Реферат: Кислородно-водородный ЖРД НМ60
/>Московский Государственный Технический Университет им.Н.Э. Баумана
Рефератпо КСМУ
натему:
“Кислородно-водородный ЖРД НМ60”
Преподаватель: Медведев В.Е.
Студент: Мельников Сергей
Группа: М1-52
— 1999г. —
Исследования, проводимые в Европе в областиракет-носителей, показывают необходимость разработки кислородно-водородногодвигателя большой тяги для эксплуатации в 90-годы.
Для выявления потенциальных технических проблем,начиная с 1978 года проводились предварительные исследованиякислородно-водородного ЖРД с тягой 500 кН. В 1980 году было принято решение оразработке семейства РН Ариан-5 (рис.1), на которой предполагаетсяиспользование разгонных блоков первой ступени РН Ариан-4 и новогокислородно-водородного блока Н60 (рис.2) на второй ступени. На рис.1 под каждоймодификацией РН указана ее грузоподъемность (кг) и соответствующая орбита: LEO – низкаяоколоземная; GTO – переходная к стационарной.
Предварительные исследования по двигателю блока былиначаты в 1981 году. Разработку планировалось начать в 1984 году, а закончить в1991 году с тем, чтобы первый пуск Ариан-5 осуществить в 1993-1994 году.
Ниже рассматриваются основные результатыпредварительных исследований по созданию ЖРД НМ60.
ЖРД должен удовлетворять следующим основнымтребованиям:
а) удельный импульс в вакууме — 4346 Нсек/кг;
б) номинальная тяга в вакууме – 800 кН; с возможностьюдросселирования в полете до 600 кН;
в) перспективный уровень тяги в вакууме – 1300 кН.Данная тяга необходима для использования ЖРД на первой ступени перспективных РНи достигается увеличением давления в камере сгорания. Таким образом,первоначальная конфигурация с тягой 800 кН разрабатывается в условияхминимального технического риска;
г) длина и максимальный диаметр не более 4,0 и 2,4 м,соответственно, что обеспечивает безопасное разделение ступеней в полете. Вперспективе предполагается использовать выдвигаемый насадок сопла;
д) критическим на входе в насос окислителя принято избыточное давление 1,5 х 105 Па и в насос горючего 0,5 х 105 Па, что позволяет обойтись без преднасосов;
е) ЖРД должен допускать многократное использование.
В процессе предварительных исследованийрассматривались три схемы двигателя:
1) ЖРД с использованием на турбинепара водорода, полученного в тракте охлаждения, принципиальная схема которогопредставлена на рис.3, а; 2) ЖРД с дожиганием генераторного газа (рис.3в); 3)ЖРД без дожигания генераторного газа (рис.3б), где 1 – насос горючего; 2 –насос окислителя; 3 – турбина горючего; 4 – парообразный водород; 5 – турбинанасоса окислителя; 6 – газогенератор.
Принципиальными преимуществами ЖРД первой израссмотренных схем (рис.3, а) являются: простота, предельно низкая стоимостьпроизводства и относительной низкий уровень давления в насосах, необходимый длязаданного давления в камере сгорания. Тем не менее, предварительныеисследования показывают, что тепловой энергии, снятой со всей поверхностикамеры сгорания, включая сопло, не достаточно для подачи топлива в камерусгорания с давлением 100 х 105 Па.
На рис.3, в представлена схема ЖРД с дожиганиемгенераторного газа. Камера сгорания в этом случае питается двумя отдельнымитурбонасосами, работающими на газе, полученном в предкамере, объединенной стурбонасосом жидкого водорода. Для данной схемы ЖРД рассматривалиськонфигурации турбонасосов, подобные ЖРД ТКА Space Shuttle,но без преднасосов, что объясняется требованиями к двигателю. Камера сгораяимеет регенеративное охлаждение, для чего используется 20% топлива, а 6% егоидет на охлаждение сопла с последующим сбросом горячего пара.
На рис.4 приведен общий в ид ЖРД НМ60 с дожиганиемгенераторного газа (А) и без дожигания (В).
На рис.5 представлена принципиальная схема ЖРД бездожигания генераторного газа, где 1 – наддув окислителя; 2 – жидкий кислород;3 – турбонасос окислителя; 4 – магистраль гелия; 5 – система продувкимагистрали жидкого кислорода; 6 – система продувки магистрали жидкого водорода;7 – жидкий водород; 8 – турбонасос горючего; 9 – наддув бака горючего; 10 –клапан регулирования соотношения компонентов; 11 – пиротехническая системазапуска и раскручивания турбины; 12 – газогенератор; 13 – клапан продувкимагистрали жидкого кислорода; 14 – клапан продувки магистрали жидкого водорода;15 – система запуска; 16 – клапаны управления впрыском компонентов вгазогенератор; 17 – главный клапан окислителя; 18 – главный клапан горючего;19 – сопло, охлаждаемое жидким водородом с последующим его сбросом. Конструкцияи технология изготовления камеры сгорания данной схемы, как и схемы сдожиганием генераторного газа, аналогичны маршевому двигателю ТКА Space Shuttle (SSME). Основные характеристики двух анализируемых схем ЖРДприведены в табл.1, где также для сравнения даны характеристики маршевого ЖРДТКА Space Shuttle (SSME). Можно видеть, что для обеих схем уровни давленияниже, чем у SSME.
Таблица 1. Сравнениевариантов 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 6.0Камера 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 вдиапазоне от 900 кН (6) до 1300 кН, где по оси ординат отложен удельный импульс[х 9.81 Нсек/кг], по осиабсцисс – давление в камере сгорания [x 105 Па], 1 – теоретическийудельный импульс; 2 – двигатель с оптимальной степенью расширения (отношениеплощадей среза и критической части) с дожиганием генераторного газа; 3 –двигатель с дожиганием и с фиксированной степенью расширения; 4 – двигатель соптимальной степенью расширения без дожигания; 5 – двигатель без дожигания сфиксированной степенью расширения; 6 – номинальная тяга; 7 – максимальная тяга.
Уменьшение удельного импульса для двигателя бездожигания генераторного база объясняется увеличением необходимого количестваосновных компонентов топлива для газогенератора. Обе схемы двигателяоптимизированы при тяге равной 800 кН.
Для двигателя бездожигания разработка, включая создание стендов, потребует 7,5 лет и 8,75 летдля двигателя с дожиганием. Кроме того, ЖРД с дожиганием для уровня тяги800 кН имеет на 25% большую стоимость разработки и на 20) большую стоимостьизготовления. Имея ввиду степень технического риска и стоимостныехарактеристики, для ЖРД НМ60 была выбрана схема без дожигания генераторногогаза. В результате предварительных исследований были сформулированы новыетребования:
1) номинальная тяга в вакууме – 900 кН;
2) ЖРД должен дополнительно обеспечивать следующиефункции:
а) управление по каналам тангажа ирысканья, используя карданов подвес;
б) наддув топливных баков основнымикомпонентами;
в) обеспечение расхода 1 50кг/сек дляуправления по крену;
3) тяга и соотношение компонентов должны удовлетворятьпроектным и эксплуатационным органичениям, представленным на рис.7, где по осиординат 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 должноотдаваться вариантам с минимальной стоимостью производства;
5) обслуживание ЖРД должно предполагать использованиеего на многоразовых РН;
6) двигатель должен использоваться для пилотируемыхполетов с минимальной модификацией.
Старт турбин и воспламенение вгазогенераторе и камере сгорания осуществляется пиротехнической системой,аналогичной ЖРД НМ7
Ариан-I. Соотношение компонентов регулируется клапаном,управляющим подачей газа на турбину окислителя. Тяга ЖРД и соотношениекомпонентов в газогенераторе регулируется клапаном, управляющим подачейкомпонентов в газогенератор. Проверки и контроль работы осуществляется ЭВМдвигателя и топливных баков. Основные характеристики двигателя даны в табл.2.
Турбонасос окислителя (рис.8) состоит из осевого преднасоса, одноступенчатого центробежного насоса и реактивнойтурбины. Преднасос и крыльчатка центробежного насоса и реактивной турбины.Преднасос и крыльчатка центробежного насоса выполнены из алюминиевого сплава,турбина из сплава INCO 718.
Таблица2. 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 6,0Давление 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 248Расход 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 3002Подшипники насоса смазываются жидкимкислородом, а подшипники турбины – жидким водородом. Герметизация достигаетсядинамическими уплотнителями типа плавающих колец и наддувом гелием.Дистанционно управляемый уплотнитель служит для предупреждения просачиванияжидкого водорода в процессе захолаживания перед стартом. Осевые нагрузки компенсируютсярегулированием потока жидкого кислорода к задней части крыльчатки. Основныехарактеристики турбонасоса кислорода даны в таблице 3.
Турбонасос водорода (рис.9) состоит изосевого преднасоса,
двухступенчатого центробежного насоса и двухступенчатойтурбины. Подшипники вала расположены вне секций насоса и турбины, для обеспечения приемлемой величины DN (диаметр х скорость вращения). Все подшипникисмазываются жидким водородом. Система компенсации осевых нагрузок объединена совторой крыльчаткой центробежного насоса. Преднасос выполнен из алюминиевогосплава, крыльчатки из титанового сплава ТА5Е-ЕLI, турбина ивал из INCO 718. Характеристики насоса жидкого водорода приведены втабл.3.
Таблица 3. Характеристики турбонасосов
Окислителя (02ж)
Горючего (Н2ж)
Частота вращения, мин-1
14500 37900 Массовый расход, кг/с 173,4 34,07Давление на выходе, х 105 Па
125,7 150,5 Мощность на валу, кВт 2331 8680Критическое значение избыточного давления, х 105 Па
1,5 0,42Насос:
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 – форсуночнаяголовка; 4 – камера сгорания; 5 – основной сопловой блок; 6 – сопло большойстепени 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 расширениясопла. 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 ЖРДприведены также в табл.4.
На рис.12 представлена конструкцияфорсуночной головки, где 1 – подача жидкого кислорода; 2 – канал подачи жидкогокислорода; 3 – подача газообразного водорода; 4 – пористая пластина; 5 –форсунки;
Таблица 4.
J2S RL10 SSME HM7A HM7B HM60 Тяга, кН 1060 69 2090 60 60 860Давление 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 44396 – перегородки гашения высокочастотных колебаний.Форсуночная головка содержит 516 форсунок, собранных на пористой плате, котораяохлаждается выпотеванием водорода. Сравнение с другими криогенными форсуночнымиголовками КС дано в табл.5. Перегородки гашения высокочастотных колебаний вКС образованы удлиненными форсунками. Конструкция камеры сгорания ЖРД НМ:)представлена на рис.13, где 1 - полости, предназначенные для повышенияустойчивости горения; 2 – выходной трубопровод водорода; 3 – внутренняя стенкаКС; 4 – никелевая оболочка КС; 5 – выходной трубопровод водорода; 6 – подачажидкого водорода. КС содержит сужающуюся часть (отношение площадей равно 5,8)регенеративно охлаждаемую водородом. Внутренняя часть КС, выполненная измедного сплава, имеет каналы охлаждения, которые закрыты никелевой оболочной.Трубопроводы выполнены из сплава INCONEL и сварены с никелевым корпусом. Основныехарактеристики КС даны в табл.6 в сравнении с другими криогенными КС.
Таблица 5. Характеристики форсуночной головки и камерысгорания
J2S RL10 SSME HM7 MBB HM60Форсуночная 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 жидкоговодорода; 3 – штуцеры датчиков температуры и давления. Давление в ГГ составляет77 х 105 Па, температура – 910 К, соотношение компонентов – 0,9,массовый расход – 7,08 кг/сек.
Форсуночная головка ГГ имеет 120форсунок. Воспламенение осуществляется пиротехническим воспламенителем,расположенным в центре головки. ГГ охлаждается жидким водородом, проходящиммежду стенками, и впрыскиваемым затем в ГГ. Для уменьшения нестабильностигорения рядом с распылительной головкой имеются акустические полости.
Клапаны управления и рулевые машинки имеютгидравлический привод. Гидравлический насос смонтирован на оси трубонасосаокислителя. Остальные клапаны работают на гелии под давлением 23 х 105 Па.
Сравнение двигателя НМ60 с другимикислородно-водородными ЖРД дается в таблице 6.
Таблица 6.
SSME НМ7А НМ7В LE-5 НМ60 J2 J2S RL6-10 AЗ-3Тяга 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
Списоклитературы:1. Астронавтика и ракетодинамика,выпуск 18 за 1985 год
2. Астронавтика и ракетодинамика,выпуск 25 за 1986 год