Введение. Методические указания

Методические указания

по выполнению лабораторной работы

на тему: “Захваты, тахометры”

по курсу:“Механические испытания”

Утверждено на заседании кафедры

протокол № __________

от «___» ___________2003 г.

Байконур 2003 год

Методические указания предназначены для помощи студентам специальности 1309 в выполнении лабораторной работы по курсу “Основы устройства комплексов ЛА”.

В комплекс ЛА входит как сам ЛА так и система наземного оборудования по обслуживанию подготовки и запуска ЛА, а также технический и стартовый комплекс.

В состав ЛА входит ряд систем, одной из которых является двигательная установка, в общем случае состоящая из двигателя и топливной системы, которая обеспечивает движение ЛА по различным траекториям полета на различных высотах и создается для определенного ЛА. Двигательная установка является сложным агрегатом, состоящим из ряда блоков и элементов, объединенных функциональными связями.

В пособии рассмотрены некоторые теоретические вопросы о системах подачи топлива и рассмотрена на примере конкретного двигателя работа вытеснительной системы топливоподачи.

В конце методических указаний приведены вопросы, на которые студент должен найти ответ при выполнении лабораторной работы

Содержание

Введение
1. Общая характеристика систем топливоподачи
1.1. Основные требования, предъявляемые к системам подачи компонентов топлива
1.2. Турбонасосная система подачи топлива
1.3. Вытеснительная система подачи топлива
2. Описание двигательной установки
3. Работа двигателя
Контрольные вопросы
Литература

Основные обозначения:

ДУ – двигательная установка;

КС – камера сгорания;

ЖРД – жидкостный ракетный двигатель;

ГГ – газогенератор;

ТНА – турбонасосный агрегат;

ПАД – пороховой аккумулятор давления;

ЖАД – жидкостный аккумулятор давления;

ВАД – воздушный аккумулятор давления;

ДП – дистанционный переключатель;

КА – космический аппарат;

КК – космический корабль;

ДД – датчик давления;

ДБО – датчик бака окислителя;

ДБГ – датчик бака горючего;

ДШБ – датчик шарбаллона;

Ред – редуктор.

Введение

Приступая к выполнению лабораторной работы, студент должен внимательно изучить теорию, изложенную в методических указаниях, а также ознакомиться с двигательной установкой.

При выполнении работы сначала надо разобрать преимущества работы всех типов систем топливоподачи, а затем перейти к схеме работы двигателя конструкции А.М. Исаева.

Студент должен уметь найти на установке все узлы и детали, которые указаны на принципиальной схеме работы ДУ, и разобраться с их работой.

После изучения схемы и самой ДУ лабораторную работу необходимо защитить по вопросам, которые имеются в указаниях. Лабораторная работа носит исследовательский характер и поможет студентам специальности 1309 лучше усвоить теоретический курс, читаемый по дисциплине “Основы устройства комплексов ЛА”.

Цель лабораторной работы: изучить способы подачи компонентов топлива, устройство и функциональную схему ЖРД с вытеснительной системой подачи компонентов топлива.

1. Общая характеристика систем топливоподачи

Одним из характерных признаков, отличающих конструкцию ЖРД, является способ подачи компонентов топлива.

Совокупность элементов ракеты, обеспечивающая не только подачу компонентов топлива из баков, но и их определенную дозировку, называется системой топливоподачи.

Система топливоподачи включает следующие элементы:

- баки для горючего, окислителя и других вспомогательных компонентов;

- агрегат для повышения давления компонентов топлива и подачи их к месту использования /в камеру сгорания/;

- Трубопроводы, электро-, пневмо- и пироарматура и автоматика, топливозаборники баков, заправочные и сливные устройства, отсечные, обратные и другие клапаны, вентили, реле давления, электропневмоклапаны, электропироклапаны, редукторы давления, разрывные мембраны, дроссельные шайбы, регуляторы расхода и давления и др. элементы.

1.1. Основные требования, предъявляемые к системам подачи компонентов топлива

Системы подачи топлива должны:

- надежно обеспечивать беспрерывную подачу необходимого количества компонентов топлива к месту применения /основной КС или КС ГГ/ под заданным давлением с возможно более высоким КПД /высокой экономичностью/;

- иметь минимальные габаритные размеры, массу и максимальную простоту устройства;

- обеспечивать устойчивую работу двигателя на всех режимах;

- обеспечивать надежную работу элементов системы в агрессивной среде и длительное хранение агрессивных жидкостей, какими являются высоко кипящие и низко кипящие /криогенные/ окислители /азотная кислота и ее производные, перекись водорода, жидкий фтор, жидкий кислород и т.п.;

- обеспечить заданный закон изменения величины тяги двигателя в определенных пределах;

- быть удобными в эксплуатации и дешевыми в изготовлении.

Основным элементом системы подачи топлива, определяющим ее тип, является, устройство повышения давления компонентов топлива до необходимой величины с целью доставки их к месту применения в ЖРД, в связи с этим различают вытеснительную и турбонасосную системы подачи компонентов топлива.

К системам топливоподачи относятся:

- система питания или просто система подачи, обеспечивающая подачу компонентов топлива при заданном давлении из баков в камеру сгорания двигателя;

- система наддува, создающая в топливных баках давление, необходимое для устойчивости конструкции топливных баков и безкавитационной работы топливных насосов. При вытеснительных системах питания система наддува не отделяется от систем подачи (они образуют единую систему);

- система регулирования, обеспечивающая требуемую точность поддержания параметров работы двигательной установки при возможных внешних возмущениях и при регулировании двигателя.

1.2. Турбонасосные системы подачи топлива

Для подачи топлива используют кинетическую энергию газов, преобразованную во вращательное движение колеса газовой турбины, которая свою мощность передает центробежным насосам, с помощью последних и образуется необходимое давление для доставки, впрыска компонентов топлива в камеру сгорания. Данная система включает в себя следующие основные агрегаты:

- газогенератор для выработки рабочего тела газовой турбины;

- газовой турбины для преобразования энергии рабочего тела во вращательное движение колеса;

- центробежных насосов для создания напора компонентов топлива.

Газовая турбина, насосы и передаточные звенья /редуктор и др. элементы передачи мощности/ обычно монтируются, в один агрегат, называемый турбонасосным агрегатом. /ТНА/.

Турбонасосные системы подачи применяются на ДУ ракет-носителей для доставки полезных грузов на дальние расстояния или для вывода объектов на космические орбиты и трассы, где требуется высокая /свыше 20 т./ тяга и большая продолжительность работы двигателей, т.к. в этих случаях турбонасосная система подачи оказывается легче других систем (см. рис. 1. д).

1.3. Вытеснительная система подачи топлива

Эта система наиболее проста и надежна в эксплуатации. Суть ее заключается в том, что в топливный бак подается сжатый газ, и над зеркалом жидкости устанавливается давление, величина которого должна быть достаточной /в 1,4 – раза больше давления в КС/ для преодоления как противодействия со стороны КС, так и гидравлических потерь в питающих трактах /сюда включаются трубопроводы, клапаны, форсунки, охлаждающие тракты и пр./ (см. рис. 1.1. а, б, в, г).

При очевидной простоте вытеснительная система подачи обладает существенным недостатком: в тракт высокого давления полностью включаются и топливные баки. Стенки баков по условиям прочности необходимо выполнять более толстыми, и это приведет к увеличению их веса. Для небольших ракет перетяжеление баков может быть допустимо из-за простоты конструкции, но для больших баллистических ракет оно недопустимо.

Весовые характеристики ракеты при вытеснительной системе подачи снижаются вследствие того,что на борту ракеты должен быть запас рабочего тела – вытесняющего газа. 1 кубометр сжатого воздуха при Р=40 кгс/см² весит около 50 кг. Но 40 кгс/см² в баке – это примерно 25 кгс/см² в камере сгорания. Это не высокое давление в КС и его желательно повысить, а значит надо повышать давление в баках, а значит, повышать вес самих баков и вес вытесняющего рабочего тела.

В связи с этим применение вытеснительной системы подачи имеет ограничения объемом вытесняемого топлива, весом полезного груза, эксплуатационными требованиями и др.

Наиболее просто обеспечить подачу топлива в КС, стравливая в топливные баки сжатый газ из баллонов высокого давления через редуктор. Это так называемая баллонная система подачи. Недостатком баллонной системы является большой вес баллонов высокого давления, несмотря на это, из-за простоты регулирования давления, повышается надежность системы, хорошо может быть обеспечена многократность запуска ДУ, все это обеспечивает широкое применение баллонной подачи топлива в космической технике. В частности, в двигатели посадочной и взлетной ступеней лунного корабля «Аполлон» имеют баллонную систему подачи. В ДУ включены развитые средства автоматики, а в место сжатого воздуха рабочим телом служит легкий гелий, который для большей эффективности подогревается.

Баллонная система подачи применяется и во вспомогательных ДУ космических кораблях /КК/, например, для ориентации КК, коррекции орбиты спутника.

Вытеснительной подаче не обязательно быть баллонной. Можно получить рабочее тело для вытеснения и подачи компонентов топлива в КС путем газификации компонентов находящихся в твердой или жидкой фазе. В частности можно сжигать пороховой заряд, так называемый пороховой аккумулятор давления /ПАД/.(рис. 1.1. в)) ПАД широко распространения не получил в связи с тем что расход горячих пороховых газов плохо поддается регулировке и большого труда стоит обеспечить ту надежность, которая позволила в последнее время возродится баллонной системе.

И, наконец, жидкостный аккумулятор давления – система, в которой реактор – генератор горячих газов – располагается непосредственно в топливных баках (Рис. 1.1 г).

У верхней крышки каждого топливного бака устанавливаются форсуночные головки, через которые подаются вспомогательные самовоспламеняющиеся компоненты – горючее и окислитель. Подача вспомогательных компонентов производится при помощи сжатого газа, запасенного в небольшом баллоне. В процессе сгорания вспомогательных компонентов образуется газ внутри топливных баков, под давлением которого основные компоненты топлива подаются в КС.

Эта система подачи с жидкостным аккумулятором давления /ЖАД/ обладает высокими весовыми характеристиками, достаточной надежностью и допускает простое регулирование изменением расхода вспомогательных компонентов.

Система подачи с ЖАД нашла применение в ракетах небольшой дальности. Для более мощных ракет применение ее как и вообще вытеснительных систем подачи нерационально.

Для космических кораблей система подачи с ЖАД не нашла применения из-за слишком высокой температуры продуктов сгорания вспомогательного топлива, вызывающий нагрев стенок топливных баков и, как следствие, необходимость изготовлять их из жаростойких сталей вместо легких алюминиево-магниевых сплавов.

a) – с ВАД; б) – с ВАД (с подогревом); в)- c ПАД; г)- с ЖАД; д)- с ТНА; 1- камера сгорания;

2 – бак с горючим; 3 – бак с окислителем; 4 – ВАД; 5 – ГГ; 6 – топливо для газогенератора; 7 – камера подогрева; 8 – редуктор; 9 – ТНА.

Рис1. Принципиальные схемы систем подачи топлива:

2. Описание двигательной установки

На пилотируемых космических кораблях и беспилотных космических летательных аппаратах для различных целей применяются ракетные двигатели малой мощности.

Одним из таких двигателей является корректирующая установка конструкции А.М. Исаева, служащая для коррекции орбит спутников связи «Молния» и траектории полета автоматических межпланетных станций типа «Марс», «Зонд», «Венера».

Основными системами изучаемой двигательной установки являются:

1. Система подачи топлива. Предназначена для транспортировки жидких компонентов топлива - окислителя и горючего из баков в камеру сгорания /КС/ и впрыска их в камеру под высоким давлением.

2. Баки с топливом.

3. Камера сгорания – цилиндрическая часть и сужающе-расширяющееся сопло. Камера сгорания является основной частью двигателя, которая создает реактивную тягу. В камере топливо распыляется помощью форсунок, испаряется, перемешивается и сгорает, затем в виде продуктов сгорания разгоняется в сопловой части и выбрасывается с большой скоростью, создавая тем самым реактивную тягу.

4. Система запуска и останова двигателя.

5. Дополнительные вспомогательные устройства /приводы шарнирного подвеса и др./ (см. рис. 2.1.)

1.Система подачи топлива имеет два баллона, заправляемых газообразным гелием под давлением около 300 атм. Из баллонов газ подается по системе трубопроводов через клапаны и редуктор в баки окислителя и горючего. В редукторе давление газа понижается до 25 атм. Под этим давлением осуществляется вытеснение топлива из баков в камеру сгорания.

Таким образом, редуктор обеспечивает дозированный расход компонентов топлива через форсуночную головку КС, во время работы двигателя поддерживает требуемое давление в КС, в результате обеспечивается необходимая по величине тяга двигателя.

2. Баки с окислителем и горючим объединены в единую конструкцию, имеющую вид сферы, внутри которой установлена перегородка, разделяющая баки окислителя и горючего. Такая сферическая форма является оптимальной, т.к. она обеспечивает наименьший вес бака и лучшее распределение напряжений в его конструкции. Использование баков такой конструкции выгодно в космических полетах, где нет аэродинамических воздействий /сопротивления атмосферы и нагрева/. В снарядах наземного применения шаровая форма баков нежелательна, т.к. в этом случае неэкономно используется имеющийся в наличии объем снаряда.

Баки могут быть высокого и низкого давления. Баки низкого давления применяются в ЖРД с турбонасосной системой подачи топлива. В таких баках давление может быть не более 4-5 атм. Баки высокого давления применяются на снарядах небольших размеров, в которых ввиду малости объема баков обеспечивается достаточная прочность при сравнительно малой толщине стенок. Баки высокого давления применяются в ЖРД с вытеснительной системой подачи.

Внутри баков космических объектов имеются диафрагмы, поджимающие топливо к топливозаборным устройствам, заполняя коммуникации двигателя до запорных клапанов /КА/. Это необходимо для запуска двигателя в условиях невесомости

3. Камера сгорания. Выполнена из 2-х стенок: внутренней /огневой/ и наружной, называемой рубашкой камеры. В головке камеры размещен набор форсунок окислителя и горючего. Между стенками камеры протекает к форсункам окислитель. Протекание окислителя обеспечивает охлаждение огневой стенки камеры сгорания. Давление в камере работающего двигателя составляет примерно 16 атм. При таком давлении двигатель развивает тягу 200 кг.

4. Система запуска и останова двигателя представляет собой набор дистанционных переключателей /ДП/ - клапанов одноразового действия. Команды на срабатывания клапанов подаются с Земли.

5. Дополнительные вспомогательные устройства. Основную их часть составляют рама с шарнирным подвесом, к которому крепится КС и две рулевые машинки, которые по командам с Земли осуществляют поворот КС в требуемом направлении, в результате чего изменяется направление вектора тяги двигателя. К дополнительным устройствам также относятся датчики телеметрической системы, которые производят контроль за работой систем ДУ.

3. Работа двигателя

При запуске двигателя с Земли подаются команды на срабатывание клапанов, открывающих доступ газа наддува из баллонов в баки окислителя и горючего, и клапанов, открывающих доступ компонентов топлива из баков в КС.

Газ наддува, поступающий в баки из баллонов через редуктор, подходит к пневмоклапанам и открывает их. При открытии пневмоклапанов газ после редуктора передается в топливные баки для вытеснения компонентов топлива в КС. На линиях из баков в КС сначала открывается клапан доступа в КС окислителя, т.к. линия окислителя длиннее линии горючего, а затем, спустя установленное время, открывается клапан горючего, таким образом, чтобы начало впрыска в камеру сгорания окислителя и горючего было одновременным.

Компоненты топлива, применяемые в данном двигателе, самовоспламеняющиеся, и при их соединении в КС начинается процесс сгорания топлива.

Для останова двигателя с Земли подается команда на закрытие дистанционных переключателей, закрывающих доступ окислителя и горючего в камеру сгорания и доступ газа наддува в баки. Одновременно открываются клапаны, обеспечивающие сброс давления из баков. Поступление компонентов топлива в КС прекращается и двигатель выключается.

Рассматриваемый двигатель одноразового действия.

Рис 2.1. Принципиальная схема двигателя КА “Молния”

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Нарисовать на память упрощенную схему ЖРД с вытеснительной системой подачи.

2. На каких ЛА применяются ЖРД с вытеснительной системой подачи?

3. Какие преимущества и недостатки ЖРД с вытеснительной системой подачи по сравнению с ЖРД с турбонасосной системой подачи?

4. Назовите основные системы ЖРД и их назначение.

5. Рассказать о работе двигателя, используя имеющуюся в лаборатории функциональную схему двигателя.

6. Показать на двигателе основные его агрегаты и системы и пояснить их назначение.

7. Как происходит управление вектором тяги по величине и управлению?

8. Как происходит останов и повторный запуск (если это возможно) двигателя?

Литература

1. В.И. Федосьев «Основы техники ракетного полета». –М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1989 г.

2. В.Н. Новиков, Б.М. Авхимович, В.Е. Вейтин «Основы устройства и конструирования летательных аппаратов». –М.: Машиностроение, 1991 г.

3. С.Уманский «Ракеты- носители. Космодромы» под ред. Ю.Н. Коптева М: «Рестарт»., 2001 г.

Дата добавления: 2015-07-10