РД1 Лекции жрд 2017

Содержание

Стр.

1. Двигательные установки и энергосистемы.

Основные понятия и определения……………………(Лекция 1)………..……….3

1.1.Структурная схема ДУ. Виды энергии, используемой в ДУ………….3

1.2Классификация ДУ ЛА…………………………………………...………6

1.3.Требования к ДУ ЛА……………………………………………………..6

1.4.Параметры ДУ ЛА………………………………………….………….…7

2.Ракетные ДУ.. …………………………………………………….………..……...9

2.1Химические ракетные двигатели и двигательные установки………...11

2.2.Ракетные топлива……………………………(Лекция 2)…………...…13

2.2.1Требования к ракетным топливам……………………….……14

2.2.2Компоненты топлива…………………………………….…….15

2.2.3Жидкие двухкомпонентные ракетные топлива………….……20

2.3.Двигательные установки с ЖРД…….………(Лекция 3).…….………23

2.3.1.Системы подачи топлива (СПТ)……………...………….……24

2.3.2.Система с вытеснительной подачей топлива (ВПТ)……...…24

2.3.3.Система с насосной подачей топлива (НПТ)……………...…27

2.3.3.1.НПТ без дожигания генераторного газа…………..…30

2.3.3.2.НПТ с дожиганием генераторного газа………….…..31

2.3.4.Выбор системы подачи топлива……………..…………….….32

2.3.5Система автоматического управления ДУ…(Лекция4)……...34

2.3.6.Система автоматического регулирования параметров ДУ....43

2.3.7.Характеристики ЖРД………………….…(Лекция 5)…….…44

3.Газотермодинамические процессы в ЖРД……………………....……………48

3.1.Термодинамический цикл ракетного двигателя……………..…..…..48

3.2.Неустойчивость процессов в ЖРД……………….…………………...50

4.Камера двигателя ЖРДУ…..………………………………( Лекция 6)….....…54

4.1.Процессы в камере сгорания…………………………………….…….55

4.2.Процессы в сопле ракетного двигателя………………………………56

4.3.Конструкция камеры ЖРД…..………………………………………...57

4.3.1.Конструкция смесительной головки…………………………57

4.3.2.Конструкция корпуса камеры……………………………..….61

5.Конструкция ТНА ЖРД……………………..……….( Лекция 7)…………….70

5.1.Устройство и особенности работы ТНА…………………………...…72

5.2.Насосы ТНА………………………………………………………….....72

5.3.Турбины ТНА ………………………………………………………….75

5.4.Конструктивные схемы ТНА………………………………………….76

6.Компоновка ЖРД и ЖРДУ на ракете……..……...( Лекция 8)……….……..76

7.Перспективные и нехимические двигатели и ДУ…….…( Лекция 9)…….…78

8.Конструкция РДТТ………………………………………………………….….89 Список использованных источников…………………………………………….96

2

Лекция 1

1. Двигательные установки и энергосистемы. Основные понятия и определения

Для перемещения ЛА в пространстве нужно сообщить ему, согласно II закону Ньютона, импульс силы

P*τ = МЛА (Vτ −VО ) ;

где МЛА - масса ЛА,

VО ,Vτ - скорости в начале и конце действия силы, Р – действующая сила.

Сила Р может быть внешней по отношению к ЛА, или ее может создавать устройство, находящееся на ЛА, которое называют силовой установкой (СУ), или двигательной установкой (ДУ).

Сила создаваемая СУ – тягой.

Тяга создается за счет, реакции отбрасываемой массы вещества, называемой рабочим телом.

Все СУ (ДУ) – реактивные,

1.1.Структурная схема ДУ. Виды энергии, используемой в ДУ

Вобщем случае ДУ (СУ) состоит из приведенных на рисунке 1.1 элементов.

Рисунок 1.1. Обобщенная структурная схема ДУ:

––––––– - прямой реакции, - - - - - - непрямой реакции

3

1. Источники энергии могут быть в общем случае на ЛА и вне него.

Энергия для ЛА может быть использована: химическая, электромагнитная,

ядерная, электрическая и т.д.

2. Источник рабочего тела.

2.1Вещество, с помощью которого осуществляется рабочий цикл в СУ (ДУ), называют рабочим телом (РТ). В этом случае РТ служит для преобразования и получения полезной энергии.

2.2Вещество, которое отбрасывается СУ (ДУ) в направление, противоположном движению ЛА, создавая при этом силу, действующую на СУ (ДУ), называют рабочим телом.

Вэтом случае РТ служит для преобразования полезной энергии в кинетическую.

2.3.Если в преобразователе энергии и ускорителе РТ используется одно рабочее тело, то такую ДУ – называют ДУ прямой реакцией. (ЖРД, ГТД, ПВРД и т.д.)

Если в преобразователе энергии и ускорителе РТ используются различные рабочие тела, то такую ДУ (СУ) называют ДУ с непрямой реакцией. (СУ с поршневым двигателем)

2.4. Существуют ДУ с двумя видами реакции (ТВД, ТРДД, ТВВД). Источники РТ могут быть на борту ЛА (ракетные ДУ) и вне его (забираемые из окружающей среды, ВРДУ).

Рабочие тела могут быть: продукты сгорания или разложения топлива, специальные вещества.

3. Преобразователи энергии (ПЭ) - устройства для преобразования исходного вида энергии в вид энергии удобный (возможный) для передачи ее рабочему телу. ПЭ может быть простым, если преобразование энергии

4

осуществляется один раз. Например, камера сгорания ракетного двигателя, в которой химическая энергия превращается в тепловую.

Он может быть сложным. На рисунке 1.2 приведен пример преобразования энергии в авиационном турбовинтовом двигателе со свободной турбиной.

Рисунок 1.2. Сложное многократное преобразование энергии в ТВД

4. Ускоритель РТ (Движитель).

Для получения большей тяги при малом расходе топлива необходимо увеличивать скорость истечения РТ из ДУ. Поэтому необходимо устройство, с помощью которого можно было бы ускорять рабочее.

Движитель – устройство, обеспечивающее разгон рабочего тела и его выброс в направлении, обратном движению ЛА.

Для ускорения (РТ) могут использоваться: геометрические и механические устройства (сопло, воздушный винт), электрические и магнитные поля, в которых разгоняются частицы (РТ), излучательные устройства (электромагнитные, лазерные и т.д.)

Совокупность преобразователя энергии и ускорителя рабочего тела

называют двигателем В двигателях прямой реакции функции преобразователя энергии и

движителя выполняют одни и те же элементы.

5. Тяга двигательной установки

В результате реакции взаимодействия РТ с движителем возникает тяга.

Тяга PДУ и двигателя – осевая проекция равнодействующей сил давления рабочего тела, возникающих при обтекании внутренних и наружных поверхностей двигателя воздушным и газовым потоками.

5

Прямое вычисление тяги затруднительно. Поэтому тягу определяют косвенно. Выражение для величины тяги можно получить, используя закон сохранения энергии, или теорему Эйлера об изменении количества движения.

1.2Классификация ДУ ЛА

Взависимости от: вида используемой энергии, вида рабочего тела, типа преобразователя энергии, по типу ускорители, зависимости от окружающей среды, типа реакции все двигатели и ДУ ЛА можно представить в следующей классификационной схеме на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3. Классификационая схема ДУ ЛА

1.3. Требования к ДУ ЛА

Требования к ДУ ЛА можно разделить на общие и специфические.

Общие требования к ДУ ЛА независимо от типа и назначения можно

эксплуатационные.

Основные технические требования

Технические требования к ДУ ЛА предъявляются с точки зрения их

6

пригодности для выполнения поставленной задачи: 1 – Экономичность работы

2 – Надежность (безотказность работы в течении заданного времени) 3 – Малая удельная масса (mу.м = Мдв /φт ) и габариты двигателя

4 – Приемистость (минимальное время перехода с первого режима на другой) 5 – Устойчивость работы на всех режимах 6 – Отсутствие вредного влияния на ЛА

1 – Удобство монтажа ДУ на ЛА

2 – Удобство и безопасность обслуживания ДЛА на ЛА

3 – Быстрота подготовки к действию (эксплуатации)

4 – Возможность транспортировки на большие расстояния и длительного хранения (даже в заправленном топливом состоянии)

5 – Отсутствие вредного влияния на окружающую среду Некоторые требования являются противоречивыми. Поэтому при

создании двигателя нужно компромиссное решение, обеспечивая в первую очередь выполнение требований, которые для данного двигателя являются главными и важными.

Выполнение требований и поиск компромиссных решений начинается при проектировании ДУ на этапе анализа Технического Задания (ТЗ) на разработку и продолжается на всех стадиях ее создания.

7

1.4. Параметры ДУ ЛА

Степень соответствия двигателя предъявляемым требованиям оцениваются качественными показателями (параметрами).

Параметрами называют величины, которые характеризуют свойства двигателя или его режимы работы.

Параметры делят на внешние, внутренние, выходные.

Внешние параметры – характеризуют состояние внешней по отношению

к ДУ среды.

Внутренние параметры – характеризуют состояние элементов ДУ.

Выходные параметры – показатели качества, по которым можно судить о пригодности ДУ для использования по назначению.

Параметры могут быть: - абсолютными; относительными (удельными);

безразмерными (например: к.п.д.).

Абсолютные параметры пригодны для сравнения однотипных двигателей. Относительные и безразмерные параметры позволяют сравнивать между

собой двигатели разных типов.

Основные параметры РД.

1) Тяга ракетного двигателя – проекция на ось двигателя равнодействующей сил, возникающих в камере ракетного двигателя под

действием рабочего тела и давления окружающей среды.

Из закона сохранения количества движения следует, что при Ра ≠ РH

P = m& Ca + Fа (Ра − Рн ) ,

где: Р, (Н)- тяга камеры РДУ; m, -массовый расход продуктов сгорания,

m=mо+mг (mо и mг -соответственно расходы окислителя и горючего);

Ca, (м/с) - скорость истечения продуктов сгорания; Fa,(м2)- площадь выходного сечения сопла; Pa,Pн, (Па)- давления в выходном сечении сопла и окружающей

8

В случае, когда Pa=Pн сопло камеры сгорания работает на расчетном режиме, а тяга РД равна

ÐÐÄï = m& Cà

2) Импульс тяги – величина импульса силы, передаваемого ЛА за время работы двигателя Она определяется как

Ј=∫ Р(τ) dτ , измеряется в [Нс], а τ – время работы двигателя.

Для ЖРД за один полет τ=10 минут, а для РДТТ τ = 120…150 секунд.

3) Удельный импульс тяги (Ју)- это отношение тяги к массовому расходу топлива.

Jу = P/m

Измеряется: [нс/кг] или [м/с] – скорость истечения газа из сопла двигателя. Удельный импульс тяги позволяет судить о степени совершенства

рабочего процесса и эффективности применяемого топлива. Удельный импульс является основным параметром ракетного двигателя.

Для ЖРД Ју= 2500…4400 м/с, для РДТТ Ју= 2000…2600 м/с.

4) Удельная масса двигателя – это отношение его массы к тяге:

M = mдв/Р

Измеряется [кг/H] или [кг/кH].

В ЖРД mдв включает в себя массы рамы, всех камер, агрегатов и трубопроводов, заполненных топливом (кроме массы баков и топлива в них, т.е. “Мокрой массы”). В РДТТ - массы всех конструктивных элементов, кроме массы твердого топлива.

2. Ракетные Д.У.

Ракетная двигательная установка (РДУ) – установка, в состав которой входят: источник энергии, бак с рабочим телом, двигатель, система подачи

9

рабочего тела в двигатель и система управления двигателем.

Ракетный двигатель – устройство, в котором происходит преобразования любого вида энергии в кинетическую энергию рабочего тела, запасенного на борту передвигаемого аппарата и отбрасываемого от двигателя в окружающую среду.

РДУ обладает 3-мя основными особенностями:

1 – автономность от окружающей среды (способность РДУ работать без использования окружающей среды).

2 – независимость тяги РДУ от скорости движения, т. к. тяга создается за счет расхода запасов рабочего тела и энергии на передвигающемся аппарате. Поэтому РДУ способны функционировать при очень больших скоростях полета.

3 – высокая концентрация подводимой энергии на единицу массы р. т., обусловленная стремлением получить максимальную скорость истечения реактивной струи.

Назначение РДУ.

1.Основные (маршевые) РДУ (РД) обеспечивают основное увеличение скорости полета РН, ИСВ, Космического корабля, при их разгоне или торможении.

2.Вспомогательные двигательные установки и двигатели применяют для выполнения специальных задач:

2.1Стартовые РД и РДУ служат для форсирования взлета ЛА;

2.2Рулевые двигатели и РДУ;

2.3Ускорители и ДУ устанавливаются на самолеты дополнительно к ГТД для временного увеличения скорости полета;

2.4Тормозные РД и РДУ обеспечивают тормозной импульс тяги для схода КЛА с орбиты полета, а также для мягкой посадки;

2.5Корректирующие ДУ используются для изменения скорости и высоты полета КЛА.

10