Учебное пособие 800477

150

камера сгорания, 2- твердое топливо, 3- сопло.

На p - диаграмме изображѐн идеализированный цикл такого двигателя. В момент запуска давление газообразных продуктов сгорания твердого топлива мгновенно

повышается от атмосферного давления p1 до некоторого давления p2 , 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/см 3 , 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 - регрессивным. 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 - путем изменения критического сечения сопла пропорционально изменению скорости горения.

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

Цикл ЖРД

Жидкостные ракетные двигатели широко используются как силовые установки самолетов, баллистических снарядов, ракет, применяются также для бурения скважин в твѐрдых породах.

Впервые идея и схема ЖРД были предложены в 1903 г. выдающимся русским изобретателем и ученым К. Э. Циолковским. Начало по созданию и испытаниям ЖРД относится к 1929-1930 г.г. В нашей стране ЖРД впервые были разработаны и испытаны в 1929-1932 г.г. В. П. Глушко и в 1931-1933 г.г. - Ф. А. Цандером. В 1933 г. состоялись успешные полеты ракеты с ЖРД, созданной М. К. Тихомировым. В те же годы работы по теоретическим исследованиям, по созданию и испытанию ЖРД и ракет проводились и за рубежом - Обертом, Винклером, Рифлем (Германия), Годдардом (США) и др.

Первый полет на самолете с ЖРД в нашей стране бил совершѐн в 1940 г. Это был планер конструкции С. П. Королева с двигателем Л. С. Душкина. В 1942 г. были проведены успешные испытания в воздухе самолѐта с ЖРД, построенного по проекту В. Ф. Болховитинова.

В 1943 г. состоялись испытания первого в США самолѐта с ЖРД. В 1944 г. в Германии было построено несколько истребителей-перехватчиков с ЖРД. Здесь жидкие горючее и окислитель транспортируются на летательном аппарате и подаются в камеру сгорания насосами или вытеснением сжатым газом, который может образовываться на борту ракеты в результате какой-либо физико-химической реакции или сохраняться в сжатом виде в баллонах. На подводных лодках для подачи энергокомпонентов, сохраняемых в эластичных ѐмкостях вне прочного корпуса лодки, используют давление воды. Для воспламенения топлива или запуска двигателя используются различные системы - пиротехническая (пороховой запал, воспламеняясь от электрической искры,

151

поджигает жидкое горючее), химическая (применение самовоспламеняющихся жидких горючих), и т. д.

ЖРД состоит из камеры сгорания 1 с соплом 2, системы подачи топлива 3, в которую входят баки, насосы, агрегаты управления.

Рабочие компоненты топлива подаются в камеру сгорания через форсунки 4, перемешиваются там и сгорают. Продукты сгорания расширяются в сопловом канале. При этом часть теплоты, которой они обладают, превращается в кинетическую энергию вытекающей среды. Скорость истечения газов увеличивается, а давление падает от давления в камере сгорания до давления окружающей среды (при полном расширении). Равнодействующая от сил давления, приложенных к стенке камеры сгорания и сопла, создает силу, направленную в сторону, противоположную истечению - силу

тяги двигателя. Сила тяги получается непосредственно без каких-либо промежуточных устройств. Она равна

P=Gw

где G- расход топлива, кг/с; w- скорость в выходном сечении сопла.

Как видно, она не зависит от скорости полета, что является большим преимуществом ЖРД.

Удлинение сопла увеличивает скорость истечения и уменьшает давление газов на выходе.

Обычно pa составляет 0,1- 0,001 от давления в камере

p R pн Fa

где R Gg wa pa Fa -

реактивная сила, направлена по оси камеры в сторону, противоположную направлению истечения газов из сопла (равнодействующая сил давления газов на камеру изнутри).

Чем больше высота, тем меньше давление окружающей среды pн и, следовательно, больше тяга. При pн 0 тяга достигает значения

реактивной силы. Поэтому реактивную силу называют также тягой в пустоте.

На p - диаграмме процесс подачи топлива изображается изохорой 1-2 при этом давление возрастает от p1 до p2 , и, поскольку,

плотность жидкости гораздо выше плотности продуктов сгорания, то эта изохора практически совпадает с осью ординат.

152

Объем T , занимаемый топливом, откладывается по оси абсцисс вправо от начала

координат и при изучении идеального цикла им обычно пренебрегают по сравнению с объѐмом газов. Заштрихованная площадка эквивалентна работе насосов.

Процесс горения топлива идет при постоянном давлении и непрерывном увеличении объема продуктов сгорания, следовательно, изображается изобарой 2-3.После этого продукты сгорания поступают в сопло Лаваля и расширяются до конечного давления по адиабате 3-4. Отработавшие газы выбрасываются в окружающую среду, унося с собой заключѐнную в них теплоту, и цикл замыкается изобарой 4-1. Площадка 1-2-3-4 представляет собой работу цикла, она эквивалентна кинетической энергии, которой обладает газ,

покидающий двигатель. Таким образом, цикл ЖРД, в принципе, аналогичен циклу РДТТ. Процесс 4-1 должен был бы представлять собой процесс конденсации газов в

топливо, т. е. процесс с отводом тепла при постоянном давлении. В реальном двигателе, где происходит смена рабочего тела, такого процесса нет; на диаграмме он введѐн, чтобы замкнуть цикл.

lц тем больше, чем больше RTk и pk - отношение давления в камере и на срезе pa

сопла, называемое обычно степенью расширения газа.

Работа цикла будет наибольшей, когда газы на выходе из сопла имеют давление, равное давлению окружающей среды.

При увеличении работы цикла возрастает скорость истечения.

Характеристическим параметром цикла является степень падения давления при расширении рабочего тела

p3 p2 p4 p1

найдѐм

только степенью расширения и при увеличении последней увеличивается.

Из графика видно, что по мере

увеличения степени расширения рост t

замедляется и применение высоких давлений в камере сгорания нецелесообразно, т.к. необходимо будет делать ее с более толстыми стенками, а, следовательно, утяжелять двигатель. Большие значения k дают больший термический КПД. Повышения k можно достигнуть, увеличив в продуктах сгорания наличие одноатомных или лѐгких газов.

Поскольку компоненты горючей смеси в камере сгорания испаряются и вступают в химическую реакцию, то величины теплот следует определять по более общим уравнениям

повышение давления на повышение давления жидких компонентов. Эта работа пренебрежимо мала по сравнению с количеством тепла, выделяющегося при сгорании топлива, поэтому ее можно не учитывать

Поскольку разность энтальпий (i3 i4 ) превращается в кинетическую энергию

продуктов сгорания в процессе их истечения из сопла, то, пренебрегая скоростью продуктов сгорания на входе в сопло, можно записать

(i3 i4 ) w2

2

С учѐтом этого соотношения уравнение для термического КПД ЖРД может бить записано так:

t 2(iw2 i )

3 1

Удельная тягаотношение тяги, развиваемой двигателем, к расходу топлива в нѐм

При pa pн Pуд wga 0,1wa

154

Удельная тяга возрастает при увеличение скорости истечения , или, что то же самое, работы цикла ЖРД. Т. е. Pуд тем больше, чем больше RTk , называемое «работоспособностью газов», и чем больше степень расширения продуктов сгорания в

больше энергии запасено в топливе и чем полнее эта энергия используется, тем выше удельная тяга.

С уменьшением pн , т. е. с увеличением высоты, удельная тяга растѐт и в пустоте

принимает максимальное значение, равное

pуд GR

затраты энергии на привод насоса для прокачки жидких энергокомпонентов. Поэтому в камерах сгорания современных ЖРД p3 20 50ат .

Цикл ЯРД

Существуют различные варианты конструкций и принципы действия ядерных ракетных двигателей. В частности проектируется следующая схема ЯРД для космических аппаратов. Рабочее тело, находящееся в жидком состоянии в баке 1, с помощью насоса 2 прокачивается через активную зону ядерного реактора 3, в которой ядерное горючее (уран-235 или плутоний)

заключено в тепловыделяющих элементах. Регулируя отражательной и поглощательной способностями оболочки корпуса реактора, добиваются осуществления цепной реакции.

Процесс подвода тепла, выделяющегося при ядерной реакции в реакторе, происходит при постоянном давлении рабочего тела. Из реактора газообразное тело поступает в сопло 4, в котором расширяется и затем истекает в окружающую среду. Ясно, что с термодинамической точки зрения цикл ЯРД аналогичен циклу ЖРД, тождественно определяются я термические КПД этих циклов.

В отличие от ВРД и ракетных двигателей, работающих на химическом топливе, в ЯРД рабочее тело не является продуктом сгорания топлива. Следовательно, рабочее тело

155

для ЯРД может быть выбрано из соображений наибольший термодинамической целесообразности.

Из известного уравнения для скорости истечения идеального газа из сопла

наибольшие скорости истечения обеспечиваются в случае использования газов с малым молекулярным весом . С этой точки зрения наиболее выгодным рабочим телом для ЯРД является водород H2 ( =2), который при высоких температурах диссоциирует на атомарный водород ( =1). Могут использоваться также гелий, водяной пар, водородные

соединения легких элементов.

Среди проблем эксплуатации следует выделить обеспечение жаропрочности конструкции и охрану окружающей среды.

Хотя тяга ЯРД невелика по сравнению с тягой ЖРД, ядерный двигатель может работать в течение гораздо большего времени, чем ракетный двигатель с химическим топливом. Поэтому ЯРД является весьма перспективным типом двигателя для управляемых космических кораблей.

156

Библиографический список:

1.В.А.Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин Техническая термодинамика, М.: Наука, 1979.

2.А.С. Ястржембский Техническая термодинамика, М.: Госэнергоиздат, 1960.

3.Я.М. Гельфер История и метлжология термодинамики и статистической физики, М.: Высшая школа, 1981.

4.И.Р. Кричевский, И.В. Петрянов Термодинамика для многих, М.: Педагогика, 1975.

5.Л.Д. Ландау, А.И. Китайгородский Физика для фсех, Н.: Наука,

1978.

6.Р. Хейвуд Анализ циклов в технической термодинамике, М.: Энергия, 1979.

7.П. Эткинс Порядок и беспорядок в природе, М.: Мир, 1987.

8.В.И. Крутов, С.И. Исаев, И.А. Кожинов и др. Техническая термодинамика, М.: Высшая школа, 1991.

9.В.С. Жуковский Ткрмодинамика, М.: Энергоатомиздат, 1983.

10.И.И. Новиков Термодинамика, М.: Машиностроение, 1984.

11.С.В. Бальян Техническая термодинамика и тепловые двигатели, Л.: Машиностроение, 1973.

12.Ю.А. Булыгин, Н.П. Пекшева, В.В. Шитов Методическое руководство к разделу «Термодинамика химических процессов», Воронеж, 1980.

13.Ю.А. Булыгин, А.В. Кретинин, В.С. Рачук Учебное пособие «Расчет теплового состояния камедры ЖРД», Воронеж, 1997.

14.Ю.А.Булыгин Методические указания для проведения практических занятий по технической термодинамики, Воронеж, 1989.

158

Учебное издание

Булыгин Юрий Александрович Кретинин Александр Валентинович

Техническая термодинамика

Компьютерный набор С.Д. Полезина

Уч.-изд.л

Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московсий просп., 14