Основные направления совершенствования двигательных установок с ЖРД, страница 2

Использование атмосферного воздуха. Однако из направлений повышения эффективности ДУ многоразовых носителей является использование атмосферного воздуха  на участке полета носителя в плотных слоях атмосферы, которое можно осуществить двумя путями: применение воздушно-реактивного двигателя и жидкостного ракетного двигателя, в котором используется атмосферный воздух, входящий в воздухозаборник носителя, сжижаемый на его борту и подаваемый в камеру двигателя в качестве жидкого окислителя. ЖРД на сжижаемом воздухе планируется использовать на английском МТКК «Хотол». Вообще для выведения полезных грузов массой до 30 т на низкую орбиту с малым наклонением предпочтение за рубежом отдается одноступенчатым МТКК с маршевыми ВРД или  ЖРД на сжиженном воздухе,  а для полезных грузов массой более 60 т – двухступенчатым многоразовым  крылатым носителям с маршевыми ДУ с использованием ЖРД.

Увеличение давления в камере сгорания. Чем больше давление в камере сгорания (для ЖРД перспективных РН и МТКК оно должно быть выше 25 МПа), тем выше удельный импульс ЖРД и лучше его компоновка. Увеличение давления в камере сгорания является вторым по важности после использования высокоэнергетических характеристик ДУ и ракетного летательного аппарата в целом.

Использование максимально реализуемых давлений в камере сгорания для ЖРД с насосной подачей зависит от вида схемы ЖРД и охладителя камеры.

При разработке кислородно-углеводородных ЖРД с дожиганием и с высоким давлением в камере сгорания выявились некоторые трудности, связанные с проблемой охлаждения камеры. Было установлено, что углеводородные горючие типа керосина RP-1 и синтетического горючего   RJ-5 обладают плохими охлаждающими свойствами (разлагаются при относительно низких температурах) и в ряде случаев являются непригодными для регенеративного охлаждения (без использования пристеночного слоя с пониженной температурой и завес) для маршевых ЖРД  с высоким давлением.

Для ЖРД с дожиганием при охлаждении пропаном в камерах, работающих на топливе О2+С3Н8, можно обеспечить давление в камере сгорания до 23,5 МПа, а при охлаждении метаном или жидким кислородом в камерах, работающих на топливах О2+СН4 и О2+УВГ-до 27,5 МПа. Поэтому Лэнглийским научно-исследовательским центром НАСА рассматривались другие схемы ЖРД на топливе О2+УВГ, в которых можно будет реализовать более высокие давления в камере сгорания. Установлено, что проблему создания ЖРД с pk=34,4 МПа с одновременным снижением массы сухого МТКК можно решить, используя уникальные свойства водорода, который обладает в жидком и газообразном состоянии в качестве охладителя камеры исключительно высокой охлаждающей способностью, а в газообразном виде является наилучшим рабочим телом турбины, а в газообразном виде является наилучшим рабочим телом турбины из-за минимальной массы водорода из всех веществ.

В составе перспективных МТКК, в которых предполагается использовать ЖРД на топливе О2+УВГ, обязательно будет бак с жидким водородом. Расчеты показали, что для охлаждения высокоэффективных ЖРД на топливе О2+УВГ и привода ТНА достаточен расход водорода, составляющий всего 1,0…1,5% общего расхода компонентов топлива через двигатель. Это позволяет применять схему без дожигания с вводом отработанного турбинного газа в конец расширяющейся части сопла. При давлении в камере сгорания, составляющем 27,5 МПа, потери удельного импульса из-за применения схемы без дожигания составляет всего 26 м/c.

Такой ЖРД с двухкомпонентной камерой с высоким давлением в камере сгорания и с общей магистралью охладителя и турбинного газа может оказаться проще ЖРД с дожиганием на топливе О2+УВГ благодаря надежному решению проблемы охлаждения камеры водородом из-за отсутствия необходимости разработки и включения в схему двигателя генератора, работающего на топливе О2+УВГ с избытком горючего. Давление на выходе из насоса УВГ в этом случае будет лишь немного превышать давление в камере сгорания, что позволяет снизить массу топливных магистралей высокого давления. Для разработки такого ЖРД необходимо решить такие сложные технические проблемы, как разработка смесильной головки для камер с высоким давлением pk, разработка технологии использования переохлаждения горючих (например, пропана), исследования горения новых горючих (пропана и др.).