Space Exploration Technologies

ЖРД на однокомпонентном топливе

Космические ЖРД этого типа работают на маловодной перекиси водорода (концентрацией около 90%) или гидразине, разлагающихся в камере ЖРД в присутствии катализатора; образующийся высокотемпературный газ при истечении из сопла создает тягу.

Принципиальная схема реактивной системы управления с ЖРД на монотопливе:
1, 10 - заправочные клапаны; 2 - эластичный мешок; 3 - топливный бак; 4, 6, 8 - управляющие клапаны; 5 - фильтр;. 7, 9, 13. 15 - дренажно-предохранительные клапаны". 11 - газовый баллон высокого давления; 12 - редуктор давления; 14 - сливной кран; 16 - камера ЖРД

На рисунке показана типичная схема двигательной установки с ЖРД на монотопливе. Топливо хранится в эластичном мешке, размещенном в баке, и поступает в камеру под давлением газообразных азота или гелия, Катализатор разложения топлива находится в самой камере. Управление подачей топлива в камеру производится при помощи быстродействующего электроклапана соленоидного типа.

Первыми нашли применение вспомогательные ЖРД" работающие на перекиси водорода. Создание таких ЖРД было относительно простым делом, поскольку перекись водорода уже применялась до этого в ракетных двигательных установках как монотопливо и как источник получения газа для привода турбонасосных агрегатов. Кроме того, в США, например, были испытаны ЖРД для реактивных систем управления экспериментальными самолетами-ракетопланами.

Камера ЖРД, работающая на перекиси водорода:
1 - патрубок подвода монотоплива; 2 - распылительная головка; 3 - каталитический пакет; 4 - реактивное сопло.

Весовые и рабочие характеристики ЖРД, использующих монотопливо, в большой степени определяются характеристиками катализатора разложения топлива. Во вспомогательных космических ЖРД нашли применение в качестве катализаторов марганцовокислый калий и серебро. В первом случае катализаторный пакет, размещаемый в камере ЖРД, представляет собой смесь гранул вещества-носителя, пропитанного марганцево-кислым калием (рисунок слева). Во втором случае катализаторный пакет выполняется в виде посеребренного проволочного каркаса, изготовленного обычно из нержавеющей стали. ЖРД с таким катализаторным пакетом более совершенны.

Для ЖРД, работающих на 90%-ной перекиси водорода, температура газов в камере разложения составляет около 800°С, а удельный импульс - примерно 1400-1600 м/с. Топливу с большей концентрацией перекиси водорода соответствуют более высокие значения указанных параметров. Следует отметить в связи с этим, что с повышением концентрации перекиси водорода возрастают требования к выбору конструкционных материалов и очистке рабочих элементов, контактирующих с топливом, с целью избежания самопроизвольного его разложения. Относительно низкая температура газов, образующихся при разложении перекиси водорода, позволяет изготавливать камеры ЖРД, работающих на этом топливе, из обычной нержавеющей стали (рассчитывая на их охлаждение путем излучения).

Такие двигатели (конструкции фирмы Белл) использовались, например, в 1962-1963 гг. на космическом корабле "Меркурий" и применяются с 1963 г. на ракетной ступени "Центавр". На корабле "Меркурий" использовалось 18 ЖРД. объединенных в две независимые реактивные системы управления - автоматическую и ручную. В автоматической системе применялись работающие в импульсном режиме ЖРД трех типов - с тягой 0,45, 2,7 и 11 кг. В ручной системе, которая являлась резервной, применялись ЖРД последних двух типов, но с регулируемой тягой.

На ракетной ступени "Центавр" используются 12 вспомогательных ЖРД с тягой 2,7 кг каждый, объединенных в 4 блока, установленные на периферии ступени. Они обеспечивают ориентацию ступени. осаждение топлива в баке и торможение ступени при отделении космического аппарата.

Перекись водорода получила наибольшее применение во вспомогательных космических ЖРД в середине 60-х годов, после чего она начала постепенно вытесняться гидразином и двухкомпонентными жидкими топливами, которые позволяют получить для ЖРД более высокий удельный импульс.

При переходе с перекиси водорода на гидразин удельный импульс ЖРД увеличился примерно на 40%. Кроме того, гидразин в отличие от высококонцентрированной перекиси водорода не подвержен самопроизвольному разложению. Указанные преимущества гидразина были оценены еще в 1958-1959 гг., когда в США была начата разработка ЖРД для автоматических межпланетных станций.

Однако характер разложения гидразина был мало изучен, что вызвало трудности при создании катализатора, который мог бы активно разлагать гидразин при комнатной температуре и выдерживать многократные включения двигателя. Такой катализатор появился в США в 1964 г. Он был разработан фирмой Шелл девелопмент компани и получил название "Шелл-405".

Активным веществом катализатора, обеспечивающим разложение, является иридий. Он наносится на пористые гранулы вещества-носителя, которым является окись алюминия.

С появлением указанного катализатора за рубежом были созданы и нашли применение многочисленные образцы космических ЖРД, работающих на гидразине. Диапазон тяг, развиваемых ими, находится в пределах примерно от 20 г до 300 кг.

Гидразиновый ЖРД тягой 0,9 кг (США)

Температура газов в камере разложения гидразиновых двигателей сравнительно невысока (около 1000°С) что позволяет изготавливать камеры ЖРД из жаропрочных сплавов, рассчитывая (как и в случае ЖРД, работающих на перекиси водорода) на их охлаждение путем излучения. На рисунке справа представлен типичный гидразиновый ЖРД, разработанный фирмой Рокет Рисерч- одной из ведущих американских фирм в области создания таких двигателей. Ниже рассказывается о гидразиновых ЖРД для систем управления спутниками, в которых эти двигатели широко применяются.

Гидразиновые ЖРД используются, в частности, на спутниках связи, функционирующих на геосинхронных орбитах. Обычно эти спутники стабилизируются вращением и в них применяется несколько пар ЖРД с тягой около 2 кг, обеспечивающих заданную угловую скорость вращения спутника (обычно 60-100 об/мин), разворот оси вращения, а также удержание и маневры спутника в плоскости орбиты.

ЖРД могут работать и в импульсном, и в стационарном режимах тяги. Типичный импульсный режим заключается в выдаче серии импульсов тяги продолжительностью в 0,1 ее паузой между ними в 0,9 с. Серия может состоять как из нескольких импульсов, так и из нескольких сотен импульсов. Суммарное их число составляет несколько десятков тысяч. Суммарная продолжительность работы ЖРД в стационарном режиме тяги достигает нескольких часов. ЖРД рассчитаны на эксплуатацию в течение нескольких лет.

На спутнике "Скайнет-2" применяются, например, ЖРД КЕА16-6 фирмы Гамильтон стандард тягой 2,3 кг; их вес - 320 г, высота - 17 см, диаметр - 3 см (запас топлива для работы этих ЖРД составляет всего лишь 23 кг). На спутнике "Интелсат-3" применялись ЖРД МЕЕ-4А фирмы Томпсон-Рамо-Вулдридж с тягой 1,6 кг; их вес - 245 г. высота - 11 см, диаметр - 2,5 см. На этом спутнике топливные баки установлены таким образом, что развивающаяся при вращении спутника центробежная сила обеспечивает надежное разделение топлива и газа наддува, который размещен в самих топливных баках.

Гидразиновые ЖРД самой малой тяги используются в системах ориентации спутников, стабилизированных по трем осям. Тяга таких ЖРД составляет менее 50 г; они рассчитаны на ресурс до 450000 рабочих импульсов и могут эксплуатироваться до 7 лет. 4 таких ЖРД совместно с 16 гидразиновыми двигателями тягой около 500 г используются, например, на связном спутнике "Флитсатком"; гидразин хранится в топливных баках вместе с газом наддува (азот) и отделен от последнего диафрагмой из эластомерного материала. Предусмотрен электрообогрев всей двигательной установки спутника с целью поддержания катализаторного пакета ЖРД при температуре около 320°С. Необходимость обогрева связана с тем, что большое количество запусков гидразиновых ЖРД при холодном катализаторе приводит к его разрушению и потере качества.

В завершение обзора гидразиновых ЖРД следует сказать, что, несмотря на интенсивную разработку этих двигателей, процесс их создания носит в основном эмпирический характер. Каждый тип конструкции гидразиновых ЖРД хорошо работает лишь в строго определенном режиме, и невозможно предсказать, насколько он будет удовлетворять новым требованиям.