РД1 Лекции жрд 2017

д) ЖРД с центральным телом.

Достоинства: снижен объем и масса двигателя (до 40% от традиционных). Недостатки: проблемы охлаждения центрального тела.

Компоновка ЖРД в ЖРДУ

1) Компоновка ДУ с однокамерным ЖРД большой тяги. Достоинства: простая конструкция и система управления.

Недостатки: доводка ЖРД большой тяги сопряжена с большой затратой времени и средств, технологические проблемы.

2) ДУ в виде блока двигателей, или отдельных двигателей Достоинства: легче управлять вектором тяги, быстрее создать ЖРД.

Недостатки: сложная система управления, взаимное влияние двигателей друг на друга при работе.

3) Промежуточный тип ДУ. Многокамерный двигатель и один ТНА, который обслуживает несколько камер. Для ВПТ разницы многокамерной и блочной ЖРДУ нет. Основное требование – обеспечение одинаковых условий подвода компонентов к отдельным камерам.

Компоновка ДУ на ракете

Может быть несколько вариантов. 1) Компоновка блочной ДУ.

Имеем несколько одно или многокамерных двигателей.

– Каждый ЖРД скомпонован с баками в блок. Блоки объединяют в общую ДУ ступени (блочная ступень).

2) Единая ступень. Общие баки ступени, откуда компоненты подаются в отдельные двигатели, установленные неподвижно, или подвижно, или шарнирно. Всё определяется техническим заданием.

____________________________________________________________________

Лекция 9

7. Перспективные и нехимические двигатели и ДУ

81

-тенденции в развитии РКТ и ракетных двигателей;

-роль двигателей в развитии РКТ;

-пути повышения эффективности химических ЖРД;

-развитие нехимических ЖРД, повышение эффективности РКТ;

-тепловые нехимические двигатели;

-источники энергии нехимических ЖРД.

I Главные тенденции развития РКТ в России.

1- Проведение модернизации существующих РН ( малых, средних и больших классов).

2- Создание новых гибких унифицированных систем РН как одноразового так и многоразового применения на ценный ряд нагрузок (за счет использования унифицированных блоков ( С/С Ангара у СШАвозвращаемые и одноразовые эффективные С/С Р. Н.)

3- Создание разгонных блоков (РБ) обеспечивающих повышенные энергетические возможности РН при выведении полезной нагрузки на орбиту (геостац. ГСО).

4- Стремление к созданию унифицированных космических платформ на основе которых можно разрабатывать КА с различной целевой аппаратурой.

5- Переход создания малогабаритных КА (МКА) различной размерности с использованием лучшей мировой аппаратуры и создание наноспутников (НС).

6- Создание научного задела и разработка новых космических средств выведения.

7- Обеспечение сроков активного существования КА 10-15 лет.

Одну из главных ролей в развитии РКТ играют двигатели, т.к. они в

значительной степени определяют стоимость, техническую эффективность и

надежность РН и КА.

Опыт показал, что Д У относится к одной из наиболее сложных и

дорогостоящих в создании, обработке и производстве систем ракетной техники.

При этом большое внимание уделяется в программах развития:

1)- двигательных средств выведения,

2)- двигателей ракетных блоков (РБ),

3)- ракетных двигателей малых тяг (РД МТ) на жидких и газообразных

компонентах топлива, электрореактивных двигателей ЭРД и Д У на их основе,

а также ядерных ракетных двигателей (ЯРД).

82

Широко применяют 'O2Ж + керосин(Сm Hn ) -, но путей повышения

энергетических возможностей практически нет (поднять рк- до 32, но уже достигнуто 27 МПа).

Рассматривать возможность применения вместо керосина – метана с температурой кипения при нормальном давлении 112 К(-1610 С ), плотность 0,42 г/см3. Преимущество перед керосином – меньшая стоимость, меньшая токсичность. Применение метана O2Ж + СН4Ж ρ = 420 кг / м3 ведет к увеличению

Один двигатель, но разные уровни тяги (320 тонн/80тонн). (правда двигатель сам по себе более тяжелый, но не столь значительно).

2.2 Применение новых материалов.

( неохлаждаемых и пластиковых насадков на сопла на 2 и 3 ступени и выше). 3). Разработка РНМП или системы ВКС (воздушно-космические)- space-shatl (энергия-буран) и т.д.

Однако с/с- мы за счет повышения стоимости обслуживания и малой весовой отдачи имеют пока достаточно высокую стоимость вывода 1 кг полезной нагрузки >> 2000$.

2. Повышение эффективности за счет использования атмосферы в качестве рабочего тела и окислителя.

Ракетоносители всегда преодолевают атмосферу и на начальном этапе, в принципе, могут использовать воздух в качестве рабочего тела, а кислород в качестве окислителя. При этом, естественно, уменьшится запас топлива на борту.

Разработаны ракетно-прямоточные двигатели (РПД). Схема их представлена на рис. 1.

84

Ракетный двигатель играет роль газогенератора высокого давления,

являясь частью струйного (эжекторного) насоса, дополнительно сжимающего

воздух.

РПД могут быть 2-х типов. В первом типе коэффициент соотношения

компонентов в ГГ – стехиометрический (горючее полностью окислено,

догорать нечему). Увеличение тяги достигается только за счет эжекции воздуха

и увеличения массы отбрасываемого рабочего тела (РПД с камерой смешения).

1 – воздухозаборник; 2,2/ - газогенераторы (а – газогенератор на жидком топливе – ЖГГ; б - ГГ на твердом топливе - РДТТ); 3 – сопло ГГ; 4 – камера смешения и сгорания; 5 – сопло

Во втором типе – п.с. имеют избыток горючего (окисление в ГГ недостаточно, α<1).Тогда продукты сгорания в камере смешения (теперь сгорания) догорают с кислородом воздуха.

Рисунок ракеты с РПД

85

Важной характеристикой РПД являются коэффициент эжекции или

отношение массового расхода к расходу газогенераторного газа.

n = m& в m&Т

Так как расход воздуха зависит от скорости полета, то РПД имеют ярко

выраженную скоростную характеристику.

Как видно, удельный импульс РПД выше, чем РД. РПД с

Характеристика РПД

твердотопливным ГГ применяется на военных ракетах. Однако, создание РПД

большой тяги представляет большую проблему – нужны громоздкие

воздухозаборники.

Нехимические ракетные двигатели.

Из этих двигателей можно выделить два класса двигателей:

1) Тепловые двигатели, у которых используется нехимический источник

энергии.

В этих двигателях рабочее тело – газ, разгоняется засчет перепада

давления и разности температур. Удельный импульс их:

где k – показатель адиабаты рабочего тела;

Rс – газовая постоянная для рабочего тела на входе в сопло;

86

- молекулярный вес рабочего тела;

Tc – температура рабочего тела перед сопла;

ε= pc - степень расширения рабочего тела в сопле. pa

Очевидно, повышать Iу можно, увеличивая Tc ,ε,Rc .

2) Двигатели, у которых рабочее тело – заряженные частицы вещества, которые разгоняются электрическими и электромагнитными полями.

К двигателям 1-ого класса относятся ЯРД и электродуговой ракетный двигатель (или электротермический РД).

3. Ядерные ракетные двигатели.

Используют энергию ядерных реакций, которая в миллионы раз больше, чем при самой мощной химической реакции. Это позволяет увеличить Iу.

В настоящее время наиболее освоены реакции деления тяжелых ядер. В этом случае ядерным топливом является изотопы урана U-235, плутония Pu-239 и др.

При делении под воздействием нейтрона получаются два осколка

неравной массы и 2 нейтрона:

U 235 + n → Sr + Xe + 2n

Sr – стронций

Xe – ксенон

2n – быстрые нейтроны.

Врезультате реакции происходит уменьшение массы вещества. Этот «дефект» массы переходит в энергию, которая вычисляется по формуле Эйнштейна.

Чтобы нейтроны превратить в «тепловые», надо их замедлить. Ставят в активной зоне замедлитель, снижающий скорость нейтронов. Наиболее разработаны реакторы с твердым активным веществом – твердофазные реакторы.

Вотличие от ХРД во время реакции получается только энергия, но не получается рабочего тела. Поэтому на борту должен быть запас рабочего тела.

Двуокись урана UO2 – температура плавления ≈ 28000С – больше дает только жидкофазный реактор. В качестве замедлителя может использоваться графит Тпл = 35000С предельная температура подогрева рабочего тела 25000С.

87

В активной зоне находятся тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) – трубки из тугоплавкого материала, наполненные делящимся веществом.

Регулирующие стержни выполняются из бора, графита и т.д. Из этих же материалов выполняется отражатель.

Ускорение рабочего тело происходит за счет тепловой энергии. Выражение для скорости истечения из сопла и Iу:

стержни не выдерживают большей температуры.

Самые тугоплавкие – тепловыделяющее элементы на основе двуокиси

урана могут позволить нагрев до 28000С. Это позволяет подогреть рабочее тело max до 25000С.

Поэтому единственным способом увеличения Iу является увеличение Rk,

которое зависит от молекулярной массы:

µH 2 = 2

I уЯРД ≈ 2I уЖРДH 2 ≈ 8000

м/с

Более высокую температуру подогрева могут дать жидкофазный реактор и еще более высокую – газофазный реактор.

Рис.4. Схема ЯРД: 1 – бак с рабочим телом; 2 – насос ц/б; 3 – турбина; 4 – отражатель; 5 – активная зона; 6 – регулирующие стержни; 7 – устройство регулирования.

88