Особенности выбора расходных и геометрических параметров

Пусть заданы тяга двигателя в пустоте R _п= const, время работы t и топливная пара ГРД.

Для заданной топливной пары определяются термодинамические параметры ПС, а именно:

k_m – оптимальное соотношение компонентов, обеспечивающее максимальное значение термодинамического импульса тяги I _тд;

b – удельный импульс давления.

Используя данные параметрических расчетов (рис. 8.1, 8.2) или по двигателям-аналогам, проводится предварительная оценка суммарных потерь удельного импульса тяги z_S и практического удельного импульса тяги в пустоте I _1n.= I _тд (1- z_S ).

Суммарный расход топливных компонентов определяется из соотношения:

.

Расходы горючего и окислителя:

,       .

Потребные массы горючего и окислителя:

,          .

Выбор давления в камере сгорания обусловлен рядом факторов, главным из которых являются выбранный способ подачи жидкого компонента (при вытеснительной – р _к £ 4 МПа, при турбонасосной – р _к > 4 МПа).

При выбранном давлении площадь критического сечения сопла определяется из выражения F _кр = G _сумb / m_S р_к, где m_S » 0,98…0,995 – суммарный коэффициент расхода.

После этого выбирается оптимальная форма заряда (р_к» const, максимальный коэффициент объемного заполнения) методом, изложенным в разделе 4.2. В результате с учетом габаритных ограничений определяются: диаметр камеры сгорания D_к и полная длина камеры сгорания L_к   с учетом длины заряда L_з, размещения форсуночной головки на переднем днище и размеров сопла с элементами органов управления на заднем днище.

 

Управление вектором тяги.

Управление вектором тяги ГРД необходимо для выполнения программных изменений траектории полета ракеты-носителя и парирования случайных возмущений. Возмущения могут быть вызваны как внешними (боковой ветер, аэродинамика), так и внутридвигательными причинами (эксцентриситет вектора тяги двигателя). Поэтому величина потребной управляющей силы, являющаяся исходным параметром при проектировании ОУ конкретной ракеты, выбирается из условия:

М_у ³ М_zn + S М _в,

где М_у = R _{S y} × L – управляющий момент, создаваемый органами управления;

М_zn – момент, необходимый для реализации потребного уровня угла по тангажу;

R _{S y} – суммарное управляющее усилие от ОУ, направленное перпендикулярно от ракеты;

L – расстояние от точки приложения R _{S y} до центра массы ракеты;

S М _в– сумма возмущающих моментов сил, действующих на ракету в полете.

На этапе работы первых ступеней РН или стартовых ускорителей характерно потребное управляющее усилие R _{S y} = 10…12%, для двигателей верхних ступеней РН или двигателей средств межорбитальной транспортировки СМТ оно составляет R _Sy =3,5…5%.

Органы управления функционируют от момента запуска до останова двигателя, поэтому при проектировании двигателей серьезное внимание уделяют выбору и конструктивной проработке ОУ. К настоящему времени разработано значительное количество самых разнообразных ОУ, отличающихся как физическими принципами получения управляющих усилий, так и конструктивными схемами потери дальности полета при установке различных ОУ.

Выбор и обоснование оптимального типа ОУ задача достаточно сложная. Можно сформулировать следующие основные требования к органам управления:

1) высокая конструктивная надежность;

2) обеспечение потребных управляющих усилий при минимальных затратах массы двигателя и потерь тяги;

3) стабильность основных характеристик по времени работы двигателя;

4) минимальная потребная мощность рулевых приводов;

5) технологичность и простота компоновки на двигателе, не вызывающая усложнения его конструкции.

В зависимости от способа получения управляющей силы ОУ можно подразделить на механические и инжекционные (рис.8.3…8.8). В механических ОУ управляющая сила возникает либо в результате механического воздействия на газовую струю двигателя, либо в результате отклонения ее вместе с устройством управления. В инжекционных органах управления управляющая сила возникает в результате газодинамического взаимодействия основной струи с рабочим телом, инжектируемым в расширяющуюся часть сопла. По конструктивному признаку механические ОУ в зависимости от места, занимаемого в конструкции двигателя, можно подразделить на базисные и надстрочные. Базисные органы управления являются органической частью двигателя, его обязательным элементом. К ним относятся поворотные и вращающиеся сопла, разрезные управляющие сопла, кососрезанные управляющие сопла и сопла с подвижным центральным телом. Надстрочные ОУ, как правило, являются устройствами дополнительными и устанавливаются только для целей управления. К ним относятся: рулевые двигатели, газовые рули, дефлекторы, спойлеры, интерцепторы. Инжекционные органы управления различают по роду рабочего тела: газообразные продукты сгорания основного либо газогенераторного топлива или жидкости, инжектируемые в расширяющуюся часть сопла.

Важнейшей величиной, характеризующей работу органов управления, является управляющая сила. Ее значение зависит от типа органов управления и их особенностей. Так, для большинства механических ОУ реализуемая управляющая сила является функцией угла поворота q: R_у = f( q ).

Для инжекционных ОУ управляющая сила является функцией расхода  инжектируемого рабочего тела (газа, жидкости): R_у = f(). Качество ОУ характеризуется их эффективностью, т.е. способностью того или иного органа управления создавать максимальную управляющую силу при минимальных потерях тяги и минимальной массе конструкции.

Наиболее эффективными, с точки зрения обеспечения минимума потерь тяги, являются поворотные сопла и инжекционные ОУ. Наиболее надежной системой являются спойлеры, однако они создают большие потери удельного импульса – порядка 2…4% при перекрытии ими 5…10% выходной площади сопла. Тип органов управления зависит и от схемы расположения блоков двигательной установки на гибридном топливе: последовательная, параллельная. При последовательной коаксиальной схеме расположения блоков жидкого окислителя и твердого горючего органы управления должны обеспечивать управление по всем плоскостям стабилизации. Реализация размещения блоков твердого горючего по схеме «крест» позволяет установить по одному органу управления на каждом из блоков под углом 45⁰ к плоскостям стабилизации и снизить максимальный уровень потребных управляющих усилий на каждом из них на ~ 30% либо осуществлять управление дросселированием тяги в блоках горючего.

Рассмотрим наиболее приемлемые для ГРД типы органов управления вектором тяги.