Жидкостные ракетные двигатели (стр. 29 )

Несамовоспламеняющиеся компоненты топлива требуют для испа­рения и воспламенения подвода тепла от внешнего источника. Воспламене­ние топлива с внешним подводом тепла называется термическим.

Термическое воспламенение характеризуется минимальной температу­рой, при которой развивается процесс воспламенения, и периодом задержки.

Период задержки воспламенения определяется временем от момента впрыска топлива в зону горения до момента появления пламени.

Для надежности запуска ЖРД в первую очередь должно быть га­рантировано воспламенение топлива при минимально возможном времени вы­хода на режим. Сокращение времени выхода на режим позволяет уменьшить необходимый запас топлива, а, следовательно, уменьшить стартовый вес, что особенно важно для космических и баллистических ракет.

В некоторых случаях, кроме того, должна быть обеспечена возмож­ность многократного запуска, запуска двигателя в высотных условиях или в условиях космического полета. Специфические требования к организации за­пуска возникают при запуске камер двигателей больших тяг.

В зависимости от характера выхода на режим принято различать плав­ный, ступенчатый и пушечный запуски.

Важными характеристиками запуска являются скорость нарастания давления в камере при запуске (dP/dt) и величина заброса (или пика) давления, т. е. величина отношения наибольшего давления в камере при запуске к номи­нальному.

Величины скорости нарастания давления и заброса давления ха­рактеризуют жесткость запуска. Чем больше эти величины, тем более жестким является запуск. На рис.87. приведены типичные графики изменения давления в камере сгорания при запуске. Запуск, протекающий в соответствии с кривой 3, очевидно, является наиболее жестким.

При больших значения dP/dr и большом забросе давления появляется опасность разрушения и даже взрыва камеры, как вследствие потери ее проч­ности, так и в результате возникновения детонационного горения топлива.

Основное влияние на жесткость запуска оказывает время задержки воспламенения топлива t3. Очевидно, чем больше значение т3, тем больше ус­пеет накопиться топлива до начала воспламенения и тем больше будет заброс даатения.

Рис87

Изменение давления в камере при запуске:

1 - плавный запуск; 2 - ступенчатый запуск; 3 - жесткий запуск;

t, - время задержки воспламенения

При плавном запуске воспламенение происходит при небольшом рас­ходе топлива и с последующим сравнительно плавным нарастанием расхода топлива. Плавный запуск характерен для ЖРД малых и средних тяг с турбона-сосной системой подачи. При этом плавность нарастания расхода топлива обеспечивается за счет инерции ТНА. Продолжительность запуска определяет­ся в основном временем выхода ТНА на номинальный режим («раскруткой ТНА»).

Ступенчатый запуск характерен введением промежуточной (или пред­варительной) ступени работы ЖРД и иногда целесообразен при запуске двига­телей больших тяг. Необходимость введения промежуточной ступени обуслов-

лена тем, что с ростом тяги, а, следовательно, и мощности ТНА время, расхо­дуемое на раскрутку ТНА (инерционность ТНА) уменьшается. В результате влияние инерционности ТНА на скорость нарастания давления становится ни­чтожным, так что запуск приходится смягчать введением промежуточного ре­жима.

При запуске ЖРД, работающих на несамовоспламеняющихся ком­понентах, введение предварительной ступени обеспечивает прогрев камеры и образование надежного факела.

Пушечным называют запуск, при котором сразу подается полный расход топлива. В чистом виде пушечный запуск не применяется, так как при этом получился бы очень большой заброс давления в камере, поэтому в системе подачи или в головке двигателя всегда устанавливаются устройства, смягчающие запуск. Запуски, близкие к пушечному, возможны при исполь­зовании вытеснительных систем подачи.

9.2. Влияние условий запуска двигателя

Начальная температура топлива. Изменение начальной температуры приводит к изменению химической активности топлива, а также к изменению физических свойств, влияющих на перемешивание топлива при впрыске (вяз­кость, поверхностное натяжение). С уменьшением начальной температуры t3 увеличивается. Так, например, для топлива, состоящего из азотной кислоты и смеси фурфурилового спирта с анилином, при понижении температуры с -10 до -30 °С время задержки воспламенения увеличивается с 0,015 до 0,040 сек, т. е. более чем в два раза.

Начальное давление в камере сгорания. Вопрос о влиянии начального давления в камере на воспламенение очень важен при организации запуска двигателя в высотных условиях. Понижение давления приводит к увеличению t3 и, как следствие, к увеличению заброса давления при запуске. Некоторые самовоспламеняющиеся топлива при большом уменьшении давления могут вообще утратить способность к самовоспламенению. Такие условия могут, в частности, возникнуть при запуске двигателя в космосе, где давление окру­жающей среды равно нулю. Однако, в таких случаях топливо, поступающее в камеру с давлением близким к нулю, оказывается в перегретом состоянии. Про­исходит очень быстрая возгонка топлива и за счет образовавшихся паров дав­ление в камере сгорания повышается.

Состав топлива. На величину t3 влияет как изменение соотношения компонентов топлива, так и наличие различных, иногда неизбежных (напри­мер, вода), а иногда специально вводимых разбавителей или добавок.

Наименьшее значение t3 ряда топлив не соответствует стехиометриче-скому соотношению.

Рис.88

Влияние состава топлива (а) и опережения впрыска на(б)

Так, например, для топлива «азотная кислота + 50% ксилидина и 50% фурфурилового спирта» изменение t3 при изменении коэффициента избытка окислителяпроисходит, как показано на рис. а и минимальное значение соответствует =1,1.

Аналогичные графики можно получить и для других топлив. В каждом случае наименьшему значениюбудет соответствовать свое а.

Различные добавки в топливе могут увеличивать или уменьшать Так, например, увеличение содержания воды в азотной кислоте приводит к росту t3.

Опережение подачи одного из компонентов. В ЖРД трудно обеспе­чить одновременную подачу окислителя и горючего, запаздывание же одного из них может привести к увеличению, а иногда к уменьшениюТак, из гра­фика измененияв зависимости от опережения подачи t для топлива «азотная кислота + фурфуриловый спирт», рис.88 б, видно, что для данного топлива опережение подачи окислителя уменьшаетт. е. улучшает запуск. Величина рационального опережения подачи того или иного компонента зависит от со­става топлива, а также от конструкции головки, так что для каждого топлива и конструкции головки имеется свой наиболее целесообразный порядок подачи компонентов.

Иногда при выборе опережения подачи горючего или окислителя учи­тывают также, что при догорании несгоревшей в камере части горючего за со­плом двигателя образуется мощный факел.

Прочие влияния. На t3 и запуск двигателя, кроме указанных основных факторов, оказывают влияние также физические свойства топлива, перепад давления на форсунках dРФ (увеличение dРФ обычно уменьшает), форма и объем камеры, количество подаваемого компонента (увеличение количества подаваемого топлива часто приводит к уменьшению), многократность запус­ка и т. д.

149

9.3. Способы воспламенения горючих смесей

В классификации задач, возлагаемых на системы управления ДУ, зада­ча воспламенения горючих смесей отнесена к обеспечению нестационарного процесса запуска двигателя и решается с помощью автономных систем воспла­менения топлив в камерах и газогенераторах ЖРД.

Под системой воспламенения топлив предусматривается полный цикл мероприятий по организации не только начального этапа воспламенения ком­понентов топлива, но также и весь цикл обеспечения этого процесса без ано­мальных явлений (срывов горения, незапусков, пульсации, забросов давлений и других возможных видов отказов на этапе запуска).

Естественно, что принудительного воспламенения требуют несамовос­пламеняющиеся топлива. Ими являются углеводородные горючие, работающие с кислородом или с азотнокислотными окислителями, а также кислородно-водородное топливо.

Существует несколько способов воспламенения горючих смесей.

Химический способ предусматривает на начальном этапе запуска ис­пользование самовоспламеняющихся компонентов топлива, которые запасают в трубопроводах или специальных емкостях перед камерами двигателя и отде­ляют их от основного топлива мембранами свободного прорыва. Запас пуско­вых порций самовоспламеняющегося топлива должен обеспечивать работу ка­меры на пусковом топливе, примерно равном 80 % времени запуска. Целесооб­разность применения этого способа ограничивается ДУ однократного включе­ния.