4.6. Зажигание и воспламенение компонентов топлива

Воспламенение компонентов, поступающих в КС и ЖГГ – ответственный момент пуска двигателя. Особенно усложняется организация воспламенения несамовоспламеняющихся компонентов топлива и двигателей многократного включения. В этом случае воспламенение обеспечивается так называемым блоком зажигания, который включается в состав двигателя.

«Задержка воспламенения». Главной характеристикой воспламенения является «задержка воспламенения» – это время от момента контакта обоих компонентов в КС до момента распространения пламени по всему объему КС. За время в КС (ЖГГ) успевает натечь определенное количество топлива, которое начинает интенсивно выгорать.

«Задержка воспламенения» во многом определяет характер запуска двигателя: «жесткий» или «мягкий». Чем меньше , тем меньше успевает натечь в КС и ЖГГ компонентов топлива до их воспламенения и тем «мягче» запуск двигателя.

Значение величины зависит от следующих факторов:

1. химической активности компонентов; чем активнее компоненты, тем меньше ;

2. характера смешения в камере первых порций топлива; чем ближе в первых порциях топлива к единице, тем меньше ;

3. от опережения поступления одного из компонентов в КС и ЖГГ;

4. от температуры первых порций компонентов и давления в полости КС и ЖГГ в момент запуска; чем меньше температура и давление, тем больше и тем «жестче» запуск двигателя.

По этой причине экспериментальной отработке зажигания двигателя уделяется огромное внимание. При доводке нового двигателя строгой регламентации и отработке подвергается схема опережения поступления О и Г в камеру сгорания, процессы втекания компонентов через форсунки, первичное перемешивание, температура компонентов, давление в КС в период запуска и т.д. Система зажигания должна вступать в работу до поступления компонентов топлива в КС и ЖГГ. Для этого применяют блокировку, которая делает невозможным поступление топлива в КС и ЖГГ, если система зажигания не срабатывает.

Система блокировки исключает старт ракеты с одним неработающим двигателем в многокамерной ДУ.

Способы зажигания несамовоспламеняющихся компонентов топлива

Химическое зажигание. Имеются две схемы конструктивного исполнения этого метода.

Схема 1. В трубопроводе горючего перед КС выделяется («врезается») объем, отделяемый прорывными мембранами от остальной части трубопровода. Этот объем заполняется пусковым горючим. Пусковое горючее – это горючее, которое дает самовоспламеняющуюся смесь с окислителем, используемым в двигателе.

При открытии главного клапана Г пусковое горючее устремляется по трубопроводу и заполняет его. При определенном давлении в магистрали Г последовательно разрываются обе мембраны, и пусковое горючее первым поступает в КС и там самовоспламеняется с окислителем. Поступающий следом расход основного горючего и окислителя поджигается пусковым факелом, образованным в КС.

Эта схема достаточно надежна, может использоваться для зажигания в двигателях малых и больших тяг. Основной ее недостаток – одноразовость запуска.

Схема 2 (рис. 4.4). В составе двигателя имеется специальная пусковая система. Она состоит из бачка с пусковым горючим, системы подачи и трубопровода с клапанами. Трубопровод соединяют со специальной пусковой двухкомпонентной форсункой, расположенной на смесительной головке.

При запуске двигателя с открытием главного клапана О открывается и клапан подачи пускового горючего в пусковую форсунку. При соединении О с пусковым горючим происходит образование – запального факела. При поступлении в камеру основного горючего, оно воспламеняется от запального факела. После того, как КС выходит на рабочий режим, подача пускового горючего прекращается, а пусковая форсунка переключается на питание основным горючим.

Схема запуска надежна, позволяет осуществлять многократный запуск в полете. По такой схеме запускаются многие двигатели, например, двигатель F–1 РН «Сатурн–5».

Рис. 4.4. Схемы химического зажигания (а – одноразовая; б – многоразовая): 1 – капсула с самовоспламеняющимся компонентом с данным окислителем; 2 – газовый аккумулятор давления; 3 – пусковая форсунка

Пиротехническое зажигание. Это зажигание может выполняться по двум конструктивным схемам.

Схема 1 (рис. 4.5 а, б). В КС со стороны сопла вводится пирозапальное устройство (ПЗУ). Оно состоит из штанги, на конце которой располагается твердотопливный заряд. Для двигателей первой ступени РН ПЗУ располагается непосредственно на стартовом столе, а для двигателей верхних ступеней ПЗУ может укрепляться на заглушке сопла.

Схема 2 (рис. 4.5 в). ПЗУ представляет собой специальную пирозапальную камеру, в которой размещается пиротехнический заряд. Такие камеры располагают с внешней стороны на КС или ЖГГ. Для надежности зажигания их устанавливают по 2–3 штуки.

При запуске двигателя в обеих схемах после включения зажигания в КС и ЖГГ образуется мощный факел из продуктов сгорания пиротехнического заряда. Этот факел воспламеняет смесь основных компонентов, поступающих через смесительную головку.

Пиротехническое зажигание надежно, отличается простотой. Электрическая мощность, необходимая для срабатывания пиропатронов, невелика. Однако такая система зажигания требует повышенной предосторожности во избежание случайного срабатывания при регламентных проверках заправленной ракеты.

Главный недостаток – однократность запуска. По этой схеме запускается многокамерная ДУ РН «Восток».

Рис. 4.5. Пиротехнические схемы зажигания. Расположение пирозапального устройства: а) на стартовом столе; б) на сопловой заглушке; в) на корпусе камеры сгорания и на корпусе ЖГГ

Электроискровое зажигание. Инициатором воспламенения топлива служит пусковая электрическая свеча. Схема используется преимущественно при запуске кислородо-водородных двигателей.

В центре смесительной головки помещают гнездо, в котором располагают запальный блок (рис. 4.6). Однако есть конструкции, в которых запальный блок устанавливают сбоку КС или ЖГГ.

Запальный блок представляет собой форкамеру, в которую через форсунки поступают газообразные пусковые компоненты (кислород + водород). Пусковые порции топлива поджигаются электроискровой свечой, устанавливаемой в камере пускового блока. Запальный факел надежно воспламеняет основные жидкие компоненты, поступающие через форсунки смесительной головки. Такое зажигание используется в двигателе SSME американского транспортного корабля «Спейс шаттл». Система электрического зажигания допускает многократное включение, может быть использована после длительного хранения двигателя, она достаточно проста и безопасна.

Рис. 4.6. Электроискровое зажигание: 1 – трубопроводы подачи пусковых газообразных компонентов (кислорода и водорода и др.); 2 – запальный блок; 3 – электроискровая свеча; 4 – смесительная головка камеры сгорания

Недостатки электроискрового зажигания:

1. размеры инициатора воспламенения (искры) малы;

2. требуется запас пусковых газообразных компонентов;

3. требуется мощный источник электропитания;

4. контактные свечи могут загрязняться и давать короткое замыкание, а также быстро обгорать.