Структурные схемы ХРД и НХРД приведены на рис

 

ХРД НХРД

 

(химический ракетный двигатель) (нехимический ракетный двигатель)

 

Требования, предъявляемые к камерам ЖРД

Камера ЖРД любого типа и конструкции должна удовлетворять опре­деленным требованиям, обусловленным особенностями ее работы и эксплуата­ции.

Основными особенностями камеры ЖРД отличающими ее от камер сгорания других тепловых двигателей, являются:

1. высокая теплонапряженность ее рабочего объема, что предъявляет особые требования к конструкции камеры сгорания;

2. большие давления и температуры газов в ней (около 20-80 ата и 2800-3600 К), что предъявляет особые требования к материалам и к системе охлаждения;

3. малое время, отводимое для сгорания в ней топлива (не больше 0,005 сек.), что требует очень хорошего распыла компонентов топли­ва при подаче в камеру сгорания для более полного их сгорания;

4. большие секундные расходы компонентов топлива, в силу чего тре­буется надежное зажигание его при запуске двигателя;

5. резкое ухудшение экономичности работы камеры двигателя и усло­вий ее охлаждения при изменении режима работы относительно рас­четного;

6. жёсткое ограничение по весу, вследствие специфики использования ЖРД на летательных аппаратах, что требует применения для изго­товления камеры легких и прочных материалов при условии их ра­боты с весьма малыми запасами прочности.

Главной задачей при проектировании и конструировании камеры дви­гателя является обеспечение возможно большего удельного импульса при ми­нимальном весе и максимальной надежности конструкции. В ряде случаев, когда это компенсируется соответствующим уменьшением веса, вполне допус­тимо некоторое снижение удельного импульса. Хотя такое мероприятие дает косвенный эффект и связано иногда со значительным изменением конструкции двигателя, но тем не менее им не следует пренебрегать.

Конструктивные и эксплуатационные особенности ЖРД во многом зависят от вида применяемых компонентов топлива.

При проектировании камеры двигателя необходимо стремиться обес­печить:

1. надежное воспламенение топлива при запуске в любых атмосферных условиях;

2. устойчивое горение топлива (без пульсаций давления) в диапазоне уста­новленных режимов работы двигателя;

3. малые потери энергии топлива при сгорании в минимальном объеме и заданном режиме работы двигателя;

4. надежность охлаждения (если двигатель охлаждаемый) и работы в пре­делах установленных режимов и ресурса;

5. небольшой перепад давления жидкости в охлаждающем тракте;

6. простоту конструкции камеры, минимальные удельный вес и стоимость.

Камеры ЖРД существующих двигателей, созданные на основании экс­периментальных исследований, большинству этих требований в значительной мере удовлетворяют.

Совершенство камеры ЖРД в основном определяется величиной раз­виваемого удельного импульса при простой, легкой и надежной конструкции. Величина удельного импульса двигателя является наиболее существенным па­раметром, определяющим дальность полета боевого аппарата при заданном совершенстве его конструктивного выполнения.

Основным фактором, влияющим на величину удельного импульса ка­меры двигателя, является качество организации и осуществления в ней рабоче­го процесса. Изучение процессов сгорания топлива в камерах ЖРД с целью дальнейшего их улучшения и совершенствования представляет весьма обшир­ную область экспериментальных и теоретических исследований.

Для совершенствования конструкции камеры двигателя необходимы дальнейшие исследования процессов сгорания в ней заданных топлив при раз­личных соотношениях компонентов и давлениях горения в зависимости от кон­струкций распыляющего устройства, скоростей впрыска компонентов топлива, конфигурации камеры сгорания и сопла, а также других факторов и условий работы двигателя.

 

Выбор материала для камеры ЖРД

Материал камеры двигателя должен быть по возможности более проч­ным, легким и обладать хорошими пластическими свойствами. Для материала внутренней оболочки желательно сочетание высокой теплопроводности и удовлетворительных прочностных свойств при высоких температурах, однако, как правило, жаропрочные сплавы имеют плохую теплопроводность. Для внешней оболочки теплопроводность большого значения не имеет и поэтому МПЧ главным требованием к материалу является его высокая прочность и воз­можно меньшая плотность. В некоторых случаях, при высокотеплопроводных скреплениях, температура наружной оболочки может достигать 300-400°С и тогда материал должен обладать достаточно хорошей жаропрочностью.

Кроме того, в зависимости от типа конструкции и применяемых компонентов, материал должен удовлетворять условиям свариваемости, кислотостойкости и не являться катализатором.

Основные рекомендации по выбору конструкционных материалов при производстве камер ЖРД представлены ниже:

Сталь 12Х18НЮТ применяется для внутренних оболочек цилинд­рической и сужающейся части камер при температуре газа менее 3000 К, а также для внутренней оболочки расширяющихся частей сопел.

Сталь 12Х18Н9Т в настоящее время не рекомендуется для внутрен­них оболочек камер из-за склонности к межкристаллической коррозии.

Сталь 1X21Н5Т целесообразно применять для выполнения силовых колец камер, т.к. она не требует термообработки после сварки.

Кроме того, сталь 1X21Н5Т хорошо сваривается с бронзой, и поэтому может использоваться в качестве промежуточного кольца при сварке внутрен­них оболочек из стали 12Х18Н1ОТ и бронзы типа БрХ-08. Сталь 1Х21Н5Т ре­комендуется также для изготовления наружных оболочек расширяющихся час­тей сопел. Эта сталь при температуре пайки обладает высокой пластичностью, что обеспечивает хороший контакт со связями и высокое ка ч ество пайки узлов сложной формы.

Сталь Х16Н4БА используется для изготовления наружной оболочки цилиндрической и сужающейся частей камеры двигателя, т.к. при температуре более 500 К она обладает высокими механическими характеристиками.

Титановые сплавы применяются для изготовления наружной и внут­ренней оболочек расширяющейся части сопел, работающих в восстановитель­ной среде. Для окислительной среды титановые сплавы применять не рекомен­дуется, т.к. они могут возгораться из-за растрескивания окисной плёнки.

Медные сплавы используются для изготовления внутреннего днища и внутренних оболочек цилиндрической части камеры и суживающейся части сопла в двигателях с высоким давлением в камере (более 10 Мпа).

 

Формы камер ЖРД

 

Камера двигателя является главным агрегатом ракетной двигательной установки.

Различают изобарические и скоростные камеры сгорания. Камеры сго­рания с приблизительно постоянным по длине давлением иногда называются изобарическими камерами. К ним следует относить камеры, у которых F_K/F*>3

Отношение F_K/F*, называют обычно безразмерной площадью камеры сгорания. Если значение FK/F* < 3, то при сгорании в камере скорость потока

значительно возрастает по её длине, в то время как давление, согласно уравне­нию закона сохранения энергии, падает. Такие камеры сгорания уже нельзя относить к изобарическим; их называют скоростными. В пределе FK/F*=1 камеры двигателя носят название полутеплового сопла.

Известны следующие основные формы камер сгорания ЖРД рис.31.

1.Цилиндрическая.

2.Шарообразная (или грушевидная).

3.Коническая.

4.Кольцевая (торовая, цилиндрическая).

Рассмотрим особенности каждой из этих форм.

В настоящее время наиболее распространены цилиндрические каме­ры сгорания. Они применяются для камер двигателей всех тяг.

Основным достоинством цилиндрической камеры сгорания по сравне­нию с камерами сгорания других форм является простота ее конструкции и из­готовления а, следовательно, малая стоимость. Кроме того, она имеет меньший габаритный диаметр.

Рис.31

Формы камер сгорания: