3. Построение профиля сопла

3.1. Основные требования к конструкции сопла

Основные схемы сопел

Сопла ракетных двигателей бывают коническими и профилированными. В сопле камеры ракетного двигателя происходит расширение и разгон продуктов сгорания. От того, как спроектировано сопло, какую оно имеет форму, зависит коэффициент потерь сопла, скорость истечения продуктов сгорания из сопла и удельный импульс тяги двигателя.

К профилю сопла предъявляются следующие технологические и конструктивные требования:

1. Сопло должно иметь наибольший коэффициент сопла, т. е. наименьшие потери удельного импульса тяги.

2. Площадь поверхности стенок сопла при заданных параметрах критики и среза сопла должна быть наименьшей. Выполнение этого требования облегчает организацию охлаждения сопла, уменьшает его вес и потери тяги.

3. Конструкция и технология сопла должны быть по возможности более простыми.

Как часто бывает в технике, указанные требования являются взаимоисключающими, поэтому на практике при разработке сопла пытаются найти компромиссные решения.

Выбор схемы профилирования сопла

Профилированные сопла применяют для двигателей средних и больших тяг, а также для двигателей с большой степенью расширения сопла. В этих двигателях, в случае применения конического сопла, потери становятся значительными, в результате резко возрастает длина такого сопла. В крупных двигателях выигрыш в весе в случае применения профилированных сопел достигает большой величины, что и обусловило их применение.

Строгое газодинамическое профилирование сопла, при котором образующая сопла совпадает с линией тока, требует высоких технологий и высоких затрат для точного изготовления расчетного профиля такого сопла. Это главный недостаток профилированных сопел. Значительно проще и дешевле изготовить сопло, профиль которого образован прямыми линиями и дугами окружностей. Задача построения такой упрощенной схемы сопла получила название: «Профилирование сопла методом двух дуг».

3.2. Профилирование сопла методом двух дуг

Построение профиля сопла дугами двух окружностей поясняет приведенный ниже рисунок сопла (рис. 2). Рассмотрим три отдельных участка этого сопла.

Околокритическая часть сопла (горловина) образуется дугой окружности радиуса , который выбирается в интервале значений .

Раструб сопла (расширяющаяся часть) очерчивается дугой окружности радиуса R. Для обеспечения плавного сопряжения дуг и предусматривается короткий прямолинейный участок длиной , наклоненный к оси сопла под углом . Контур выходной кромки сопла (насадок сопла) также образуется отрезком прямой линии длиной , направление которого с осью сопла составляет угол , причем .

Докритическая часть сопла образуется коническим участком с углом конуса . Плавный переход от конической части сопла к цилиндрической части камеры сгорания осуществляется скруглением, выполняемым радиусом (выбирается из конструктивных соображений).

3.3. Порядок расчета сопла

Исходные данные (см. рис. 2)

Диаметр критического сечения сопла

Радиус среза сопла

Линейный участок 1 сопла

Линейный участок 2 сопла

Угол наклона линейного участка 1

Угол наклона линейного участка 2

Выбираемый радиус горловины сопла

Определение параметров сопла

Радиус кривизны сопла

.

Расчетный параметр m

Координата y₀, определяющая положение центра кривизны сопла 0 (см. рис. 2)

.

Длина закритической части сопла (раструба)

Определение расчетных точек контура сопла

Абсциссы расчетных точек контура сопла (рис. 2) определяются соотношением

.

Координата расчетной схемы сопла (см. рис. 2) вычисляется по формуле

Ординаты расчетных точек контура сопла определяются по уравнению

;

Результаты проведенных вычислений представляют в форме таблицы 2:

Таблица 2

Газодинамический профиль камеры сгорания

На основании проведенных расчетов в масштабе строится газодинамический профиль камеры сгорания.

Пример расчета камеры сгорания представлен в таблице 3:

Таблица 3

Наименование величины	Обозначение	Размерность	Величина
Исходные данные
Радиус критического сечения сопла		мм	76,5
Радиус среза сопла		мм	429
Линейный участок сопла 1		мм	42
Линейный участок сопла 2		мм	28
Угол наклона участка 1 сопла		град	34
Угол наклона участка 2 сопла		град	12
Результаты расчета
Радиус кривизны сопла	R	мм	1992
Радиус горловины сопла		мм	153
Расчетный параметр	m	–	1,18
Координата центра радиуса кривизны сопла R по направлению y		мм	1525
Длина закритической части сопла		мм	848
Координата центра радиуса кривизны сопла R по направлению x		мм	1234

Результаты расчета профиля сопла

Расчетные координаты профиля сопла представлены в таблице 4:

Таблица 4

	120	190	260	330	400	470	540	610	680	750	820
	126	171	212	250	284	314	342	366	388	407	423