Запуск ЖРД можно обеспечить путем воспламенения топлив­ной смеси электрической искрой. Система искрового зажигания создает искру путем накопления электрической энергии в конден­саторе и последующего ее разряда через разрядный промежуток

С образованием мощной электрической дуги. Энергия искры слу­жит источником зажигания компонентов топлив, подводимых в окрестность разрядного промежутка. На фиг. 2.8 представлен

Типичный блок искрового зажигания, состоящий из искровой свечи, кабеля и конденсатора системы возбуждения.

Искру можно также получить индукционным способом, используя катушки, магнето и другое электрическое оборудова­ние, как в обычных двигателях внутреннего сгорания. Однако с помощью емкостных искровых устройств обеспечивается более концентрированный источник энергии зажигания.

Самым важным параметром при искровом методе зажигания является минимальная энергия разряда, т. е. полная энергия, выделяемая минимальным разрядом, который обеспечивает вос­пламенение данной горючей смеси. Минимальная энергия разряда зависит от следующих факторов: расстояния между электродами; онгимальной продолжительности искрового разряда; частоты разряда; положения разрядного промежутка; скорости подачи компонентов топлива; температуры; давления.

Расстояние между электродами оказывает сильное влияние на минимальную энергию разряда. Для каждой конфигурации электродов существует критическое расстояние. Если расстояние больше критического, то минимальная энергия разряда остается приблизительно постоянной. При критическом или меньшем расстоянии между электродами возникает эффект гашения, что вызывает рост минимальной энергии разряда. Замена материала электрода не оказывает существенного влияния на энергию разряда емкостной искровой системы.

Оптимальная продолжительность искрового разряда. Как правило, чем меньше продолжительность искрового разряда, тем эффективнее зажигательное устройство. Если энергия, выде­ляемая системой зажигания, расходуется за более короткое время, то она действует как более концентрированный точечный источ­ник зажигания. Соотношение между энергией и мощностью искрового разряда имеет вид IV = IЛ, где IV— мощность, вт,

I — время разряда, сек, и / — энергия, дж. Ясно, что чем меньше время действия искры при заданной энергии разряда, тем выше ее температура.

Частота разряда. Частота разряда (количество искровых разрядов в сек) является важным фактором обеспечения опти­мального зажигания. Теоретически чем больше частота разряда, тем легче осуществить зажигание. На практике, однако, установле­но, что с увеличением частоты разряда значительно увеличивается вес системы возбуждения. Выбранная частота ценообразова­ния должна быть достаточно высока, чтобы исключить нежела­тельное или опасное накопление компонентов топлива в промежу­ток времени между двумя разрядами. Потребность выбора более высокой частоты определяется предельным отклонением парамет­ров системы. Установлено, что частота 50 гц обеспечивает надеж­ное воспроизводимое зажигание в двигательной установке при допустимом весе системы возбуждения. Если для надежности применяется более чем одна искровая свеча, то они обычно электрически не связаны друг с другом. Это означает, что в наи­худших условиях (все свечи срабатывают одновременно) макси­мальный промежуток времени между разрядами будет равен 20 мсек. Если свечи будут работать со сдвигом по фазе, то проме­жутки времени между разрядами, естественно, будут более корот­кими. Если система спроектирована правильно, то воспламенение топлива должно произойти при первом или втором разряде. При частоте разряда 50 гц это соответствует максимальному периоду задержки воспламенения порядка 40 мсек. Если не удастся обеспе­чить надежное и устойчивое воспламенение топлива до третьего разряда, то это означает, что система находится на границе надеж­ного режима или вообще не пригодна к эксплуатации.

Положение разрядного промежутка. Положение разрядного промежутка в зоне смешения камеры сгорания играет суще­ственную роль. При соотношении компонентов топлива, близком стехиометрическому, топливная смесь обычно проще воспламе­няется, требуя пониженной минимальной энергии разряда. Поэтому желательно возбуждение искры в зоне стехиометриче­ского соотношения компонентов. В общем случае рабочее соотно­шение компонентов значительно ниже стехиометрического. Опти­мальное положение разрядного промежутка обычно зависит от характеристик камеры сгорания и форсуночной головки. Характеристики на фазе воспламенения часто бывают нестацио­нарными. Соотношение компонентов в непосредственной близо­сти от электрода искровой свечи, вероятно, будет отличаться от общего соотношения компонентов. Отбор проб газа в различных зонах для отыскания наиболее эффективного положения разряд­ного промежутка связан со значительными трудностями. Отбор должен производиться во время переходных процессов с помощью коллекторов, которые сами влияют на соотношение компонентов в отобранной пробе. Более практичным методом является эмпири­ческое подтверждение аналитически выбранного положения путем измерения периода задержки воспламенения, характеристик камеры сгорания и срока службы искровой свечи.

Срок службы заслуживает специального упоминания ввиду того, что температура в оптимальной зоне воспламенения может оказаться слишком высокой, так что длительное пребывание в ней искровой свечи становится недопустимым. В выбранной зоне должно не только осуществляться зажигание при минималь­ной энергии разряда, но и поддерживаться относительно низкая температура, чтобы увеличить срок службы искровой свечи. Иногда необходимо предусмотреть охлаждение горючим электро­

Дов искровой свечи. При использовании такого охлаждения не должно быть чрезмерных задержек зажигания или изменения характеристик работы камеры сгорания.

Скорость подачи компонентов топлива. С увеличением скоро­сти подачи компонентов топлива увеличивается необходимая для его воспламенения энергия разряда. Теоретически показано, что поток топлива искривляет искру, увеличивая ее длину и соот­ветственно уменьшая ее эффективное сечение. Если нельзя уменьшить скорость подачи компонентов топлива, то необходимо повысить энергию разряда для приведения ее в соответствие с высокой скоростью потока топлива.

Температура. Чем выше температура находящегося в газо­образном состоянии топлива, тем ниже минимальная энергия разряда. При выборе вероятной температуры газа, однако, необ­ходимо принять во внимание возможность длительных за71,ержок запуска и утечек из клапанов, которые могут существенно пони­зить температуру поступающего топлива и окружающих кон­структивных элементов.

Давление. Высокое давление может погасить искру. При дан­ном давлении для пробоя разрядного промежутка требуется определенная энергия. С ростом давления окружающей среды воз растает и энергия, необходимая для пробоя разрядного про­межутка. Поскольку с увеличением энергии разряда увеличи­ваются размеры системы возбуждения и кабелей, существует верхний предел давления в камере сгорания ЖРД, при котором могут работать системы зажигания с искровой свечой. Во многих системах давление до воспламенения равно давлению окружаю­щей среды. В таких случаях не требуется большого расхода энер­гии. Гашение искры, которое может произойти при повышении давления после воспламенения топлива, представляет только академический интерес, поскольку при надежном воспламенении дополнительной энергии не требуется.

В некоторых двигательных установках для раскрутки турбо­насос ных агрегатов, продувки магистралей и выполнения других операций запуска в камеру сгорания подаются газы высокого давления. В этих случаях давление может быть достаточно высо­ким, чтобы вызвать гашение искры, и должно учитываться при проектировании искровой системы зажигания.

Типы искровых свечей. В ЖРД используются два основных типа искровых свечей: низковольтные полупроводникового типа и высоковольтные с воздушным зазором. В свечах первого типа между концами электродов находится полупроводниковый эле­мент, благодаря которому электрический разряд образуется при сравнительно низких разностях потенциалов (меньше 1000 в). Система возбуждения, создающая напряжение приблизительно 2000 в, обеспечивает необходимую разность потенциалов для зажигания разряда. (Энергия разряда конденсатора определяется энергией, накопленной в системе возбуждения, и выражается уравнением Е = 1/2 СУ2, где Е — накопленная энергия, дж; С — емкость конденсатора, ф; V — напряжение на клеммах конденсатора, в. Приблизительно 20% накопленной энергии высвобождается на электродах в виде энергии разряда.) Свечи с полупроводниковым элементом имеют одно важнейшее достоин­ство, заключающееся в том, что зажигание разряда можно кон­тролировать путем регистрации изменения силы тока. Отсутствие искры в некоторых случаях (образование внутренней дуги и т. п.) обязательно отразится на этом изменении.

Свечи с полупроводниковым элементом подвержены воздей­ствию тепловых ударов, возникающих при использовании крио­генных топлив. Тепловые удары приводят к образованию зазора между полупроводником и электродом, что влияет на проводи­мость. Этот недостаток ограничивает область использования свечей с полупроводниковым элементом лишь топливными систе­мами некриогенного типа.

Свечи с зазором обычно имеют воздушный зазор или элемент из керамики. Конденсаторы системы возбуждения обеспечивают разрядное напряжение около 25 ООО в и энергию разряда (0,5 дж), достаточную для воспламенения криогенных топлив. Свечи с зазором не так чувствительны к тепловым ударам. Однако при использовании таких свечей нельзя контролировать зажигание разряда.

Разработка и производство искровых свечей, особенно для ЖРД, выполняется специализированными фирмами. Искровые свечи должны отвечать спецификации, которая наряду с обыч­ными условиями на изделия гарантированного качества требует соблюдения следующих дополнительных условий.

1. Получения удовлетворительных рабочих характеристик в цепи с выбранным конденсатором системы возбуждения, обеспе­чивающей минимальное и максимальное выходное напряжение, заданные накопленную энергию разряда и частоту искровых разрядов в требуемом интервале температур и давления; характе­ристики проверяются путем измерения энергии между концами электродов свечи.

2. Отсутствия загрязнений.

3. Обеспечения удовлетворительного рабочего цикла и дли­тельного срока службы в заданных окружающих условиях, включая воздействие максимальных вибрационных нагрузок’.

4. Проверки электрических характеристик для обеспечения необходимого диэлектрического уровня, минимальных утечек и приемлемых величин радиошумов.