Back

В ЖРД отыскали применение последующие типы газогенераторов (ГГ): твердотопливный
(ТГГ), однокомпонентный жидкостный (одноком- понентный ЖГГ), двухкомпо- нентный
жидкостный (двухком- понентный ЖГГ), испаритель­ный жидкостный (испаритель­ный ЖГГ),
аккумулятор сжа­того газа (АСГ).

АСГ, являясь источником газа, может рассматриваться как ГГ, отличающийся
той осо­бенностью, что газ в нем не вырабатывается во время работы ЖРД, а запасен
заблаговременно и рас­ходуется при необходимости.

В реальном разделе рас­смотрена методика расчета ука­занных
ГГ. В качестве исход­ных данных для расчета ГГ должны быть заданы вещества,

служащие для получения газа; давление в топливных баках; температура
газа на выходе из ГГ; секундный расход газа и до­пуски на его изменение; время работы
и требования, предъявляемые к физико-химическим свойствам газа: кислородный баланс,
наличие жесткой либо водянистой фазы, степень равновесности хим состава газа
на выходе ГГ и т. д.

Твердотопливный газогенератор. В качестве источника газа в ТГГ
употребляется заряд твердого вещества, генерирующий при сго­рании либо разложении
газ с данными физико-химическими харак­теристиками. Один из образцов ТГГ приведен
на рис. 15.4.

К субстанциям, применяемым в ТГГ, предъявляют последующие ос­новные
требования: может быть большее значение R71 при конструктив­но допустимых температурах,
физическая и хим стабиль­ность при хранении и эксплуатации, способность стабильно
пылать

Рис. 15.4. Твердотопливный газогене­ратор:

1 — корпус ТГГ; 2 — воспламенитель; 3 — пру­жина; 4— заряд;
5 и 9 — гайкн; 6 и 11— шай­бы; 7—прокладка; 8 — диафрагма; 10 — соп­ло; 12 — крышка

при данных температуре и давлении, однозначность физико-химиче-
ских параметров в партии зарядов; отсутствие либо малое количест­во жестких частиц
в газе; малое коррозионное и эрозионное воздействие газа на конструктивные
элементы, малое отклоне­ние характеристик газа от расчетных при работе в данном
спектре температур среды и др.

Выбор состава твердого горючего. В состав заряда ТГГ в общем случае
могут заходить окислитель, горючее, за­медлители горения, флегматизаторы (добавки,
уменьшающие чувст­вительность составов к трению и удару), связующие вещества (орга­нические
полимеры, обеспечивающие механическую крепкость спрес­сованных составов), вещества
технологического предназначения (напри­мер, растворители для связывающих). Необходимо подчеркнуть,
что одно и то же вещество может делать в составе заряда несколько функций, к примеру
связующие делают функцию горючего, а в неких случаях и замедлителей горения.
Основой всякого состава является смесь окислителя с горючим.

Более нередко в качестве окислителей употребляются кислород­содержащие
вещества.

Кроме веществ, содержащих кислород, окислителями могут быть
и обыкновенные вещества — неметаллы. К примеру, при горении могут про­текать реакции соединения
меж высококалорийными металлами, (Mg, А1 и др.) и такими субстанциями, как сера,
фосфор, азот, углерод, бор, фтор и фторорганические соединения и др. В качестве
горючего могут быть применены металлы (магний, алюминий и его сплавы, титан,
цинк, железо, марганец, вольфрам, сурьма), неметаллы (фос­фор, углерод, сера, бор
и др.), неорганические соединения (бороводо- роды и их производные, сульфиды фосфора
и сурьмы, карбиды, си­лициды и фосфиды металлов).

Для ТГГ отыскало применение органическое горючее: индивидуаль­ные
углеводороды (бензол, толуол, нафталин и др.), консистенции углево­дородов разных рядов
(мазут, парафин и др.), углеводы (целлю­лоза) и некие другие органические вещества
(стеарин, дициан- диамид, тиомочевина и др.).

В качестве связывающих употребляют искусственные и естествен­ные
смолы (идитол, бакелит, эпоксидные смолы, канифоль, резина­ты), высыхающие масла,
разные асфальты и битумы, смеси нитроклетчатки и каучука в соответственных
растворителях, полиу­ретаны и т. п.

В почти всех конструкциях ТГГ используют нитроцеллюлозные (кол­лоидные)
пороха, являющиеся гомогенным продуктом нитрации цел­люлозы.

Нитраты целлюлозы с содержанием азота наименее 12% именуют коллоксилином,
с более высочайшим содержанием — пироксилином. Для формирования порохового заряда в
нитрат целлюлозы вводят раст­воритель. Пороха, сделанные с внедрением летучего
раствори­теля (обычно спиртоэфирного раствора), именуют пироксилиновыми порохами.
Пороха, сделанные с внедрением труднолетучего рас­творителя (обычно нитраты
многоатомных спиртов либо нитроарома-

г

тические соединения), именуют баллиститами. Наименования баллис-
титных порохов соответствуют техническим заглавиям растворителя, использованного
для производства данного пороха. К примеру, в нитроглицериновом порохе в качестве
растворителя использован нитро­глицерин.

В ТГГ могут употребляться баллиститные пороха ракетного типа
со особыми присадками, обеспечивающими получение того либо другого свойства газа
(пониженная температура либо скорость горения, понижение количества жестких частиц
в газе и др.). Для понижения тем­пературы могут быть применены фталаты, нитропроизводные,
производные мочевины и др. Такие пороха время от времени именуют «холод­ными».

При горении баллиститных порохов образуются газообразные про­дукты,
в главном состоящие из С02; СО; Н2; N2; СН4 и Н20. Газопроизводительность современных
баллиститных порохов лежит в спектре 800—1100 дм3/кг (приведенная к 0°С и 0,1
МПа) при тем­пературе газа 1600—3200К.

Некие типы твердотопливных зарядов могут быть исполь­зованы
для генерации химически незапятнанного газа наддува. К примеру, для получения кислорода
употребляется реакция теплового раз­ложения хлоратов калия либо натрия:

2NaC103 -> 2NaCl + 302;  (15.57)

2КСЮ2->2КС1 + ЗОа         (15.58)

Для поддержания этих реакций в смесь добавляется маленькое количество
горючего (полисульфидный каучук, полиуретан и т. п.). Для получения водорода может
быть применена реакция

Si + 2NaOH + Са (ОН)2 -»- Na2Si03 + СаО + 8Н2       (15.59) либо
реакция гидридов лития, калия либо магния с водой

LiH + HjO-v LiOH+Ha;         (15.60)

СаН2 + 2Н20 Са (ОН)2 + 2Н2;     (15.61)

MgH2 + 2Н20 -> Mg (ОН), + 2Н2. (15.62) Азот можно получить
по реакции нитрита натрия и хлорида аммония:

NaNOa + NH4C1 NaCl + 2Н20 + N2.      (15.63)

Газообразная закись азота может быть получена методом термиче­ского
разложения нитрата аммония:

NH4N03 2Н20 + N02.         (15.64)

Для удаления побочных товаров в ряде всевозможных случаев возникает не­обходимость
в установке сепараторов и фильтров.

Горение твердотопливного заряда. Согласно современным пред­ставлениям,
процесс горения твердого горючего — это совокупа экзо- и эндотермических хим
процессов, протекающих одно­временно с физическими процессами диффузии и теплопередачи.

Процесс горения можно представить по последующей схеме. В тон­ком
слое заряда —■ Ah, граничащем с газом, при средней температуре Тп происходит
разложение твердого вещества. Газообразные продук­ты разложения реагируют на неком
расстоянии от поверхнности заряда, повышая температуру до Тг. По мере выгорания
слой Ah перемещается перпендикулярно поверхности горения. Скорость го­рения заряда
и при Ат ->- 0 характеризуется скоростью этого пере­мещения

и = Ah! Ах.     (15.65)

Толщина слоя АЛ находится в зависимости от критерий термообмена меж газом и
поверхностью заряда, его исходной температуры и физико-химиче­ских параметров.

В эксплуатации вероятны случаи, когда на различных участках по­верхности
горения заряда получаются разные скорости обтекания газом и, как следствие этого,
различные скорости горения. Потому при­нятое положение о горении заряда параллельными
слоями справед­ливо только при условии, что все процессы, определяющие прогрев заряда,
схожи по всей поверхности горения.

Скорость горения твердотопливного заряда. Законы конфигурации скорости
горения зависимо от исходной температуры заряда и давления определяются экспериментально.
В спектре давлений, обычно используемых в ТГГ (до 30 МПа), самую большую точность
дает эмпирическая зависимость

и = Ар’к.         (15.66)

Ниже приведены результаты тестов по определению ве­личины
А и v при сжигании баллиститного пороха при неизменном давлении и разных исходных
температурах заряда:

Температура . . . +50°С +20ЭС 0°С        —20°С —40°С

А                      0,538 0,417 0,387   0,359  0,342

-V        0,622 0,654 0,656 Щ 0,660 0,600

Из этих данных следует, что с конфигурацией исходной температуры
заряда изменяется приемущественно коэффициент Л, в то время как значение показателя
степени v остается фактически постоянным. Изменение коэффициента А указывает,
что исходная температура заряда оказывает существенное воздействие на скорость горения.

При расчетах изменение скорости горения, а как следует, и давления
в камере ТГГ зависимо от температуры заряда оцени­вается коэффициентом термостабильности
kt, определяемым экспери­ментально:

ut3 = utl6l[-kt(ta-b)], (15.67)

где ии — скорость горения пороха при данной температуре заря­да;
иПъ—скорость горения пороха при температуре +15°С.

Чем меньше коэффициент термостабильности, тем меньше изменя­ется
скорость сгорания пороха зависимо от температуры заряда.

Секундный расход газа. Давление в камере ТГГ. В ТГГ, работаю­щих
при сверхкритическом перепаде давления (сверхкритических ТГГ), на выходе из камеры
ТГГ устанавливается сопло (дроссель), перепад давления на котором больше либо равен
сверхкритическому. Применение сверхкритического ТГГ позволяет исключить воздействие
конфигурации давления за соплом ТГГ на давление в камере и работать при довольно
больших давлениях в камере, что выравнивает про цесс горения заряда. Потому в
предстоящем изложении все расчет ные зависимости будут выведены для варианта сверхкритического
ТГГ

При данной поверхности горения Sr и скорости горения и се кундный
приток газа от заряда (газопроизводительность заряда’

/иПр=5гИРп»           (15.68)

где рп — плотность твердого горючего.

Расход газа через сопло

=          (15.69)

где FKр — площадь критичного сечения сопла; р — неизменный
коэффициент.

Приравнивая уравнения (15.68) и (15.69) и подставляя значение
и из (15.66), получаем зависимость, связывающую давление в каме­ре ТГГ с площадями
критичного сечения сопла и поверхности го­рения заряда:

^=MPA/(^kP)]1/(I~v)-           (15.70)

Во время работы ТГГ площадь поверхности горения может ос­таваться
неизменной, возрастать либо уменьшаться в зависимо­сти от принятой геометрии заряда.
Из (15.70) следует, что

*fs.=KS4™   (15.71)

db        г           dx        ‘

где К — неизменный коэффициент.

На рис. 15.5 приведена диаграмма конфигурации давления в камере
ТГГ по времени, соответственная условиям размеренной работы га­зогенератора. Кривые
1, 2, 3 соответствуют различным законам конфигурации площади поверхности горения во времени.
Кривая 2 соответствует неизменной площади поверхности горения dSJdx = 0; кривая
1 — растущей по времени поверхности Горения dSjdx > 0. Заряды с растущей
по времени поверхностью горения именуют заряда­ми с прогрессивной формой (поверхностью);
кривая 3 — уменьшаю­щейся по времени поверхности горения dSJdx < 0. Заряды с умень­шающейся по времени поверхностью горения именуют зарядами с дегрессивной формой (поверхностью). Степенью дегрессивности заряда именуют разность наибольшей и малой поверхностей заряда, выраженную в процентах к исходной поверхности.

Уравнение (15.70) и надлежащие ему кривые (рис. 15.5) ха­рактеризуют
обычный процесс горения заряда.

20— 1442      609

На практике могут быть случаи аномального (рис. 15.6), неустой­чивого
горения. Большая часть случаев неуравновешенного горения ТГГ разъясняется локальным конфигурацией
скорости и поверхности горения. К примеру, при горении трубчатых зарядов на диаграмме
давления могут иметь место забросы (рис. 15.6, а). Анализ этого явления по­казал,
что на внутренней поверхности трубчатого заряда- поближе к выходу из ГГ из-за роста
скорости газа не только лишь увеличивает­ся скорость горения, да и появляются типичные
кольцевые волны, дополнительно увеличивающие поверхность горения.

т

f1

Рис. 15.5.

Нрав горения заряда

Рис. 15.6. Аномальное горение заряда: а — горение с забросом
давления; б — прерывающееся горение

Другой соответствующий вид неуравновешенного горения заряда связан с
оборотным явлением — созданием так неблагоприятных усло­вий для горения, что
сгорание протекает очень вяло, с непол­ным выделением энергии (до 50%). В
неких случаях горение мо­жет иметь пульсационный нрав с повторяющимся падением
давле­ния в камере до значений, близких к нулю (рис. 15.6, б).

Стабильность работы ТГГ. Разглядим условия совместного го­рения
заряда и истечения товаров сгорания из камеры ТГГ при

сверхкритическом перепаде. Секундный приток газа тпр определя­ется
газопроизводительностью заряда и уравнениями (15.66) и (15.68):

тпр = ASrPnPK.

(15.72)

Расход газа из ТГГ определяется зависимостью (15.69). Сопостав­ляя
уравнения (15.69) и (15.72), на рис. 15.7 приходим к выводу, что

различие характеристик степени при давлениях в уравнениях прихода
и расхода газа приводит к само­регулированию давления горения в камере ТГГ. Вправду,
пусть по какой-нибудь причине давление в камере, характеризующееся рав­новесной точкой
С, возросло на +Ар, что нарушает равновесие Рис. 15.7. Устойчивость работы ТГГ
в сторону роста расхода газа

610

над его приходом. Давление падает, и ТГГ ворачивается к начальному
расчетному режиму. Просто проследить оборотное явление. Это назы­вается процессом
саморегулирования работы ТГГ и имеет место в пре­делах деяния степенного закона
конфигурации скорости горения при 0 < v < 1.

Воздействие показателя степени. Показатель степени v оказывает огромное
воздействие на эксплуатационный спектр конфигурации давле-

а1

В)

ш

1прк

1прк

1прк

Рис. 15.8. Зависимость скорости горения от давления:

а — обыденные горючего; б — горючего, имеющие «плато» в законе скорости
горения; в — меза-топлива; 1 — при завышенной исходной температуре; 2 — при обычной
исходной температуре; 3 — при пониженной исходной температуре

ния в ТГГ. Если для разных топлив выстроить зависимость
(15.66) в логарифмических координатах (рис. 15.8, а), то можно проследить, что v
определяет тангенс угла наклона кривой конфигурации давления по скорости сгорания v
= d(lnw)/d(lnpK). Отсюда следует, что при за­данном эксплуатационном спектре конфигурации
скорости горения (определяющемся в согласовании с (15.67) эксплуатационным диапа­зоном
температур] величина предельного отличия давления опре­деляется значением v.

Некие горючего не следуют линейному закону и = f(pK) в ло­гарифмических
координатах. Для их есть области в характе­ристике и = f(pK), в каких параметр
v меняется по величине, миниатюризируется либо даже имеет отрицательное значение. Если
v замет­но миниатюризируется на каком-либо участке конфигурации рк (рис. 15.8, б), то такое
горючее относится к классу топлив, имеющих «плато» в за­коне скорости горения. Если
величина v становится отрицательной в неком интервале давлений (рис. 15.8, в),
то такое горючее относит­ся к классу так именуемых меза-топлив. При малом значении
v миниатюризируется чувствительность скорости горения к изменениям дав­ления. Из
(15.70) следует, что при уменьшении показателя v воздействие коэффициента А на давление
в камере ТГГ миниатюризируется, т. е. чем меньше показатель v, тем меньше разность давлений
в камере ТГГ при данном интервале температур заряда. Это позволяет создавать бо­лее
легкие конструкции камер ТГГ. В ряде всевозможных случаев становится пред­почтительным применение
меза-топлив. В области отрицательного наклона кривой рост давления (в итоге,
к примеру, неожиданного

20*

611

роста поверхности горения при нарушении целостности бро­нировки)
сопровождается понижением скорости горения либо ускорение горения (вследствие
роста температуры заряда) со­провождается понижением давления в камере. Это
приводит к стабили­зации горения заряда и позволяет значимым образом понизить
эксплуатационный разброс давлений, а как следует, и массу ТГГ. Данный вывод можно
проверить при помощи уравнения (15.70). При v = 0,75 получаем 1/(1 — v) = 4, потому
повышение коэффициен­та А на 10% приводит к повышению давления рк на 1,14 =
1,464, т. е. на 46%; при уменьшении v до 0,25 получаем 1/(1 — v) = 1,33 и аналогичное
изменение А сопровождается ростом давления только на 14%. Если v воспринимает отрицательное
значение, то 1/(1 — v) < 1 и рк измененяется на наименьшую величину, чем коэффициент А.

Расчет размеров заряда. Время сгорания заряда (время работы ТГГ)
определяют скорость горения и линейный размер, соответ­ствующий длине заряда по
направлению, перпендикулярному поверх­ности горения. Этот размер именуют сводом
заряда и обозначают через h:

ts = h/ucp,      (15.73)

где иср—средняя скорость горения заряда за время ts при tamax.

Величину свода рассчитывают исходя из данного tv по уравне­нию
(15.73). Секундную газопроизводительность заряда определяют по уравнению
(15.72). При неизменных поверхности горения заряда и скорости горения количество
генерируемого газа повсевременно.

Закон конфигурации расхода газа задается техническим заданием на
проектирование. Более нередко стремятся получить постоянную по времени газопроизводительность,
что соответствует неизменной поверхности горения. Самым обычным способом обеспечения
постоян­ной поверхности горения является применение заряда цилиндри­ческой формы,
пылающего с 1-го либо обоих торцов. Чтоб предо­хранить внешную цилиндрическую
поверхность заряда от горения, ее нужно бронировать, т. е. покрывать особым
негорючим составом. Такие заряды именуют зарядами с торцовым горением. Небронированный
трубчатый заряд обладает слабенькой дегрессивностыо (6 — 10%). Трубчатый заряд, бронированный
с внешней цилиндри­ческой поверхности, — прогрессивное горение. Цилиндрический
не­бронированный заряд без центрального отверстия — дегрессивное горение.

При расчете зарядов, пылающих сразу с нескольких по­верхностей,
следует учесть соответственное уменьшение расчет­ной величины свода, потому что
поверхности горения могут пересекать­ся вместе. К примеру, у трубчатого заряда,
пылающего одновре­менно с обеих цилиндрических поверхностей, расчетная величина свода
соответственно равна половине разности радиусов внешней и внутренней поверхностей.

При расчете ТГГ следует учесть утраты на теплопотерю газа,
которые только до выходного сечения ТГГ способны достигать (10—20)%

от начального теплосодержания генерируемого газа. Самые большие теплоотдачи
появляются сначала работы ТГГ.

Заряд для ТГГ рассчитывают последующим образом:

1) задаются: давление в газогенераторе Рк время работы т^;

закон конфигурации газопроизводительности по времени тпр = /(х);
температурный спектр эксплуатации 7тах и Tmin; коэффициент термостабильности заряда
Kt, коэффициент А и показатель степени v, характеризующие скорость горения при t
= + 15°С;

2)         определяется по уравнению (15.66) скорость горения
wil5 за­ряда при данном давлении и температуре +15°С;

3)         определяются по уравнению (15.67) скорости горения
wmax и «min, надлежащие большей и меньшей температуре в за­данном
температурном спектре эксплуатации;

4)         определяется по уравнению (15.68) расчетная поверхность
го­рения Sr по данной газопроизводительности заряда тпр и мини­мальной скорости
горения umin

5)         рассчитывается по уравнению (15.73) свод заряда h
по задан­ному времени работы ТГГ т^ и наибольшей скорости горения итах■

Поверочный расчет ТГГ — определение давления в камере при данной
площади критичного сечения сопла FKp, коэффициенте (J и поверхности горения заряда
Sr— производится по уравнению (15.70).

Расчет воспламенителя. Воспламенитель предназначен для вос­пламенения
и вывода на данный режим горения заряда ТГГ.

Обычно зажигание самого воспламенителя осуществляется пиро- запалом
от электронного импульса, подаваемого при включении ТГГ. Зажигание основного заряда
ТГГ осуществляется нагревом продуктами сгорания воспламенителя поверхности заряда
до темпе­ратуры воспламенения и сотворения в камере ТГГ давления, необходи­мого для
размеренного горения заряда.

Воспламенитель должен удовлетворять последующим требованиям:

1)         продукты сгорания воспламенителя должны стремительно и равномер­но
подогреть поверхности горения заряда до температуры вспламенения и обеспечить резвый
подъем давления в камере ТГГ до данной ве­личины;

2)         заброс давления при срабатывании воспламенителя и
зажига­нии заряда должен быть наименьшим;

3)         накрепко срабатывать при данных критериях эксплуатации;

4)         должен содержать ПС, интенсивно инициирующие при попадании
на поверхность горения заряда его воспламенение.

Масса воспламенителя Мв находится в зависимости от площади поверхности i рас­четного
давления горения заряда, свободного объема каметы ТГГ, состава, применяемого для
воспламенителя и для основного заряда, теплопотерь в камере ТГГ в момент пуска,
наличия мембраны, предотвращающей истечение газа из камеры до набора данного давления,
стойкости горения заряда и т. д. На практике парамет­ры воспламенителя выбирают
на основании экспериментальных данных.

Для расчетов ТГГ с мембранной в первом приближении можно использовать
уравнение

MB = pBlV)0/(RBTB),          (15.74)

где рв — давление, нужное для устойчивого горения заряда;
Уср — свободный объем в камере ТГГ; RB, Тв — газовая неизменная и температура товаров
сгорания воспламенителя; г|0 — коэффи­циент теплопотерь.

При приблизительных расчетах можно принимать ri0 = 1,2—1,4. Масса
воспламенителя Мв = 0,5 — 2,5% от массы основного заряда ТГГ.

Расчет сопла ТГГ. Выбор Сечений для прохода газа. Давление в
камере ТГГ для данной конструкции камеры и вида твердого топ­лива определяется
газопроизводительностью заряда и расходом газа через критичное сечение сопла.
Связь меж этими параметрами определяется уравнением (15.70). При помощи этого уравнения
можно по данному давлению в камере сгорания и поверхности горения заряда найти
площадь сопла:       *

^Kp = ^PnV(PPK-v).            (15.75)

При проектировании необходимо стремиться к понижению гидравли­ческого
сопротивления по газовому тракту и обеспечению его по­стоянства по времени. Большая
величина гидравлических сопро­тивлений обычно приходится на диафрагму, поддерживающую
за­ряд (см. рис. 15.4). Через отверстия диафрагмы газ исходит в пред- сопловый
объем. Гидравлическое сопротивление диафрагмы рассчи­тывают по общим формулам газодинамического
расчета трактов. Обычно площадь сечений диафрагмы принимается в 3 — 5 раз боль­ше
площади сопла ТГГ. Рекомендуется, чтоб скорость течения газа не превосходила 100—150
м/с.

Гибридный ТГГ. Работа гибридного ТГГ базирована на внедрении во
внутренний объем камеры ТГГ водянистого либо газообразного окисли­теля, в итоге
взаимодействия которого с жестким горючим, на­ходящимся в камере, генерируется газ.
Преимущество гибридного ТГГ — возможность регулирования его газопроизводительности
и характеристик газа.

В качестве примера можно указать на гибридный ТГГ, у которого
в качестве твердого горючего применена смесь литий + нолибу- тадиен; в качестве
водянистого окислителя — смесь фтора с кислородом. Этот ТГГ стабильно работает в широком
спектре конфигурации соотно­шения компонент горючего (стехиометрическое соотношение
2,8) и обеспечивает генерацию газа как с излишком, так и с недочетом окислителя.

В системах с ТГГ время от времени устанавливают фильтры и устройства для
остывания и регулирования расхода газа. Фильтры употребляют для устранения жестких
товаров, образующихся при горении мно­гих типов жестких топлив. Используют фильтры
динамического (се- парационного), сетчатого, а время от времени комбинированных типов. В послед­нем
случае грубая чистка осуществляется в сепараторе, маленькая —

сетками. Расход газа можно регулировать методом установки клапанов
сброса либо регуляторов, изменяющих сечение сопла ТГГ, при всем этом надобное изменение
площади сопла можно найти из уравнения (15.75). Последний метод регулирования
может обеспечить наибо­лее полное полезное внедрение всей массы заряда. Его
конструк­тивное решение осложняется требованием сотворения малоинерцион­ного регулятора,
работающего в критериях теплового и эрозион­ного воздействия товаров сгорания
твердотопливного заряда.

Однокомпоиеитный ЖГГ. Работа однокомпонентного ЖГГ осно­вана
на использовании компонента горючего, владеющего экзотер­мической реакцией разложения
(перекиси водорода, гидразина, изо- пропилнитрата, аммиака, несимметричного диметилгидразина
и др.). Основными критериями, определяющими возможность использования компонента
горючего в одно компонентом ЖГГ, являются способность к каталитическому либо тепловому
разложению и устойчивость протекания процесса разложения (всепостоянство давления,
темпера­туры, хим состава и др.). Температура газа на выходе из ЖГГ не должна
превосходить допустимую для конструктивных элемен­тов, находящихся под воздействием
газового потока.

Разложение компонента горючего может осуществляться катали­тическим
либо тепловым способом. Каталитическое разложение осуществляется подачей компонента
горючего на активную поверх­ность твердого катализатора, расположенного во внутреннем
объеме ЖГГ, либо вводом водянистого катализатора в камеру ЖГГ. Последний метод разложения
в современных движках применяется только для неких особых целей, потому что
он тянет за собой усложнение схемы и повышение массы ЖРД.

При тепловом способе реакция протекает под действием теп­ла,
получающегося за счет разложения ранее поступивших порций компонента горючего либо
подводимого от наружного источника. Для пуска пусковой расход компонента горючего
должен быть прогрет от стороннего источника тепла до температуры саморазложения
(элек­тросвеча, хим источник тепла и т. д.). Вероятен изотопный обогрев,
при. котором во внутреннем объеме камеры ЖГГ располагают капсулы с радиоизотопом.
Зависимо от надобного ресурса в качестве радиоизотопа может быть применен
Ро201 и Cm242 (период полураспада несколько месяцев), Cm244 (период полураспада
18,6 года) и Ро238 (период полураспада 90 лет).

При расчете однокомпонентного ЖГГ задаются физико-химиче- скими
параметрами газа, надобным количеством катализатора, действенным объемом и площадью
смесительной головки ЖГГ. Па­раметры газа определяются на основании термодинамического
расче­та реакции разложения данного компонента горючего.

Под действенным объемом поним кт внутренний объем ЖГГ (от головки
до выходного сечения) за вычетом объема, занимаемого ката­лизатором либо термическим
аккумом. Надобное количество ка­тализатора определяется критериями протекания
реакции разложения и количеством разлагаемого компонента горючего.

Количество катализатора тк рассчитывают из условия обеспечения
разложения секундного расхода компонента горючего /лт:

тк = mJS,       (15.76)

где S — допустимая секундная нагрузка компонента на 1 кг катали­затора
(выбирается на основании экспериментальных данных), кг • с/кг.

Если во время работы ЖГГ имеет место расход катализатора (час­тичная
реакция с образованием побочных товаров либо унос ката­лизатора с генерируемым
газом), то количество катализатора, полу­ченное по (15.76), должно быть испытано
на условие обеспечения ресурса:

т =■-• mTx/L, (15.77)

где т — время работы ЖГГ; L — экспериментальный коэффициент,
определяющий ресурс катализатора.   ,

Для ЖГГ, использующих водянистый катализатор, уравнения (15.76) и
(15.77) определяют секундный расход катализатора и нужный его припас.

Действенный объем газогенератора Уг.г определяется временем пребывания
компонента тв в камере:

тв = Vr.rprJmT,         (15.78)

где рг — плотность газа в камере ЖГГ.

Время пребывания в свою очередь определяется критериями про­текания
реакции разложения и находится экспериментально. Для большинства компонент топлив,
применяемых в однокомпонентных ЖГГ, тв = (0,8 ч- 6,0) • Ю-3 с.

В неких случаях нецелесообразно доводить процесс разло­жения
до химически сбалансированного состояния (к примеру, чтоб обес­печить более высочайшее значение
RT газа на выходе ЖГГ), тогда и, варьируя действенным объемом ЖГГ, можно обеспечить
данный состав газа.

Полный объем ЖГГ определяется как сумма действенного объе­ма
VV.r, объема VK, занимаемого катализатором (термическим аккуму­лятором), и объема Vn,
заключенного меж смесительной головкой и поверхностью катализатора:

V*=VM+VK+Vn.        (15.79)

Площадь плоских смесительных головок

Fr=m,/kp,        (15.80)

где kP — коэффициент расходонапряженности смесительной голов­ки,
зависящий от типа форсунок и принятой системы смесеобразо­вания.

Большая часть компонент горючего, поддающихся каталитическо­му
разложению, способны и к тепловому разложению. Для таких компонент можно подобрать
условия, при которых только часть компонент разлагается при помощи катализатора,
а остальная часть подвергается тепловому разложению методом смешения с продук­тами
разложения, приобретенными на катализаторе. Это позволяет су­щественно уменьшить надобное
количество катализатора и обеспе­чить более устойчивое протекание процесса разложения,
что имеет существенное значение для увеличения экономичности и надежно­сти ЖРД.

Двухкомпонентный ЖГГ. Работа двухкомпонентного ЖГГ осно­вана
на хим реакции меж водянистыми окислителем и горю­чим, подаваемыми во внутренний
объем ЖГГ. Процесс горения топ­лива в двухкомпонентном ЖГГ протекает при таких значениях
коэф­фициента излишка окислителя, при которых обеспечивается данная температура
газа на выходе из ЖГГ. Соответственно процесс в ЖГГ может идти при излишке (восстановительные
продукты ГГ) либо не­достатке горючего (окислительные продукты ГГ).

Выбор восстановительных либоf окислительных товаров ГГ
оп­ределяется определенными задачками, решаемыми при проектировании ЖРД. При всем этом необходимо
учесть, что*величина RT восстановитель­ных товаров ГГ, полученных] из углеводородных
топлив, при иных равных условных выше RТ окислительных. Применение окис­лительных
товаров ГГ обусловливает завышенные требования к коррозионной стойкости конструктивных
частей; при генерации восстановительного газа может быть наличие жесткой фазы,
вызываю­щей завышенный эрозионный износ конструктивных частей, загромождение
проходных сечений газовых трактов и т. п.

В итоге отложения жестких товаров неполного сгорания во
внутреннем объеме ЖГГ может изменяться расчетное время пребы­вания газа в камере
ЖГГ, условия смесеобразования и, как следст­вие этого, хим состав генерируемого
газа.

На рис. 15.9 даны графики, характеризующие изменение темпе­ратуры
горения и произведения RТ товаров ГГ при разных значениях коэффициента излишка
окислителя для топливных пар: кислород и керосин,азотная кислота и керосин-

Специфичность рабочего процесса двухкомпонентного ЖГГ заключа­ется
в том, что он проходит при соотношении компонент горючего, существенно отличающемся
от стехиометрического. Это обусловли­вает необходимость обеспечения размеренного
горения при относитель­но низких температурах.

Более обычным типом двухкомпонентного ЖГГ является одно- зонный
(рис. 15.10, а), в каком расход компонент горючего осуще­ствляется только через
смесительную головку 1. Недочет такового ЖГГ — сложность обеспечения устойчивого
горения, протекающего в критериях относительно низких температур. Этого недочета
ли­шен многозонный газогенератор (рис. 15.10, б). В этом газогенерато­ре имеются:
смесительная головка 1, обеспечивающая подачу горючего для генерации высокотемпературного
газа, пояс (пояса) разбавления

2, обеспечивающий подачу и смешение с высокотемпературным газом
компонента горючего, находящегося в излишке. Конструкция, усло­вия работы и способы
расчета смесительной головки подобны го­ловке камеры сгорания ЖРД- Соответственно
внутренний объем та­ких ЖГГ делится на две зоны: горения и разбавления.

Рассматриваемый тип газогенератора позволяет: иметь в газо­генераторе
размеренный высокотемпературный очаг пламени (зону

горения); организовывать наи­более действенным образом ввод лишнего
компонента горючего, обеспечивая тем

V 0.Z OA 0,71,01,52 J45″7 а

Ч

5)

>

2Г

Лр       SL

Рис. 15.9. Зависимость Т и RT про­дуктов сгорания от а: 1 — керосин
+02; 2 —керосин +HN03

Рис. 15.10.

Схемы двухкомпонеит- ных ЖГГ

малый объем зоны разбавления и равномерное поле темпера­тур
по сечению газогенератора; подбирать объем зоны разбавления, обеспечивающий рациональные
характеристики газа на выходе из газоге­нератора.

При проектировании двухкомпонентного ЖГГ рассчитывают: объем
ЖГГ, площадь смесительной головки и пояса разбавления,- смесеобразование и остывание.

Расчет смесеобразования и остывания в главных положениях аналогичен
расчету камеры сгорания и в данном разделе не рассмат­ривается. При данном виде
горючего, температуре и давлении газа на выходе из газогенератора первой задачей
расчета газогенератора является выполнение термодинамического расчета процесса газоге­нерации.
Этот расчет основан на кинетике горения теплового раз­ложения и испарения горючего.

Кинетика горения топлив при огромных излишках и недочетах окислителя
исследована еще недостаточно. Вследствие этого четкий тер­модинамический расчет двухкомпонентного
ЖГГ затруднителен и в текущее время в ряде всевозможных случаев неосуществим.

В общем виде процесс газогенерации можно рассматривать как одновременное
протекание взаимосвязанных процессов — горения и испарения топливных компонент,
идущих сразу с разло­

жением лишнего компонента горючего. Полнота реакций, проте­кающих
при этих процессах, почти во всем находится в зависимости от организации ра­бочего процесса в ЖГГ и
от времени пребывания в нем горючего.

В ряде всевозможных случаев время пребывания горючего оказывает определяю­щее
воздействие на хим равновесие протекающей реакции, а сле­довательно, на температуру
и хим состав генерируемого газа. К примеру, для ЖГГ, вырабатывающего восстановительный
газ, время пребывания, с одной стороны, должно быть достаточным для того, чтоб
был завершен процесс частичного сгорания, испарения и разложения лишнего горючего,
а с другой — при очень боль­шом времени пребывания и установлении химически сбалансированного
процесса, из лишнего горючего могут образоваться побочные про­дукты с большой
молекулярной массой (кокс, томные смолы), что кроме понижения газовой неизменной
может привести к загроможде­нию газового тракта. Чтоб этого избежать, в ЖГГ, генерирующих
восстановительный газ, время от времени заранее стремятся сделать химиче­ски неравновесный
рабочий процесс методом задания наименьшего времени пребывания. Для каждого горючего при
данной температуре газа и конструктивном типе ЖГГ время пребывания подбирается
экспери­ментально из критерий получения большего значения газовой по­стоянной
и обеспечения размеренного протекания рабочего процесса.

При температуре газа порядка (1000—1200)К время пребывания горючего
в однозонном ЖГГ тп = (0,004 ч- 0,008) с.

Объем ЖГГ

Уг.г = тптт/рп.г,         (15.81)

где mT — массовый расход горючего; рп.г — плотность газа в камере.

Объем многозонного ЖГГ складывается из объемов зон горения У3.г
и разбавления У3.р:

• Vr.r = y3.r + y3.p.    (15.82)

Величины У3.г и У3.р зависят от времени пребывания в соответст­вующих
зонах т3.г и т3.р и расходов через их т3,г и т3.р:

V3.r = %.rm3 .г/рш.г;            (15.83)

= VP (т*.г + т3. р)/рп.р-        (15.84)

Тут Рп.г и рп.р — плотность газа в з^иах горения и разбавления.

Расходы через зоны горения и разбавления определяются по формулам:

для ЖГГ, вырабатывающего окислительный газ (а > 1).

та.г = /лт (ктг + 1)/(кт + 1);   (15.85)

™3.р= /»т(кт — Kmr)/(Kro+ 1);        (15.86)

Для ЖГГ, вырабатывающего восстановительный газ (а < 1),

/л3.г == ]щкт (км +Jl)/[Kmr (Кт f 1)];            (15.87)

«8.р = Я(Ктг — Km)/[Kmr («т + 1)1-          П5-88)

Тут ктг — соотношение компонент в зоне горения; кт — со­отношение
компонент используемых ЖГГ.

Время пребывания горючего в зоне горения т3.г = (0,002 -г-
0,004) с. Время пребывания в зоне разбавления определяется временем испаре­ния лишнего
компонента. В первом приближении при поперечнике капель 60р. и температуре газа на
выходе из газогенератора не мень­ше 1100 К можно принять Тз.р = (0,001 -г-
0,003) с.

Величина ктг выбирается таким макаром, чтоб обеспечить устой­чивое
горение и равномерную по сечению температуру в зоне горения.

Из условия данной расходонапряженности определяются пло­щади
соответственно головки горения и пояса разбавления:

г. = т3.г/кж.р; (15.89)

Fp = т,. р/(кж.р + т3.г/кг),     (15.90)

где Кж.г и кж.р — коэффициенты расходонапряженности по воды;
кг — коэффициент расходонапряженности по газу.

Величины кж г, кж р и кг зависят от огромного количества факто­ров
(рода тонлива, конструкции форсунок, спектра регулирования газогенератора и др.)
и подбираются по экспериментальным данным.

Испарительный ЖГГ. Механизм работы испарительного ЖГГ осно­ван
на газификации воды методом подвода к ней тепла, осуществля­емого обычно в особом
теплообменном устройстве. В качестве таковой воды может быть применен или
один из компонент горючего, или вещество, специально для этого предназначенное,
за­пасы которого находятся на борту JIA в отдельных емкостях.

Обширное применение в качестве испарительного ЖГГ систем над­дува
для криогенных топлив получил трубчатый змеевик, располо­женный в выхлопном коллекторе
турбины.

Расчет испарительного ЖГГ сводится к расчету теплообменных систем
(теплообменник газ—жидкость либо газ — газ).

Аккумулятор сжатого газа. Расчет АСГ сводится к определению количества
газа и объема аккума, надобного для размещения этого газа. Надлежащие
расчетные зависимости приведены в § 15.2.