ЖРД на однокомпонентному паливі
Космічні ЖРД цього типу працюють на маловодний перекису водню (концентрацією близько 90%) або гідразин, що розкладаються в камері ЖРД в присутності каталізатора; утворюється високотемпературний газ при витіканні з сопла створює тягу.
Принципова схема реактивної системи управління з ЖРД на монотопліве:
1, 10 - заправні клапани; 2 - еластичний мішок; 3 - паливний бак; 4, 6, 8 - керуючі клапани; 5 - фільтр ;. 7, 9, 13. 15 - дренажно-запобіжні клапани ". 11 - газовий балон високого тиску; 12 - редуктор тиску; 14 - зливний кран; 16 - камера РРД
На малюнку показана типова схема рухової установки з ЖРД на монотопліве. Паливо зберігається в еластичному мішку, розміщеному в баку, і надходить в камеру під тиском газоподібних азоту або гелію, Каталізатор розкладання палива знаходиться в самій камері. Управління подачею палива в камеру проводиться за допомогою швидкодіючого електроклапана соленоїдного типу.
Першими знайшли застосування допоміжні ЖРД "працюють на перекису водню. Створення таких ЖРД було відносно простою справою, оскільки перекис водню вже застосовувалася до цього в ракетних рухових установках як монотопліво і як джерело отримання газу для приводу турбонасосних агрегатів. Крім того, в США, наприклад, були випробувані ЖРД для реактивних систем управління експериментальними літаками-ракетоплані.
Камера ЖРД, що працює на перекису водню:
1 - патрубок підведення монотопліва; 2 - розпилювальна головка; 3 - каталітичний пакет; 4 - реактивне сопло.
Вагові та робочі характеристики ЖРД, що використовують монотопліво, у великій мірі визначаються характеристиками каталізатора розкладання палива. У допоміжних космічних ЖРД знайшли застосування в якості каталізаторів марганцевокислий калій і срібло. У першому випадку катализаторную пакет, що розміщується в камері ЖРД, являє собою суміш гранул речовини-носія, просоченого марганцево-кислим калієм (рисунок ліворуч). У другому випадку катализаторную пакет виконується у вигляді посрібленого дротяного каркаса, виготовленого зазвичай з нержавіючої сталі. ЖРД з таким катализаторную пакетом більш досконалі.
Для ЖРД, що працюють на 90% -ного перекису водню, температура газів в камері розкладання становить близько 800 ° С, а питома імпульс - приблизно 1400-1600 м / с. Паливу з більшою концентрацією перекису водню відповідають більш високі значення зазначених параметрів. Слід зазначити у зв'язку з цим, що з підвищенням концентрації перекису водню зростають вимоги до вибору конструкційних матеріалів і очищення робочих елементів, що контактують з паливом, з метою уникнення самовільного його розкладання. Відносно низька температура газів, що утворюються при розкладанні перекису водню, дозволяє виготовляти камери РРД, які працюють на цьому паливі, зі звичайної нержавіючої сталі (розраховуючи на їх охолодження шляхом випромінювання).
Такі двигуни (конструкції фірми Белл) використовувалися, наприклад, в 1962-1963 рр. на космічному кораблі "Меркурій" і застосовуються з 1963 р на ракетної ступені "Центавр". На кораблі "Меркурій" використовувалося 18 ЖРД. об'єднаних в дві незалежні реактивні системи управління - автоматичну і ручну. В автоматичній системі застосовувалися працюють в імпульсному режимі ЖРД трьох типів - з тягою 0,45, 2,7 і 11 кг. У ручній системі, яка була резервної, застосовувалися ЖРД останніх двох типів, але з регульованою тягою.
На ракетної ступені "Центавр" використовуються 12 допоміжних ЖРД з тягою 2,7 кг кожен, об'єднаних в 4 блоки, встановлені на периферії ступені. Вони забезпечують орієнтацію ступені. осадження палива в баку і гальмування ступені при відділенні космічного апарату.
Перекис водню отримала найбільше застосування в допоміжних космічних ЖРД в середині 60-х років, після чого вона почала поступово витіснятися гидразином і двокомпонентними рідкими паливами, які дозволяють отримати для ЖРД більш висока питома імпульс.
При переході з перекису водню на гідразин питомий імпульс ЖРД збільшився приблизно на 40%. Крім того, гідразин на відміну від висококонцентрованою перекису водню не схильний до мимовільного розкладанню. Зазначені переваги гідразину були оцінені ще в 1958-1959 рр. коли в США була почата розробка ЖРД для автоматичних міжпланетних станцій.
Однак характер розкладання гідразину був мало вивчений, що викликало труднощі при створенні каталізатора, який міг би активно розкладати гідразин при кімнатній температурі і витримувати багаторазові включення двигуна. Такий каталізатор з'явився в США в 1964 р Він був розроблений фірмою Шелл девелопмент компані і отримав назву "Шелл-405".
Активною речовиною каталізатора, що забезпечує розкладання, є іридій. Він наноситься на пористі гранули речовини-носія, яким є окис алюмінію.
З появою зазначеного каталізатора за кордоном були створені і знайшли застосування численні зразки космічних ЖРД, що працюють на гідразин. Діапазон тяг, що розвиваються ними, знаходиться в межах приблизно від 20 г до 300 кг.
Гідразіновий ЖРД тягою 0,9 кг (США)
Температура газів в камері розкладання гідразінових двигунів порівняно невисока (близько 1000 ° С) що дозволяє виготовляти камери РРД з жароміцних сплавів, розраховуючи (як і в разі РРД, які працюють на перекису водню) на їх охолодження шляхом випромінювання. На малюнку праворуч представлений типовий гідразіновий ЖРД, розроблений фірмою Рокет Рісерч- однією з провідних американських фірм в області створення таких двигунів. Нижче розповідається про гідразінових ЖРД для систем управління супутниками, в яких ці двигуни широко застосовуються.
Гідразіновие ЖРД використовуються, зокрема, на супутниках зв'язку, що функціонують на геосинхронной орбітах. Зазвичай ці супутники стабілізуються обертанням і в них застосовується кілька пар ЖРД з тягою близько 2 кг, що забезпечують задану кутову швидкість обертання супутника (зазвичай 60-100 об / хв), розворот осі обертання, а також утримання і маневри супутника в площині орбіти.
ЖРД можуть працювати і в імпульсному, і у стаціонарному режимах тяги. Типовий імпульсний режим полягає у видачі серії імпульсів тяги тривалістю в 0,1 її паузою між ними в 0,9 с. Серія може складатися як з декількох імпульсів, так і з декількох сотень імпульсів. Сумарне їх число становить кілька десятків тисяч. Сумарна тривалість роботи ЖРД в стаціонарному режимі тяги досягає декількох годин. ЖРД розраховані на експлуатацію протягом декількох років.
На супутнику "Скайнет-2" застосовуються, наприклад, ЖРД КЕА16-6 фірми Гамільтон стандард тягою 2,3 кг; їх вага - 320 г, висота - 17 см, діаметр - 3 см (запас палива для роботи цих ЖРД становить всього лише 23 кг). На супутнику "Інтелсат-3" застосовувалися ЖРД МЕЕ-4А фірми Томпсон-Рамо-Вулдрідж з тягою 1,6 кг; їх вага - 245 г. висота - 11 см, діаметр - 2,5 см. На цьому супутнику паливні баки встановлені таким чином, що розвивається при обертанні супутника відцентрова сила забезпечує надійне поділ палива і газу наддуву, який розміщений в самих паливних баках.
Гідразіновие ЖРД найменшій тяги використовуються в системах орієнтації супутників, стабілізованих по трьох осях. Тяга таких ЖРД становить менше 50 г; вони розраховані на ресурс до 450000 робочих імпульсів і можуть експлуатуватися до 7 років. 4 таких ЖРД спільно з 16 гідразіновимі двигунами тягою близько 500 г використовуються, наприклад, на зв'язковому супутнику "Флітсатком"; гідразин зберігається в паливних баках разом з газом наддуву (азот) і відділений від останнього діафрагмою з еластомерного матеріалу. Передбачено електрообігрів всієї рухової установки супутника з метою підтримки каталізаторного пакета ЖРД при температурі близько 320 ° С. Необхідність обігріву пов'язана з тим, що велика кількість запусків гідразінових ЖРД при холодному каталізаторі призводить до його руйнування і втрати якості.
На завершення огляду гідразінових ЖРД слід сказати, що, незважаючи на інтенсивну розробку цих двигунів, процес їх створення має в основному емпіричний характер. Кожен тип конструкції гідразінових ЖРД добре працює лише в строго визначеному режимі, і неможливо передбачити, наскільки він буде задовольняти новим вимогам.