СИСТЕМА ПОДАЧИ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА ЖРД

FUEL SUPPLY SYSTEM FOR LIQUID ROCKET ENGINES

Nikolay Kaushan

student, Department of Aircraft Engines, Reshetnev Siberian State University of Science and Technology,

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

В качестве цели настоящей статьи определены преимущества использования электродвигателей в качестве привода для основных насосов на жидкостных ракетных двигателях. Их применение имеет следующие преимущества: упрощение схемы жидкостного ракетного двигателя, оптимизация регулировки оборотов насосов, оптимизация режима по тяге и запуск. В качестве метода использованы общенаучные методы исследования. Результаты научных изысканий позволили говорить о необходимости совершенствования конструктивных особенностей жидкостных ракетных двигателей.

ABSTRACT

As the purpose of this article, the advantages of using electric motors as a drive for the main pumps on liquid rocket engines are determined. Their application has the following advantages: simplification of the liquid rocket engine circuit, optimization of pump speed adjustment, optimization of thrust mode and launch. General scientific research methods were used as a method. The results of scientific research made it possible to talk about the need to improve the design features of liquid rocket engines.

Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель; перспективные разработки; электродвигатель, оптимизация.

Keywords: liquid rocket engine; promising developments; electric motor, optimization.

Современные научные публикации позволяют говорить о том, что недавнее прошлое, как и перспективы, связаны с совершенствованием жидкостных ракетных двигателей в ракетном машиностроении. Необходимо отметить, что в основе действия жидкостного ракетного двигателя лежит химическая реакция жидкого топлива, надежная и эффективная система подачи компонентов топлива – один из важных элементов, характеризующих двигательную установку в целом.

И.Л. Шаров отметил недостатки современной системы подачи компонентов жидкостных ракетных двигателей ЖРД [4, с. 165-169]. Автор описывает следующую структуру системы подачи компонентов топлива: агрегат для создания давления подачи компонентов, система агрегатов и трубопроводов, баки. Автор выделил насосную и вытеснительную системы подачи, для каждой определил достоинства и недостатки. В качестве основного достоинства вытеснительной системы подачи определены относительная конструктивная простота, а в качестве основного недостатка - высокое давление в топливных баках. Этот недостаток определил необходимость утолщения стенок бака, что увеличивает массу бака, его стоимость, время работы ЖРД.

Насосная система подачи топлива позволяет облегчить конструкцию баков, вследствие чего запас компонентов топлива на борту увеличится, что неизбежно повлияет на дальность полета аппарата. Также появляется возможность увеличения массы полезной нагрузки. В качестве недостатка можно отметить очень сложную конструкцию систему подачи.

Недостаток насосных систем состоит в относительной сложности конструкции классических ТНА.

Специалисты отмечают перспективы использования электронасосного агрегата подачи компонентов топлива ЖРД. Так, В.Б. Федоров выделил преимущества и недостатки разных систем подачи топлива и пришел к выводу о преимуществах системы подачи с электронасосным агрегатом в составе космического летательного аппарата [3, с. 251-260].

Совершенствование конструкции системы подачи компонентов топлива связана, в том числе, с использованием электронасосного агрегата (ЭНА). Практические и экспериментальные исследования использования ЭНА позволили утверждать, что КПД привода ЭНА может достигать 82 %, что существенно выше показателя для осевых высокоперепадных одноступенчатых газовых турбин. В фокусе исследований специалистов лежит использование литий-ионных аккумуляторов. Они имеют значительные достоинства, в числе которых небольшая удельная плотность.

Топливные элементы представляют электрохимические устройства, способные обеспечивать высокий коэффициент преобразования существующей химической энергии в электрическую. Данные открытых источников сети Интернет позволяют отметить использование литий-ионных аккумуляторов в Space Shuttle – космических кораблях многоразового использования. В них применяются установки мощностью 12 Вт. Они вырабатывают всю электроэнергию на космическом корабле. Вода, которая образуется при электрохимической реакции, применяется для питья и охлаждения.

Для повышения количества электроэнергии, создаваемой реакцией, можно увеличить размеры топливных элементов, но на практике обычно применяются несколько элементов, которые объединяются в батареи.

На текущий момент электрохимические генераторы для использования в качестве главного источника энергии нуждаются в больших первоначальных затратах. При внедрении более стабильных мембран с высокой проводимостью, эффективных и дешевых катализаторов, альтернативных источников водорода топливные элементы приобретут высокую экономическую привлекательность и будут внедряться повсеместно.

Следует отметить следующие достоинства топливных элементов:

• безопасность для окружающей среды;
• электрохимические генераторы не нужно перезаряжать;
• электрохимические генераторы могут создавать энергию постоянно, им не важны внешние условия;
• гибкость в плане масштаба и портативность.

Среди недостатков можно выделить:

• технические трудности с хранением и транспортом топ­лива;
• несовершенные элементы устройства – катализаторы, мем­браны и т. д.
• высокая себестоимость.

Кроме того, специалисты указывают на возможности различных способов подачи компонентов топлива жидкостного ракетного двигателя, работающего в условиях невесомости, отмечая возможности ЭНА [1, с.111-112]. В.С. Ивашин предлагает конструктивные изменения, которые, по мнению, автора будут способствовать уменьшению массы всего турбонасосного агрегата за счет уменьшения наружного диаметра колеса. Расчеты автора позволили утверждать, что бустерный насосный агрегат дает возможность повысить КПД вследствие увеличения коэффициента быстроходности. В качестве недостатка конструктивных изменений автор отметил сложность конструкции, увеличение габаритов [2, с. 1].

В заключение следует говорить о том, что, не смотря на сложные экономические условия, в значительной мере утраченные позиции в мировой космической науке, потенциал в научной сфере развития центра ракетно-космической промышленности, тем не менее, имеется. В том числе, в значительной степени продвигаются практические испытания с целью выявления перспективных направлений системы подачи компонентов топлива ЖРД.

Список литературы:

1. Бакулин Я.Ю., Журавлев В.Ю., Кубриков М.В. Варианты системы подачи топлива жидкостного ракетного двигателя в условиях // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. – 2017. – Т. 1. – № 13. – С. 111-112.
2. Ивашин В.С., Анищенко Ю.В. Сравнительный анализ работы турбонасосного агрегата жидкостного ракетного двигателя при установке дополнительного бустерного насосного агрегата // Политехнический молодежный журнал. – 2018. – № 1(18). – С. 1.
3. Федоров В.Б., Тараторин А.В. Электронасосная система подачи компонентов топлива для космического летательного аппарата // Калашниковские чтения : V Всерос. научно-практ. конф. (в рамках I Молодежного форума студентов и курсантов оборонных специальностей вузов России). Материалы конф. (Ижевск, 08–11 ноя. 2018 г.). – Ижевск: Ижевский институт компьютерных исследований, 2018. – С. 251-260.
4. Шаров И.Л., Зарницына Е.А. Анализ применения электронасосных систем подачи компонентов топлива ЖРД // Калашниковские чтения : Материалы VI Всерос. научно-практ. конф. (в рамках II Молодежного форума студентов и курсантов оборонных специальностей вузов России), (Ижевск, 07 ноя. 2019 г.). – Ижевск: ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, 2019. – С. 165-169.