Основные методы повышения удельного импульса маршевых ЖРД ракет-носителей тяжелого класса Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1

УДК 629.784

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ИМПУЛЬСА МАРШЕВЫХ ЖРД РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ ТЯЖЕЛОГО КЛАССА

Е. А. Злобина, Р. М. Колегов Научный руководитель - В. П. Назаров

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: [email protected]

Рассмотрены некоторые методы повышения удельного импульса маршевых ЖРД космических ракет-носителей.

Ключевые слова: ЖРД, СПГ, Iy, УВГ.

MAIN METHODS OF INCREASE OF THE SPECIFIC IMPULSE MARCHINGZHRD OF CARRIER ROCKETS OF THE HEAVY CLASS

E. A. Zlobina, R. M. Kolegov Scientific Supervisor - V. P. Nazarov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

Some methods of increase of a specific impulse of marching ZHRD of space carrier rockets are considered.

Keywords: ZHRD, SNG, Iy, UVG.

Повышение удельного импульса (Iy) относится к первоочередным задачам, которые решаются при создании новых ЖРД и модернизации эксплуатируемых двигателей. Особое значение увеличение удельного импульса необходимо для отечественных ракет-носителей (РН) тяжёлого и среднего класса («Энергия», «Протон», «Союз», «Ангара»). Для таких РН повышение удельного импульса маршевых двигателей непосредственно связано с увеличением массы полезного груза (ПГ), выводимого в космическое пространство.

Удельный импульс является важнейшим параметром жидкостного ракетного двигателя, характеризующим эффективность жидкого ракетного топлива и совершенство конструкции двигателя. От величины удельного импульса в конечном счёте зависит весовая отдача ракетной системы.

В теории ЖРД описано большое число методов повышения удельного импульса. В результате их анализа в данной работе рассматривается три метода, которые наиболее приемлемы для маршевых ЖРД РН.

Применение жидкого топлива с повышенными характеристиками энергоэффективности. В качестве основных компонентов топлива используются керосин и жидкий кислород. Целесообразно рассмотреть применение сжиженного природного газа (СПГ). При этом имеется возможность повышения удельного импульса. Кроме того, стоимость СПГ, значительно ниже стоимости керосина. При экспериментальных испытаниях двигателя с СПГ получен удельный импульс порядка 370 с, что на 15-20 с больше, чем у высотного кислородно-керосинового двигателя [1].

Испытания были проведены на испытательном стенде КБ «Химмаш». Продолжительность испытаний составила 69 секунд. Двигатель спроектирован по восстановительной схеме замкнутого типа (с дожиганием генераторного газа) с тягой около 10 тонн и является прототипом маршевого двигателя тягой 200 тонн. Успешное проведение испытания двигателя даёт основание для дальнейшего продвижения работ по данному направлению [1].

Секция «Двигатели и энергетические установки летательньх и космических аппаратов»

Применение схем ЖРД с дожиганием генераторного газа. Применение замкнутой схемы не только повышает удельный импульс двигательной установки по сравнению с удельным импульсом двигателя открытой схемы, но и даёт возможность дальнейшего увеличения удельного импульса за счёт увеличения в камере сгорания [2].

В качестве примера рассмотрен двигатель РД-253 для РН «Протон», имеющий удельный импульс равный 316 с и РД-275 - форсированная модификация двигателя РД-253. Форсирование двигателя на 5.3 % по тяге осуществляется за счет повышения давления газов в камере сгорания до 168.5 кг/см2. Такое повышение тяги двигателя позволяет увеличить на 150 кг массу полезной нагрузки, выводимой ракетой на стационарную орбиту. Для РН «Ангара» двигатель РД-191 - 337,4 с.

Для РН «Ангара» двигатель с дожиганием генераторного газа РД-191 имеет удельный импульс 337,4 с. Для сравнения отметим, что у двигателей без дожигания генераторного газа. РН «Союз»: РД-107, РД-108 удельный импульс равен 3 080 с, и 3 090 с. соответственно [2].

Применение двигателя с использованием в качестве компонентов жидкий кислород + водород + + углеводородное горючее (УВГ). Основным преимуществом трехкомпонентных ЖРД по сравнению с двухкомпонентными кислородно-водородными двигателями является уменьшение потребных запасов водорода в 1,5-2 раза, что позволит сократить затраты на выведение полезной нагрузки (ПН). Это обеспечит также уменьшение «сухой» массы конструкции носителя. Проведенные исследования показали конкурентоспособность и значительную эффективность ЖРД, работающих на трехкомпо-нентном топливе [3].

При сравнительном анализе проведения разработок над повышением удельного импульса, следует отметить, что в настоящее время используются схемы с дожиганием генераторного газа. Поэтому наиболее приемлемым методом повышения удельного импульса является применение замкнутых схем для маршевых ЖРД тяжёлого класса.

Библиографические ссылки

1. ЖРД на метановом горючем. История состояние и перспектива / И. А. Клепиков, В. Т. Бука-нов // Сб. трудов НПО «Энергомаш». 2000. № 18. С. 192-204.

2. Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования : учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / под ред. Д. А. Ягодикова. М. : Изд-во МГТУ им Н. Э. Баумана, 2005. 488 с.: ил.

3. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей : учебник для вузов / Г. Г. Гахун, В. И. Баулин, В. А. Володин и др. / под общ. ред. Г. Г. Гахуна. М. : Машиностроение, 1989. 424с.: ил.

© Злобина Е. А., Колегов Р. М., 2015