Требование к запуску и останову.

Запуск и останов ЖРД - ответственные и сложные режимы работы. Это связано с тем, что в этот период большинство систем двигателя рабо­тает на нестационарных режимах: включаются и выключаются многочис­ленные клапаны, возникают гидравлические удары и вибрации; при запус­ке происходит раскрутка ТНА и нарастание давления подачи; начинается поступление компонентов в камеру и ЖГГ и.их горение, При останове прекращается поступление компонентов в камеру и ЖГГ, опорожняются полости за отсечными клапанами.

Начало горения при запуске и догорание при останове часто происхо­дят при неуправляемом изменении соотношения компонентов как по сечению смесительной головки, так и в среднем по камере. Это может при­водить к возникновению колебаний давления, хлопкам и сильным вибра­циям конструкции. При запуске (а также и при останове) может быть так называемый заброс давления в камере выше его номинального значе­ния, т.е. возникает перегрузка. При останове (а также при запуске) могут возникнуть моменты, при которых возможны опасные раскрутки ТНА, повышение местных давлений и температур выше их номинальных значе­ний.

Все эти явления при неблагоприятных их сочетаниях приводят к раз­рушению двигателя. Как показывает опыт, многие неполадки и аварии возникают на режиме запуска, меньше — на режиме останова. Поэтому отладка запуска и останова двигателя — большая и сложная часть работы при создании нового двигателя.

Запуск.Запуск характеризуется несколькими параметрами. Одним из них является время запуска — время с момента подачи команды на запуск и до выхода на расчетный режим; обычно оно составляет 0,8...0,9 номинального давления на этом режиме. У современных "полноразмерных" ЖРД оно равно 0,8...5 с.

Другими важными параметрами запуска являются темп набора дав­ления (dp_к /dt)_cр и перегрузка п — (p_Kmax/ р_кN)- оба эти параметра определяют "жесткость" запуска, т.е. характер нарастания инерционных перегрузок, определяющих прочность как элементов конструкции двигателя, так и ЛА в целом. При нормальном или "мягком" запуске обычно (d_pK/dt)_Cp = 15...20 МПа/с иn~ 1,0. Если (d_pK/dt)cр = 25...30 МПа/с и п ~ 1,15...1,20, имеет место "жесткий" запуск, который не всегда допус­тим.

Наконец, важной характеристикой запуска является количество рас­ходуемого топлива ∆М₃ из баков ЛА за период запуска. У современных двигателей это значение должно быть в пределах ∆М₃ < (0,3...0,4) т .

Эти параметры строго оговариваются в технических условиях на про­ектирование двигателя.

В общем случае запуск ЖРД можно представить в виде трех последо­вательных этапов.

1. Подготовка к запуску, состоящая из следующих операций:

а) включение предварительного наддува баков;

б) заполнение жидкими компонентами трубопроводов до насосов
и полостей самих насосов. При криогенных компонентах этой операции
предшествует захолаживание этих трубопроводов и полостей;

в) включение продувки трубопроводов за главными клапанами на ли­ниях окислителя и горючего, полостей камеры и ЖГГ инертным газом —
азотом или гелием.

2. Включение системы подачи компонентов — ТНА, состоящее из следующих операций:

а) раскрутка ТНА;

б) включение в работу ЖГГ;

в) открытие главных клапанов на линиях подачи окислителя и горю­
чего в камеру. Открытие главных клапанов и клапанов подачи компонен­тов в ЖГГ может происходить не одновременно. Этим обеспечивается
строго установленная для каждого двигателя последовательность поступ­ления окислителя и горючего в камеру сгорания и ЖГГ или так называ­емое опережение компонентов.

3. Включение камеры двигателя - собственно запуск, состоящий из следующих операций:

а) заполнение компонентами трубопроводов и полостей камеры за от­сечными клапанами и поступление через форсунки смесительной головки в камеру сгорания с определенным опережением одного по отношению к другому;

б) включение зажигания, в результате чего происходит воспламенение
компонентов и распространение пламени по камере; при этом начинает
повышаться давление в камере сгорания и последовательно устанавливают­ся промежуточный и основной режимы работы камеры.

Здесь рассмотрена последовательность и содержание этапов при наи­более общей схеме запуска двигателя, работающего на несамовоспламеня­ющихся компонентах. В других случаях содержание этапов запуска может отличаться от указанного выше, некоторые операции могут происходить параллельно и в другой последовательности. Основные различия содержа­ния этапов запуска могут быть следующими.

Предварительный наддув баков, т.е. создание в них необходимого давления, может осуществляться заранее, при подготовке ЛА к старту. Естественно, в этом случае эта операция из этапов запуска исключается.

При запуске в пустоте в зависимости от конструкции заборных уст­ройств компонентов в баках вместе с наддувом могут включаться спе­циальные двигатели, например, твердого топлива для создания продоль­ного ускорения.

При некриогенных, т.е. высококипящих компонентах, исключается операция захолаживания трубопроводов и полостей насосов.

При самовоспламеняющихся компонентах нет специального уст­ройства зажигания и, естественно, нет операции по его включению. Иног­да исключают и предварительную продувку полостей за главными клапа­нами.

При запуске двигателей со сравнительно небольшой тягой (Р < 50... 60 кН) операции заполнения полостей ТНА и его раскрутка могут сов­мещаться, т.е. происходить одновременно. Это схема так называемого пушечного запуска.

При запуске двигателей с большой тягой (Р > 1000 кН) и особенно так называемых мощных двигателей {Р > 2000...2500 кН) крупных РН вывод камеры на режим полной номинальной тяги осуществляется через несколько промежуточных ступеней или непрерывно, но плавно с рас­тяжкой по времени до 4...5 с.

Если на режиме наддув баков осуществляется от специальных наддув­ных ЖГГ, то на втором этапе вводится операция включения в работу этих ЖГГ.

Отличаются в большей или меньшей степени запуски двигателя с дожи­ганием и без дожигания генераторного газа. Порядок запуска каждого дви­гателя имеет свои особенности и схема его запуска индивидуальна (спро­ектированная и экспериментально отработанная только для данного дви­гателя). Тем не менее все три указанных этапа запуска всегда присутст­вуют.

Останов. Останов двигателя характеризуется несколькими парамет­рами. Одним из них является время останова. Это время с момента пода­чи команды на останов и до полного прекращения горения и опорожнения объема камеры от газообразных продуктов. Другим важным параметром является импульс последействия, т.е. импульс тяги, создаваемый на режи­ме останова и его так называемый разброс. Последним называется откло­нение импульса последействия от его среднего — номинального значения, вызываемого различием условий работы двигателя.

Эти величины, т.е. время останова, импульс последействия и его раз­брос, также строго регламентируются техническим заданием на проекти­рование двигателя.

Останов двигателя в общем случае происходит в два этапа.

1. Начальный, или подготовительный период останова. На этом эта­пе выполняются следующие операции:

а) перевод двигателя на пониженный режим — режим останова;

б) выключение системы подачи — останов ТНА. Для этого закрыва­ют отсечные клапаны подачи компонентов в ЖГГ;

в) выключение наддува баков;

г) прекращение подачи компонентов в камеру двигателя. Для этого закрываются главные отсечные клапаны подачи компонентов в камеру. Как правило, закрытие клапанов, также как и при запуске, происходит неодновременно — обеспечивается установленная последовательность прекращения поступления окислителя и горючего;

д) закрытие входных перед ТНА клапанов, включение продувки по­лостей ТНА и их освобождение от компонентов.

2. Завершающий период останова. На этом этапе осуществляются : включение продувки инертным газом полостей за отсечными клапанами. В некоторых случаях одновременно с продувкой открываются дренажные клапаны слива компонентов из этих полостей.

В результате происходит догорание компонентов в камере сгорания, поступающих сюда под давлением продувки из полостей камеры и тру­бопроводов. Затем происходит полное опорожнение объема камеры от про­дуктов сгорания и исчезновение тяги. Двигатель полностью остановлен.

Реальные же схемы останова, т.е. последовательность и содержание операций в этапах, как и при запуске, могут в той или иной степени отли­чаться от приведенной выше. Эти отличия определяются особенностя­ми схемы двигателя, компонентами топлива, условиями эксплуатации, специальными требованиями.

При двигателе со сравнительно малой тягой (Р < 50 кН) может отсутст­вовать операция по предварительному переводу режима работы двигателя на пониженную тягу. В этом случае останов происходит на полной тяге.

Если после останова двигателя ступень ракеты сразу отделяется или если предусмотрен повторный запуск в полете через непродолжитель­ное время, то могут отсутствовать операции продувки и дренажа полос­тей ТНА.

В некоторых случаях, особенно если значение импульса последейст­вия и его разброс не имеют большого значения, могут отсутствовать опе­рации продувки после закрытия главных отсечных клапанов полостей за ними. Может отсутствовать и специальный дренаж этих полостей.

Могут быть и другие отличия. В целом останов двигателя, как и его запуск, в каждом случае проектируется и отрабатывается для каждого дви­гателя строго индивидуально.

Запуск и останов двигателя происходят в автоматическом режиме. В соответствии с заданной последовательностью команд включаются и выключаются различные клапаны, устройства и системы. Эта последо­вательность команд, развернутая во времени, называется циклограммой запуска или останова. Она изображается в виде графика либо таблицы. На рис.16 представлен упрощенный график циклограммы запуска дви­гателя.

При запуске включаются: ЭПК-1 - открытие клапана на продувку камеры и ЖГГ азотом; ЭПК-2 — прорыв мембран Ml, М2 - входные клапаны и начало заполнения полостей насосов компонентами; ЭПК-3 — открытие клапана воздуха высокого давления на пневматическую рас­крутку ТНА; ПП-1, ПП-2 — открытие пироклапанов подачи окислителя и горючего в ЖГГ, при этом обеспечивается некоторое опережение поступ­ления окислителя; МЗ, М4 — прорыв мембран подачи компонентов высокого давления в эжекторы, стоящие на входе в насосы; ПП-5 — за­крытие пироклапана подачи воздуха на раскрутку ТНА. Одновременно с этим включаются в работу регуляторы тяги и соотношения компонентов и компоненты поступают в камеру сгорания.

При останове включаются: ПП-3, ПП-4, ПП-6 - закрытие соответству­ющих пироклапанов подачи компонента в ЖГГ и камеру; ЭПК-1 — вклю­чение продувки азотом полостей за отсеченными клапанами.

 

Рис. 16. Циклограмма запуска и останова двигателя с дожиганием генераторного газа на топливе азотный тетраксид и НДМГ:

а - типичная ПГС двигателя сдожиганием; б - циклограмма запуска и останова -порядок последовательного включения и выключения различных систем, клапанов и регуляторов

ЭПК - электропневмоклапан; ПП- пиропатрон; М - мембранный клапан; ОК -обратный клапан; РД - реле давления; ЭЖ - эжектор; НГ - насос горючего; НО -насос окислителя; Т - турбина; К - камера; Р- регулятор; СОБ - система опорож­нения баков; РКС - регулирование кажущейся скорости

Последовательность команд на "срабатывание" тех или иных эле­ментов системы запуска и останова может осуществляться, например, с помощью специальных реле времени. Вместе с тем подача команд конт­ролируется и блокируется специальной системой блокировки: разреше­ние на передачу и исполнение каждой последующей команды происхо­дит только после получения сигналов от специальных датчиков, конт­ролирующих выполнение предыдущей операции.