиях и т д. Управление угловым положением на режиме стабилизации вызвано тем, что тяга основного двигателя никогда не может быть направлена абсолютно точно через центр масс РН или КА, который к тому же смещается по мере расходования компонентов топлива из баков. Поэтому всегда имеется заранее неизвестный возмущающий момент, стремящийся отклонить РН или КА от заданного направления. Для компенсации действия указанного момента при работе основного двигателя, а также случайных атмосферных возмущений при подъеме РН необходимо управление ее угловым положением в режиме стабилизации. Цель стабилизации - не просто влиять на движение центра масс, а обеспечивать нужную траекторию указанного движения. Управление угловым положением при стабилизации является лишь средством для получения нужной траектории движения центра масс. Часто двигателями РСУ являются ЖРД малой тяги многократного включения, работающими на самовоспламеняющемся топливе. Некоторые ИСЗ и КА имеют одноосную стабилизацию, для чего в их составе имеются, по меньшей мере, два двигателя малой тяги, создающие крутящий момент. Для трехосной стабилизации ИСЗ, КА и КК (по тангажу, курсу и крену) нужно иметь, по меньшей мере, шесть РД малой тяги (для обеспечения дублирования не менее двенадцати двигателей). Двигатели коррекции обеспечивают коррекцию траектории ИСЗ, КА и КК, т.е. некоторое изменение направления и скорости их движения. Коррекцию осуществляют на основании результатов траекторных измерений. При дальних полетах коррекцию траектории КА и КК обычно проводят 2... 3 раза и более. Часто основной двигатель может выполнять одновременно роль двигателя коррекции. Для некоторых связных ИСЗ оказывается необходимой коррекция орбиты для синхронизации обращения спутника с суточным вращением Земли и поддержания неизменного расположения трассы ИСЗ относительно наземных пунктов связи. Коррекция периода орбиты необходима также при выводе стационарного ИСЗ. Двигатели компенсируют действие возмущений на ИСЗ, вызванных солнечным ветром, влиянием гравитационных полей Луны и Солнца, а также неравномерностью гравитационного поля Земли; эти возмущения приводят к изменениям наклона плоскости орбиты, долготы, высоты ИСЗ над уровнем моря и углового поворота ИСЗ относительно его центра масс. Тормозные двигатели предназначены для торможения ЛА или его частей. Основная составляющая тяги тормозного двигателя направлена против вектора скорости ЛА. Тормозные двигатели обеспечивают отделение отработавших ступеней РН, отделение ИСЗ, КА или КК от РН, торможение при подлете к Луне или планете для выхода на орбиту их спутника, торможение при сходе ИСЗ, искусственных спутников планет (Луны) при сходе с орбиты или посадочных блоков КК при посадке, мягкую посадку указанных ЛА на Луну или планеты, не имеющие достаточно плотной атмосферы. Последние двигатели называют также посадочными. Тормозной двигатель может быть одновременно и двигателем коррекции. ДУ орбитального маневрирования предназначены для перемещения ИСЗ или КА на орбите, но могут в некоторых случаях выполнять роль основных и тормозных ДУ. ДУ стыковки или сближающе-корректирующие ДУ используются для стыковки двух КА на орбите. Наибольшее влияние на конструкцию и характеристики ДУ оказывает вид подачи компонентов топлива в ЖРД. Различают ДУ с вытеснительной и насосной подачей. В составе ЖРД с насосной подачей имеются насосы и агрегат для их привода; им чаще всего является газовая турбина. Ее объединяют вместе с одним или двумя насосами в так называемый турбонасосный агрегат (ТНА). Для привода турбины в составе ЖРД с ТНА необходимо иметь газогенератор. В зависимости от того, выбрасывается ли отработанный газ из турбины в окружающую среду или вводится в основную камеру и дожигается в ней, различают двигатели без дожигания и двигатели с дожиганием. Вытеснительной подачей называют подачу компонентов топлива в камеру путем их вытеснения из топливных баков. В составе ЖРД с вытеснительной подачей нет агрегатов подачи; они входят в состав ДУ. Для вытеснения компонентов топлива в газовые объемы баков подается газ, заранее запасенный под высоким давлением в специальном баллоне либо вырабатываемый в жидкостном (ЖГГ) или твердотопливном (ТГГ) газогенераторе. ДУ с ЖРД различают также по следующим признакам, в основном одинаково пригодным для обоих видов подачи. 1. По числу используемых компонентов топлива различают одно-, двух- и трехкомпонентные ДУ. В однокомпонентных ДУ, в которых наиболее часто используют вытеснительную подачу, система подачи относительно простая — имеются бак и магистраль только одного компонента и требуется обеспечить подачу в двигатель лишь одного компонента. В качестве однокомпонентного топлива на начальном этапе разработки вспомогательных однокомпонентных ДУ для ИСЗ, КА и КК использовалась высококонцентрированная (80... 95 %) перекись водорода Н2О2. В настоящее время такие вспомогательные двигательные установки применяют лишь в системах ориентации ступеней некоторых японских РН. В других вспомогательных однокомпонентных ДУ перекись водорода вытеснена гидразином, при этом обеспечено увеличение удельного импульса примерно на 30 %. Кроме того, гидразин обладает длительной стабильностью при хранении; он более стабилен, чем перекись водорода, которая при контакте со многими конструкционными материалами и при наличии загрязнений легко разлагается. Широкому применению гидразина в ЖРДМТ в значительной степени способствовало создание высоконадежных катализаторов с большим ресурсом, в частности катализатора "Шелл-405". Однако применение гидразина в ДУ сопряжено с определенными трудностями в связи с его токсичностью, высокой стоимостью, загрязнением окружающей среды при его производстве, а также в связи со склонностью гидразина к детонации (например, при адиабатном сжатии паров в магистрали ДУ на переходных режимах ее работы). ИСЗ и КА, выводимые на орбиту в грузовом отсеке МТКК, считаются опасным грузом, если их ДУ заправлена гидразином. Однокомпонентные ДУ отличаются высокой надежностью. Наиболее широко применяют двухкомпонентные ДУ, обладающие более высокими энергетическими характеристиками по сравнению с однокомпонентными ДУ. Но двухкомпонентные ДУ сложнее по конструкции, чем однокомпонентные. Из-за наличия баков окислителя и горючего, более сложной системы трубопроводов и необходимости обеспечения требуемого соотношения компонентов топлива (коэффициента Кm). В ДУ ИСЗ, КК и КА часто применяют не один, а несколько баков окислителя и горючего, что дополнительно усложняет систему трубопроводов двухкомпонентной ДУ. Трехкомпонентные ДУ относятся к числу перспективных. 2. По числу используемых топлив все ДУ, применяемые в настоящее время, являются однотопливными, т.е. их двигатели все время работают на одном и том же топливе. Однако уже предложены схемы ДУ, в которых двигатели на начальном этапе полета работают на одном топливе (например, (02)ж + керосин (RР-1), а на завершающем этапе — на другом топливе (например, (02)ж + (Н2)ж). Такие ДУ называют двухтопливными. Для них рассматривают применение только насосной подачи. 3. По особенностям используемых ЖРТ и их компонентов их под разделяют: по относительному значению давления насыщенного пара или критической температуре; по различному взаимодействию при контакте их компонентов; по уровню энергетических характеристик ЖРТ; по токсичности и коррозионной активности компонентов. По относительному значению давления насыщенного пара или критической температуре различают высококипящие, низкокипящие и криогенные компоненты ЖРТ. Высококипящим компонентом ЖРТ называют компонент ракетного топлива, имеющий при максимальной температуре в условиях эксплуатации или хранения давление насыщенного пара ниже допустимого уровня по условиям прочности топливных баков. Высококипящие компоненты топлива могут длительное время храниться в земных условиях (температура кипения значительно выше нормальной температуры); к таким компонентам относятся, в частности, керосин и этанол (этиловый спирт). Высококипящие компоненты топлива можно хранить в конденсированном состоянии в герметичных стационарных емкостях и топливных баках без охлаждения компонентов, при этом практически нет потерь на испарение. Низкокипящим компонентом ЖРТ называют компонент жидкого ракетного топлива, имеющий при максимальной температуре в условиях эксплуатации или хранения давление насыщенного пара выше допустимого уровня по условиям прочности топливных баков. Низкокипящие компоненты топлива способны длительное время храниться в космических условиях (температура их кипения лишь немного ниже нормальной температуры); к таким компонентам топлива относят, в частности, горючие пропан С3Н8 и аммиак NН3, а также такой окислитель, как азотный тетраксид N204. Низкокипящий компонент топлива нельзя хранить в конденсированном состоянии в герметичных топливных баках без его охлаждения или возврата конденсата. Криогенным компонентом ЖРТ называют компонент жидкого ракетного топлива, имеющий критическую температуру, меньшую, чем максимальная температура в условиях эксплуатации или хранения. У криогенных компонентов топлива температура кипения при нормальных условиях ниже 100 К. Их нельзя хранить в конденсированном состоянии в герметичных емкостях без охлаждения или возврата конденсата. Для исключения больших потерь на испарение баки и магистрали криогенных компонентов топлива должны обладать эффективной и обычно достаточно массивной теплоизоляцией, а при использовании в составе КА требуется система конденсации испаряющихся компонентов, что усложняет конструкции ДУ и требует затрат энергии. К криогенным компонентам топлива относятся жидкие кислород, водород, фтор и метан. По различному взаимодействию при контакте компонентов ЖРТ подразделяют на самовоспламеняющиеся, ограниченно-самовоспламеняющиеся и несамовоспламе-няющиеся. Самовоспламеняющимся жидким топливом называют жидкое ракетное топливо, воспламеняющееся при контакте компонентов в жидком состоянии во всем диапазоне давлений и температур, имеющих место при эксплуатации ЖРД; к самовоспламеняющимся топливам относятся топлива N204 (азотный тетраксид) + ММГ (монометилгидразин), N204 + N2Н4 (гидразин), N2О4 + НДМГ, а также все топлива на основе фтора. Несамовоспламеняющимися топливами являются все топлива на основе кислорода, в том числе (02)ж + керосин и (02)ж + (Н2)ж. По уровню энергетических характеристик ЖРТ можно выделить топлива: низкоэнергетические (с относительно низким удельным импульсом - однокомпонентные и др.); среднеэнергетические (со средним удельным импульсом— (02)ж + керосин, N204 + ММГ и др.); высокоэнергетические (с высоким удельным импульсом: (02)ж+ (Н2)Ж, (F2) ж+(Н2)ж и др.). По токсичности и коррозионной активности компонентов различают ЖРТ: на нетоксичных и некоррозионно-активных компонентах топлива - (02)ж, углеводородные горючие и др.; на токсичных и коррозионно-активных компонентах топлива - ММГ, НДМГ и особенно (F2)ж. 4. По развиваемой тяге различают ДУ: 5. По особенностям режима работы ДУ подразделяют: по характеру работы, числу циклов работы и по возможности и диапазону изменения тяги. По характеру работы различают ДУ непрерывного действия и импульсные ДУ. ДУ непрерывного действия могут быть с одноразовым и многократным включением; у них время непрерывной работы значительно больше времени выхода на номинальный режим и времени спада тяги. У импульсных ДУ за коротким периодом работы следует также короткий период, в течение которого двигатель выключен, причем указанные периоды часто сменяют один другой. Импульсные ДУ необходимы, в частности, для систем стабилизации и ориентации спутников и космических аппаратов. По числу циклов работы различают ДУ: с одним циклом работы (SSМЕ, F-1, РД-107, РД-108, РД-253 и др.); с несколькими циклами работы (J-2 и др.); с многочисленными (до 106) циклами работы (большинство ЖРДМТ); По возможности и диапазону изменения тяги можно выделить ДУ: с неуправляемой тягой; с относительно небольшим (±5... 10%) диапазоном изменения тяги; со средним дросселированием (например, у ЖРД SSМЕ до 65% Рном); с глубоким дросселированием (например, до 10% РНОМ у посадочного ЖРД лунной ступени КК "Аполлон"). 6. По месту заправки компонентами топлив а различают ДУ с заправкой перед стартом и заправкой на заводе-изготовителе (снаряженные ДУ). 7. По степени связи баков и двигателей (блоков двигателей) в составе ДУ (для ИСЗ, КА, КК или ступеней РН, имеющих блоки двигателей одинакового или разного назначения, например основные (маршевые) двигатели и вспомогательные двигатели (двигатели ориентации и др.) ДУ подразделяют на автономные, объединенные и частично связанные. В автономных ДУ каждый двигатель или блок двигателей использует для своей работы компоненты топлива из отдельных баков, т.е. такие ДУ по пневмогидравлической схеме не зависят друг от друга. Недостаток автономных ДУ состоит в том, что для каждой ДУ в баках необходимо предусмотреть остатки компонентов топлива, причем они не могут быть использованы двигателями другой ДУ. В объединенных ДУ все двигатели (одиночные или в виде блоков) используют общие топливные баки. Например, остатки компонентов топлива маршевой ДУ ИСЗ или КА (она обычно имеет небольшое число циклов работы) можно использовать для двигателей вспомогательной ДУ (например, ДУ ориентации), для которых характерны очень малые расходы компонентов топлива. В этом случае время ее работы можно заметно увеличить, при этом увеличивается срок эксплуатации ИСЗ или КА, часто зависящий именно от наличия компонентов топлива для двигателей ориентации. При том же сроке эксплуатации ИСЗ и КА можно уменьшить массу компонентов топлива (для некоторых ИСЗ на 20...40 кг) и снизить стоимость указанных аппаратов. Поэтому во всех вновь разрабатываемых зарубежных ИСЗ, КК и КА отдают предпочтение объединенным ДУ. Большим преимуществом объединенных ДУ является также то, что в случае выхода из строя основного двигателя ДУ он может быть отключен, а необходимый маневр выполняется с помощью вспомогательных двигателей. Это существенно повышает надежность КА. Примером объединенной ДУ являются блоки ДУ орбитального маневрирования второй ступени МТКК "Спейс шаттл"; ее ЖРД могут работать как от баков, расположенных в той же гондоле, так и от баков другой гондолы. Для объединения указанных блоков используются магистрали закольцовки, причем на магистрали окислителя и на магистрали горючего имеются параллельно дублированные клапаны. В частично связанных ДУ предусматривается возможность работы ДУ меньшей тяги от баков ДУ большей тяги. Примером таких ДУ являются ДУ орбитального маневрирования и ДУ РСУ МТКК "Спейс шаттл". Задние блоки ДУ ориентации могут работать с отбором компонентов топлива из баков ДУ орбитального маневрирования, причем в этом случае последние работают в режиме расширения газовой подушки в диапазоне давления от 1,836 до 1,643 МПа. Для этих целей имеются магистрали окислителя и горючего для закольцовки баков ДУ орбитального маневрирования и ДУ РСУ, на которых установлены параллельно дублированные отсечные клапаны. Указанная связь обеспечивает дополнительную гибкость и надежность эксплуатации МТКК. 8. По способу обеспечения забора компонентов топлива баков различают ДУ: с использованием вспомогательных РД малой тяги (РДТТ или ЖРД) для осаждения компонентов топлива в баках перед запуском в условиях невесомости; с разделительным устройством (например, упругой мембраной в баках для ДУ с вытеснительной подачей); с капиллярно-заборными устройствами в баках, использующими силы поверхностного натяжения жидкости. 9. По типу стабилизации, для которого предназначена ДУ, различают В состав ДУ ЛА с трехосной стабилизацией входят двигатели, обеспечивающие управление по тангажу, курсу и крену (в том числе путем отклонения двигателей в шарнирных или карданных подвесах). Для ИСЗ с ЖРД предпочтительной является трехосная стабилизация. В состав ИСЗ часто входит инерциальная система отсчета, которую можно использовать и при выведении. При трехосной стабилизации можно значительно раньше, чем при стабилизации вращением, развернуть антенны и солнечные батареи. ДУ ЛА, стабилизируемые вращением, включают в себя двигатели, создающие крутящий момент. Частота вращения ЛА может быть от 1 до 90 мин-1. Стабилизация вращением применяется для межорбитальных буксиров. Ее проще реализовать, чем трехосную стабилизацию. 10. По надежности различают ДУ: нормальной надежности; повышенной надежности; повышенной надежностью обладают одно- и двухкомпонентные объединенные ДУ, в которых широко используются дублирование и резервирование узлов и агрегатов. Ниже рассмотрены некоторые примеры дублирования и резервирования, в том числе при описании схем конкретных ДУ. Дублированные клапаны использовались на линии вытесняющего газа и в топливных магистралях ДУ орбитального блока КА "Викинг-75". В апогейной ДУ ИСЗ "Лисат" применены два ЖРД, но намеченный маневр может выполнить один двигатель (второй является резервным). Если в одном из двух указанных двигателей клапан по какой-либо причине заклинит в закрытом положении, то компоненты топлива перепускаются ко второму двигателю. Если клапан заклинит в открытом положении или возникнет опасная негерметичность одного из двигателей, то перекрываются топливные магистрали к нему. ДУ КА "Галилей" является полностью зарезервированной с двумя блоками по семь двигателей в каждом. 11. По особенностям разработки ДУ для данного ЛА ДУ подразделяются на вновь разработанные, модифицированные и стандартные. Модифицированные ДУ основываются на ранее разработанных ДУ; но срокам разработки и надежности такие ДУ часто превосходят вновь разработанные ДУ. Стандартные ДУ можно использовать в различных ЛА (в частности, в различных ИСЗ). В стандартных ДУ масса компонентов топлива, заправляемая в баки, различна в зависимости от конкретной задачи данного ЛА.
|