Двигательная установка (ДУ) ракеты-носителя включает в себя баки, систему подачи компонентов топлива из баков в двигатель – камера сгорания и сопло. В ЖРД преобразуется запасенная в баках химическая энергия топлива в кинетическую энергию истечения газовой струи, вследствие чего создается тяга двигателя, необходимая для движения ЛА по заданной траектории. В баках компоненты топлива находятся под низким давлением, а в камерах сгорания (КС) во время работы двигателя давление достигает более 200 атмосфер. Для обеспечения впрыска под высоким давлением компонентов топлива в камеру сгорания служит турбонасосный агрегат (ТНА), который состоит из насосов: окислителя, горючего, перекиси водорода, азота и газовой турбины. Турбина приводится в движение газом, полученным в газогенераторе, который вырабатывает этот газ (рабочее тело турбины) либо из основных компонентов топлива (рис.1а,2), либо из специального однокомпонентного, например, перекиси водорода (рис.1б). Отработанный газ из турбины выбрасывается в атмосферу (ЖРД разомкнутого типа) или же поступает в КС (ЖРД замкнутого типа), где дожигается. Запуск двигателя производится с помощью зажигательных устройств при запуске двигателя с несамовоспламеняющимися компонентами топлива. Тяга ЖРД создается в камере сгорания. В камеру через форсунки впрыскивается под давлением окислитель и горючее, которые после впрыскивания перемешиваются, испаряются и воспламеняются. Сгорание топлива заканчивается в цилиндрической части КС, затем в сужающерасширяющемся сопле происходит разгон частиц газа. Скорость истечения на выходе из сопла может достигать у лучших образцов двигателей 4500 м/сек. Высокое давление и температура в КС создают тяжелые условия работы ЖРД. Для обеспечения нормальной работы в таких условиях применяется тепловая защита внутренних стенок КС путем проточного охлаждения 2 горючим, поступающим в пространство между внутренней и внешней стенками КС, а также путем создания пристеночного слоя с пониженной температурой, путем нанесения специальных покрытий на стенки КС и др. Рисунок 1 – Схема ДУ ЖРД а) рабочее тело турбины вырабатывается на основе основных компонентов топлива (ЖРД разомкнутого типа); б) рабочее тело турбины вырабатывается из перекиси водорода (ЖРД разомкнутого типа). в) Схема двигательной установки с ЖРД замкнутого типа. С целью выявления возможных неисправностей в ДУ и для оценки ее функционирования в процессе полета ракеты производится измерение параметров ДУ. Основными параметрами, для которых возможны прямые измерения, являются: давление в КС, давление и температура в газогенераторе, скорость вращения турбины, давление компонентов топлива 3 перед насосами и после них, давление и температура в баках и др. Измерение и регистрация основных параметров производится телеметрическими системами, информация которых обрабатывается на вычислительном центре, а затем используется для оценки работы ДУ. Двигатель РД-108 установлен на второй ступени ракеты-носителя “Восток”. Основные характеристики двигателя: - топливо - окислитель - жидкий кислород, горючее - керосин - тяга в пустоте - 96 тс - удельная тяга в пустоте - 315 тс - давление в КС - 60 ат Двигатель РД-108 открытой схемы. Привод ТНА от парогазогенератора, работающего на перекиси водорода. ТНА имеет четыре насоса: окислителя, горючего, перекиси водорода и азота, который используется для наддува баков. Газификация жидкого азота, идущего на наддув баков, производится в теплообменнике, который обогревается парогазом, идущим из турбины в атмосферу. Охлаждение стенок КС: наружное – путем протекания горючего между внутренней и наружной стенками; охлаждение внутренних стенок КС осуществляется горючим, которое подается на стенки камеры через пристеночные форсунки, путем испарения горючего. Зажигание пиротехническое. Управление вектором тяги по направлению – с помощью 4-х рулевых камер; по величине – изменение расхода перекиси. Основными агрегатами двигателя являются: 1) четыре основных и четыре рулевых камеры сгорания, питающихся от одного ТНА; 2) турбонасосный агрегат; 3) парогазогенератор; 4 4) элементы автоматики. Камера сгорания состоит из головки, в которой размещены форсунки, цилиндрической части и сужающе-расширяющегося сопла. Цилиндрическая и сопловая части имеют по две стенки: внутреннюю (огневую) и наружную. Внутренняя и наружная стенки соединяются друг с другом гофрированными проставками с помощью пайки. Компоненты топлива впрыскиваются в КС работающего двигателя под высоким давлением через форсунки. В цилиндрической части происходит распыление топлива, испарение, перемешивание окислителя и горючего и сгорание. Из цилиндрической части продукты сгорания поступают в сопловую часть, где происходит разгон частиц газа до сверхзвуковой скорости, то есть преобразуется тепловая энергия сгорания топлива в кинетическую энергию истекающей из сопла струи газа. В результате истечения газа создается тяга. Турбонасосный агрегат состоит из газовой турбины, насосов окислителя, горючего, перекиси водорода и азота. Все насосы центробежные. Вращение турбины передается насосам через основной вал ТНА, на который насажены колесо турбины и крыльчатки насосов окислителя и горючего. Передача вращения на насосы перекиси и азота осуществляется посредством шестеренчатой передачи. Турбина состоит из колеса турбины с лопатками, соплового аппарата и корпуса. В сопловом аппарате осуществляется направление потока рабочего тела турбины (парогаз, поступающий из ПГГ) под требуемым углом на лопатки турбины. Частицы парогаза ударяются о лопатки турбины и, таким образом, приводится во вращение колесо турбины, происходит преобразование энергии рабочего тела турбины в механическую энергию вращения колеса турбины. Насосы по устройству примерно одинаковы и различаются размерами колес и числом лопаток. Насос состоит из колеса насоса (крыльчатки), насаженного на вал, и корпуса насоса. На вход насоса подается жидкость с низким давлением. В насосе при вращении его лопаток вместе с жидкостью 5 происходит преобразование механической энергии вращения колеса в энергию давления жидкости, вследствие чего жидкость выбрасывается из насоса на его выход под высоким давлением. Таким образом, ТНА предназначен для преобразования энергии рабочего тела турбины в энергию высокого давления окислителя, горючего, перекиси водорода и азота. Парогазогенератор предназначен для выработки рабочего тела турбины. Он представляет собой емкость, в которой помещен катализатор. Через эту емкость с катализатором проталкивается под большим давлением из насоса перекись водорода. В результате соприкосновения с катализатором перекись разлагается на воду и кислород с большим выделением тепла. Продукты разложения перекиси – вода и кислород нагреваются до высоких температур и поступают на лопатки турбины в виде парогаза. Элементы автоматики предназначены для задействования двигателя, регламентирования его работы и останова. К ним относятся: 1. Главный клапан окислителя и главный клапан горючего. Они служат для открытия доступа окислителя и горючего в КС при запуске и для прекращения их поступления в КС при выключении двигателя. 2. Перекрывные клапаны перекиси водорода и азота (Кл.П, Кл.А). 3. Электропневмоклапаны (ЭПК) служат для открытия при запуске и закрытия при остановке двигателя главных клапанов окислителя и горючего, и перекрывных клапанов перекиси водорода и азота. 4. Отсечные клапаны окислителя на рулевых КС. 5. Элементы автоматики, предназначенные для регулирования тяги двигателя. К ним относятся: а) гидроредуктор перекиси (Гр), который изменяет по командам от системы управления расход перекиси в ПГГ, вследствие чего уменьшается или увеличивается мощность турбины и соответственно этому скорость вращения турбины, давление за насосами, расход компонентов топлива в камере сгорания, а значит и тяга двигателя; 6 б) редуктор точной настройки (РТН), через который подается управляющее давление воздуха на гидроредукторе; в) привод импульсный регулятора скорости (ПИРС) – электрический привод, который преобразует управляющие сигналы от системы управления в воздействие на РТН. Управляющее воздействие РТН на гидроредуктор изменяет расход перекиси. 6. Дроссель системы одновременного опорожнения баков (СОБ), который по командам от системы управления изменяет расход окислителя в камере сгорания. 7. Пирозажигательное устройство (ПЗУ), представляет собой навеску пороха с электрическим воспламенителем, которая перед задействованием двигателя вставляется внутрь цилиндрической части всех камер сгорания. При запуске двигателя подается эл. сигнал на воспламенитель и навеска пороха загорается. Горение ее продолжается несколько секунд, и за это время в КС поступают окислитель и горючее, которые воспламеняются от пламени ПЗУ, и начинается процесс горения топлива в КС. Запуском ЖРД называется режим работы двигателя от первой команды на его включение до выхода на основной режим. При запуске проходят операции и связанные с ними процессы, обуславливающие переход двигателя от состояния стартовой готовности (подачи первой команды на включение) к работе на основном режиме. Перед запуском ЖРД ракета должна находиться в состоянии стартовой готовности – это значит: а) весь цикл последующих, вплоть до старта ракеты, операций может быть осуществлен без непосредственного вмешательства обслуживающего персонала; б) приведены в готовность системы автоматики и регулирования, обеспечивающие работу ЖРД в полете. В общем случае во время запуска ЖРД выполняются: а) предстартовый наддув до заданного давления топливных баков; 7 б) для ЖРД с несамовоспламеняющимися компонентами топлива – создание начального очага, обеспечивающего воспламенение топливных компонентов в КС и ГГ; в) открытие топливных клапанов, обеспечивающих поступление компонентов топлива в КС и систему газогенерации; г) для двигателя с программированным запуском – осуществление автоматической последовательности срабатывания пускорегулирующих систем, обеспечивающих вывод двигателя на заданный режим тяги. Перед запуском двигателя РД-108 производится продувка воздухом полостей горючего КС и продолжается до начала процесса горения компонентов топлива в камерах. Продувка необходима для предотвращения возможной напрессовки кислорода через форсунки в полости горючего. Следствием такой напрессовки может быть взрыв при соединении в полости горючего жидких кислорода и керосина. Для обеспечения нормальной работы центробежных насосов необходимо выдерживать определенный минимум давления компонентов топлива на входе в насосы. С этой целью перед запуском двигателя производится предстартовый наддув баков азотом или воздухом. При наличии сигналов о том, что давление в баках находится в требуемых пределах, подается команда «зажигание», по которой задействуются все ПЗУ камер сгорания. При наличии сигнала о том, что во всех камерах сработали ПЗУ, открывается клапан окислителя на предварительную ступень. Если есть сигнал о том, что клапан окислителя сработал, то открывается клапан горючего – компоненты топлива поступают в КС пока под давлением собственного веса, и там начинается процесс их горения – двигатель выходит на режим предварительной ступени тяги. При получении сигнала о том, что во всех камерах началось горение компонентов топлива, открываются перекрывные клапаны перекиси водорода и азота. Перекись под воздействием давления наддува поступает в ПГГ и далее в виде нагретого парогаза на 8 лопатки турбины, турбина раскручивается, за насосами быстро поднимается давление, что ведет к увеличению расхода окислителя и горючего в камеры, и перекиси в ПГГ. Мощность турбины резко возрастает вследствие увеличения расхода рабочего тела, давление в КС растет – двигатель выходит на режим основной тяги. Под остановом ЖРД понимается цикл операций и переходных процессов, происходящих за промежуток времени между подачей первой команды на выключение и практическим исчезновением тяги. В зависимости от требований, предъявляемых со стороны ракетной системы, различают следующие способы останова ЖРД: 1) останов после израсходования топлива; 2) останов по внешней команде с обеспечением минимального импульса последействия; 3) аварийный останов по внешней команде или команде внутренней блокирующей цепи; 4) многократный останов. При выключении данного двигателя после израсходования топлива закрываются перекрывные клапаны перекиси водорода и азота – турбина прекращает свою работу. Давление после насосов падает – падает и расход окислителя и горючего в КС, после чего закрываются главные клапаны окислителя и горючего и отсечные клапаны окислителя на рулевых КС. Двигатель останавливается. 9
