Способы управления вектором тяги РДТТ

Секция

«ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ И КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ»

УДК 629.7

Н. И. Асеинов Научный руководитель - Ж. Г. Мурадимов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРОМ ТЯГИ РДТТ

Рассматривается способы управления вектором тяги ракетных двигателей первых и последующих ступеней ракеты для вывода полезного груза на орбиту КА или к цели головных частей боевых ракет.

Ракетные двигатели твердого топлива благодаря своему быстродействию и простоте устройства (а, следовательно, надежности) является наиболее подходящим или даже незаменимым средством для создания тяги, вывода космических кораблей на околоземные орбиты и аварийное спасение космонавтов на начальном участке, разделение ступеней ракетоносителей, раскрутка ракетных ступеней и космических аппаратов с целью их стабилизации в полете, создание начальных перегрузок для нормального запуска основных жидкостных ракетных двигателей в невесомости и т. д., доставки головных частей баллистических ракет к целям. Но в тоже время эти двигатели имеют особенность управления вектором тяги, регулирование которой возможно.

Управление ЛА осуществляется с помощью органов управления, построенных с использованием аэродинамических сил или энергии истекающей струи двигателя. Иногда применяют комбинированные органы управления, в которых используется аэродинамические и силы истекающей газовой струи.

Одним из наиболее простых методов управления вектором тяги является поворотное сопло, соединяющее с корпусом двигателя через жидкий шарнир, представляя собой опору и фланец между которыми располагается полость заполненная маслом. Полость состоит из корпуса (титанового сплава), сама оболочка состоит из эластомера заполненного жидкостью под давлением. Применение такого шарнира позволяет отклонять сопло в двух плоскостях (тангажу и рыскания) на плюс минус 4 (максимум) градуса.

На ракете с двигателем твердого топлива использована отработанная схема управления вектором тяги: аэродинамические и газодинамические рули - на первой ступени, «вдув» газа в закритическую часть сопла двигательной установки - на верхних ступенях.

Аэродинамические силы, величина и закон распределения которых задаются нормами прочности или определяются продувками. Массовыми инерционными силами рулей ввиду их малости обычно пренебрегают. Рассматривая работу элементов рулей при восприятии внешних нагрузок, по аналогии с крылом следует различать общую силовую работу агрегатов оперения как балок, в сечениях которых действуют

перерезывающие силы, изгибающие и крутящие моменты, и работу местную от воздушной нагрузки, приходящейся на каждый участок обшивки с подкрепляющими ее элементами.

Газодинамические рули маршевых РДТТ могут проектироваться с учетом необходимого изменения направления вектора тяги для управления полетом РН и КА. Указанная цель достигается установкой газовых рулей (не относящихся к конструкции РДТТ) на выходе из сопла, несимметричным вводом соответствующих газа или жидкости в сопло (что приводит к повороту реактивной струи), отклонением (качанием) сопла в осевой плоскости (при помощи соответствующих приводов) и другими способами.

На двигателе второй ступени управление вектором тяги осуществляется при помощи «вдува» газа, и обеспечивается это специальным газогенератором, расположенным снаружи соплового блока.

Для управления движения ЛА в соответствии с требуемой траекторией необходимо иметь возможность изменять величину и направление вектора скорости, а также ориентацию осей ЛА в пространстве.

С этой целью используются реактивные двигатели и различные органы управления, представляющие собой систему управления, которая расположена в приборном отсеке, и самого исполняющего элемента (поворотные сопла) действие которых создает необходимые для управления силы и моменты.

Перечисленные устройства должны обеспечивать управление ракетой в трех плоскостях. Однако не все из них позволяют это сделать при односопловой схеме двигателя. Например, газовые рули дают возможность управлять по курсу, тангажу и крену при одном сопле, а такие устройства как дефлекторы, разрезные сопла создают управляющие моменты обычно только в двух плоскостях. Для управления этими устройствами в трех плоскостях необходимо иметь многосопловой блок.

Одним из основных недостатков УВТ является их ограниченная возможность управления во времени -управление ракетой может осуществляться только при работающем двигателе.

Большое разнообразие исполнительных органов управления обусловлено особенностями выполнения

Секция «Двигательные установки и системы терморегулированияЛА и КА»

поставленных задач. При проектировании выбираются те органы управления, которые наиболее полно отвечают требованиям технического задания.

Библиографические ссылки

1. Назаров Г. А., Прищепа В. И. Космические твердотопливные двигатели. М. : Знание, 1980. 63 с, ил. (Новое в жизни, науке, технике. Сер. Космонавтика, астрономия. № 7).

2. Современные отечественные ракеты-носители. Ракетно-космическая техника : учеб. пособие /

В. В. Филатов, М. Д. Евтифьев, Л. Н. Лебедева и др. ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2005. 144 с.

3. Алиев А. М., Липанов А. М. Проектирование ракетных двигателей твердого топлива. М. : Машиностроение, 1995. 400 с.

4. Ерохин Б. Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирование РДТТ. М. : Машиностроение, 1991. 560 с.

© Асеинов Н. И., 2013

УДК 621.45.053

К. Ш. Ахметшин, С. Ю. Кирюхин, А. С. Рябинин Научный руководитель - В. П. Назаров Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЯГИ ЖРД И РДТТ

Рассматриваются возможные способы регулирования тяги на твердотопливных и жидкостных ракетных двигателях и их сравнительная характеристика. Эффективность регулирования тяги в существующих ДУ.

Способы регулирования тяги ЖРД и РДТТ существенно отличаются, хотя и имеют применимые к обоим типам методы.

Регулирование тяги ЖРД может быть осуществляться следующими способами: регулирование расхода компонента поступающих в ЖГГ; регулирование соотношение компонентов в ЖГГ; регулирование давления подач компонентов на входе в камеру двигателя; регулирование расходов компонентов поступающих в камеру двигателя.

Способ регулирования расхода компонентов поступающих в ЖГГ относится к двигателям без дожигания генераторного газа с двухкомпонентным ЖГГ. На трубопроводе питания окислителя («О») восстановительного ЖГГ устанавливается регулятор тяги, одновременно на трубопроводе питанием горючим («Г») устанавливается еще один регулятор давления, корректирующий соотношение компонентов. Данный способ представляется достаточно надежным и позволяет достигать достаточно большого диапазона регулирования тяг (~ 100).

Способ регулирования соотношения компонентов в ЖГГ наиболее часто используют в двигателях с дожигание генераторного газа, он позволяет регулировать тягу в небольших пределах, диапазон составляет 12.5-20. Регулятором тяги является регулятор давления подачи «Г» в окислительный ЖГГ устанавливаемый на линию питания дополнительным компонентом. Регулятор поддерживает давление подачи «Г» в соответствии с давлением подачи «О». Кроме этого система управления может менять соотношение компонентов, что меняет термодинамические параметры генераторного газа и на выходе повлияет на давление в камере сгорания и тягу. Диапазон регулирования соотношения компонентов в данной схеме ограничен возрастанием температуры генераторного газа, поэтому у данного способа малый диапазон регулирования тяги.

Регулирование давления подач компонентов на входе в камеру двигателя. Регулятор давления «Г» изменяет давление подачи в соответствии с командой системы управления, а регулятор «О» изменяет давление подачи в соответствии с давление подачи «Г». Оба регулятора выполняют одновременную роль регулятора тяги и регулятора соотношения компонентов.

Регулирование расходов компонентов, поступающих в камеру двигателя. Регуляторы, поддерживая постоянство расходов «О» и «Г», обеспечивают одновременно поддержание тяги и соотношения компонентов на заданных уровнях. Оба регулятора могут получать соответствующие сигналы на перенастройку от системы управления.

Изменение тяги РДТТ существенно затруднено ограниченными возможностями воздействия на тягу в период работы двигателя. Скорость горения заряда и тяга двигателя существенно зависимы от начальной температуры заряда. Колебания температур, химического состава и технологические отклонения при изготовлении топлива вызывают определенный разброс энергетических характеристик и скоростей горения в двигателе.

Регулирование тяги РДТТ может быть осуществлено следующими способами: изменение площади критического сечения; ввод дополнительной массы в камеру; изменение поверхности горения; непосредственное воздействие на скорость горения; обнуление тяги.

При газодинамическом способе регулирования диапазон регулирования тяги составляет 1,7...2.0. К существенным недостаткам данного метода относиться: непроизвольные потери газа до 1/4 запаса топлива, необходимость иметь еще один источник рабочего тела управляющего канала и создание разности давлений управляющего и питающего потока. Для топ-