4.3. Этапы запуска двигателя

В общем случае запуск ЖРД протекает в три последовательных этапа.

Подготовка к запуску ЖРД, состоящая из следующих операций:

1. предварительный наддув баков;

2. заполнение топливом трубопроводов до насосов и самих насосов;

3. продувка инертным газом (азотом или гелием) трубопроводов за главными клапанами О и Г, полостей КС и ЖГГ.

Включение системы подачи топлива, состоящее из следующих операций:

1. раскрутка ТНА;

2. включение в работу ЖГГ;

3. открытие главных клапанов О и Г.

Последовательность поступления О и Г в КС и ЖГГ (так называемое опережение компонентов) строго индивидуальна для каждой схемы ЖРД и задается циклограммой.

Включение камеры ЖРД, состоящее из следующих операций:

1. заполнение топливом трубопроводов и КС за отсечными клапанами О и Г; топливо в КС поступает с некоторым опережением одного компонента по отношению к другому;

2. включение системы зажигания топлива, при этом начинает повышаться давление в камере сгорания и последовательно устанавливаются промежуточный и основной режимы работы двигателя.

Это наиболее общая схема запуска двигателя, работающего на несамовоспламеняющихся компонентах топлива.

Примечание. В других случаях процесс запуска может несколько отличаться от указанного выше. Различия могут быть следующими.

1. Предварительный наддув баков может осуществляться заранее (до запуска ЖРД) при подготовке ЛА к старту.

2. При запуске двигателя в пустоте вместе с наддувом баков могут включаться двигатели твердого топлива для создания продольного ускорения, что улучшает работу заборных устройств в баках ЛА.

3. Для некриогенных компонентов не применяется захолаживание.

4. Для самовоспламеняющихся топлив не применяется система зажигания.

5. Иногда исключают предварительную продувку полостей за главными клапанами О и Г.

6. Для двигателей небольшой тяги ( ) совмещают операции заполнения полостей ТНА и раскрутку ТНА (пушечный запуск ЖРД).

7. Двигатели большой тяги ( ), и особенно мощные двигатели ЖРД ( ), запускают на режим полной номинальной тяги через несколько промежуточных ступеней или непрерывно, но плавно, с растяжкой по времени до 4–5 с, что регулируется подаваемым в КС расходом топлива.

8. Наддув баков может осуществляться от специальных наддувных ЖГГ. В этом случае на втором этапе запуска вводится операция по включению в работу этих ЖГГ.

9. Отличаются в большей или меньшей степени запуски двигателей с дожиганием и без дожигания генераторного газа.

Заключение. Порядок запуска каждого двигателя имеет свои индивидуальные особенности. Схема запуска проектируется и отрабатывается для каждого типа двигателя. Тем не менее все три этапа запуска непременно присутствуют, и поэтому они являются основными.

4.4. Останов двигателя

Система выключения ЖРД должна обеспечивать:

• наиболее полную выработку компонентов топлива;

• малый импульс последействия;

• плавность выключения;

• возможность использования двигателя после его стендового испытания;

• аварийное выключение двигателя;

• многократное выключение для ЖРД с многократным включением.

Выработка компонентов топлива. Обеспечить одновременную полную выработку обоих компонентов топлива весьма сложно. Поэтому применяют такой порядок выключения двигателя, при котором полностью вырабатывается один из компонентов топлива (обычно окислитель). Двигатель выключается при избытке горючего по сигналу о полной выработке окислителя. Сигнал на выключение выдает сигнализатор, свидетельствующий об уменьшении давления на выходе из насоса окислителя, или датчик остатков топлива, установленный в баке О. Некоторые двигатели (ЖРД зенитных управляемых ракет, метеорологических ракет) работают до полной выработки компонентов топлива и не нуждаются в системе выключения.

Импульс последействия. С увеличением импульса последействия возрастает абсолютная величина его разброса. Это увеличивает погрешность конечной скорости ракеты, а следовательно, погрешность попадания в цель, погрешность вывода на орбиту спутника и т.д.

Плавность выключения. Плавность выключения двигателя зависит от последовательности закрытия отсечных клапанов. Команду на их закрытие можно подавать как одновременно, так и в различные моменты времени. Время выключения двигателя (спада тяги) обычно невелико, не более 2–3 с; оно определяется временем закрытия отсечных клапанов.

При выключении двигателя отсечные клапаны после закрытия должны быть герметичными по седлу. В противном случае компоненты топлива просачиваются через клапаны, и это может вызвать взрыв КС.

При выключении кислородных ЖРД полости КС и ЖГГ продуваются инертным газом (азотом, гелием). Продувка особенно необходима для ЖРД с повторным или многократным включением. Остатки горючего при повторном включении могут приводить к взрыву КС или недопустимым забросам температуры в ЖГГ (в результате могут повреждаться лопатки турбин).

При выключении ЖРД с насосной подачей топлива, кроме закрытия главных отсечных клапанов О и Г, должны подаваться команды на закрытие отсечных клапанов питания ЖГГ.

Типы выключения двигателя

• Нормальное, предусматриваемое программой системы управления. Двигатель последней ступени баллистической ракеты или ракеты-носителя выключается после достижения заданной скорости в конце активного участка траектории.

• Аварийное. Выключение производится системой обнаружения аварийных ситуаций, которая с помощью датчиков измеряет параметры траектории полета, виброускорение, давление в КС, пульсации в топливных магистралях, число оборотов ТНА и т.д. Отклонение от нормы в показаниях датчиков принимается за аварийную ситуацию.

• Ручное. Выключение производится оператором при стендовых испытаниях двигателя или членом экипажа космического корабля (для полетных режимов).

• Автоматическое. Как нормальное, так и аварийное выключение чаще всего осуществляется автоматически. Система выключения должна обладать высокой надежностью, чтобы исключить возможность выключения нормально запускающегося или нормально работающего двигателя.

Параметры останова двигателя. Останов двигателя характеризуется следующими параметрами:

• время останова – это время с момента подачи команды на останов до полного прекращения горения топлива в КС;

• импульс последействия – это импульс тяги, создаваемый двигателем на режиме останова;

• разброс импульса последействия на режиме останова – представляет собой отклонение импульса последействия от его среднего номинального значения.

Характеристики запуска двигателя, а также время останова, импульс последействия и его разброс, строго регламентируются техническим заданием на проектирование двигателя.

Этапы останова двигателя. Останов двигателя в общем случае происходит в два этапа.

Подготовительный этап. В этот период выполняются следующие операции:

1. двигатель переводится на пониженный режим тяги;

2. выключается подача топлива в ЖГГ;

3. выключается наддув баков;

4. прекращается подача топлива в КС;

5. закрываются входные клапаны перед ТНА;

6. включается продувка полостей ТНА.

Завершающий этап останова. На этом этапе осуществляются следующие операции:

1. продувка инертным газом полостей за отсечными клапанами двигателя; одновременно открываются дренажные клапаны слива топлива из продуваемых полостей;

2. догорание топлива в КС, поступающего под давлением продувки из полостей и трубопроводов, расположенных за отсечными клапанами О и Г;

3. полное опорожнение объема КС от продуктов сгорания и исчезновение тяги. Двигатель полностью остановлен.

Примечание. Последовательность и содержание операций останова реальных ЖРД могут в той или иной степени отличаться в зависимости от схемы ЖРД. Различия могут быть следующими.

1. В двигателях малой тяги ( ) может отсутствовать операция по переводу ЖРД на пониженную тягу. В этом случае останов двигателя происходит на полной тяге.

2. Могут отсутствовать операции продувки и дренажа полостей ТНА, если после останова двигателя ступень ракеты сразу отделяется.

3. Могут отсутствовать операции продувки полостей за главными клапанами О и Г, если импульс последействия и его разброс не имеют большого значения.

4. Могут быть и другие отличия.