22. Ракетные двигатели

В реактивных двигателях химическая энергия топлива пре­образуется в кинетическую энергию струи рабочего вещества (газа), расширяющегося в соплах. Эта струя создает силу тяги за счет реактивного действий рабочего тела, вытекающего из двигателя в сторону, противоположную направлению движения летательного аппарата. Все реактивные двигатели можно разделить на две основные категории - –акетные двигатели и воздушно-реактивные двигатели. Вам же предстоит ознакомиться с основными принципами термодинамического анализа циклов ракетных двигателей. Известно, что ракета несет на борту запас как топлива, так и окислителя, необходимого для сгорания топлива (жидкий кислород, озон, перекись водорода, азотная кислота и др.). Следовательно, ракетные двигатели пригодны для работы, как в атмосфере, так и в космическом пространстве.

Ракетные двигатели подразделяются на двигатели с химическим топливом и ядерные ракетные двигатели (ЯРД). В свою очередь двигатели с химическим топливом делятся на две основные группы - –акетные двигатели с твердым топливом (РДТТ) и жидкостные ракетные двигатели (ЖРД).

Цикл рдтт

В ракетных двигателях с твердым топливом в качестве топлива используются баллистические пороха и смесевые топлива. И те, и другие состоят из однородной смеси горючих веществ (углерод, водород) и окислителя (кислорода).

Пороховые ракеты применялись в Китае для различных целей еще около 5000 лет тому назад. Впервые русские пороховые ракеты, как фейерверочные, так и боевые, были подробно описаны О. Михайловым в 1607-1621 г.г. В 1680 г. в Москве было учреждено специальное "р«кетное заведение" »ля производства пороховых ракет. В начале прошлого столетия А. Д. Засядко, а позднее в 1845-1867 г.г. К. И. Константинов существенно усовершенствовали и разработали новые образцы пороховых ракет. В 1881 г. революционер-народоволец Н. И. Кибальчич незадолго до своей казни впервые разработал проект управляемого летательного аппарата тяжелее воздуха, для которого в качестве двигательной установки им был предусмотрен пороховой ракетный двигатель. Подобного рода двигатели различают по форме заряда - – зарядом торцового горения, трубчатой формы, со звездообразным каналом, крестообразной формой и т. п. Топливо воспламеняется при запуске ракеты и постепенно выгорает, образуя газообразные продукты сгорания, истекающие из сопла. На рисунке представлена схема РДТТ, где 1- камера сгорания, 2- твердое топливо, 3- сопло.

Р ис. 22.1. Схема и цикл РДТТ

На - диаграмме изображен идеализированный цикл такого двигателя. В момент запуска давление газообразных продуктов сгорания твердого топлива мгновенно повышается от атмосферного давления до некоторого давления , которое может достигать десятков и даже сотен атмосфер; процесс повышения давления происходит настолько быстро, что его можно считать изохорным (линия 1-2). Процесс подвода тепла к продуктам сгорания можно считать изобарным (линия 2-3). Затем газообразные продукты сгорания адиабатно расширяются в сопле (линия 3-4). Цикл замыкается изобарой 4-1 (охлаждение продуктов сгорания в окружающей среде). В камере сгорания продукты сгорания твердого топлива имеют настолько высокую плотность по сравнению с газами, истекающими из сопла, что изохора 1-2 изображена совпадающей с осью ординат.

Плотность твердых топлив составляет 1,6-1,8 г/см³, что значительно превышает (в 1,5 раза) плотность жидких топлив и позволяет снизить габариты РДТТ. Скорость поверхностного горения твердых топлив при давлении в камере 50-100 атмосфер составляет 5-15 мм/с. Если давление в камере при постоянной поверхности горения растет, то горение называют прогрессивным, а если падает - –егрессивным. Скорость горения зависит от давления и температуры в камере сгорания, что приводит к зависимости показателей РДТТ от внешних условий, например сезона (зима-лето), что является недостатком. Иногда температуру поддерживают постоянной с помощью электроподогрева, а давление - –утем изменения критического сечения сопла пропорционально изменению скорости горения.

Достоинством РДТТ является простота их конструкции и рабочего процесса. Кроме того, такие двигатели могут длительное время храниться в снаряженном состоянии, и пуск их осуществляется быстро и легко.