Жидкостные ракетные двигатели (стр. 27 )

однозначность физико-химических свойств в партии зарядов, отсутствие или минимальное количество твердых частиц в газе, минимальное коррозионное и эрозионное воздействие газа на конструктивные элементы, минимальное от­клонение параметров газа от расчетных при работе в заданном диапазоне тем­ператур окружающей среды и др.

Выбор состава твердого топлива. В состав заряда ТГГ в общем случае могут входить окислитель, горючее, замедлители горения, флегматизаторы (добавки, уменьшающие чувствительность составов к трению и удару), свя­зующие вещества (органические полимеры, обеспечивающие механическую прочность спрессованных составов), вещества технологического назначения (например, растворители для связующих). Следует отметить, что одно и то же вещество может выполнять в составе заряда несколько функций, например свя­зующие выполняют функцию горючего, а в некоторых случаях и замедлителей горения. Основой всякого состава является смесь окислителя с горючим.

Давление в камере ТГГ для заданной конструкции камеры и вида твер­дого топлива определяется газопроизводительностью заряда и расходом газа через критическое сечение сопла. Связь между этими параметрами определяет­ся зависимостями, с помощью которых можно по заданному давлению в камере сгорания и поверхности горения заряда определить площадь сопла.

При проектировании нужно стремиться к снижению гидравлического сопротивления по газовому тракту и обеспечению его постоянства по времени. Наибольшая величина гидравлических сопротивлений обычно приходится на диафрагму, поддерживающую заряд. Через отверстия диафрагмы газ истекает в предсопловой объем. Гидравлическое сопротивление диафрагмы рассчитывают по общим формулам газодинамического расчета трактов. Обычно площадь се­чений диафрагмы принимается в 3—5 раз больше площади сопла ТГГ. Реко­мендуется, чтобы скорость течения газа не превышала 100—150 м/с.

Гибридный ТГГ. Работа гибридного ТГГ основана на введении во внутренний объем камеры ТГГ жидкого или газообразного окислителя, в ре­зультате взаимодействия которого с твердым горючим, находящимся в камере, генерируется газ. Преимущество гибридного ТГГ—возможность регулирова­ния его газопроизводительности и параметров газа.

В качестве примера можно указать на гибридный ТТТ, у которого в ка­честве твердого горючего использована смесь «литий + полибутадиен»; в каче­стве жидкого окислителя - смесь фтора с кислородом. Этот ТГГ устойчиво ра­ботает в широком диапазоне изменения соотношения компонентов топлива (стехиометрическое соотношение 2,8) и обеспечивает генерацию газа как с из­бытком, так и с недостатком окислителя.

В системах с ТГГ иногда устанавливают фильтры и устройства для ох­лаждения и регулирования расхода газа. Фильтры используют для устранения твердых продуктов, образующихся при горении многих типов твердых топлив. Применяют фильтры динамического (сепарационного), сетчатого, а иногда комбинированных типов. В последнем случае грубая очистка осуществляется в сепараторе, мелкая - сетками. Расход газа можно регулировать путем установки клапанов сброса или регуляторов, изменяющих сечение сопла ТГГ, при этом потребное изменение площади сопла можно определить аналитическим путем.

Последний способ регулирования может обеспечить наиболее полное и эффек-тивное использование всей массы заряда. Его конструктивное решение ослож-няется требованием создания малоинерционного регулятора, работающего в условиях термического и эрозионного воздействия продуктов сгорания твердо­топливного заряда.

Однокомпонентный ЖГГ. Работа однокомпонентного ЖГТ основана на использовании компонента топлива, обладающего экзотермической реакци­ей разложения (перекиси водорода, гидразина, изопропилнитрата, аммиака, несимметричного диметилгидразина и др.). Основными условиями, опреде­ляющими возможность использования компонента топлива в однокомпонентом ЖГГ, являются: способность к каталитическому или термическому разложе­нию; устойчивость протекания процесса разложения; постоянство давления, температуры, химического состава и др.). Температура газа на выходе из ЖГТ не должна превышать допустимую для конструктивных элементов, находя­щихся под воздействием газового потока. Разложение компонента топлива мо­жет осуществляться каталитическим или термическим методом. Каталитиче­ское разложение осуществляется подачей компонента топлива на активную поверхность твердого катализатора, размещенного во внутреннем объеме ЖГТ или вводом жидкого катализатора в камеру ЖГТ. Последний способ разложе­ния в современных двигателях применяется лишь для некоторых специальных целей, так как он влечет за собой усложнение схемы и увеличение массы ЖРД

В современных ЖРД среди однокомпонентных газогенераторов наи­большее распространение получили перекисеводородные, т. е. работающие на перекиси водорода Н2О2.- Обычно применяется ее водный раствор, содержащий не менее 80—85%- (по весу) перекиси водорода; из растворов меньшей кон­центрации образуется газ с низкой температурой (и работоспособностью).

В качестве катализаторов используются перманганаты щелочных ме­таллов (NaMn04, КМ1Ю4) или сетки из серебряной проволоки. Тепло, выде­ляющееся при разложении раствора перекиси водорода, затрачивается на испа­рение балластной воды и подогрев смеси паров воды и молекулярного кисло­рода, именуемой парогазом.

Кроме перекиси водорода однокомпонентными средствами газогене­рации могут служить несимметричный диметилгидразин (НДМГ), гидразин, изопропилнитрат, окись этилена и другие вещества. НДМГ и гидразин исполь­зуются в качестве компонентов основного топлива ЖРД, поэтому, применяя их как средства газогенерации, можно упростить конструкцию двигателя, повы­сить его надежность и облегчить эксплуатацию ракеты. НДМГ является эндо­термическим соединением и при температуре, превышающей 350° С, способен быстро разлагаться, выделяя тепло, достаточное для нагрева продуктов разло­жения выше температуры начала интенсивного разложения (т. е. выше 350° С). Поэтому процесс разложения НДМГ, будучи возбужден, в дальнейшем может самоподдерживаться без дополнительного подвода тепла извне.

Использование гидразина в качестве однокомпонентного средства га­зогенерации также основывается на его способности к термическому разложе­нию, причем распад гидразина сопровождается выделением такого количества тепла, которого вполне достаточно для того, чтобы поддержать процесс на

нужном температурном уровне. Важное преимущество гидразина по сравне­нию с другими однокомпонентными средствами газогенерации—отсутствие твердой фазы в продуктах разложения.

При термическом методе реакция протекает под действием тепла, по­лучающегося за счет разложения ранее поступивших порций компонента топлива или подводимого от внешнего источника. Для запуска пусковой расход компонента топлива должен быть прогрет от постороннего источника тепла до температуры саморазложения (электросвеча, химический источник тепла и т. д.). Возможен изотопный подогрев, при котором во внутреннем объеме камеры ЖГГ размещают капсулы с радиоизотопом.

При расчете однокомпонентного ЖГТ задаются физико-химическими параметрами газа, потребным количеством катализатора, эффективным объе­мом и площадью смесительной головки ЖГТ. Параметры газа определяются на основании термодинамического расчета реакции разложения заданного ком­понента топлива.

Под эффективным объемом понимают внутренний объем ЖГГ (от го­ловки до выходного сечения) за вычетом объема, занимаемого катализатором или тепловым аккумулятором. Потребное количество катализатора определяет­ся условиями протекания реакции разложения и количеством разлагаемого компонента топлива.

Количество катализатора рассчитывают из условия обеспечения раз­ложения секундного расхода компонента топлива

, Эффективный объем газогенератора определяется временем пребыва­ния компонента в камере. Время пребывания в свою очередь определяется ус­ловиями протекания реакции разложения и находится экспериментально.

Двухкомпонентный ЖГГ. Работа двухкомпонентного ЖГГ основана на химической реакции между жидкими окислителем и горючим, подаваемыми во внутренний объем ЖГТ. Процесс горения топлива в двухкомпонентном ЖГГ протекает при таких значениях коэффициента избытка окислителя, при которых обеспечивается заданная температура газа на выходе из ЖГТ. Соот­ветственно процесс в ЖГТ может проходить при избытке (восстановительные продукты ГГ) или недостатке (окислительные продукты ГГ) горючего. Выбор восстановительных или окислительных продуктов ГГ определяется конкрет­ными задачами, решаемыми при проектировании ЖРД. При этом нужно учи­тывать, что величина RT восстановительных продуктов ГТ, полученных из уг­леводородных топлив, при прочих равных условных выше RT окислительных. Применение окислительных продуктов ГТ обусловливает повышенные требо­вания к коррозионной стойкости конструктивных элементов; при генерации восстановительного газа возможно наличие твердой фазы, вызывающей повы­шенный эрозионный износ конструктивных элементов, загромождение про­ходных сечений газовых трактов и т. п.

В результате отложения твердых продуктов неполного сгорания во внутреннем объеме ЖГГ может изменяться расчетное время пребывания газа в камере ЖГТ, условия смесеобразования и, как следствие этого, химический состав генерируемого газа.

Рис.85

Схемы двухкомпонентных ЖГГ

Огаосительно простым типом двухкомпонентного ЖГГ является одно-зонный, рис.85 а, в котором подвод компонентов топлива осуществляется толь­ко через смесительную головку 1. К недостаткам такого ЖГГ можно отнести сложность обеспечения устойчивого процесса горения, протекающего в усло­виях относительно низких температур. Указанного недостатка лишен много­зонный газогенератор, рис.85 б. В этом газогенераторе имеются: смесительная головка 1, обеспечивающая подачу топлива для генерации высокотемператур­ного газа, пояс (пояса) разбавления 2, обеспечивающий подачу и смешение с высокотемпературным газом компонента топлива, находящегося в избытке. Конструкция, условия работы и методы расчета смесительной головки анало­гичны головке камеры сгорания ЖРД. Соответственно внутренний объем таких ЖГГ делится на две зоны: горения и разбавления.