Этапы запуска и останова

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 может быть так называемый заброс давления в камере выше его номинального значения, т.е. возникает перегрузка. При останове могут возникнуть моменты, при которых возможны опасные раскрутки ТНА, повышение местных значений давления и температуры выше их номинальных значений.

Все эти явления при неблагоприятных их сочетаниях могут привести к разрушению двигателя. Как показывает опыт, многие неполадки и аварии возникают на режиме запуска, меньше – на режиме останова. В целом, по зарубежным данным, на запуск и останов приходится до 86% отказов. Поэтому отладка запуска и останова двигателя – большая и сложная часть работы при создании нового двигателя.

На рис. 7.1 показаны характерные виды запусков ЖРД.

Рис. 7.1 Характерные виды запусков:

1 – идеальный; 2 – для ЖРДМТ; 3 – пушечный для атмосферных условий;

4 – пушечный в космических условиях; 5 – плавный;

6 – программированный; 7 – двухступенчатый

Изменения относительной величины тяги (или давления в камере) начинаются после периода запаздывания воспламенения топлива. При этом предполагается, что кривая выгорания топлива для исходных начальных условий аппроксимируется скачком с чистым запаздыванием τзап N .Уровень настройки контрольных агрегатов автоматики показан штрихпунктирными линиями. Уровень 0,1 РкN (индекс N относится к обозначению номинальной величины рассматриваемого параметра) контролирует фактическое начало запуска; уровень 0,5 РкNпереход двигателя на основную ступень запуска; уровень 0,9 РкN - контролирует как факт состоявшегося запуска, так и его быстродействие (по отношению к уровню 0,1·РкN).

Для двигателей больших тяг характерен медленный запуск. Он выполняется либо двухступенчатым (кривая 7), либо программированным (кривая 6). Медленный характер изменения тяги обусловлен ограничением перегрузок как на элементы двигателя, так и на корпус ЛА.

Для двигателей средних уровней тяг предпочтителен плавный запуск (кривая 5). Характер этого запуска близок к экспоненциальному и требует регулирования.

«Пушечный» запуск (кривая 3) применяется в основном для двигателей малых или средних тяг, если в стартовый период имеет место дефицит времени, и производится путем подачи топлива на вход в камеру двигателя при номинальном давлении подачи. При этом в камеру поступает наибольшее количество топлива по сравнению с любым последующим режимом работы ЖРД. Вследствие этого при «пушечном» запуске, как правило, имеет место заброс давления и колебательный характер установления режима работы. Если двигатель с теми же параметрами запускать в условиях космической среды (кривая 4), то из-за увеличения запаздывания воспламенения топлива зап.Н ∞), в начальный момент воспламенения в камере накапливается больше топлива, чем при запуске в атмосферных условиях (при τзап N ), и запуск двигателя становится “жестче”, т.е. увеличиваются скорость нарастания давления, заброс и степень колебательности процесса установления основного режима работы.

Идеальным следует считать запуск с прямоугольным фронтом нарастания давления (пунктирные прямые 1). Ближе всего к идеальному реализуется запуск ЖРДМТ (кривая 2). Этому способствует малый объем камеры и заклапанных полостей двигателя и термостатирование топлива в его форсуночной и клапанных полостей (или прогрев этих полостей от предыдущего включения), которое уменьшает запаздывание воспламенения топлива до исходного значения несмотря на то, что ЖРДМТ включается в условиях космической среды.

Запуск.Запуск характеризуется несколькими параметрами. Одним из них является время запуска – время с момента подачи команды на запуск и до выхода на расчетный режим. У современных “полноразмерных” ЖРД оно равно 0,8…5 с.

Другими важными параметрами запуска являются темп набора давления (к/dt)срперегрузка n=(Рк maxкN). 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 (к/dt)ср=15…20 МПа/с и n≈1,0. Если (к/dt)ср=25…30 МПа/с и n=1,15..1,20, имеет место “жесткий” запуск, который не всегда допустим.

Наконец, важной характеристикой запуска является количество расходуемого топлива ΔМ3 из баков ЛА за период запуска. У современных двигателей это значение должно быть в пределах

Эти параметры строго оговариваются в технических условиях на проектирование двигателя.

Останов двигателя в общем случае происходит в два этапа (рис. 7.2).


Рис. 7.2. График изменения тяги двигателя при переключении с основного режима на конечную ступень тяги и при останове

Останов двигателя характеризуется параметрами: временем 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.

1. Начальный, или подготовительный период останова, включающийперевод двигателя на пониженный режим; выключение системы подачи – останов ТНА закрытием отсечных клапанов подачи компонентов в ЖГГ; выключение наддува баков; прекращение подачи компонентов в камеру двигателя закрытием главных клапанов подачи компонентов в камеру. Как правило, закрытие клапанов, также как и при запуске, происходит не одновременно – обеспечивается установленная последовательность прекращения поступления окислителя и горючего;

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.