Реферат: Кислородно-водородный ЖРД НМ60
Таблица 1. Сравнение вариантов ЖРД НМ60 и ЖРД SSME
| НМ 60 без дожигания | НМ 60 с дожиганием | SSME | |||
| Тяга в вакууме, кН | 800 | 1300 | 800 | 1300 | 2092(100%) |
| Тяга на уровне моря, кН | 624 | 1054 | 654 | 1104 | 1669 |
| Соотношение компонентов | 5,12 | 5,12 | 5,58 | 5,58 | 6.0 |
|
Камера сгорания: Давление в камере сгорания х 105 Па Отношение площадей | 100 103,7 | 160 103,7 | 125 124,4 | 203 124,4 | 205 77.5 |
|
Газогенератор:
Давление х 105 Па
Соотношение компонентов | 50,6 0,9 | 115,6 0,9 | 194 0,68 | 355 0,9 | 356 0,81 |
|
Турбонасосы (Н2ж /О2ж ):
Давление на выходе х 105 Па Скорость вращения, об/мин | 143/122 30000/ 11700 | 243/218 40500/ 16140 | 225/153 (257) 25000/ 21900 | 415/248 (486) 35000/ 31100 | 413/296 (480)*
34700/ 27500 |
| Мощность турбины, мВт | 7,6/2,0 | 21,2/5,6 | 10,8/2,8 | 32,4/8,6 | 45,5/18,6 |
* - Давление на выходе второй ступени насоса окислителя.
На рис.6 приводятся характеристики двух схем ЖРД в диапазоне от 900 кН (6) до 1300 кН, где по оси ординат отложен удельный импульс [х 9.81 Нсек/кг], по оси абсцисс – давление в камере сгорания [x 105 Па], 1 – теоретический удельный импульс; 2 – двигатель с оптимальной степенью расширения (отношение площадей среза и критической части) с дожиганием генераторного газа; 3 – двигатель с дожиганием и с фиксированной степенью расширения; 4 – двигатель с оптимальной степенью расширения без дожигания; 5 – двигатель без дожигания с фиксированной степенью расширения; 6 – номинальная тяга; 7 – максимальная тяга.
Уменьшение удельного импульса для двигателя без дожигания генераторного база объясняется увеличением необходимого количества основных компонентов топлива для газогенератора. Обе схемы двигателя оптимизированы при тяге равной 800 кН.
Для двигателя без дожигания разработка, включая создание стендов, потребует 7,5 лет и 8,75 лет для двигателя с дожиганием. Кроме того, ЖРД с дожиганием для уровня тяги 800 кН имеет на 25% большую стоимость разработки и на 20) большую стоимость изготовления. Имея ввиду степень технического риска и стоимостные характеристики, для ЖРД НМ60 была выбрана схема без дожигания генераторного газа. В результате предварительных исследований были сформулированы новые требования:
1) номинальная тяга в вакууме – 900 кН;
2) ЖРД должен дополнительно обеспечивать следующие функции:
а) управление по каналам тангажа и рысканья, используя карданов подвес;
б) наддув топливных баков основными компонентами;
в) обеспечение расхода 1 50кг/сек для управления по крену;
3) тяга и соотношение компонентов должны удовлетворять проектным и эксплуатационным органичениям, представленным на рис.7, где по оси ординат отложена тяга (кН), по оси абсцисс – соотношение компонентов; 1 – проектные ограничения; 2 – ограничения квалификационных испытаний; 3 – эксплуатационные ограничения; 4 – номинальные условия;
4) при выборе проектные решений предпочтение должно отдаваться вариантам с минимальной стоимостью производства;
5) обслуживание ЖРД должно предполагать использование его на многоразовых РН;
6) двигатель должен использоваться для пилотируемых полетов с минимальной модификацией.
Старт турбин и воспламенение в газогенераторе и камере сгорания осуществляется пиротехнической системой, аналогичной ЖРД НМ7
Ариан-I. Соотношение компонентов регулируется клапаном, управляющим подачей газа на турбину окислителя. Тяга ЖРД и соотношение компонентов в газогенераторе регулируется клапаном, управляющим подачей компонентов в газогенератор. Проверки и контроль работы осуществляется ЭВМ двигателя и топливных баков. Основные характеристики двигателя даны в табл.2.
Турбонасос окислителя (рис.8) состоит из осевого преднасоса, одноступенчатого центробежного насоса и реактивной турбины. Преднасос и крыльчатка центробежного насоса и реактивной турбины. Преднасос и крыльчатка центробежного насоса выполнены из алюминиевого сплава, турбина из сплава INCO 718.
Таблица 2. Характеристики ЖРД НМ60
| НМ 60 | SSME | |
| Тяга в вакууме, кН | 900 | 2090 |
| Тяга на уровне моря, кН | 715 | 1700 |
| Удельный импульс в вакууме, Нс/кг | 4364 | 4462 |
| Удельный импульс на уровне моря, Нс/кг | 3423 | 3559 |
| Соотношение компонентов | 5,1 | 6,0 |
| Давление в камере сгорания, х 105 Па | 100 | 207 |
| Отношение площадей | 110,5 | 77,5 |
| Суммарный массовый расход, кг/с | 206 | 468 |
| Массовый расход газогенератора, кг/с | 7,06 | 248 |
| Расход сбрасываемого охладителя (Н2 ), кг/с | 1,93 | - |
| Давление на выходе из насоса окислителя, х 105 Па | 125,7 | 319(528) |
| Длина, м | 4,0 | 4,24 |
| Диаметр среза сопла, м | 2,52 | 2,39 |
| Время работы двигателя, с | 291 | 480 |
| Масса, кг | 1300 | 3002 |
Подшипники насоса смазываются жидким кислородом, а подшипники турбины – жидким водородом. Герметизация достигается динамическими уплотнителями типа плавающих колец и наддувом гелием. Дистанционно управляемый уплотнитель служит для предупреждения просачивания жидкого водорода в процессе захолаживания перед стартом. Осевые нагрузки компенсируются регулированием потока жидкого кислорода к задней части крыльчатки. Основные характеристики турбонасоса кислорода даны в таблице 3.
Турбонасос водорода (рис.9) состоит из осевого преднасоса,
двухступенчатого центробежного насоса и двухступенчатой турбины. Подшипники вала расположены вне секций насоса и турбины, для обеспечения приемлемой величины DN (диаметр х скорость вращения). Все подшипники смазываются жидким водородом. Система компенсации осевых нагрузок объединена со второй крыльчаткой центробежного насоса. Преднасос выполнен из алюминиевого сплава, крыльчатки из титанового сплава ТА5Е-ЕLI, турбина и вал из INCO 718. Характеристики насоса жидкого водорода приведены в табл.3.
Таблица 3. Характеристики турбонасосов
| Окислителя (02ж ) | Горючего (Н2ж ) | |
| Частота вращения, мин-1 | 14500 | 37900 |
| Массовый расход, кг/с | 173,4 | 34,07 |
|
Давление на выходе, х 105 Па | 125,7 | 150,5 |
| Мощность на валу, кВт | 2331 | 8680 |
| Критическое значение избыточного давления, х 105 Па | 1,5 | 0,42 |
| Насос: диаметр, мм удельная скорость КПД | 205 0,545 (1490) 0,79 | 205 0,534 (1460) 0,77 |
| Турбина:
диаметр, мм отношение давлений КПД | 230 17 0,29 | 201 20,5 0,50 |
На рис.10 дан общий вид камеры сгорания (КС) ЖРД НМ60, где 1 – карданов подвес; 2 – воспламенитель; 3 – форсуночная головка; 4 – камера сгорания; 5 – основной сопловой блок; 6 – сопло большой степени расширения; 7 – каналы сброса охладителя сопла расширения.
На рис.11 приводится удельный импульс КС (ось ординат) (х 9,81 нсек/кг), по оси абсцисс отложена степень расширения сопла. Точки на графике соответствуют характеристикам кислородно-водородных ЖРД , где 1 – ЖРД J2S; 2 – ЖРД RL 10; 3 – ЖРД SSME; 4 – ЖРД НМ7А; 5 – ЖРД НМ7В; 6 – ЖРД НМ60. Характеристики КС данных ЖРД приведены также в табл.4.
На рис.12 представлена конструкция форсуночной головки, где 1 – подача жидкого кислорода; 2 – канал подачи жидкого кислорода; 3 – подача газообразного водорода; 4 – пористая пластина; 5 – форсунки;
Таблица 4.
| J2S | RL10 | SSME | HM7A | HM7B | HM60 | |
| Тяга, кН | 1060 | 69 | 2090 | 60 | 60 | 860 |
| Давление в камере сгорания, х 105 Па | 54 | 27 | 205 | 30 | 35 | 100 |
| Соотношение компонентов | 5,5 | 5,0 | 6 | 5 | 5,3 | 5,1 |
| Степень расширения сопла | 27,5 | 57 | 77,5 | 62 | 82 | 110,5 |
| Теоретический удельный импульс, Нсек/кг | 4395 | 4529 | 4571 | 4542 | 4578 | 4501 |
| Удельный импульс камеры сгорания, Нсек/кг | 4209 | 4364 | 4464 | 4363 | 4398 | 4439 |
6 – перегородки гашения высокочастотных колебаний. Форсуночная головка содержит 516 форсунок, собранных на пористой плате, которая охлаждается выпотеванием водорода. Сравнение с другими криогенными форсуночными головками КС дано в табл.5. Перегородки гашения высокочастотных колебаний в КС образованы удлиненными форсунками. Конструкция камеры сгорания ЖРД НМ:) представлена на рис.13, где 1 - полости, предназначенные для повышения устойчивости горения; 2 – выходной трубопровод водорода; 3 – внутренняя стенка КС; 4 – никелевая оболочка КС; 5 – выходной трубопровод водорода; 6 – подача жидкого водорода. КС содержит сужающуюся часть (отношение площадей равно 5,8) регенеративно охлаждаемую водородом. Внутренняя часть КС, выполненная из медного сплава, имеет каналы охлаждения, которые закрыты никелевой оболочной. Трубопроводы выполнены из сплава INCONEL и сварены с никелевым корпусом. Основные характеристики КС даны в табл.6 в сравнении с другими криогенными КС.
Таблица 5. Характеристики форсуночной головки и камеры сгорания
| J2S | RL10 | SSME | HM7 | MBB | HM60 | |
| Форсуночная головка:
Полный массовый расход, кг/с Диаметр камеры, мм Число форсунок Расход через форсунку, г/с Температура водорода, К КПД | 242 470 614 375 105 0,98 | 18,5 262 216 85,6 180 0,985 | 469 450 600 782 850 0,99 | 13,9 180 90 70,7 136 0,986 | 45 182 90 470 190 0,98 | 195,8 415 516 380 95 0,989 |
| Камера сгорания: Внутренний диаметр, мм Характерная длина, м Отношение сжатия Максимальная температура охладителя, К Минимальное давление охладителя, х 105 Па Максимальная Температура стенки, К Максимальный удельный теплопоток, Вт/см2 Давление, х 105 Па | 470 0,62 1,58 60 54 | 262 0,98 2,95 150 27 | 450 0,8 2,96 254 98 740 12800 205 | 180 0,7 2,78 100 5,7 625 2900 35 | 182 2,3 6,95 140 100 690 16800 280 | 415 0,85 2,99 61 23,3 600 6400 100 |
Конструкция газогенератора (ГГ) представлена на рис.14, где 1 – подача жидкого кислорода; 2 – подача жидкого водорода; 3 – штуцеры датчиков температуры и давления. Давление в ГГ составляет 77 х 105 Па, температура – 910 К, соотношение компонентов – 0,9, массовый расход – 7,08 кг/сек.
Форсуночная головка ГГ имеет 120 форсунок. Воспламенение осуществляется пиротехническим воспламенителем, расположенным в центре головки. ГГ охлаждается жидким водородом, проходящим между стенками, и впрыскиваемым затем в ГГ. Для уменьшения нестабильности горения рядом с распылительной головкой имеются акустические полости.
Клапаны управления и рулевые машинки имеют гидравлический привод. Гидравлический насос смонтирован на оси трубонасоса окислителя. Остальные клапаны работают на гелии под давлением 23 х 105 Па.
Сравнение двигателя НМ60 с другими кислородно-водородными ЖРД дается в таблице 6.
Таблица 6.
| SSME | НМ7А | НМ7В | LE-5 | НМ60 | J2 | J2S | RL6-10 AЗ-3 | |
| Тяга в вакууме, кН Удельный импульс, Нс/кг Соотноше-ние компо- нентов Давление в камере сгорания, х 105 Па Отношение площадей Массовый расход, кг/с Длина, м Диаметр, м Время работы Сухая масса, кг Начало разработки Начало эксплуата-ции Разгонный блок, на котором двигатель использу-ется | 2090 4464 6,0 207 77,5 468 4,24 2,39 480 3000 1972 1981 Space Shu- ttle | 61.6 4338,6 4,43 30 62,5 14,2 1,71 0,938 563 149 1973 1979 Н8 | 62,7 4372,9 4,80 35 82,5 14,4 1,91 0,984 731 155 1980 1983 Н10 | 100 4334,7 5,5 35 140 23,1 2,7 1,65 370 230 1977 1984 Н1, втор. ступ. | 900 4364 5,1 100 110,5 196,7 4,0 2,52 291 1300 1984 1992 Н60 | 1044 4168 5,5 53,6 27,5 250 3,38 1,98 470 1542 1960 1966 SII- SIVB | 1180 4266 5,5 86 40 277 3,38 1,98 - 1556 - - | 67 4354 5,0 27 57 15,8 1,78 1,00 450 132 1958 1963 Centaur SIV |
Список литературы:
1. Астронавтика и ракетодинамика, выпуск 18 за 1985 год
2. Астронавтика и ракетодинамика, выпуск 25 за 1986 год