Содержание к диссертации
Стр.
Глава 1. Основные проблемы, возникающие при модификании
двигателя и пути их решения 10
-
Обзор работ, посвященный модификациям
-
Основные задачи , решаемые в процессе
модификации 17
Двигатель с рулевыми камерами 42
сопла .
2.4.3.Сравнительный анализ вариантов конструкции сопла
-
Изменение схемы крепления двигателя и управления вектором тяги
2.5.1 .Сравнительный анализ вариантов схемы крепления двигателя.
2.5.2.Сравнительный анализ вариантов управления вектором тяги...
-
Вывод ы
Глава 3. Экспериментальная проверка технических решений, принятых по результатам расчетно-параметрического анализа модифицированного двигателя
3.1.Описание экспериментальных рулевых агрегатов, программа и методика экспериментов
3.2.Результаты автономных испытаний рулевых агрегатов
3.3.Описание экспериментального двигателя, программа и методика экспериментов, результаты испытаний
3.4. Сравнение экспериментальных данных с результатами проведенных расчетов
Глава 4. Оценка экономической эффективности вариантов модификации двигателя
Глава 5.Внедрение модифицированного двигателя
Заключение
Список использованной литературы
Условные обозначения
-время;
-давление;
-масса;
-массовый расход;
-объемный расход, тепловой поток; -объем;
-газовая постоянная;
-температура;
-работа;
-приведенная скорость, коэффициент теплопроводности;
-приведенная плотность потока массы;
-показатель адиабаты;
-частота вращения;
-момент;
-плотность; .
-коэффициент полезного действия;
-коэффициент расхода, коэффициент динамической вязкости; -площадь;
-коэффициент гидравлического сопротивления.
Индексы
-жидкость;
-газ;
-пар;
-смесь;
-окислитель;
-горючее;
-регулятор расхода; -дроссель; -камера сгорания; -газогенератор; -газовод;
-смесительная головка; -насос;
-бустерный насос; -клапан; -турбина; -гидротурбина;
Введение к работе
Важнейшей особенностью современного состояния рынка ракетной техники является заметное превышение предложения над спросом, что ужесточает конкурентную борьбу компаний, обуславливает большую подвижность рыночных отношений и изменение конъюктуры, требует поиска новых путей оперативного и недорогого создания образцов ракетной техники.
Анализ рынка средств выведения [1] показал устойчивый интерес к коммерческим ракетам-носителям (РН) легкого и среднего класса грузоподъемностью до 2 тонн и 5-7 тонн, соответственно, на низкой околоземной орбите, позволяющим существенно повысить эффективность решаемых в космическом пространстве задач, а также расширить их номенклатуру и спектр действия.
Среди общего многообразия отечественных и зарубежных проектов в рамках данной работы наиболее интересны предложения по созданию семейства РН типа «Квант», охватывающего диапазон легкого («Квант-1») и среднего («Квант») классов, поэтапная модернизация РН среднего класса «Союз» (РН «Союз-2», РН «Аврора», РН «Онега»), проекты перспективных РН легкого и среднего класса американской фирмы Рас Astro и австралийской фирмы ULSI («Единство»), соответственно.
Анализ состава и основных характеристик двигательных установок, используемых на всех упомянутых средствах выведения показывает, что на первых ступенях используются двигатели в широком диапазоне тяг на высокотоксичных и, в ряде случаев, экологически чистых компонентах топливах.
В плане выбора компонентов топлива для перспективных средств выведения очевидна тенденция ухода от использования высокотоксичных компонентов и переход к использованию экологически чистых, нетоксичных топливных пар - кислород и керосин, кислород и водород. Поэтому актуальным требованием к двигателям является использование именно этих компонентов топлива.
Учитывая насыщенность рынка пусковых услуг в данном секторе космического бизнеса и связанную с этим жесткую конкуренцию к двигателям предъявляются повышенные требования по обеспечению не только заданных технических характеристик, но и высокой подтвержденной надежности, хороших эксплуатационных качеств и невысокой стоимости в разработке, производстве и эксплуатации.
При этом следует учитывать нарастающий интерес к созданию средств выведения многоразового использования, что не только обостряет упомянутые требования, но и требует учета ряда новых важных обстоятельств, таких, как обеспечение большого ресурса по количеству включений и времени работы двигателя, надежной отработанной процедуры межпускового обслуживания, ремонотопригодности - и все это на общем фоне сохранения конкурентоспособных экономических и ценовых показателей.
Одним из самых эффективных путей реализации всего комплекса предъявляемых на современном этапе требований является создание двигателя для конкретного целевого применения с использованием наиболее современных, но в тоже время уже проверенных и подтвержденных технических, конструктивных и технологических решений, на базе действующего развитого производства с максимальным использованием элементов двигателя-прототипа.
Такой подход позволяет существенно снизить технический риск разработки, сроки и затраты на отработку двигателя при безусловном обеспечении всех предъявляемых технических требований.
Очевидно, что принципиально важным является выбор двигателя- прототипа, максимально удовлетворяющего всем предъявляемым требованиям.
Одной из самых совершенных ракет в мире, из числа созданных в последние годы, является РН «Зенит» [3], эксплуатирующаяся в настоящее время в составе комплекса «Морской старт».
В качестве маршевого двигателя второй ступени этой ракеты используется кислород-керосиновый жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) РД-120, разработанный в ЕЛО Энергомаш.
Этот двигатель наряду с двигателем РД-171, использующимся на этой же ракете на первой ступени, является одной из самых современных разработок, использующей все наиболее эффективные достижения в области теории и практики создания ЖРД данного класса, и может быть использован для создания ряда модификаций с обеспечением всех современных требований.
Целью настоящей работы является разработка оптимального, высоконадежного, экономичного алгоритма создания в короткие сроки модифицированного двигателя путем комплексного целенаправленного исследования основных проблем, связанных с процессом модификации основных агрегатов и двигателя в целом.
Для достижения поставленной цели необходимо решение ряда основных задач, включающих в себя выбор возможных вариантов модифицированного двигателя для проведения исследований, проведение сравнительного параметрического анализа вариантов модифицированного двигателя на стационарных режимах на базе расчетов энергетической увязки параметров по основным критическим параметрам, определяющим работоспособность двигателя, исследование особенностей запуска модифицированного двигателя на базе системы нелинейных дифференциальных и алгебраических уравнений с учетом влияния крайних неблагоприятных сочетаний разбросов параметров на динамику процесса, исследование основных проблем обеспечения глубокого дросселирования модифицированного двигателя с учетом анализа условий обеспечения статической устойчивости, проведение статистического анализа по наработке двигателя-прототипа на максимальных режимах модифицированного двигателя по основным критическим параметрам, исследование возможных вариантов и выбор оптимального профиля сопла камеры сгорания с учетом современных требований, поиск оптимального решения по вариантам крепления модифицированного двигателя и агрегатам управления вектором тяги на базе сравнительного анализа, экспериментальное подтверждение технических решений, предложенных на основе расчетно-теоретического анализа, экономическая оценка эффективности предложенного варианта модифицированного двигателя, анализ возможных сфер применения и преимуществ использования модифицированного двигателя.
Научная новизна данной работы заключается в том, что впервые проведен обобщенный комплексный параметрический анализ возможных вариантов модифицированного двигателя, позволивший увязать его основные параметры на стационарных и переходных режимах работы и разработать предложения по обеспечению надежной работы всех агрегатов двигателя в новых условиях.
Разработаны предложения по обеспечению работоспособности модифицированного двигателя на режиме глубокого дросселирования с обеспечением условий статической устойчивости.
Выбран оптимальный с технической и экономической точек зрения вариант профиля и конструкции «земного» сопла.
Предложен вариант крепления двигателя через переходный силовой узел, универсальный для качающегося и неподвижно закрепленного модифицированного двигателя, предложена оптимальная схема крепления и управления вектором тяги.
Получены экспериментальные характеристики, характеризующие условия работы рулевых камер и основного двигательного блока на всех режимах работы.
Натурными испытаниями подтверждена правильность предложенных технических решений.
На базе проведенного технико-экономического анализа сформулированы основные рекомендации по снижению затрат на разработку и производство двигателя.
Определены основные направления внедрения модифицированного двигателя и двигательной установки на его основе в существующие модернизируемые и перспективные РН легкого и среднего класса коммерческого назначения.
Достоверность полученных результатов подтверждается согласованностью проектных, расчетных и экспериментальных данных, комплексом проведенных автономных и огневых испытаний агрегатов и систем двигателя, а также высокой степенью надежности системы измерений, сбора и обработки экспериментальной информации.
Практическая значимость работы: .Сформулированы основные критерии и технические требования,к модификации двигателя РД-120 применительно к первым ступеням РН.
2.Определены основные параметры, технические, конструктивные и организационно-экономические решения, позволяющие разработать модифицированный двигатель РД-120и в сжатые сроки при минимальных затратах в соответствии с предъявляемыми требованиями.
3.Спроектирована, изготовлена и испытана с положительными результатами натурная экспериментальная двигательная установка, состоящая из двигателя и рулевых камер, питающихся от основного турбонасосного агрегата.
Личный вклад автора заключается в следующем: .Постановка задачи и определение основных критериев, которые должны быть положены в основу работ по модификации двигателя РД-120 для первых ступеней РН.
Разработка ПГС, схемы установки на РН и управления вектором тяги модифицированного двигателя РД-12(Щ, обеспечивающими выполнение технических требований.
Проведение параметрического анализа вариантов модификации на стационарном и переходном режимах работы, обоснование низкого технического риска программы, анализ путей дальнейшего совершенствования двигателя.
Расчетно аналитический и конструкторский анализ вариантов сопла, выбор конструктивной схемы крепления двигателя и системы управления вектором тяги.
Проведение технико-экономического анализа издержек на разработку и производство модифицированного двигателя, разработка предложений по их оптимизации.
Участие в экспериментальной отработке модифицированного двигателя и рулевых камер для него, анализ результатов проведенных испытаний и их обобщение в совокупности всех аспектов программы модификации двигателя.
Проведение анализа и разработка предложений по основным направлениям использования модифицированного двигателя и двигательных установок на его основе в модернизируемых и перспективных РН легкого и среднего класса коммерческого назначения.
Реализация работы.
Работа выполнялась на протяжении последних десяти лет по техническим заданиям и договорам с ведущими отечественными ракетными фирмами (ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», РКК «Энергия»), а также ряда американских компаний и, главным образом в последние годы - по контракту с австралийской фирмой United Launch Systems International Pty Ltd (ULSI).
Принято решение об использовании модифицированного двигателя РД-120 на поэтапной основе в составе модернизированной РН «Союз» и создаваемой на ее основе РН «Онега».
Модифицированный двигатель РД-120и предполагается использовать в качестве маршевого двигателя первой ступени РН «Единство» компании ULSI.
Похожие диссертации на Исследования проблем, связанных с модификацией двигателя РД-120 для первых ступеней ракет-носителей коммерческого назначения
-
