Кислородно-водородный ЖРД НМ60

Требования, выдвигаемые при разработке ракетного двигателя Схемы двигателя Сравнение вариантов ЖРД НМ60 и ЖРД SSME Характеристики ЖРД ПМ 60 после доработки Основные параметры турбонасосов Характеристики КС ЖРД Форсуточная головка и камера сгорания Сравнение двигителя НМ60 с другим ЖРД Список литературы

При разработке ракетного двигателя следует учитывать, что он должен удовлетворять ряду выдвинутых требований, среди которых: 1. удельный импульс в вакууме - 4346 Нсек/кг; 2.номинальная тяга в вакууме – 800 кН; с возможностью дросселирования в полете до 600 кН; 3. перспективный уровень тяги в вакууме – 1300 кН. Данная тяга необходима для использования ЖРД на первой ступени перспективных

РН и достигается увеличением давления в камере сгорания. Таким образом, первоначальная конфигурация с тягой 800 кН разрабатывается в условиях минимального технического риска; 4. длина и максимальный диаметр не более 4,0 и 2,4 м, соответственно, что обеспечивает безопасное разделение ступеней в полете. В перспективе предполагается использовать выдвигаемый насадок сопла; 5.критическим на входе в насос окислителя принято избыточное давление 1,5 х 10 5

Па и в насос горючего 0,5 х 10 5 Па, что позволяет обойтись без преднасосов; 6. ЖРД должен допускать многократное использование. Для выявления потенциальных технических проблем, начиная с 1978 года проводились предварительные исследования кислородно-водородного ЖРД с тягой 500 кН. В 1980 году было принято решение о разработке семейства РН Ариан-5 (рис.1), на которой предполагается использование разгонных блоков первой ступени

РН Ариан-4 и нового кислородно-водородного блока Н60 (рис.2) на второй ступени. На рис.1 под каждой модификацией РН указана ее грузоподъемность (кг) и соответствующая орбита: LEO – низкая околоземная; GTO – переходная к стационарной. Предварительные исследования по двигателю блока были начаты в 1981 году. Разработку планировалось начать в 1984 году, а закончить в 1991 году с тем, чтобы первый пуск

Ариан-5 осуществить в 1993-1994 году. Исследования, проводимые в Европе в области ракет-носителей, показывают необходимость разработки кислородно-водородного двигателя большой тяги для эксплуатации в 90-годы. Ниже рассматриваются основные результаты предварительных исследований по созданию ЖРД НМ60. В процессе предварительных исследований рассматривались три схемы двигателя: 1.ЖРД с использованием на турбине пара водорода, полученного в тракте 2.ЖРД с дожиганием генераторного

газа; 3. ЖРД без дожигания генераторного газа Принципиальными преимуществами ЖРД первой из рассмотренных схем являются: простота, предельно низкая стоимость производства и относительной низкий уровень давления в насосах, необходимый для заданного давления в камере сгорания. Тем не менее, предварительные исследования показывают, что тепловой энергии, снятой со всей поверхности камеры сгорания, включая сопло, не достаточно для подачи топлива в камеру сгорания с давлением 100 х 10 5

Па. В схеме ЖРД с дожиганием генераторного газа, камера сгорания питается двумя отдельными турбонасосами, работающими на газе, полученном в предкамере, объединенной с турбонасосом жидкого водорода. Для данной схемы ЖРД рассматривались конфигурации турбонасосов, подобные ЖРД ТКА Space Shuttle, но без преднасосов, что объясняется требованиями к двигателю. Камера сгорая имеет регенеративное охлаждение, для чего используется 20% топлива, а 6% его идет на

охлаждение сопла с последующим сбросом горячего пара. На рис.4 приведен общий в ид ЖРД НМ60 с дожиганием генераторного газа (А) и без дожигания (В). Конструкция и технология изготовления камеры сгорания ЖРД без дожигания генераторнрго газа, как и схемы с дожиганием генераторного газа, аналогичны маршевому двигателю ТКА Space Shuttle (SSME). Основные характеристики двух анализируемых схем

ЖРД приведены в табл.1, где также для сравнения даны характеристики маршевого ЖРД ТКА Space Shuttle (SSME). Можно видеть, что для обеих схем уровни давления ниже, чем у SSME. Таблица 1. Сравнение вариантов 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 1669 Соотношение компонентов 5,12 5,12 5,58 5,58 6.0

Камера сгорания: Давление в камере сгорания х 10 5 Па Отношение площадей 100 103,7 160 103,7 125 124,4 203 124,77.5 Газогенератор: Давление х 10 5 Па Соотношение компонентов 50,6 0,9 115,6 0,9 194 0,68 355 0,9 356 0,81 Турбонасосы (Н 2ж /О 2ж ): Давление на выходе х 10 5 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. Уменьшение удельного импульса для двигателя без дожигания генераторного база объясняется увеличением необходимого количества основных компонентов топлива для газогенератора. Обе схемы двигателя оптимизированы при тяге равной 800 кН.

Для двигателя без дожигания разработка, включая создание стендов, потребует 7,5 лет и 8,75 лет для двигателя с дожиганием. Кроме того, ЖРД с дожиганием для уровня тяги 800 кН имеет на 25% большую стоимость разработки и на 20) большую стоимость изготовления. Имея ввиду степень технического риска и стоимостные характеристики, для ЖРД НМ60 была выбрана схема без дожигания генераторного газа.

В результате предварительных исследований были сформулированы новые требования: 1. номинальная тяга в вакууме – 900 кН; 2. ЖРД должен дополнительно обеспечивать следующие функции: а) управление по каналам тангажа и рысканья, используя карданов подвес; б) наддув топливных баков основными компонентами; в) обеспечение расхода 1 50кг/сек для управления по крену; 3. тяга и соотношение компонентов должны удовлетворять проектным и эксплуатационным органичениям, представленным

на рис.7, где по оси ординат 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 должно отдаваться вариантам с минимальной стоимостью производства; 5. обслуживание ЖРД должно предполагать использование его на многоразовых

РН; 6. двигатель должен использоваться для пилотируемых полетов с минимальной модификацией. Старт турбин и воспламенение в газогенераторе и камере сгорания осуществляется пиротехнической системой, аналогичной ЖРД НМ7 Ариан-I. Соотношение компонентов регулируется клапаном, управляющим подачей газа на турбину окислителя. Тяга ЖРД и соотношение компонентов в газогенераторе регулируется клапаном, управляющим подачей компонентов в газогенератор. Проверки и контроль работы осуществляется

ЭВМ двигателя и топливных баков. Основные характеристики двигателя даны в табл.2. Таблица 2. Характеристики ЖРД НМ60 Показатель 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 6,0 Давление в камере сгорания, х 10 5

Па 100 207 Отношение площадей 110,5 77,5 Суммарный массовый расход, кг/с 206 468 Массовый расход газогенератора, кг/с 7,06 248 Расход сбрасываемого охладителя (Н 2 ), кг/с 1,93 - Давление на выходе из насоса окислителя, х 10 5 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 3002

Турбонасос окислителя состоит из осевого преднасоса, одноступенчатого центробежного насоса и реактивной турбины. Преднасос и крыльчатка центробежного насоса и реактивной турбины. Преднасос и крыльчатка центробежного насоса выполнены из алюминиевого сплава, турбина из сплава INCO 718. Подшипники насоса смазываются жидким кислородом, а подшипники турбины – жидким водородом. Герметизация достигается динамическими уплотнителями типа плавающих колец и наддувом гелием.

Дистанционно управляемый уплотнитель служит для предупреждения просачивания жидкого водорода в процессе захолаживания перед стартом. Осевые нагрузки компенсируются регулированием потока жидкого кисл