4. Номинальные условия работы

4.1. Давление компонентов топлива на входе в двигатель, кгс/ …..15,5.

4.2. Температура компонентов топлива на входе в двигатель, °С……+15.

4.3. Напряжение электрического тока на электрических разъемах, В...27.

4.4. Время пребывания двигателя в составе КДУ в условиях полета до 200 суток с последующим доведением этого срока до 2 лет.

4.5. Двигатели устанавливаются на наружной поверхности объекта. Окружающее пространство - околоземное космическое пространство с давлением 10^-9 мм.рт.ст.

Конечно, при дальнейшей работе исходные данные дополняются и уточняются, а на стадии разработки рабочей конструкторской документации головным предприятием (подразделением) выдается «полноценное» техническое задание (ТЗ), содержащее все необходимые сведения для выпуска конструкторской документации (КД) и прочих доку­ментов, выпускаемых при отработке изделия.

После получения исходных данных и их анализа порядок проектирования может быть следующим:

1. Определяется давление в камере сгорания. Для этого составляется баланс давлений:

р_вх = р_к + Δр_фг + Δр_кл + Δр_настр, (14.1) где р_вх - давление компонентов топлива на входе в двигатель;

р_к - давление в камере сгорания;

Δр_фг - перепад давления на форсуночной головке;

Δр_кл - перепад давления на клапане;

Δр_настр - перепад давления на настроечном (дроссельном) элементе.

Обычно, давление в камере сгорания разработчик двигателя стремится сделать максимально большим. При повышении давления в камере сгорания при прочих равных условиях несколько повышаются энергетические характеристики двигателя, а также уменьшаются габариты и, соответственно, масса двигателя. Однако, следует иметь в виду, что:

1) перепад давления на форсуночной головке Δр_фг, определимый практически полностью перепадом на форсунке, не следует слишком минимизировать, так как при малых перепадах стабильность работы форсунки снижается, а качество распыла ухудшается. Практика показывает, что перепад на форсунке следует выдерживать в диапазоне (3...7) кгс/см²;

2) перепад давления на клапане Δр_кл определяется гидравлической характеристикой применяемого в двигателе клапана. Дело в том, что в настоящее время практически нет случаев разработки нового клапана для вновь разрабатываемого двигателя. Обычно разработчик двигателя стремится применить во вновь разрабатываемом двигателе клапан, отработанный ранее для другого двигателя и серийно выпускаемый производством. В этом случае надежность клапана подтверждена натурной эксплуатацией, а, учитывая серийность выпуска, стоимость клапана относительно невелика. Эти два фактора -надежность и стоимость - следует прокомментировать.

Что касается надежности клапана, то по американским данным ≈30% всех отказов двигателей при натурной эксплуатации произошло в результате отказа в работе клапана. По стоимости же клапан составляет ≈10% от стоимости всего двигателя, а, учитывая, что их два в наиболее часто применяемых двухкомпонентных ЖРДМТ, то их стоимость составляет пятую часть от стоимости двигателя.

Таким образом, мы действительно убеждаемся в целесообразности применения во вновь разрабатываемом двигателе серийно выпускаемых клапанов. Обычно, перепад на клапане Δр_кл, составляет примерно (1...3) кгс/см².

3) необходимость перепада давления на настроечном (дроссельном) элементе Δр_настр определяется следующим.

При изготовлении двигателей «набегают» разбросы в геометрических размерах, задаваемых, естественно, с допусками в конструкторской документации. Соответственно, гидравлические характеристики изготовленных двигателей будут различными. Иными словами, при подаче на вход этих двигателей компонентов топлива одинакового давления расходы будут разными, следовательно, разными будут и тяги этих двигателей. Но в техническом задании отклонения тяги «головником» обычно задаются очень жесткими, так как от них во многом зависит эффективность работы системы управления. Поэтому разработчики двигателя применяют следующий прием.

Размеры в конструкторской документации на детали и узлы задаются так, чтобы перепад на гидравлических трактах двигателя получался несколько меньшим, чем это необходимо для обеспечения требуемого расхода. После предварительной сборки двигателей выполняют их проливку водой и определяют фактический перепад на каждом экземпляре двигателя. Затем осуществляют настройку двигателя, то есть устанавливают на каждый экземпляр двигателя такой дроссельный элемент (дроссельную шайбу или пакет дроссельных шайб), чтобы он обеспечивал через все двигатели одинаковый расход при подаче на их вход одинакового давления.

Обычно, перепад давления на настроечном (дроссельном) элементе Δр_настр стремятся минимизировать, но не делают менее (1...2,5) кгс/см².

Теперь, с учетом данных пояснений, можно из формулы (14.1) рассчитать давление в камере сгорания:

р_к = р_вх - Δр_фг - Δр_кл - Δр_настр.

Следует подчеркнуть, что значения перепадов на форсунках, клапанах и настроечных элементах, как говорят конструкторы, по линиям «О» (окислителя) и «Г» (горючего) для двухкомпонентного ЖРДМТ могут быть, вообще говоря, различными и даже несколько отличаться от рекомендуемых.

Например, для двигателя, спроектированного по приведенным выше исходным данным, конструкторами были определены и приняты следующие значения перепадов:

- по линии «О» Δр_фго = 2,9 кгс/см²,

Δр_кло = 0 кгс/см²,

Δр_настро = 4,6 кгс/см²;

- по линии «Г» Δр_фгг =5,0 кгс/ см² ,

Δр_клг = 0 кгс/см²,

Δр_настрг = 2> 5 кгс/см².

Таким образом, давление в камере сгорание составило значение 8 кгс/ см² :

р_к = 15,5 - 2,9 - 4,6=8 - линия «О»,

р_к = 15,5 -5,0 - 2,5=8 - линия «Г».

Естественно, значения подобраны так, что давление в камере сгорания получается одинаковым для обеих линий.

2. Выполняется термодинамический расчет.

Термодинамический расчет выполняется, например, с помощью программного комплекса «Астра» («Терра»).

В типовой файл исходных данных для расчетов в равновесном приближении входят параметры:

- давление в камере сгорания,

- химические (условные) формулы компонентов топлива,

- коэффициент избытка окислителя,

- ряд значений геометрической степени расширения сопла.

В результате проведенных расчетов определяются идеальное (теоретическое) значение расходного комплекса β_и и идеальное (теоретическое) значения пустотного удельного импульса J_упи , соответствующие заданным значениям геометрических степеней расширения.

3. Определяются суммарный расход топлива и расходы компонентов топлива по линиям «О» и «Г».

, (14.2) где - суммарный расход топлива,

P - тяга двигателя в соответствии с требованиями исходных данных (технического задания),

J_y - удельный импульс в соответствии с требованиями исходных данных (технического задания).

, (14.3) где - расход горючего,

k - действительное соотношение компонентов топлива.

, (14.4) где -расход окислителя.

4. Определяется коэффициент φ_к.

По имеющимся значениям φ_к двигателей-прототипов аналогичной и близких тяг определяется зависимость φ_к(Р). Затем, для двигателя данной тяги по этой зависимости определяется ожидаемое значение φ_к.

5. Определяется ожидаемое значение расходного комплекса.

β = φ_к β_и , (14.5) где β – ожидаемое (действительное) значение расходного комплекса.

6. Определяется ожидаемое значение φ_с.

По имеющимся значениям φ_с двигателей-прототипов аналогичной и близких тяг определяется ожидаемое значение φ_с проектируемого двигателя.

7. Определяется ряд значений идеального (теоретического) коэффициента пустотной тяги.

По результатам термодинамического расчета для каждого значения геометрической степени расширения сопла, заложенного в исходные данные термодинамического расчета, определяется значение теоретического коэффициента пустотной тяги.

К_ТПИ = J_{у ПИ} /β_и , (14.6) где К_ТПИ - идеальный (теоретический) коэффициент пустотной тяги.

8. Определяется ряд значений действительного (ожидаемого) коэффициента пустотной тяги.

Для каждого значения геометрической степени расширения сопла, заложенного в исходные данные термодинамического расчета, определяется значение ожидаемого коэффициента пустотной тяги.

К_ТП = φ_с К_ТПИ , (14.7) где К_ТП. – действительный (ожидаемый) коэффициент пустотной тяги.

9. Определяется ряд значений действительного (ожидаемого) удельного импульса.

Для каждого значения геометрической степени расширения сопла, заложенного в исходные данные термодинамического расчета, определяется значение ожидаемого удельного импульса.

J_уП = φ_с К_ТП, (14.8) где J_уП – действительный (ожидаемый) удельный импульс.

10. Определение геометрической степени расширения сопла.

Из ряда значений ожидаемого удельного импульса выбирается такое значение, которое удовлетворяет требованиям исходных данных на разработку двигателя, то есть J_уП ≥ J_у и определяется соответствующее ему значение геометрической степени расширения сопла.

В случае, если такого значения нет, следует повторить термодинамический расчет с исходными данными, включающими большие значения геометрической степени расширения сопла, то есть, увеличивая К_ТП и добиваясь выполнения требований технического задания на проектирование двигателя по удельному импульсу. Возможно, следует проработать вопрос о возможности повышения значения расходного комплекса β, например, за счет увеличения приведенной длины камеры сгорания.

11. Определение площади и диаметра критического сечения сопла.

Площадь критического сечения сопла определяется по формуле:

, (14.9) где - площадь критического сечения сопла.

По площади критического сечения сопла определяется его диаметр.

12. Определение площади и диаметра выходного сечения сопла. Площадь выходного сечения сопла определяется по формуле:

, (14.10) где F_a - площадь выходного сечения сопла,

- геометрическая степень расширения сопла.

По площади выходного сечения сопла определяется его диаметр.

13. Построение профиля сопла.

Построение профиля сопла проводится по имеющимся методикам, например, приближенный профиль можно построить методом парабол.

14. Построение камеры сгорания.

В настоящее время в подавляющем большинстве случаев камеру сгорания выполняют цилиндрической формы. В начале определяют объем камеры сгорания, задавая значение приведенной длины камеры сгорания, по имеющимся экспериментальным данным для применяемого топлива. Затем профилируют докритическую часть и определяют ее объем. Затем вычисляют объем цилиндрической части и определяют ее длину.

15. Конструктивная проработка камеры сгорания.

Построив внутренний профиль камеры сгорания с соплом, выполняют конструктивную проработку. Выполняют прочностные расчеты стенки камеры сгорания и определяют ее толщину, прорабатывают узел соединения камеры сгорания с форсуночной головкой, а также определяют наружный контур камеры сгорания, в том числе и на срезе сопла. Во многом при такой конструктивной проработке используется накопленный опыт и практика создания двигателей-прототипов.

16. Выбор организации рабочего процесса форсуночной головки.

На основании выполненных, на предыдущих стадиях проработок, на основании опыта создания двигателей-прототипов подобной и близких тяг, а также на основании результатов проведенных научно-исследовательских работ выбирается схема организации рабочего процесса (схема смесеобразования). При этом имеется в виду обеспечение ожидаемого (или большего) значения расходного комплекса β, заложенного ранее в расчет.

17. Конструктивная проработка форсуночной головки.

Выбрав схему смесеобразования, выполняют конструктивную проработку, определяя габариты и конструктивные элементы соединения форсуночной головки с камерой сгорания и электромагнитными клапанами.

18.Конструктивная проработка двигателя.

Выполняется компоновка двигателя. Двигатель снабжается выбранными ранее электромагнитными клапанами, конструктивно проработанными настроечными (дроссельными) элементами, а также требуемыми по техническому заданию фланцем крепления двигателя к объекту и другими конструктивными элементами и узлами (сигнализатором магнитоуправляемым, электронагревателем, теплоизоляцией и т.д.). Определяются габариты и ожидаемая масса двигателя.

По результатам выполненных работ на стадии эскизного проектирования выпускается чертеж общего вида и согласовывается с головной организацией (подразделением) в части габаритных и присоединительных размеров.

Таков примерный объем работ, выполняемых конструктором-разработчиком двигателя на стадии эскизного проектирования.

Однако дело этим не ограничивается.

В целях более глубокого понимания требований технического задания конструктор-разработчик двигателя в обязательном порядке знакомится с предполагаемой компоновкой двигателя в составе двигательной установки (ДУ), с пневмогидравлической схемой ДУ, с условиями работы ДУ в составе объекта.

Конструктор совместно со специалистами по надежности определяет примерный объем экспериментальной отработки и выпускает материалы, являющиеся прообразами будущих «Программы обеспечения надежности» (ПОН) и «Комплексной программы экспериментальной отработки» (КПЭО), которые выпускаются на следующей стадии рабочей конструкторской документации.

Кроме того, на стадии эскизного проектирования технологическими службами предприятия прорабатываются вопросы технологической подготовки производства, наличия в производстве отработанных технологических процессов и технологической оснастки, оценивается необходимость отработки и внедрения новых технологических процессов.

Службами предприятия, отвечающими за экспериментальную отработку двигателя, прорабатываются вопросы проведения необходимых экспериментальных работ, оценивается необходимость дооборудования существующих испытательных стендов и необходимость и возможность создания новых.

Экономическими службами предприятия, на основании предоставленных конструктором, технологами и испытателями данных, оцениваются затраты предприятия на создание двигателя.

Во всех перечисленных работах самое непосредственное участие принимает конструктор. Именно он является основным звеном в процессе разработки двигателя, и именно от его компетентности, в конечном счете, зависит создание соответствующего требованиям ТЗ двигателя.