Беседы о ракетных двигателях

Зажигание

ЗАЖИГАНИЕ в химическом ракетном двигателе  — процесс воспламенения химического ракетного топлива в камере (газогенераторе) РД; начинается с инициирования воспламенения и завершается установлением самоподдерживающегося горения во всём рабочем пространстве камеры (газогенератора). Зажигание является необходимым этапом запуска ракетного двигателя. Зажигание и все предшествующие операции направлены на то, чтобы воспламенить топливо без возникновения неустойчивости рабочего процесса, опасных пиков давления и других нежелательных явлений. В зависимости от способа инициирования воспламенения различают следующие основные виды зажигания: пиротехническое, химическое, каталитическое, электрическое, горячим газом. При выборе вида зажигания учитываются используемое ракетное топливо, внешние условия работы РД, кратность включения и использования РД, принципиальная схема РД, размеры агрегатов и т.д. В ЖРД, например, применяются все перечисленные виды зажигания, в РДТТ — пиротехническое.

Корзиночный воспламенитель: 1 — проволочная корзинка; 2 — электрозапал; 3 — гранулы передаточного заряда; 4 — таблетки основного заряда

Бескорпусный воспламенитель: 1 — полоски электропроводящего пиротехнического состава; 2 — основной топливный заряд РДТТ; 3 — электропроводящие полоски

Зажигание в РДТТ осуществляется с помощью пиротехнического зажигательного устройства (воспламенителя), содержащего обычно три основных элемента: электрозапал с мостиком накаливания, размещённым внутри чувствительного к нагреву инициирующего заряда; передаточный заряд, легко воспламеняющийся от продуктов сгорания инициирующего заряда; основной заряд, непосредственно воспламеняющий топливный заряд РДТТ. Заряды различных элементов воспламенителей имеют массу от нескольких мг (пиротехнический состав, нанесённый на мостик накаливания) до десятков кг (основной заряд воспламенителя крупного РДТТ). В небольших РДТТ, к которым не предъявляется высоких требований, используются воспламенители в виде мешочков и картонных коробок с порошкообразным чёрным порохом, в котором размещён электрозапал. Более совершенны коробочные воспламенители с лёгкими металлическими или пластиковыми корпусами, содержащими чёрный порох (часто с присадкой магния) либо смеси окислителей (перхлорат калия, нитраты калия и бария, хроматы бария и свинца, тефлон) с бором или лёгкими металлами (алюминий, магний, цирконий). Состав пиротехнической смеси определяется конкретными параметрами и условиями применения РДТТ. Воспламенители изготавливаются также напылением пиротехнической смеси на пластиковые листы, сворачиваемые затем в рулоны и закладываемые в каналы РДТТ, или нанесением полос электропроводящего пиротехнического состава на поверхности горения топливного заряда. Такие воспламенители позволяют, например, осуществить мгновенный пуск ракет класса «воздух-воздух», «земля-воздух». Широко используются так называемые корзиночные воспламенители — с таблетками пиротехнической смеси, размещёнными в сетчатых и перфорированных металлических корпусах. Эффективное зажигание достигается применением воспламенителей с корпусами в виде перфорированных трубок (с отношением длины к диаметру до 30). В самых крупных РДТТ используются так называемые пирогенные воспламенители, представляющие собой небольшие РДТТ, которые могут содержать одиночные заряды из смесевого твёрдого ракетного топлива. Их иногда устанавливают в РДТТ со стороны сопла, в расчёте на удаление после зажигания.

Трубчатый воспламенитель: 1 — гранулы передаточного заряда; 2 — основной заряд из таблеток смесевого топлива

Пирогенный воспламенитель РДТТ СРМ: 1 — таблетки инициирующего заряда: 2 — передаточный заряд смесевого топлива; 3 — основной заряд смесевого топлива

Пиротехническое зажигание в ЖРД производится при помощи пиротехнической смеси (шашки), горение которой инициируется электрозапалом (пиропатроном). Пиротехнические зажигательные устройства (ПЗУ) могут вворачиваться в днища форсуночных головок камер и газогенераторов (ГГ) или в корпуса ГГ, а также монтироваться на деревянных и пластмассовых держателях (штативах), вводимых в камеры через сопла. ПЗУ камер частично сгорают и выбрасываются наружу (вместе с электрическими проводами) реактивной струёй. В ПЗУ крупных камер пиротехническая смесь размещается таким образом, чтобы создать очаг пламени по всему днищу форсуночной головки. В ней могут выполняться каналы для подвода горючего к ПЗУ — с целью образования мощного воспламеняющего факела. Надёжное зажигание в однокамерном кислородно-керосиновом ЖРД тягой 1 МН обеспечивается, например, установкой в камере и газогенераторе ПЗУ, содержащих соответственно 40 и 2 г пиротехнической смеси (на основе перхлората калия, горючего-связки и металлического порошка), сгорающей в течение 5-8 с. ПЗУ применены в камерах ЖРД РД-107, РД-108, РД-111, РД-119, HM-7, в газогенераторах ЖРД типа LR, F-1 и в агрегатах других ЖРД одноразового запуска.

Пиротехническое зажигательное устройство камеры ЖРД РД-119

Химическое зажигание инициируется за счёт химических реакций. Оно всегда имеет место при работе ЖРД на самовоспламеняющемся ракетном топливе. В ЖРД, работающих на несамовоспламеняющемся топливе, используется обычно пусковое жидкое горючее, воспламеняющееся при контакте с окислителем; могут применяться также пусковые окислитель или горючее. Пусковое горючее заливается непосредственно в питающие магистрали (как у РД-214) либо в гильзы (ампулы), размещаемые в байпасных магистралях. Системы с пусковой гильзой просты по устройству и удобны в эксплуатации; они широко применяются в камерах кислородно-керосиновых ЖРД одноразового запуска. Распространёнными пусковыми горючими являются триэтилалюминий и его смеси с триэтилбораном. Например, для камеры тягой 1 МН требуется ≈200 см³ этой смеси. В ЖРД с тягой в несколько десятков кН, разрабатывавшихся ГДЛ–ОКБ в начале 50-х гг., химическое зажигание обеспечивалось пропусканием азотнокислотного ракетного окислителя через пакет с активным веществом — перманганатом калия; образующиеся при этом продукты воспламеняли горючее (продукт переработки нефти).

Пусковая гильза: 1 — основное горючее; 2, 4 — мембраны свободного прорыва; 3 — пусковое горючее

Каталитическое зажигание является разновидностью химического. Воспламенение топлива инициируется веществом-катализатором. Этот способ применяется обычно в камерах ЖРД, работающих на топливе перекись водорода — керосин (ЖРД «Гамма-2», «Гамма-8» и др.): при пропускании через катализатор окислитель разлагается с образованием горячего газообразного кислорода, который воспламеняет керосин. Зажигание в кислородно-водородном ЖРД можно также произвести пропусканием газифицированного топлива через платиновый или палладиевый катализатор.

Электрическое зажигание производится при помощи электрических искровых свечей (в первых ЖРД использовались свечи накаливания). Энергия искры, образующейся между электродами свечи, воспламеняет топливо, подводимое в область разрядного промежутка. Используются два основных типа свечей: низковольтные — с полупроводниковым элементом между концами электродов и высоковольтные — с воздушным зазором или керамическим изолятором. Они работают при разрядном напряжении около 2 и 15-25 кВ соответственно. Достоинством низковольтных свечей является контролируемость их срабатывания (по изменению силы тока), недостатком — ухудшение работоспособности при воздействии термического удара, характерного для запуска ЖРД на низкокипящих топливах. Высоковольтные искровые свечи широко применяются в камерах и ГГ космических ЖРД (кислородно-водородные ЖРД J-2, LR-10, SSME). При частоте искрообразования 20-50 Гц и энергии одиночного разряда 0,1-0,5 Дж они обеспечивают надёжное воспроизводимое зажигание при приемлемой массе системы зажигания. Поскольку эта система относительно сложна (кроме свечи необходимы кабели, блок возбуждения и другие элементы), а в тепловую преобразуется лишь ≈10% первичной энергии, то электрическое зажигание оказывается целесообразным в основном для ЖРД и газовых РД многократного запуска (использования). В крупноразмерных камерах и ГГ применяются так называемые форсированные (форкамерные) электроискровые зажигательные устройства — в виде небольших ГГ, снабжённых свечами. Расход топлива в них составляет ≈0,5% от номинального расхода через весь агрегат.

Форсированное электроискровое зажигательное устройство: 1 — горючее; 2 — электрическая искровая свеча; 3 — окислитель

Зажигание горячим газом предусматривает в качестве источника воспламенения продукты сгорания порохового стартера либо основного газогенератора ЖРД. 1-я схема зажигания используется в ГГ космических ЖРД HM-7 и H-1. 2-я схема целесообразна для камер ЖРД с дожиганием.

Зажигание в высотных (и космических) условиях осложняется тем обстоятельством, что с уменьшением давления и температуры внешней среды у большинства ракетных топлив ухудшаются характеристики воспламенения. Нормальное зажигание в этом случае обеспечивается поддержанием в полостях агрегатов первоначального атмосферного давления — за счёт установки «вышибных» заглушек (в горловинах камер и выхлопных патрубках турбин) либо кратковременным созданием в полостях избыточного давления за счёт предпусковой продувки их нейтральным газом.

 
Источник: Космонавтика: Энциклопедия / Гл. ред. В. П. Глушко…