7-40> Возможно, Nikomo или еще кто-нибудь захочет прокомментировать это полнее.
Возможно и прокомментирую
Насчет устойчивости рабочего режима в ЖРД уже ранее обсуждали, поэтому повторю опять:
Создание однокамерного ЖРД с большим диапазоном изменения тяги усложняется главным образом следующими обстоятельствами. Уменьшение расхода топлива, т.е. расходов окислителя и горючего приводит к уменьшению перепада давления на форсунках. Этот перепад изменяется при этом в обычных нерегулируемых форсунках пропорционально квадрату расхода. Следовательно, если перепад на максимальном режиме работы двигателя выбран в обычных пределах, то на пониженных режимах он будет недостаточным, что может привести к ухудшению процесса сгорания и к нарушению устойчивой работы двигателя. Нарушение устойчивой работы произойдет как из-за ухудшения условий сгорания топлива, так и из-за уменьшения демпфирующего влияния форсунок, работа которых определяет качество подготовленной для горения смеси и полноту ее сгорания в камере двигателя.
Небольшие изменения перепада давления на форсунках при относительно большом диапазоне изменения тяги можно обеспечить, например, выключением части форсунок на режимах с пониженным расходом. В этом случае расход через отдельную форсунку будет изменяться в меньшей степени, и, следовательно, в меньшей степени будет изменяться и перепад давлений.
Однако выключение части форсунок может привести к ухудшению процесса в камере сгорания из-за нарушения распределения топлива по сечению камеры.
Для справки, перепад давления на форсунках F-1 был (fuel injector pressure drop) 96 psi=6,5 атм, в то время, как желательно этот перепад иметь порядка 10 атм, для более стабильной работы на НЧ. Однако увеличение перепада приведет к увеличению давления насосов, следовательно, к увеличению расхода через турбину, а это повышенный расход топлива и, кроме того, увеличение веса двигателя. С другой стороны, сильное увеличение перепада давления на форсунках может привести к возникновению ВЧ колебаний (см. далее).
7-40> В общем, характеристика устойчивости КС не имеет в общем случае монотонной зависимости от тяги, вблизи номинала имеется более или менее острый пик, по обе стороны от него спад.
В общем, можно было бы как будто считать так, но дело в том, что таких пиков не один, а их много. Поэтому из зоны устойчивости можно легко выйти, а затем снова попасть в зону устойчивости, но уже другую. Так что и при увеличении тяги можно на некотором режиме попасть в область неустойчивости. Например, при непрерывном увеличении тяги можно в некоторый момент выйти из области неустойчивости (если двигатель работает неустойчиво на расчетном режиме) с частотами, определяемыми первой гармоникой, но при дальнейшем форсировании тяги двигатель может снова попасть в область неустойчивости с частотами, соотвествующими уже второй гармонике и т.д. (гармоник много). С другой стороны, любой двигатель имеет некоторый минимальный режим, ниже которого начинается неустойчивая работа.
Необходимо отметить, что меры борьбы с ВЧ колебаниями и НЧ колебаниями могут быть взаимно противоположными.
Так, для борьбы с НЧ колебаниями требуется повышать перепад давления на форсунках и уменьшать время преобразования (сгорания), а для борьбы с ВЧ колебаниями, напротив, понижать давление на форсунках и увеличивать время преобразования.
Собственно говоря, с ВЧ колебаниями борются изменением характерных геометрических размеров КС: например, при продольных колебаниях изменяют длину КС, форму входной части сопла, при поперечных устанавливают перегородки в зоне горения и изменяют диаметр КС. Кстати, КС малого диаметра по отношению к поперечным колебаниям более устойчива, чем КС большого диаметра.
Подводя итог, можно сказать, что рабочая точка двигателя на устойчивом режиме располагается между областями неустойчивости НЧ и ВЧ колебаний. Причем, относительное расположение областей неустойчивости может быть очень близким, и, как следствие этого, область устойчивой работы может оказаться очень узкой.
7-40> И каким образом смогли добиться дросселируемости до 40 % в наследнихах РД-170 (там камера, правда, намного меньше, чем у F-1).
Вот что писал С.П.Королев в 1962 году («С.П.Королев и его дело»)-
http://epizodsspace.narod.ru/bibl/vetrov/korolev-delo/04-04.html#44 Вся аргументация о трудностях отработки кислородно-керосиновых двигателей построена только на опыте ОКБ В.П. Глушко по разработке ЖРД с открытой — незамкнутой схемой, в которых окислитель (кислород или азотный тетроксид) подается в камеру сгорания в жидком и холодном состоянии.
Следует особо подчеркнуть, что те трудности, на которые ссылается ОКБ В.П. Глушко, не имеют никакого отношения к двигателям с принятой для ракеты Н-I "замкнутой" схемой, в которых окислитель (кислород) поступает в камеру сгорания в горячем и газообразном состоянии, а не холодный и жидкий, как при обычной незамкнутой схеме. Действительно, при запуске двигателя с замкнутой схемой имеет место тепловое воспламенение компонентов в основном агрегате — камере сгорания — за счет тепла горячего газообразного окислителя (например, кислорода или АТ).
Такой метод запуска кислородно-керосинового двигателя с замкнутой схемой экспериментально отработан и принят в ОКБ-1 для последней ступени ракеты-носителя "Молния", а также в ОКБ Н.Д. Кузнецова при разработке кислородно-керосиновых двигателей НК-15 и НК-15В для ракеты Н-I.
Как известно, двигатели большой тяги с обычной открытой схемой имеют повышенную склонность к неустойчивому горению и даже переходу этого горения в местную детонацию. Причиной этого является образование в начале камеры большого количества перемешанной жидкой и газообразной, но не сгоревшей топливной смеси, в которой и могут развиваться указанные вредные явления.
В двигателях замкнутой схемы, наоборот, перемешанной, но не сгоревшей топливной смеси образуется мало, так как окислитель (кислород), поступая в камеру в горячем и газообразном состоянии, воспламеняет и выжигает подмешанный к нему керосин. Это обусловливает существенное улучшение устойчивости горения в двигателях с замкнутой схемой вообще и особенно в кислородно-керосиновых двигателях замкнутой схемы в частности, а также полностью исключает условия для перехода неустойчивого горения в детонацию.
Ну, насчет того, что в двигателях, работающих по замкнутой схеме, не должно быть вообще неустойчивого горения, это, пожалуй, перебор, однако, такие двигатели, как правило, более стабильны по НЧ, чем двигатели, сделанные по схеме "жидкость-жидкость". ВЧ же колебания могут проявляться и в схемах "жидкость-жидкость", "жидкость+газ", в ЖГГ и РДТТ и т.п. Резонанс по ВЧ связан с акустикой КС.
На возникновение колебаний ВЧ при запуске существенно влияют появление кавитационных режимов работы насосов, наличие длинных топливных магистралей и др.
7-40> Если вспоминать двигатель посадочной ступени ЛМ
Тут надо учитывать еще то, что в этом двигателе были регулируемые форсунки, что позволяло поддерживать постоянный перепад давления -
Схема таких форсунок приведена на figure 2.3-14 Variable-Area Injector - Quarter Section на стр.2.3.24 (стр.278 в ПДФ) в "Apollo Operations Handbook Lunar Module LM 10 and subsequent. Volume I Sybsystems Data".