Удельные характеристики двигателей различных схем

Мы рассмотрели жидкостные ракетные двигатели с различными схемами:

- с вытеснительной подачей;

- с насосной подачей компонентов без дожигания генераторного газа (на схеме обозначена «жидкость-жидкость»);

- с насосной подачей компонентов с дожиганием генераторного газа (на схеме - «газ-жидкость» и «газ-газ»).

Зависимость для рассмотренных схем двигателей приведена на рис. 8.5.

Несмотря на большое различие конкретных схем выброса отработанного генераторного газа, все они имеют определенные потери удельного импульса на привод ТНА. Эти потери могут быть оценены коэффициентом

где – относительный расход генераторного газа,

I_ГГ – удельный импульс выхлопной системы генераторного газа;

I_к – удельный импульс камеры.

Рис. 8.5. Качественная зависимость удельного импульса от давления в камере сгорания и области оптимальных р_к для различных схем подачи топлива (ВП – вытеснительная подача, насосная схема “Ж-Ж” – схема без дожигания генераторного газа, насосные схемы “Г+Ж” и “Г+Г” – схемы с дожиганием генераторного газа)

С учетом коэффициента φ_ТНА эффективный удельный импульс двигателя

I_дв=I_к·φ_ТНА.

Устройство реактивного выхлопа, который в зависимости от наружного давления может иметь I_ГГ/I_к = 0,2 ... 0,4, снижает потери на привод ТНА и приближает эффективный удельный импульс к удельному импульсу камеры двигателя.

Повышение давления в камере требует и более высокого давления подачи компонентов, которое увеличивает мощность ТНА, а это вызывает рост относительного расхода генераторного газа. Последнее обстоятельство и накладывает ограничение на предел обоснованному повышению давления в камере. На рис. 9.5 показано, что с ростом Р_к удельный импульс камеры непрерывно возрастает, но из-за увеличения потерь на привод ТНА эффективный удельный импульс двигателя растет только до определенных пределов. После этого прирост удельного импульса камеры уже не компенсирует возрастающих потерь на привод ТНА.

Поэтому снижение потерь на привод ТНА – важная задача. Она в основном решается совершенствованием конструкции ТНА, рациональным выбором его параметров и эффективной организации выхлопа генераторного газа. У современных ЖРД без дожигания генераторного газа максимальные Р_к находятся в пределах 10... 12 МПа.

В схемах двигателей, выполненных с дожиганием генераторного газа, коэффициент φ_ТНА = 1 и I_дв = I_к.

Для схем двигателей типа газ+жидкость обеспечиваются Р_к = 25…30 МПа, а в схеме двигателей с дожиганием двух генераторных газов, т.е. двигателей типа газ+газ обеспечиваются Р_к до 40 МПа (см. график на рис. 8.5).

9. Принципы и особенности экспериментальной отработки сложных технических систем (ЖРД и двигательных установок)

Испытание - это экспериментальное определение количественных и качественных свойств объекта испытаний как результата воздействия на него различных факторов при его функционировании.

При разработке современных ЛА примерно 60 % возникающих проблем конструирования и расчета систем решаются с помощью экспериментальных данных, полученных при испытаниях опытных образцов. Большая стоимость испытаний и длительность их проведения становятся определяющими в общих затратах и сроках, необходимых для создания ЛА.

Поэтому решение проблемы сокращения сроков и стоимости разработки ракетно-космической техники (двигателей и двигательных установок в первую очередь) сводятся, в основном, к рациональной организации процесса экспериментальной отработки.

Испытания машин значительно различаются по способу проведения, назначению, характеру и даже терминологии в разных отраслях машиностроения.

Общими для всех отраслей машиностроения являются:

- испытания машин новых конструкций, предназначенные для выявления основных качеств машин перед запуском их в серийное производство;

- испытания машин серийного производства, которые проводятся для проверки качества выпускаемой продукции и их соответствия техническим требованиям;

- научно-исследовательские испытания машин, позволяющие изучить влияние на работу машин различных факторов, слабо поддающихся предварительной оценке и расчетам, и накопить опытный материал для совершенствования машин.

Если рассматривать создание ракетно-космического комплекса (РКК), то испытания РКК - это всесторонняя проверка, которой подвергаются аппаратура, узлы, системы РКК и комплекс в целом для установления соответствия их характеристик предъявляемым тактико-техническим требованиям.

Испытания РКК представляют собой сложную и многообразную систему мероприятий и являются основным источником достоверной информации для обоснования принимаемых решений при проектировании и создании новых образцов.

Основными условиями испытаний РКК являются:

- рациональное сочетание объемов наземных и летных испытаний;

- последовательность испытаний;

- полнота испытаний.

Первое условие предполагает увеличение объема всех видов наземных и сокращения объема летных испытаний РКК.

Последовательность испытаний предполагает переход к отработке и испытаниям от элементов к блокам (системам) и от блоков (систем) к комплексу в целом.

Полнота испытаний предусматривает проведение испытаний комплекса на заключительном этапе создания в полной штатной его компоновке.

На практике поиск оптимального варианта конструкции летательного аппарата и его систем ведут путем изготовления, испытания и отбора лучших вариантов отдельных агрегатов и систем. Процесс поиска оптимального варианта конструкции является длительным и трудоемким, требующим проведения испытаний значительного числа опытных образцов.

Возможны два направления проведения экспериментальной отработки РКК.

Первый путь делает основной упор на проведение большого числа летных испытаний с целью подтверждения правильности принятых технических решений и внесения изменений в конструкцию по результатам испытаний. Такая концепция отработки была принята в США на ранних этапах развития ракетной техники (программы “Атлас”, “Титан”) и в СССР (программа “Восток”). Основным недостатком этого подхода к отработке является его высокая стоимость и продолжительность из-за необходимости проведения большого числа летных испытаний, малая информативность каждого из них. Так, по программе “Атлас” потребовалось провести более 150 испытательных пусков и по программе “Восток” с учетом предшествующих модификаций более 30.

Второй путь предусматривает обеспечение отработки ракетно-космической техники в наземных условиях с максимальным приближением условий испытаний к штатным (полетным). Такой подход к отработке вызвал необходимость создания экспериментально-испытательной базы. Так в начале 1960-х годов в рамках лунной программы “Сатурн-Аполлон” в США была создана мощная испытательная база, позволяющая проводить полный цикл наземной отработки изделий ракетно-космической техники (двигателей, двигательных установок и ступеней ракет-носителей). В результате при летной отработке ракет “Сатурн-1В” и “Сатурн-5” было проведено всего пять летных пусков. Уже шестая ракета “Сатурн-5”, а не тринадцатая, как предусматривалась планом, могла быть использована для решения основной задачи программы полета (cемь экспедиций на Луну). Необходимо также отметить, что созданная в рамках программы “Сатурн-Аполлон” испытательная база была использована с незначительными доработками при выполнении последующих программ, в том числе и программы по созданию многоразовой транспортной космической системы (МТКС).

Испытания следует считать естественным продолжением проектных и исследовательских работ, которые заканчиваются созданием опытных образцов.

Работоспособность двигательной установки оценивается только на основании результатов испытаний.

Так, для подтверждения нижней границы вероятности безотказной работы (ВБР) Р_н > 0,99 при доверительной вероятности 0,95 необходимо провести n = 300 безотказных испытаний, а для Р_н > 0,999 – n =1000 безотказных испытаний.

Первым этапом испытаний является конструкторская отработка опытных образцов, имеющая целью уточнить проектные данные и выбрать штатный вариант конструкции. Этот этап включает, как правило, предварительные испытания, занимающих 15…20 % от общего объема испытаний. Затем следует доводка штатного варианта изделия и оценка его характеристик, составляющих основной объем (60…70 %) доводочных испытаний (ДИ). Объем завершающих доводочных испытаний (ЗДИ) составляет до 10…25 %. Отработка сложных технических систем завершаются, как правило, государственными испытаниями.

Независимо от сложности экспериментальных программ, количество дорогостоящих испытаний должно быть сведено к минимуму, а суммарная эффективность работ должна быть как можно более полной.

Поэтому экспериментатор ищет возможность замены сложной программы более простой. Один из способов решения этой задачи заключается в использовании методов физического моделирования, при котором реальный процесс исследуется с помощью физических моделей (полное, неполное или приближенное моделирование).

Полученные результаты могут быть перенесены на реальный процесс путем соответствующего пересчета при условии, что модель подобна натуре. Модель подобна натуре, если будут соблюдены три условия (при полном моделировании):

- обеспечено геометрическое подобие модели и натуры;

- физические константы модели пропорциональны соответствующим константам натурного процесса, включая граничные условия;

- соответствующие критерии подобия для натуры и модели равны между собой.

Вполне естественно, что точное соблюдение всех условий подобия возможно лишь в очень редких случаях, поэтому на практике все чаще прибегают к методам приближенного моделирования отдельных физических процессов. Например, в гидродинамических процессах необходимо обеспечить равенство критериев Рейнольдса и Маха, в теплообменных процессах – равенство критериев Нуссельта и Прандтля. Модельные испытания не исключают натурные, но позволяют решить ряд задач, в результате которых можно значительно сократить экономические затраты на экспериментальную отработку и создание экспериментальной базы.

При этом различают одно- и многофакторные испытания. Однако влияние отдельных факторов последовательно при испытаниях не одинаково по сравнению с комплексным воздействием различных факторов. При создании стендов решают вопрос о рациональном количестве и одновременном воздействии различных факторов при испытаниях, т. к. сложность и стоимость стендов и испытаний существенно возрастают. Но проведение многофакторных испытаний окупаются в итоге за три - пять лет за счет существенного сокращения времени на подготовку испытания.

Известно, что изменение эффективности испытаний (W) от продолжительности отработки на этапах наземной и летной отработки подчиняется экспоненциальному закону. Указанная зависимость показана на рис. 9.4, где кривая 1 соответствует росту эффективности при летных испытаниях (ЛИ), кривая 2 – при наземных испытаниях (НИ). Если бы отработка изделия проводилась только в летных экспериментах, то для этого потребовалось бы время Т_ли.

При наземной отработке скорость роста эффективности в соответствии со спецификой этих испытаний выше (более высокая информативность и дешевле), однако предельное значение эффективности W_ни меньше заданного значения W_з из-за различия условий испытаний. Поэтому для сокращения общего времени и стоимости испытаний, отработку ЛА до определенного значения эффективности, соответствующего точке А, необходимо проводить в земных условиях, а окончательную отработку до W_з осуществлять в летном эксперименте.

Рис. 9.4. Изменение эффективности испытаний (W) в зависимости от времени (Т):

1 – при ЛИ; 2 – при НИ; 3 – участок АВ при НИ с имитацией штатных (полетных) условий; ОА – отработка при НИ; ВС – отработка при ЛИ

Планку эффективности наземных испытаний можно поднять выше (кривая 3 - участок АВ, см рис. 9.4) путем обеспечения имитации полетных условий эксплуатации на стенде (высотных условий, условий на входе в двигатель по давлению и температуре в магистралях окислителя и горючего и т. д.). Это позволяет уменьшить количество дорогостоящих летных испытаний до одного-двух. В этом случае отработку проводят в три этапа: ОА – отработка при наземных испытаниях, АВ – отработка при наземных испытаниях с имитацией полетных условий и ВС отработка при ЛИ, при этом общая длительность отработки Т_{ни+им+ли} будет наименьшей. Указанное распределение наземных и летных испытаний в большей степени применимо для сложных технических систем (двигатель, ДУ и космический аппарат), где основной является наземная отработка.

Если рассматривать расходы для проведения одной доработки на стадии проектирования, наземной отработки и летных испытаний, то они распределяются в соотношении 1:10:100. Это также подтверждает целесообразность иерархического построения программ испытаний, предусматривающего проведение испытаний по этапам: вначале - испытания элементов, затем - испытания блоков и в итоге - испытания системы в целом.

Преимуществами испытаний на низших уровнях являются простота применяемого оборудования и обнаружения дефекта.

Если рассматривать ЖРД, то процесс отработки проводится в следующей последовательности:

- испытания элементов, агрегатов (узлы уплотнения и опоры насосов, насос, газогенератор, камера сгорания, клапан и др.);

- испытания систем (ТНА с ГГ, ГГ с КС и др.);

- испытания имитатора двигателя;

- испытания двигателя;

- испытания двигателя в составе ДУ;

- летные испытания (РКС) ЛА.

В практике создания двигателей известны 2 метода стендовой доводки, которые можно кратно характеризовать как последовательный (консервативный) и параллельный (ускоренный) методы.

Основное различие этих методов в том, что в случае последовательного метода доводки при выявлении дефекта двигателя испытания прекращаются до разработки и внедрения на двигателях мероприятий по устранению этого дефекта. В случае параллельного метода доводочные испытания не прерываются и мероприятия по устранению дефекта разрабатываются и внедряются в процессе продолжающихся ДИ двигателя.

В табл. 9.1 представлены основные характеристики двигателей F-1, J-2 (США) и РД0120 (Россия), при создании которых в основном был применен параллельный метод, и двигателя SSME (США) с применением последовательного метода отработки. В таблице приведены: общее количество двигателей (N), затраченных на доводку, количество испытаний, суммарная наработка двигателей и средняя наработка одиночного двигателя к времени проведения 1-го летного испытания. Для доводки двигателя SSME было затрачено 13 двигателей (по другим источникам 20) и 20 комплектов ТНА для замены дефектных.

Таблица 9.1

Основные характеристики отработки двигателей

Такое малое количество двигателей, затраченных на доводку SSME фирмой «Рокетдайн», можно объяснить следующими факторами:

- использованием накопленного опыта при отработке экспериментального кислородно-водородного двигателя с тягой 2090 кН (p_к = 23 МПа);

- применением последовательного метода доводки двигателя;

- применением испытательных стендов для испытаний двигателя и ДУ на номинальном режиме;

- повышенным значением средней наработки одиночного двигателя (8000с), полученным к 1-му полету и обеспечиваемым за счет ремонтопригодности и восстанавливаемости конструкции и применения эффективных систем диагностики и аварийной защиты двигателя при испытаниях.

Следует также отметить, что двигатель РД0120 на начальном этапе отработки из-за отсутствия полноразмерного стенда испытывался последовательно на 20, 50, 75 и 100 % режимах по тяге. Кроме того, автономная отработка основных систем двигателя РД0120 (ГГ, КС и ТНА) проводилась при доводочных испытаниях стендового варианта двигателя. Указанные факторы потребовали большего количества двигателей для его отработки.

После завершения отработки двигателя и пневмогидросистем ДУ на стенде проводятся комплексные испытания ДУ, включающие холодные и огневые стендовые испытания (ХСИ и ОСИ) ДУ [9].

Комплексные стендовые испытания ДУ являются завершающими в наземной отработке ступени РН и ракетных (разгонных) блоков. При этом следует отметить, что комплексные испытания ДУ РН среднего и тяжелого классов типов “Энергия” и др., включающие этапы ХСИ и ОСИ, проводятся перед летными испытаниями на универсальном комплексе стенд-старт (УКСС).