В практике создания криогенных двигателей с минимальным временем запуска (так называемый "горячий запуск") нашло применение ускоренное (неполное) охлаждение насосов, что позволило повысить экономичность, получить выигрыш в массе силовой установки и значительно улучшить эксплуатационные характеристики двигателей. Ускоренное охлаждение криогенных систем подачи, по-видимому, применимо и в авиационных ГТД, например, при отказах или в других случаях. Для правильной организации процесса запуска существенное значение приобретает вопрос о напоре, который могут развить криогенные насосы в условиях неполного охлаждения. В данной статье приведены результаты исследования механизма создания напора криогенными насосами при "горячем" запуске двигателей, проведенного методом моделирования на жидком азоте в лабораторных условиях и на жидком кислороде в условиях натурных систем.

Запуск ЖРД, использующих низкокипящее топливо, осуществляется обычно с предварительным, достаточно длительным (более 500 с) захолаживанием насосов. При этом элементы конструкции насосов и стенки трубопроводов принимают температуру, близкую к нормальной температуре низкокипящего топлива. Благодаря этому во время запуска двигателей насосы работают на однофазной жидкости и развивают нормальный напор в соответствии со своими обычными характеристиками.

При ускоренном запуске общее время рассматриваемых процессов не превышает нескольких секунд или даже долей секунды, в этом случае запуск проводится при неполном охлаждении насосов и, следовательно, при подаче частично газифицированных компонентов. Для правильной организации процесса важно знать, какой напор могут развивать криогенные насосы в этом случае.

Запуски без предварительного охлаждения были реализованы на кислородно-керосиновом двигателе 11Д58 для ракеты-носителя "Протон", на двигателях НК-39 и HK-31 конструкции ОКБ Н.Д. Кузнецова для ракеты H-1. Возможно применение такой системы запуска также и на перспективных кислородных и водородных двигателях.

Имеется значительный экспериментальный опыт, накопленный НПО "Энергия" и ОКБ Н.Д. Кузнецова, и построенные на нем теоретические представления о процессе запуска. Задача состоит в дальнейшем развитии этих представлений и придании им более строгих количественных выражений.

Ниже приводятся результаты экспериментального изучения основных закономерностей таких процессов, проведенного методом гидродинамического моделирования. Оно включало в себя холодные проливки натурных двигателей, а также исследование общих закономерностей в системе подачи криогенного компонента двигателя на лабораторном стенде с подробным препарированием гидравлического тракта.

Вся информация, необходимая для правильной организации процесса запуска без предварительного охлаждения, получалась в основном при холодных испытаниях, а в ходе огневых испытаний проводилась только окончательная проверка выбранных циклограмм.

В процессе лабораторных испытаний исследовалась система подачи применительно к двигателю НК-39, включающая основной ТНА с кислородным насосом. Испытания проводились на жидком азоте при строгом выдерживании требуемых параметров жидкости перед пусковым клапаном. Раскрутка турбины производилась пневмостартером. Пусковой клапан открывался с опережением на 3...20 с, необходимым для ускоренного охлаждения насоса. Таким способом имитировался процесс запуска двигателя.

В ходе эксперимента малоинерционной аппаратурой регистрировались давление, температура, объемный расход и сплошность рабочей среды на входе и выходе насосов, а также частота вращения ТНА и температура наружных стенок по длине трубопроводов.

В результате проведения экспериментов выявились следующие закономерности. После открытия пускового клапана наблюдаются три характерных временных участка: на отрезке 0...0,4 с - заполнение входного трубопровода до подхода фронта жидкости к насосу; на отрезке 0,4... 0,7 с - резкое снижение температуры и содержания газовой фазы в потоке на входе в насос и поступление в насос практически только жидкой фазы; на отрезке 0,7...1 с - увеличение содержания газовой фазы на входе в насос.

На первом участке к моменту 0,4 с объемный расход рабочей среды на входе в насос достигает больших ("бросковых") значений, затем он резко падает, вызывая сильный гидроудар по давлению на входе (выше 1,3 МПа); на остальном участке (при t > 3 с) расход остается примерно постоянным. При этом в интервале времени 1...20 с регистрируется постепенное уменьшение газосодержания в потоке до величины, не превышающей 5…7 % в конце указанного интервала. На этом временном отрезке стенки трубопровода остаются еще достаточно теплыми, их температура значительно (примерно на 80К) превышает температуру криогенной жидкости. К моменту времени t = 20 с расходы на входе в насос и выходе из него сравниваются.

Наиболее важным для практики является протекание процесса на втором участке. Оно связано с образованием стержневой структуры потока во входном трубопроводе при большом расходе криогенной жидкости. Жидкое ядро потока занимает при этом основную часть проходного сечения канала и отделено от стенок тонким кольцевым слоем пара.

Реализация практически однофазного течения при высоких значениях температурного напора оказывается возможной благодаря пленочному кипению криогенной жидкости, возникающему на начальном этапе процесса. Образующийся при пленочном режиме кипения у стенок тонкий паровой слой, обладающий высоким термическим сопротивлением, обеспечивает сохранение жидкой фазы в ядре потока при достаточно высокой температуре стенок. Это позволяет осуществлять запуск не полностью захоложенных насосов без срыва напора.

Исследования показали, что на начальном этапе в ограниченном интервале времени, когда в насос поступает в основном жидкая фаза, он успевает развить достаточно высокий напор, необходимый для поддержания повышенного расхода криогенной жидкости и обеспечения нормального запуска двигателя. Величина этого интервала времени увеличивается с возрастанием отношения величины расхода через насос к массе захолаживаемой конструкции.

Длительность интервала времени, в пределах которого может осуществляться экстренный запуск с не полностью захоложенными насосами, может составлять 5...10 с и более. Этого времени обычно достаточно для проведения всех операций управления запуском.

В описываемой серии опытов был осуществлен второй режим, когда раскрутка насоса начиналась в момент времени t > 3 с, т.е. уже после окончания второго участка процесса. При этом газосодержание в потоке на входе в насос значительно возрастало. Из-за этого напор криогенного насоса появлялся не сразу, а только после некоторого периода ускоренного захолаживания конструкции повышенным расходом рабочей среды, возникавшим благодаря значительному уменьшению гидравлического сопротивления вращающегося насоса. Затем, при достижении определенной степени захолаживания, происходило резкое нарастание напора, и насос выходил на нормальный режим работы. Полученные результаты показывают, что ускоренное охлаждение и запуск криогенных насосов могут производиться и другим путем, но при этом время запуска и предпусковой выброс компонентов значительно выше, чем при запуске насосов в указанном наиболее благоприятном начальном интервале времени (на втором участке).

Холодными проливками натурных двигателей было установлено, что оптимальное время заливки, обеспечивающее необходимые условия работы насоса в период запуска, равно 3,5...5,0 с.

Стабильность работы и надежность систем запуска без предварительного охлаждения двигателей подтверждены комплексом испытаний: перегрузочных (в широком диапазоне значений внешних факторов) и специальных (с имитацией натурных условий эксплуатации). Были проведены огневые пуски двигателей в крайних условиях, способствующих максимально ускоренному запуску, и в условиях сверх замедленного процесса. При всех испытаниях характеристики запуска без предварительного охлаждения были примерно такими же, как и для обычного запуска с предварительным охлаждением. Их показатели практически не выходили за пределы полей среднестатистического разброса параметров при обычном запуске. Надежность разработанных систем, как свидетельствовали результаты проведенных испытаний, была близка к 100 %.

Внедрение систем "горячего" запуска ЖРД позволило существенно сократить общее время запуска двигателей (до 5 с вместо 600...900 с), значительно снизить перегрузки конструкции в момент воспламенения топлива и уменьшить общую массу двигательных установок ракет-носителей. Отмеченные преимущества особенно важны при многоразовом запуске двигателей в полете.