Жидкостные ракетные двигатели (стр. 1 из 36)

ББК 39.65-02я73

К65 УДК 621.454.2.018(075.8)

Авторы: В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев

К65

Жидкостные ракетные двигатели /В.Г.Попов, Н.Л.Ярославцев.-М.: Издательско-типографский центр - «МАТИ» - КТУ им. К.Э. Циолковского , 2001, 171 с, ил. 103., табл. 3. ISBN5-230-21212-8

Даны классификация и характеристики жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Приведены основные схемы и параметры ракетных двигателей, особенности процессов горения, истечения и теплообмена в ракетных двигателях, сведения о конструкции основных узлов, агрегатов и систем автоматического регулирования ЖРД.

Для студентов высших учебных заведений, специализирующихся в области проектирования ракетных двигателей.

2705140400 - 255

К---------------------------- Без объявл.

038(01)-01

ББК 39.65-02я73

ISBN5-230-21212-8

© «МАТИ» -Российский Государственный технологический Университет им.К.Э. Циолковского Издательско-типографский центр «МАТИ»- Российского государственного технологического университета им. К.Э.Циолковского

1. Принцип работы реактивного двигателя Основные понятия и определения

1.1.Принцип создания реактивной силы

Возьмем замкнутый сосуд и создадим в нем избыточное давление Рк. На сосуд будет также действовать сила атмосферного давления Рн окружаю-шея среды, рис. 1.

Рис.1

Если силы давления Рк и Рн уравновешены жесткостью стенок сосуда, то он останется в покое.

Выполним в сосуде отверстие, рис.2, при этом равновесие сил Рк и Рн

нарушится и сосуд придет в движение (трение между наружной поверхностью

в и окружающей средой не учитывается). В результате этого возникнет

реактивная сила R, величина которой пропорциональна скорости и массе рабо-

Рис.2

чего тела истекающего потока.

Потенциальная энергия избыточного давления будет преобразована в кинетическую энергию (Е_к) истекающей струи. Реактивная сила Rнаправлена в сторону, противоположную истечению реактивной струи.

На поверхность сосуда также действует сила, зависящая от величины давлений, воздействующих на его внутреннюю и наружную поверхности, т.е.

Р' = Рк - Рн.

Тяга двигателя

является результирующей реактивной силы Rи сил давлений Р', воздействующих на поверхность сосуда без учета сил внешнего аэродинамического сопротивления

Для создания реактивной силы необходимо наличие 3^х элементов:

- первичного источника энергии;

- рабочего тела;

- собственно двигателя, в котором происходят преобразования.

Реактивный двигатель - устройство, обеспечивающее перемещение летательного аппарата ЛА в пространстве, путем преобразования первичного источника энергии в кинетическую энергию реактивной струи.

Различают реактивные двигатели прямой и непрямой реакции.

Для двигателя непрямой реакции характерно наличие движителя -устройства, обеспечивающего реактивную силу, например, винт в турбовинтовом двигателе.

Для создания реактивной силы движитель и двигатель используют разные рабочие тела. В качестве рабочего тела могут использоваться:

- жидкая или газообразная окружающая среда;

- топливо;

- окружающая среда и топливо.

1.2. Классификация ракетных двигателей (РД) На рис. 3 представлена классификация ракетных двигателей.

Рис.3

Если в качестве первичного источника энергии используется химическая реакция, то такой двигатель называется химическим.

Термическим РД называется двигатель, у которого энергия первичного источника преобразуется в тепло, а затем в кинетическую энергию истекающей струи. Химические РД являются термическими.

Структурные схемы ХРД и НХРД приведены на рис. 4

ХРД

(химический ракетный двигатель)

НХРД

(нехимический ракетный двигатель)

Г-

2-3-4-

Рис.4

совмещённый источник первичной энергии и рабочего тела;

источник первичной энергии;

камера энергопреобразователь;

ускоритель;

источник рабочего тела.

1.3. Тяга ракетного двигателя

Вывод формулы тяги ракетного двигателя базируется на Ш-м законе Ньютона, при условии, что поток рабочего тела по тракту рассматривается стадион арным.

Стационарным называется движение, при котором расход газа во всех поперечных сечениях канала одинаков и не зависит от времени, а параметры газа в указанных сечениях, включая входное, постоянны и также не являются функцией времени.

Тяга реактивного двигателя является равнодействующей сил давления газов на внутренние и наружные поверхности камеры двигателя. Она возникает в результате преобразования химической энергии топлива в кинетическую энергию, истекающих из камеры, продуктов сгорания.

Тяга в пустоте -

=0, рис.5

Рис.5

Определим результирующую силу

, воздействующую на стенки

где F_a- площадь среза сопла, м².

камеры двигателя:

Воспользуемся теоремой импульсов - импульс силы равен изменению количества движения:

где:

- масса израсходованного топлива, т_н - начальная масса

двигательной установки, т_к - конечная масса двигательной установки;

- время работы двигательной установки; AW_c, W_a- скорости газового потока на входе в сопло и на его срезе, соответственно, так как W_a >> W_с.

где т - массовый секундный расход, кг/с;

где:

- тяга ракетного двигателя в пустоте, Н;

W_э.п. - эффективная скорость истечения в пустоте, м/с;

Рис.6

Тяга в условиях атмосферы

Р_нФ 0; рис.6

где: Wэн - эффективная скорость истечения при наличии давления окружающей среды, м/с.

1.4. Мощностные параметры ракетных двигателей 1.Мощность реактивной струи, Вт.

2.Мощность первичного источника энергии, Вт.

где:

- коэффициент полезного действия двигательной установки.

1.5. Удельные параметры ракетных двигателей 1) Удельный импульс, (Н • с)/ кг

Удельный импульс является основным параметром, характеризующим совершенство конструкции и эффективность преобразования энергии в нём. Величина удельного импульса не зависит от тяги, создаваемой двигателем. Для химических ракетных двигателей величина удельного импульса лежит в диапазоне 2000/4000

Вышеприведённый вывод формулы тяги осуществлялся при условии её постоянства во время работы двигательной установки. Однако на практике это не соответствует действительности. На рис.7 приведена зависимость тяги двигательной установки от времени её полёта. (Iвзл, Iпол, Iпд - значения импульса ДУ на режимах взлёта, полёта и выключения, Iпд- импульс последействия).

Рис7

Суммарный импульс двигательной установки 1^, \н ■ с] можно оп-ршишь по следующим зависимостям: