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 К_m). 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:
малой тяги (0,01... 1600 Н);
средней тяги (1,6 кН... 10 МН);
большой тяги (1... 10 МН);
сверхбольшой тяги (свыше 10 МН).

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% Р_НОМ 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
ЛА с трехосной стабилизацией и ЛА, стабилизируемые вращением.

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.