Space Exploration Technologies

Двигатели с вытеснительной подачей топлива

Кроме ЖРД с насосной подачей топлива, различные образцы которых описаны выше, в космических ракетах используются немногочисленные образцы ЖРД с вытеснительной подачей. Эти ЖРД, работающие на высококипящих самовоспламеняющихся топливах, применяются главным образом на верхних ракетных ступенях, двигательные установки которых развивают тягу около нескольких тонн и могут многократно включаться в полете.

Наибольший интерес из указанных ЖРД представляет двигатель АЛ 10-138 конструкции фирмы Аэроджет. Два таких двигателя с суммарной тягой 7,2 т устанавливаются на последней ступени одной из космических ракет семейства "Титан-3" и рассчитаны на многократное включение в течение 6,5 ч орбитального полета. Указанная ракетная ступень, называемая "Транстейдж", используется для решения многочисленных задач, включая одновременный вывод нескольких полезных грузов на различные орбиты (выводилось до 8 спутников).

Надежная работа ЖРД АЛ 10-138 и двигательной установки в целом в большой степени обеспечена используемым типом топлива и выбранной принципиальной схемой ЖРД. В качестве топлива используются азоттетроксид и аэрозин, обеспечивающие, как нам уже известно, конструктивную простоту ЖРД и легко сохраняемые без потерь в условиях космического полета. Топливо вытесняется в камеру давлением гелия. Камера работает при давлении всего 7 атм и выполнена без тракта регенеративного охлаждения. По этой причине давление в топливных баках не намного превышает давление в камере, и вес топливных баков достаточно мал.

Камера описываемого ЖРД состоит из съемной смесительной головки, которая содержит несколько сотен отверстий для распыла топлива и выполнена из алюминиевого сплава, и корпуса, рассчитанного на охлаждение путем абляции и излучения тепла в окружающую среду. При абляции происходит унос массы с внутренней поверхности камеры потоком горячего газа. Таким способом охлаждаются камера сгорания и начальный участок сопла (остальная часть сопла охлаждается радиационно, т. е. излучением). Эта часть камеры изготавливается на технологической оправке. Сначала на оправку наносится аблирующий полимерный материал- рефразильные волокна, пропитанные прорезиненной фенольной смолой, с последующей вулканизацией этих волокон. Затем наносится слой теплоизоляции - асбестовый войлок, пропитанный фенольной смолой, который также вулканизируется, и, наконец, на этот слой наносится наружная силовая оболочка - стекловолокно, пропитанное эпоксидной смолой, после чего оправка удаляется. Силовая оболочка рассчитана на температуру не более 180°С.

Суммарное время работы (ресурс) ЖРД лимитируется допустимой абляцией материала и составляет 500 с. Этот ресурс обеспечен созданием у огневой стенки камеры защитной газожидкостной пленки за счет распыла горючего через периферийные отверстия смесительной головки. Выходной участок сопла, охлаждаемый излучением, представляет собой тонкостенную оболочку" изготовленную из жаропрочных сплавов: ниобиевого и титанового. При работе ЖРД эта оболочка нагревается до 900-1100°С.

Включение ЖРД производится при помощи управляющего топливного и вспомогательного соленоидного клапанов. ЖРД устанавливается на ракетную ступень в карданном подвесе и отклоняется в полете электромеханическими приводами.

Сравнительно высокий удельный импульс ЖРД АJ 10-138 (3000 м/с) при малом давлении газов в камере сгорания достигнут за счет расширения их в реактивном сопле до очень малого давления. На основании сведений об устройстве ЖРД, содержащихся в начале брошюры, можно заключить, что рассматриваемый двигатель имеет большие габариты и вес. Действительно, его высота составляет 2,0 м, диаметр - 1,2 м, а удельный вес - около 25 кг/т. Таким образом, ЖРД AJ10-138, развивающий тягу менее 4 т, сравним по габаритам с ЖРД LR91-АJ-9, тяга которого более 45 т; в весовом отношении ЖРД АJ 10-138 существенно уступает двигателю РД-119.