2.11.1.1. Создание тяги в химическом рд

Х

Рис. 2.28. Преобразование энергии в РД

имический РД – это тепловая машина (рис. 2.28), в которой химическая энергия компонентов ракетного топлива 1, 2, подаваемых насосами 3, 4 в камеру сгорания (КС), в процессе горения преобразуется в потенциальную тепловую энергию газообразных продуктов сгорания с температурой Т_к и давлением р_к, которая при расширении в сверхзвуковом реактивном сопле (РС) частично превращается в кинетическую энергию истекающей из РС струи газа .

Химическое топливо в исходном состоянии обладает химической потенциальной энергией Н_u. При сжигании топлива в КС образуются газообразные продукты сгорания (ПС). Так как удельный объем ( = V/m – объем 1 кг. газа) газообразных продуктов больше, чем жидких или твердых (исходное агрегатное состояние ракетного топлива) то при сгорании увеличивается давление ПС р_к в КС ограниченного объема и возрастает их температура Т_к.

Таким образом, в КС химическая энергия топлива превращается в потенциальную энергию газообразных ПС. При последующем расширении газа в сверхзвуковом РС потенциальная энергия ПС частично превращается в кинетическую энергию струи газа, при этом давление и температура уменьшаются, а скорость движения газа растет (см. рис. 2.28).

При расчетном режиме работы реактивного сопла (р_с = р_н) тяга, создаваемая реактивным соплом РД равняется ее динамической составляющей, то есть изменению секундного количества движения рабочего тела по тракту двигателя и может быть определена по формуле:

R_РС = R_д = М_тс_с – М_т с_к = М_т (с_с – с_к), (2.20)

где: М_т = М_ПС – секундный массовый расход топлива;

с_к – скорость ПС на выходе из КС.

Так как с_к сравнительно мала, условно считают что с_к ≈ 0, тогда формулу 2.20 с небольшой погрешностью можно записать

R_РС = М_тс_с (2.21)

Удельный импульс тяги характеризует эффективность РД как тепловой машины:

(2.22)

I_у – тяга, создаваемая реактивным соплом РД при сгорании одного килограмма топлива, равняется скорости истечения ПС из РС с_с. Удельный импульс тяги является важнейшей характеристикой РД как части ракеты. Так, если увеличить I всего на 1% при одном и том же времени работы РД дальность полета увеличивается на 250 – 400 км.

В отличие от воздушно-реактивных двигателей (ВРД) где максимальное теоретическое (при отсутствии сопротивления среды) значение отношения V/c_c не может превышать единицы, в РД отношение V/c_c ограничено только величиной сопротивления среды, аэродинамическим совершенством ЛА, величиной тяги РД и временем его работы. Это объясняется тем, что в отличие от удельной тяги R_уд = с_с – V ВРД, величина удельного импульса I_у = с_с РД, не зависит от скорости полета V ЛА.

Скорость истечения газа из РС может быть определена по формуле:

, (2.23)

где: n – показатель политропы газа; R – газовая посьоянная.

Из выражения (2.23) видно, что для увеличения с_с, а, следовательно, для увеличения I_у необходимо:

- выбирать топливо с низкой молекулярной массой (↑R, ↑n);

- выбирать топлива с высокой температурой горения (↑Т_к);

- обеспечивать высокую степень расширения ПС в РС , следовательно, надо увеличивать относительную площадь . При увеличении относительной площади – геометрической степени расширения сверхзвуковой части РС, надо учитывать необходимость сохранения расчетного режима работы РС (р_с = р_н).

При работе РД в условиях вакуума космического пространства (р_н = 0) РС работает на режиме недорасширения, то есть р_с – р_н = р_с – 0 = р_с, формула расчета тяги реактивного сопла дополнится статической составляющей

R_п = М_тс_с + F_c(р_с – р_н) = М_тс_с + р_сF_c, (2.24)

соответственно удельный импульс определится как

I_у.п = R /М_т = с_с + р_сF_c/М_т (2.25)

При работе РД в атмосфере (р_н > 0) при нерасчетном режиме работы РС (р_с ≠ р_н) тяга будет определяться по формуле

R_н = М_тс_с + F_c(р_с – р_н) = М_тс_с + р_сF_c – р_нF_c = R_п – р_нF_c (2.26)

соответственно удельный импульс определится как

I_у.н = R /М_т = I_у.п – р_нF_c/М_т (2.27)