Система зажигания и воспламенения топлива

Особенно усложняется организация воспламенения топлива в двигателях, работающих на несамовоспламеняющихся компонентах. В этих случаях воспламенение обеспечивается предварительным включением зажигания – специального устройства или блока зажигания, которые должны быть в составе таких двигателей.

Важным параметром воспламенения является так называемая задержка воспламенения – это время τс смомента контакта (поступления обоих компонентов в камеру сгорания или ЖГГ) и до начала интенсивного .подъема давления (момента распространения пламени по всему объему камеры сгорания). За это время в камеру сгорания или ЖГГ успевает натечь определенное количество компонентов топлива, которое теперь выгорает.

Задержка воспламенения во многом определяет характер запуска: темп набора давления, возможную перегрузку при выходе на режим. Чем меньше время задержки воспламенения, тем меньше успевает натечь в объем камеры сгорания или ЖГГ компонентов до их воспламенения и тем спокойнее будет характер запуска.

К настоящему времени разработаны и применяются в эксплуатации много различных схем и способов зажигания несамовоспламеняющихся компонентов. Рассмотрим некоторые из них, получивших наиболее широкое применение.

Химическое зажигание. Имеются две схемы конструктивного выполнения такого зажигания.

Первая схема представлена на рис. 7.6, а. Здесь в трубопроводе горючего перед камерой выделен или “врезан” объем, отделенный прорывными мембранами от остальной части трубопровода. Этот объем заполняется пусковым горючим, которое самовоспламеняется с используемым в двигателе окислителем. Например, при азотнокислотном окислителе (смеси HNO3 и N2O4) – самовоспламеняющимся компонентом обычно служит смесь триэтиламина (C2H5)3N и ксилидина (СНз)2С6Н3NH2.

При открытии главного клапана горючего, последнее устремляется по трубопроводу и заполняет его. При определенном давлении последовательно разрываются обе мембраны, и пусковое горючее первым поступает в камеру сгорания и там самовопламеняется споступившим окислителем.

Рис. 7.6. Схемы химического зажигания:

а – одноразовая; б – многоразовая; 1 – капсула с самовоспламеняющимся компонентом с данным окислителем; 2 –аккумулятор давления; 3 – форсунка впрыска пускового горючего

Поступающий затем расход основного горючего с окислителем зажигается от продуктов сгорания пускового горючего с этим же окислителем. Эта схема зажигания достаточно надежная. Она может использоваться для запуска как малых двигателей, так и больших. Основной ее недостаток – однократность запуска.

Вторая схема представлена на рис. 7.6, б. Здесь в составе двигателя имеется специальная пусковая система: бачок с пусковым горючим, которое самовоспламеняется с данным окислителем, система его подачи и трубопровод с клапанами. Обычно трубопровод соединен со специальной пусковой двухкомпонентной форсункой, расположенной на смесительной головке. Например, при окислителе О2 воспламеняющимся с газообразным О2 компонентом служит смесь триэтилалюминия (С2Н5)3Alи триэтилбора (С2Н5)3В.

При запуске с открытием главного клапана окислителя открывается и клапан подачи пускового горючего в форсунку. Происходит самовоспламенение и образование очага горения – запального факела. После поступления в камеру основного горючего, последнее воспламеняется от этого факела. Как только камера вышла на рабочий режим, подача пускового горючего прекращается, а пусковая форсунка переключается на питание основным горючим.

Эта схема запуска также надежна. Основное ее достоинство – возможность осуществления многократного запуска в полете. По этой схеме запускаютсямногие двигатели, например, двигатель F-1 РН “Сатурн-5″.

Количество пусковых компонентов выбирается в зависимости от требуемой интенсивности пускового факела. При проектировании потребное количество пускового компонента может быть определено по эмпирической формуле

(7.1)

где К = 1,2п0,5коэффициент, учитывающий влияние программирования запуска;

n – количество ступеней при программированном ступенчатом запуске (при плавном программировании n = 1,5);

секундный массовый расход топлива после выхода двигателя на режим;

τпр – время пребывания топлива в КС (газогенераторе).

Каталитическое зажигание. Применяют в том случае, если для заданных топливных компонентов можно подобрать катализатор, обеспечивающий их эффективное воспламенение в заданных эксплуатационных условиях. Катализаторы могут быть жидкими и твердыми. Например, при использовании перекиси водорода в сочетании с углеводородными горючими перекись водорода разлагается при контакте с твердым (активированная платина или серебро в виде сеток) или жидким (перманганат калия) катализатором. Температура образующихся продуктов разложения должна быть достаточна для воспламенения топливной смеси.

Преимущество каталитического зажигания – возможность обеспечения многократного запуска. Основной недостаток – сложность защиты твердого катализатора от высоких температур в КС. Ниже приведены некоторые сочетания топлив и катализаторов.

Пиротехническое зажигание. Это зажигание может выполняться по двум конструктивным схемам.

Первая схема представлена на рис. 7.7, а и б. В данном случае в камеру сгорания со стороны сопла вводится пирозапальное устройство (ПЗУ). Оно состоит из штанги, на конце которой располагается пиротехнический, т.е. твердотопливный патрон – запал. Причем для двигателей первой ступени РН ПЗУ располагается непосредственно на стартовом столе (см. рис. 7.7, а), а для двигателей верхних ступеней ПЗУ может укрепляться на заглушке сопла (см. рис. 7.7, б).

Рис. 7.7. Пиротехнические схемы зажигания. Расположение пирозапального устройства ПЗУ: а – на стартовом столе; б – на сопловой заглушке;

в – на корпусе камеры сгорания и корпусе ЖГГ

Вторая схема приведена на рис. 7.7, в. В отличие от предыдущей схемы здесь пирозапальное устройство представляется в виде специальной камеры, в которой размещается пиротехнический заряд. Пирозапальные камеры располагаются непосредственно на камере и ЖГГ двигателя. Обычно для надежности их устанавливают по две-три штуки.

При запуске в обеих схемах после включения зажигания в камере сгорания и в ЖГГ образуется мощный факел из продуктов сгорания пиротехнического заряда. Этот факел легко воспламеняет смесь основных компонентов, поступающих через смесительную головку в камеру сгорания и ЖГГ.

Пиротехническое зажигание работает вполне надежно. Основной его недостаток – однократность запуска. По этой схеме запускается многокамерная двигательная установка РН “Восток”.

Электроискровое зажигание используется главным образом при запуске кислородно-водородных двигателей. Одна из схем электроискрового зажигания представлена на рис. 7.8. Здесь в центре смесительной головки находится гнездо, в котором располагается запальный блок. Есть также конструкции, при которых запальный блок устанавливается сбоку камеры сгорания и ЖГГ.

Рис. 7.8. Электроискровое зажигание: 1 – трубопроводы подачи пусковых газообразных компонентов (кислорода и водорода и др.);

2 – форкамера электрозажигания; 3 – электроискровая свеча;

4 – смесительная головка камеры сгорания

Запальный блок представляет собой камеру, в которую через форсунки поступают газообразные пусковые компоненты – кислород и водород. Пусковые порции компонентов поджигаются электроискровой свечой, установленной в камере пускового блока. Если подобрать определенное соотношение и расходы пусковых компонентов, можно получить достаточно мощный поток продуктов сгорания из запальной камеры. Запальный факел надежно воспламеняет основные компоненты, поступающие через форсунки смесительной головки в камеру сгорания и ЖГГ. Электроискровое зажигание используется в ряде двигателей, например, в двигателе SSME.

Недостатками электроискрового зажигания являются: необходимость иметь запас пусковых газообразных компонентов; мощное электропитание; ненадежная работа высоковольтной электросистемы в условиях вакуума, чувствительность электроискровых свечей к отказам в условиях недостаточно чистой “атмосферы” в запальной камере при компонентах, кроме водорода и кислорода. Поэтому поиски и разработки новых принципов и схем зажигания несамовоспламеняющихся компонентов в ЖРД продолжаются.