Камера



КАМЕРА жидкостного ракетного двигателя — основной агрегат ЖРД, состоящий из камеры сгорания и сопла. В камеру ЖРД вводятся окислитель и горючее, которые сгорают при взаимном контакте, либо унитарное ракетное топливо, разлагающееся при прохождении через катализатор, размещённый в камере сгорания (камере разложения).

Ввод топлива осуществляется при помощи форсунок, объединяемых обычно в конструктивный элемент камеры, называемый форсуночной головкой (ФГ). В зависимости от агрегатного состояния поступающих в форсунки продуктов различают камеры ЖРД, работающие по схемам «жидкость – жидкость», «газ – жидкость», «газ – газ». Газообразными продуктами могут быть как охладитель, испарившийся в тракте регенеративного охлаждения, так и отработанное рабочее тело турбины (в ЖРД с дожиганием генераторного газа). Кроме корпуса и ФГ, камера ЖРД содержит в общем случае топливные входные патрубки, распределительные коллекторы и трубопроводы, пусковые зажигательные устройства, опорные элементы для крепления РД к ЛА и т.д. Конструкция камеры зависит от вида топлива, уровня тяги и давления в камере сгорания. По значению последнего параметра, которое для серийных ЖРД находится приблизительно в диапазоне от 0,5 до 25 МПа, камеры ЖРД целесообразно разделить на агрегаты низкого, среднего и высокого давления (условными границами являются 2 и 10 МПа).

Камера ЖРД конструкции ГДЛ-ОКБ (со связанными оболочками)

Камера ЖРД конструкции ГДЛ-ОКБ (со связанными оболочками):
1 — форсуночная головка с патрубками подвода окислителя (окислительного газа); 2 — патрубок подвода горючего

Камеры последних двух типов, т.е. высокого и среднего давления, входят в состав ЖРД с насосной подачей двухкомпонентного ракетного топлива. В отечественных ЖРД (например, РД-107, РД-119, РД-214, РД-219, РД-253) применяются так называемые камеры со связанными оболочками конструкции ГДЛ – ОКБ. Форсуночные головки этих камер представляют собой пакетную конструкцию с внешним, промежуточным и огневым днищами, которые образуют полости окислителя и горючего; два последних днища скреплены при помощи форсунок, число которых достигает нескольких сотен. Корпус камеры содержит внутреннюю огневую стенку и внешнюю силовую рубашку, которые прочно соединены продольными или спиральными паяными швами через промежуточную гофрированную стенку (проставку) либо через рёбра, выфрезерованные на огневой стенке. Каналы внутри корпуса образуют тракт регенеративного охлаждения; охладителем является обычно горючее. В качестве конструкционных материалов камеры используются нержавеющие и высокопрочные стали, титановые и медные сплавы. В нормальных рабочих условиях температура медных и титановых деталей не превышает 800 К, стальных — 1400 К. Медные сплавы, будучи относительно малопрочными, отличаются высокой теплопроводностью. Из них изготавливаются внутренние стенки, огневые днища и форсунки особо теплонапряжённых камер. Снижение тепловых потоков достигается нанесением на стенки керамических теплоизоляционных покрытий.

Трубчатая камера ЖРД

Трубчатая камера ЖРД:
1 — патрубок подвода окислителя; 2 — карданный подвес; 3 — форсуночная головка; 4 — патрубок подвода горючего; 5 — трубчатый корпус; а — сечение выходного участка сопла; б — сечение цилиндрической части камеры; в — сечение горловины сопла

В зарубежных ЖРД с насосной подачей топлива применяются трубчатые камеры; их корпуса образованы спаянными между собой профилированными трубками (с толщиной стенок 0,2-0,5 мм) из нержавеющей стали или никелевых сплавов, по которым протекает охладитель — горючее. Число трубок — от нескольких десятков до нескольких сотен. Прочность корпуса обеспечивается внешней силовой оболочкой (в области камеры сгорания и горловины сопла) и бандажами. ФГ — обычно съёмная, с круглыми прямыми или наклонными отверстиями для распыления топлива. Число отверстий может достигать нескольких тысяч. Трубчатые камеры ЖРД рассчитаны на среднее давление. В созданных за рубежом камерах высокого давления (SSME) используются конструкции со связанными оболочками, не отличающиеся принципиально от отечественных.

Камеры ЖРД с насосной подачей развивают максимальный удельный импульс среди камер ХРД, но отличаются высокой теплонапряжённостью. В дополнение к регенеративному в них обычно предусматривается также завесное охлаждение. Ограниченное применение находит транспирационное охлаждение.

Камеры низкого давления для ЖРД, работающих на двухкомпонентном топливе, рассчитываются на завесное охлаждение (при помощи форсунок) в сочетании с абляционным (см. Абляция) или радиационным (т.е. излучением теплоты). В указанных ЖРД предусматривается вытеснительная подача топлива, и они развивают небольшую тягу. Использование в этом случае регенеративного охлаждения неприемлемо либо невозможно по следующим причинам: 1) преодоление гидравлического сопротивления охлаждающего тракта связано с необходимостью увеличения давления в топливных баках и, следовательно, с их утяжелением; 2) с уменьшением тяги камеры ЖРД расход топлива уменьшается быстрее, чем кол-во теплоты, поступающей на стенку; начиная с некоторого значения тяги охладить камеру невозможно даже при использовании всего топлива; 3) наличие охлаждающего тракта увеличивает объём полостей между пуско-отсечными клапанами и зоной горения, ухудшая динамические характеристики ЖРД, к которым во многих случаях предъявляются повышенные требования.

Камера ЖРД с абляционным охлаждением

Камера ЖРД с абляционным охлаждением:
1 — рефразильный пластик; 2 — жаропрочная молибденовая вставка с защитным покрытием двуокисью циркония; 3 — фенопласт, армированный двуокисью кремния; 4 — стеклопластиковая намотка

Абляционное охлаждение применяется в наиболее теплонапряжённых частях камер низкого давления (камера сгорания и горловина сопла). Последние при этом изготавливаются на технологической оправке (имеющей форму внутреннего контура камеры), на которую наносятся последовательно слой абляционного материала и слой теплоизоляционного; после нанесения каждый из них подвергается отверждению. Полученная конструкция заключается в силовую оболочку. При работе такой камеры её внутренняя поверхность нагревается до 1500-2000 К. Ресурс камеры ограничен допустимым уносом абляционного материала и не превышает обычно 10-15 мин. В ЖРД LMDE уносится, например, около 25% начальной массы материала; площадь минимального проходного сечения камеры увеличивается на 8%, что приводит к снижению удельного импульса на 20 м/с. Нежелательное изменение параметров камеры предотвращается применением в горловине камеры вкладышей из жаропрочных материалов (пирографита, вольфрамовых сплавов, карбида кремния), устанавливаемых на термостойком клее. При использовании абляционного охлаждения в камерах ЖРД, рассчитанных на многократное включение, необходимо учитывать передачу теплоты от нагретых частей конструкции к холодным, происходящую после выключения двигателя. Благодаря этому явлению термическое разложение абляционного материала может продолжаться ещё в течение 100 с и более (пока температурa не понизится до ~ 400 К); следствием являются дополнительный унос материала и нежелательный импульс последействия ЖРД. Кроме того, в процессе передачи теплоты температура отдельных элементов конструкции может превысить допустимую.

Камера ЖРД однокомпонентного топлива

Камера ЖРД однокомпонентного топлива:
1 — форсунка; 2 — катализатор; 3 — удерживающая решётка; 4 — сопло

Для охлаждения стенок камер ЖРД, работающих в условиях малых тепловых нагрузок (например, выходных участков сопел с большими степенями расширения), применяется радиационное охлаждение, а сами стенки изготавливаются из жаропрочных сплавов (в некоторых случаях — из обычных нержавеющих сталей). На них могут наноситься керамические покрытия: изнутри — теплоизоляционные и противоокислительные, снаружи — излучающие. Тепловое равновесие для таких камер ЖРД устанавливается при нагреве стенок до 1000-2000 К. Для эффективного охлаждения излучающие поверхности не должны затеняться другими элементами ЖРД и ЛА. Камеры, корпуса которых полностью охлаждаются излучением, характерны для ЖРД тягой менее 10 кН, рассчитанных на длительный ресурс и многократное включение (примером является Р-4Д). В указанных камерах предусматривается дополнительно интенсивная охлаждающая завеса, создаваемая периферийными форсунками. Это приводит к значительным потерям удельного импульса, объясняющимся понижением средней температуры газов в камере сгорания и нарушением однородности их состава и свойств.

Специфична конструкция камер ЖРД, работающих на унитарном топливе. Они представляют собой небольшие агрегаты (тяга редко превышает 0,5 кН), начинённые твёрдым зернистым катализатором. Невысокая температура газов в камерах, работающих на перекиси водорода (~ 1000 К для концентрации 90%), позволяет изготавливать их из обычной нержавеющей стали в расчёте на радиационное охлаждение. Эти ЖРД вытесняются более совершенными — гидразиновыми. Температура продуктов разложения гидразина составляет ~ 1350 К, и камеры изготавливаются из жаропрочных сплавов. В этих агрегатах ФГ не всегда имеет вид чётко выраженного конструктивного элемента, а форсунки представляют собой отверстия или трубки, снабжённые обычно сетчатыми элементами (для надлежащего распыления топлива и предохранения системы питания от засорения частицами катализатора).
 
Источник: Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В. П. Глушко…




Оставьте свой комментарий

Вы должны быть авторизованы чтобы оставлять комментарии.

Рейтинг@Mail.ru