Беседы о ракетных двигателях

Просто о том, что кажется сложным

Зажигание

Автор публикации: Редколлегия · 4 января 2016 · Комментариев нет

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 см 3 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.

Системы воспламенения РДТТ

Конструкции систем воспламенения современных ракетных дви­гателей зависят от функционального назначения и конструктивного оформления РДТТ, отличаются большим разнообразием и различной степенью сложности. Принципиальная схема системы воспламенения представлена на рис. 5.3.:

Рис.5.3. Система воспламенения заряда ТРТ:

1 — первичный источник тепловой энергии; 2 — устройство,

формирующее и направляющее тепловой поток; 3 — воспламеняющее

устройство (ВУ), обеспечивающее разложение заряда ТРТ

В РДТТ применяют пиротехническое, пирогенное и химическое зажигание топливного заряда. Пиротехническое зажигание обеспечивается пиротехническим воспламенителем, который срабатывает от первичного источника тепловой энергии с последующим поджиганием основного заряда ТРТ. В системе пирогенного зажигания используют воспламенительный твердотопливный газогенератор, который является фактически ракетным двигателем твердого топлива, размер которого зависит от конструктивного оформления основного РДТТ. Химическое зажигание топливного заряда осуществляется путем подачи пускового жидкого или газообразного окислителя (Cl F₃ , BF₅ и др.), воспламеняющегося при контакте с поверхностью заряда. Последний способ, несмотря на наличие некоторых преимуществ, все же не нашел широкого распространения из-за ряда эксплуатацион­ных особенностей использования самовоспламеняющихся жидкостей.

Конструкция воспламенительных устройств зависит от требований, которые предъявляются к двигателю по времени выхода на режим, надежности, необходимости предотвращения самопроизвольного срабатывания и др. Конструкция воспламенителя включает следующие элементы:

· стандартный пиропатрон (с электрическим, механическим или тепловым приводом);

· передаточный состав воспламенителя;

· основ­ной воспламенительный состав.

Передаточный и воспламенительные составы помещаются в оболочке. Собранное воспламенительное устройство закрепляется в двигателе таким образом, чтобы газы от сработав­шего воспламенителя распространялись к поверхности топлив­ного заряда.

В настоящее время наибольшее распростране­ние получили электрические пиропатроны и электрозапалы, рис. 5.4.

Электрический ток подается на два проводника, между которыми имеется мостик накаливания. На мостик накали­вания нанесен чувствительный к тепловому импульсу иницииру­ющий состав (например, азид свинца). Под действием тепла ини­циирующий состав воспламеняется и передает огневой импульс на передаточный состав воспламенителя, находящийся в корпусе пирозапала. От пирозапала (пиропатрона) форс пламени пере­дается на основной состав воспламенителя.

Рис.5.4. Конструкция инициирующих устройств:

а — электрозапал; б — пиропатрон; 1 — корпус; 2 — установочная втулка;

3 — ини­циирующая смесь; 4 — передаточный состав; 5 — основной состав

устройства; 6 — мостик накаливания; 7 — выводные концы;

8 — изоляция из стекла; 9 — токопроводящий контакт

В процессе сгорания воспламенительного состава давление в пиропатроне достигает 50·10 5 …150·10 5 Па, а общее время работы от момента подачи тока на мостик накаливания 10 -2 …1,5·10 -2 с. Пиропатроны (электрозапалы) надежны в эксплуатации и обеспечивают постоянство характеристик в процессе транспортировки, опрессовки, изменения температуры в диапазоне 213-323К и выдержки в условиях глубокого вакуума ( до 1,3·10 — 4 Па).

Пиропатрон отличается от пирозапала оформлением корпуса. В пирозапале корпус выполнен из картонной или металлической (медной) гладкой оболочки; пиропатрон имеет прочный корпус с резь­бой и уплотняющим буртиком, рис.5.4.

В корпусе пиропатрона установлен один или два токопроводящих контакта, к которым подсоединены два мостика накаливания.

Различают воспламенительные устройства коробчатого, рис.5.5., и корзиночного, рис.5.6., типов.

I

Рис.5.5. Воспламенительное устрой­ство коробчатого типа:

1- пиропатрон; 2 — переднее днище РДТТ; 3 — корпус воспламенителя;

4 — футляр; 5 — винт крепления воспламе­нителя

Корпус воспламенителя коробчатого типа выполняется тонкостенным (б= 0,2 . 0,3 мм) из алюминия или стали. Крышка соединяется с корпусом за­каткой. Внутрь коробки помещается воспламенительный состав. Иногда для лучшего проникания форса пламени от воспламени­теля в крышке коробки делаются отверстия, которые заклеиваются прорезиненной тканью. Корпус воспламенителя устанавливается в прочный стальной или пластмассовый футляр, который крепится к днищу двигателя. Футляр делается с отверстиями для свобод­ного прохода газов. Иногда футляр снабжают коническим рассекателем для лучшего распреде­ления газов вдоль заряда (в случае многошашечного вклад­ного заряда).

Рис. 5.6. Воспламенительное устройство корзиночного типа:

1- пиропатрон; 2 — передаточный состав; 3 -пиротехнические петарды;

4 — корпус воспламенителя; 5 –оплетка

Воспламенители замкнутого типа имеют недостатки, заклю­чающиеся в том, что тонкостен­ный корпус может разрушаться до момента полного воспламенения всего пиротехнического со­става. Тогда часть состава будет выброшена из футляра, что может привести к затягиванию времени задержки воспламенения и нестабильности выхода двигателя на режим.

Разрушенные части корпуса воспламенителя разбрасываются и, ударяясь о по­верхность заряда, могут повредить его; при прохождении остат­ков корпуса через критическое сечение сопла может появиться нежелательный заброс давления.

Вследствие этого разработаны такие конструкции корпусов, которые способны выдерживать силовые нагрузки от внутреннего давления до тех пор, пока не воспламенится вся навеска воспламенительного состава.

В по­следующем, при разрушении корпуса его детали не должны на­носить повреждений топливному заряду и элементам конструкции двигателя (вкладышу, соплу, ТЗП, днищу). Примером металлического неразрушающегося корпуса может служить воспламенитель, показанный на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Воспламенитель с неразрушающимся корпусом твердотопливного двигателя «Спейс Шаттл»:

1 — крышка; 2 — гнездо под пиропатрон (2 шт); 3 — передаточный

на­сыпной состав (В + KNO3) в полиэтиленовом мешочке; 4 — решетка;

5 — стальной корпус; 6 — таблетизированный воспламенительный

состав в герметичной вакуумированной упаковке

(топливо аналогичное основному составу заряда)

Наиболее удачным по конструкции является корзиночный корпус. Для истечения продуктов сгорания в корпусе воспла­менителя корзиночного типа предусматриваются просветы между стеклопластиковыми или металлическими жгутами. Скорость истечения газов через отверстия может быть критической. Для приведения в действие круп­ногабаритных РДТТ применяются пирогенные воспламенители, напоминающие небольшой двигатель. Общий вид пирогенного воспламенительного устройства РДТТ «Спейс Шаттл» представлен на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Конструкция пирогенного воспламенителя:

1- предохранительно-взводящее устройство (ПВУ); 2 — малое пуско-зажигательное устройство (ПЗУ); 3 — крышка; 4 — крепление большого ПЗУ;

5 — стенка перед­ней секции; 6 — корпус с внешней и вну­тренней термоизоляцией большого ПЗУ; 7 — топливный заряд ПЗУ;

8 — сопло с вклады­шем большого ПЗУ

5.3. Основные направления совершенствования РДТТ

Эффективность РДТТ в большей степени зависит от типа твердого топлива. Поэтому особое внимание уделяется созданию высокоэнергетических твердых топлив.

Современные ТРТ обладают сравнительно низкой скоростью горения, а их характеристики в сильной степени зависят от температуры окружающей среды.

Путем подбора состава ТРТ и технологии его изготовления стремятся получить высокоэнергетические топлива с хорошей воспроизводимостью механических свойств, пониженной чувствительностью к температуре и влаге, сопротивляемостью старению, широким диапазоном скорости горения и повышенными допустимыми значениями осевых и боковых перегрузок. Перспективными смесевых ТРТ являются фторсодержащие соединения. К числу высокоэнергетических горючих относятся горючие, в молекуле которых вместо углерода введен бор или алюминий.

Уменьшение массы конструкции РДТТ достигается уменьшением давления Р_к , при использовании скрепленных зарядов с внутренними горением, путем применения новой технологии изготовления корпуса и сопла (например, путем нанесения слоя металла на топливный заряд электролитическим способом) , а также применением материалов с высокой удельной прочностью: титановых и алюминиевых сплавов, стеклопластиков. К перспективным материалам для корпусов РДТТ относятся стеклопластики, упрочненные волокнами на основе бора, вольфрама, углерода и бериллия.

Для изменения тяги РДТТ без существенного ухудшения его характеристик можно использовать следующие способы.

Изменение площади критического сечения путем перемещения центрального тела вдоль оси сопла или путем подачи рабочего тела в критическое сечение через кольцевую щель или пояс отверстий. Газ для этой цели можно отбирать из камеры сгорания. Использование указанных способов затрудняется тяжелыми условиями работы центрального тела и относительно малой величиной изменения тяги, в случае ввода рабочего тела в критическое сечение.

Ввод химически активной жидкости (F₂ , OF₂ , ClF₃ , N₂O ₄ и др.), самовоспламеняющейся с твердым топливом. Меняя расход жидкости, можно изменять тягу двигателя в отношении от 20:1 до 50:1. В РДТТ с жидким компонентом упрощается проблема охлаждения: используя наружное проточное охлаждение, можно применять высокоэнергетические ТРТ и топливные заряды с торцевым горением.

Изменение скорости горения ТРТ путем изменения его температуры или обдува поверхности горения дополнительным газом. Температуру заряда можно изменять путем пропускания холодной жидкости или горячих продуктов сгорания через трубки, равномерно расположенные в заряде.

Увеличение площади горение заряда каким-либо принудительным способом, например, путем разрушение бронирующего покрытие заряда химически активным жидким компонентом.

Использование компенсирующих зарядов. Если в корпусе РДТТ, кроме основного топливного заряда, разместить несколько дополнительных (компенсирующих) зарядов, то при низком давлении Р_к, вызванном пониженной температурой основного заряда, можно включать компенсирующие заряды и тем самым уменьшать разброс характеристик РДТТ при работе в различных температурных условиях.

Для увеличения времени работы РДТТ при использовании высокоэнергетических ТРТ можно применять внутреннее (в том числе пористое) охлаждение, причем охладителем может служить жидкость или газ.

Эффективно пористое охлаждение с применением кипящих металлов или их гидридов в качестве охладителя. Для реализации такого охлаждения сопло по всей длине или на докритической части снабжается двумя стенками, причем внутренняя стенка выполняется из пористого жаропрочного металла. Между стенками размещается охладитель.

При работе РДТТ охладитель, воспринимая поступающие тепловые потоки, нагревается, расплавляется и испаряется; образующиеся пары проходят сквозь пористую стенку в поток продуктов сгорания.

Для многократного включения и выключения РДТТ необходима система многократного воспламенения заряда и его гашения. Для многократного воспламенения топливного заряда можно использовать химическую систему зажигания, а для многократного гашения — подачу специального рабочего тела (жидкости, газа или сублимирующего порошка), на поверхность горения заряда. Указанное рабочее тело не должно препятствовать повторному запуску двигателя. Жидкостью для гашения заряда могут служить вода и водные растворы солей щелочных металлов (последние имеют более низкую температуру замерзания).

Одним из направлений в разработке ракетных двигателей твердого топлива является увеличение их тяги до весьма больших значений – до 40мН.

Снижение стоимости РДТТ достигается путем упрощения технологии изготовления зарядов, изыскания путей снижения стоимости твердых топлив и многократным использованием корпусов и сопел РДТТ.