Проектирование пневмогидросистемы первой ступени баллистической ракеты

в конце работы 1-й ступени.

где - суммарные потери давления.

где ,

где ;

где - высота остатков незабора.

3) Условие отсутствия кавитации на заборном устройстве в конце работы ДУ.

где ,

где ;

-потери давления на сифонном заборном устройстве:

где - коэффициент местного сопротивления для сифона

- кавитационный запас, выбирается из диапазона

Принимаем: .

Из 3-х выбираем максимальное значение: .

Максимальное давление в подушке бака горючего:

;

где – разница между максимальным и минимальным давлениями; обычно

. Принимаем .

Номинальное давление в подушке бака горючего:

5.1.2 Расчёт “холодной” системы наддува для бака горючего

Потребный объём аккумулятора давления:

где – коэффициент запаса;

– коэффициент адиабаты азота;

– начальное давление в аккумуляторе давления. Выбирается из диапазона

. Принимаем ;

– конечное давление в аккумуляторе давления.

Радиус шарбаллона:

Толщина стенки шарбаллона:

;

где – коэффициент запаса;

- предел прочности для титанового сплава ВТ6.

Внешний объём шарбаллона:

Объём оболочки шарбаллона:

Масса конструкции шарбаллона (включая массу дополнительных устройств и элементов крепления):

Масса рабочего тела (азота):

где – газовая постоянная для азота;

– температура газа наддува.

Масса «холодной» системы наддува для бака горючего:

5.1.3 Расчёт “холодной” системы наддува с подогревом для бака горючего

Потребный объём аккумулятора давления:

где – температура входа газа наддува в бак.

Радиус шарбаллона:

Толщина стенки шарбаллона:

Внешний объём шарбаллона:

Объём оболочки шарбаллона:

Масса конструкции шарбаллона (включая массу дополнительных устройств и элементов крепежа):

Масса рабочего тела (азота):

Масса “холодной” системы наддува с подогревом для бака горючего:

5.1.4 Определение давления в газовой подушке бака окислителя

Расчёт минимального давления

Значения определяется по трём условиям.

1) Условие бескавитационной работы насоса окислителя в момент старта.

где ;

где - скорость течения компонента в магистрали;

- высота столба жидкости.

2) Условие бескавитационной работы насоса окислителя в конце работы 1-й ступени.

где ;

где ; [2]

где - высота остатков незабора.

3) Условие отсутствия кавитации на заборном устройстве в конце работы ДУ.

где ,

;

-потери давления на тарельчатом заборном устройстве:

где - коэффициент местного сопротивления для тарели.

Из 3-х выбираем максимальное значение: .

Максимальное давление в подушке бака окислителя:

;

где .

Номинальное давление в подушке бака окислителя:

5.1.5 Расчёт “холодной” системы наддува для бака окислителя

Потребный объём аккумулятора давления:

где – конечное давление в аккумуляторе давления.

Радиус шарбаллона:

Толщина стенки шарбаллона:

Внешний объём шарбаллона:

Объём оболочки шарбаллона:

Масса конструкции шарбаллона (включая массу дополнительных устройств и элементов крепежа):

Масса рабочего тела (азота):

где – газовая постоянная для азота;

– температура газа наддува.

Масса «холодной» системы наддува для бака горючего:

5.1.6 Расчёт “холодной” системы наддува с подогревом для бака окислителя

Потребный объём аккумулятора давления:

где – температура входа газа наддува в бак.

Радиус шарбаллона:

Толщина стенки шарбаллона:

Внешний объём шарбаллона:

Объём оболочки шарбаллона:

Масса конструкции шарбаллона (включая массу дополнительных устройств и элементов крепежа):

Масса рабочего тела (азота):

Масса “холодной” системы наддува с подогревом для бака горючего:

5.2 Оценочный расчёт массы и габаритов “горячей” системы наддува

Выполнение расчёта

5.2.1 Бак горючего

Бак горючего надувается отобранным после турбины «мятым» газом от основного газогенератора.

Для определения массы конструкции горячей системы наддува существует эмпирическая зависимость:

Принимаем:.

где – масса рабочего тела:

;

– эффективная работоспособность газа, при определяется по формуле:

где .

5.2.2 Бак окислителя

Бак окислителя надувается основным компонентом топлива (кислородом), прошедшем через теплообменник.

;

– эффективная работоспособность кислорода при :

Вывод:

Масса холодной системы наддува для обоих баков:

Масса холодной системы наддува с подогревом газа для обоих баков:

Масса горячей системы наддува:

Как видно из результатов расчёта «холодная» система наддува даже с подогревом газа имеет значительную массу и размеры. Поэтому будем использовать «горячую» систему наддува:

для горючего - от основного ЖГГ с отбором газа до турбины;

для окислителя – с отбором части компонента после насоса и его испарением в теплообменнике.

6. Описание схемы ПГС и её работа на всех этапах функционирования

6.1 Описание схемы ПГС

ПГС – совокупность пневмогидравлических устройств ЖРДУ, состоящих из ПГС одного или нескольких ЖРД, топливных баков (ТБ), расходных магистралей, вспомогательных устройств и систем, обеспечивающих заправку ТБ компонентами топлива (КТ), зарядку аккумуляторов давления, хранения рабочих продуктов без изменения их свойств в заданном диапазоне параметров, предпусковой и основной наддувы баков, непрерывную подачу КТ в КС ДУ, работу агрегатов автоматики и регулирования в соответствии с циклограммой работы и программой полёта.

ПГС включает в себя следующие комплексные системы:

- топливная система - совокупность пневмогидравлических устройств, обеспечивающих хранение КТ, питание КТ ЖРД для их нормального функционирования при старте и в полёте. В неё входят баки окислителя и горючего (БО, БГ), газогенератор (ЖГГ), насосы окислителя и горючего (НО, НГ), расходные магистрали с электропневмоклапанами (ЭПК) и дросселями (Д).

- система заправки - совокупность устройств, обеспечивающих заправку, насыщение газом, дозаправку, слив и повторную заправку КТ. В неё входят магистрали 106, 107 с заправочно-сливными клапанами ЗСК1 и ЗСК2, а также ЭПК7 и Д12.

- система предварительного наддува - совокупность устройств, обеспечивающих наддув (поднаддув) ТБ до выхода на режим системы основного наддува. Состоит из магистралей 104, 105. БО надувается подогретым кислородом, а БГ – воздухом.

- система основного наддува - совокупность устройств, обеспечивающих наддув ТБ при работающей ДУ. Наддув БГ производится газом, отобранным до турбины. Система основного наддува БГ включает в себя обратный клапан КО1 и дроссель Д1. Наддув БО производится КТ (кислородом), прошедшим через испаритель И. Система основного наддува БО включает в себя КО2 и Д6.

- система пневмоуправления агрегатами состоит из бортбаллона ББ1, магистралей подвода управляющего давления 101, 102, 103.

- система регулирования кажущейся скорости (РКС) - совокупность устройств, обеспечивающих конечные параметры ЛА в конце активного участка траектории (АУТ) за счёт изменения тяги ДУ. РКС состоит из дросселей Д2 и Д3, регулирующих по командам системы управления подачу КТ в ЖГГ.

- система одновременного опорожнения баков (СОБ) - обеспечивает одновременное израсходование КТ из баков к моменту выключения двигателя путем изменения в допустимых пределах коэффициента соотношения КТ (). Система включает в себя два датчика ДСОБ1 и ДСОБ2. Регулирование коэффициента осуществляется с помощью регулируемых дросселей Д5 и Д8.

- система контроля уровня – предназначена для дистанционного измерения уровней КТ в ТБ и выдачи командных сигналов на заправочные средства. Состоит из датчиков ДСКУ1 и ДСКУ2, размещённых на верхних днищах ТБ.

6.2 Описание работы ПГС

6.2.1 Подготовка ракеты к запуску

Подготовка ракеты к заправке

Перед заправкой ракеты в пневмомагистрали 101, 102 и 103 подаётся сжатый воздух. Затем подаётся напряжение на нормально закрытые электропневмоклапаны ЭПК8 и ЭПК10, вследствие чего они открываются и сжатый воздух через фильтры Ф1, Ф3 и дроссели Д7, Д15 поступает к дренажно-предохранительным клапанам ДПК1 и ДПК2. Под воздействием сжатого воздуха ДПК1 и ДПК2 открываются, обеспечивая дренаж находящегося в ТБ газа в атмосферу. Поданный по пневмомагистрали 101 сжатый воздух, проходя через дроссель Д10 открывает заправочно-сливной клапан ЗСК1.

Заправка ракеты топливом

Так как один из КТ (окислитель) является криогенным, то предварительно нужно произвести захолаживание БО и подводящих трубопроводов. Для этого подаётся напряжение на нормально закрытые ЭПК 15 и ЭПК 7, вследствие чего они открываются, и окислитель в определённом количестве поступает в бак по магистрали 106. После чего с ЭПК7 и ЭПК15 снимается напряжение и они закрываются.

Подаётся напряжение на нормально закрытый ЭПК9, вследствие чего он открывается, и сжатый воздух, проходя по пневмомагистрали 102 через фильтр Ф2 и дроссель Д11, открывает ЗСК2.

После открытия ЗСК2 начинается подача КТ в линии 106 и 107. Подаётся напряжение на нормально закрытые ЭПК15 и ЭПК16, после чего они открываются и КТ, проходя через ЭПК15, ЭПК16, ЗСК1 и ЗСК2, поступают в баки ракеты.

Для измерения уровня КТ в ТБ при заправке используются датчики системы контроля уровня ДСКУ1 и ДСКУ2. После подачи сигналов датчиками СКУ снимается напряжение с электропневмоклапанов ЭПК15 и ЭПК16 (клапаны закрываются) – прекращается поступление КТ в ТБ. Одновременно со снятием напряжения с ЭПК15 и ЭПК16, снимается напряжение с ЭПК8, ЭПК9 и ЭПК10 – клапаны закрываются; прекращается поступление сжатого воздуха к ЗСК1, ЗСК2, ДПК1 и ДПК2, что приводит к их закрытию. Заправка завершена.

Зарядка бортбаллона

Зарядка бортбаллона производится после подачи напряжения на нормально закрытый ЭПК13, при этом клапан открывается. Сжатый воздух по пневмомагистрали 108 нагнетается в ББ1 через обратный клапан КО5. Величина давления в бортбаллоне контролируется датчиком давления ДД5. При превышении давлением допустимой величины открывается предохранительный клапан ЭПК18 и воздух стравливается в атмосферу. При достижении давлением заданной величины напряжение с ЭПК13 снимается и он закрывается. Зарядка бортбаллона завершена.

Предварительный наддув баков

Осуществляется по пневмомагистралям 104 и 105. Наддув БГ производится подогретым воздухом, а БО – подогретым кислородом.

Напряжение подаётся на нормально закрытые ЭПК11 и ЭПК12, они открываются и газ наддува через дроссели Д13 и Д14 подаётся в баки. Давления газов наддува в магистралях контролируется датчиками давления ДД6 и ДД7. При достижении необходимого давления в газовых подушках ТБ, датчики ДД6 и ДД7 подают команду на прекращение подачи газа. Для этого снимается напряжение с ЭПК11 и ЭПК12. Предварительный наддув баков произведён.

6.2.2 Запуск двигателя

Запуск двигателя на предварительную ступень

Подаётся напряжение на пиромембраны ПМ1 и ПМ2 (происходит их прорыв), одновременно с этим подаётся напряжение на нормально закрытые клапаны предварительной ступени ЭПК1 и ЭПК6 (они открываются), а также на пороховой газогенератор ПГГ. Давление пороховых газов от ПГГ воздействует на лопатки турбинного колеса, вследствие чего происходит раскрутка ротора ТНА и одновременная подача КТ под действием гидростатического давления и давления наддува в насосы. Часть КТ начинает поступать через нормально открытые клапаны ЭПК3 и ЭПК4, дроссели Д2 и Д3 в жидкостный газогенератор ЖГГ, где воспламеняется пиропатроном ПП1. Другая часть КТ поступает через ЭПК1, Д4, Д5 и ЭПК6, Д9, Д8 в КС ДУ, где воспламеняется с помощью пиропатронов ПП2 – ПП5.

Запуск двигателя на режим главной ступени

После достижения в камерах сгорания устойчивого горения КТ и заданного давления, которое контролируется датчиками давлений ДД1 – ДД4, подается напряжение на нормально закрытые клапаны ЭПК2 и ЭПК5, клапаны открываются. Сжатый воздух из бортбаллона ББ1 поступает к главным клапанам ГКО и ГКГ. Двигатель переключается на режим главной ступени.

6.2.3 Работа ПГС в полёте

В полёте наддув ТБ осуществляется следующим образом. После НО часть компонента идёт через дроссель Д15 в испаритель И, где газифицируется, и далее по трубопроводу через дроссель Д6 и обратный клапан КО2 поступает в бак окислителя. Бак горючего надувается газом, отбираемым перед турбиной и проходящим через дроссель Д1 и КО1.

Давление наддува в баках контролируется с помощью датчиков давления ДД6 и ДД7, которые подают сигнал на открытие ДПК1 и ДПК2 в случае превышения заданного давления газа наддува.

Регулирование тяги ДУ осуществляется системой РКС путём использования регулируемых дросселей Д2 и Д3.

Работа СОБ обеспечивается датчиками ДСОБ1, ДСОБ2 и регулируемыми дросселями Д5, Д8.

6.2.4 Выключение ДУ

Будем использовать двухступенчатое выключение ДУ, при котором двигатель переводится сначала на режим пониженной тяги.

Режим пониженной тяги

После подачи команды на останов двигателя регулируемые дроссели Д3, Д2 переводятся на пониженный расход КТ. Скорость вращения ротора ТНА уменьшается, следовательно, уменьшается количество КТ, подаваемых в КС двигателя и ЖГГ, падает давление в газовых подушках БО и БГ. Это приводит к уменьшению тяги, развиваемой ДУ.

Останов двигателя

Для окончательного выключения ДУ подаётся напряжение для закрытия нормально открытых клапанов ЭПК3 и ЭПК4. Подача компонентов в ЖГГ прекращается, следовательно, прекращается и наддув баков, что ведёт к уменьшению количества топлива, поступающего в КС ДУ.

Одновременно с закрытием клапанов ЭПК3 и ЭПК4 подаётся напряжение на нормально закрытый клапан ЭПК18, вследствие чего он открывается. Воздух из бортбаллона ББ1, магистралей управления главными клапанами (ГКО и ГКГ) стравливается за борт ракеты. ГКО и ГКГ закрываются. Снимается напряжение с ЭПК2 и ЭПК5, вследствие чего они закрываются.

Двигатель ступени остановлен.

6.2.5 Аварийный режим работы ПГС

Выключение двигателя на аварийном режиме происходит одноступенчато.

Если в камерах сгорания на старте не образуется устойчивое горение, то происходит одновременное закрытие клапанов ЭПК3, ЭПК4, ЭПК1, ЭПК6 и открытие клапанов ЭПК18, ДПК1, ДПК2. Таким образом, происходит одноступенчатое выключение двигателя и стравливание воздуха из бортовых ёмкостей.

При аварийном режиме в полёте необходимо подать напряжение на предохранительный клапан ЭПК18, чтобы стравить давление из бортбаллона ББ1, а также на ДПК1, ДПК2. При аварийном (одноступенчатом) выключении одновременно обесточиваются ЭПК3 и ЭПК4.

7. Выбор диаметров трубопроводов окислителя и горючего

Исходные данные:

Полная высота бака горючего ;