3.11.Ракетные двигатели (РД)

3.11.1.Классификация РД по источнику энергии

РД - это реактивный двигатель, использующий для работы только вещества - источники энергии, находящиеся на борту ДА сРД.

Принцип действия РД заключается в преобразовании какоголибо вида энергии в кинетическую энергию струи газа, истекаю­ щего из сопла, с последующей передачей этой энергии ЛА в соот­ ветствии со вторым законом Ньютона.

По источнику энергии РД делятся на химические, ядерные, электрические.

Химические РД. Тяга создается за счет разгона газообразных продуктов сгорания компонентов химического топлива до сс = = 2000.. .4500 м/с. В данном типе РД источники энергии и рабо-чего тела совмещены, т.е. энергия, выделяемая при сгорании химическо­ го топлива, сообщается продуктам сгорания этого же топлива.

Ядерные РД. Тяга создается в результате нагрева и испарения рабочего тела (например, воды), осуществляемого за счет тепла, выделяемого в ядерном реакторе, и разгона перегретого пара до сс = 10 000...20 000 м/с. В данном типе РД источники энергии и рабочего тела разделены, так как продукты превращений ядерного топлива не используются в качестве рабочего тела ввиду мало­ сти их массы и опасности заражения окружающей среды. Исполь­ зуется специальное рабочее тело.

Электрические РД. Тяга создается за счет разгона заряженного газа (плазмы), получаемого в генераторе плазмы или в ионизаци­ онной камере в электрическом поле электромагнитного или элек­ тростатического ускорителя до сс~ 200 000 м/с. В данном типе РД источники энергии и рабочего тела также разделены. Реактивные двигатели с тепловым ускорением (ядерные и химические) имеют скорость истечения реактивной струи, ограниченную величиной тепловой скорости молекул. Для химических РД ограничение обу­ словлено природой топлива, для ядерных - температурой нагрева рабочего тела, максимально допустимой для конструкции.

Химические и ядерные РД имеют относительно небольшую удельную массу (отношение массы двигателя к развиваемой им максимальной тяге) и способные сообщать летательным аппаратам значительные ускорения по сравнению с ускорением свободного падения у поверхности Земли. Однако в связи с относительно не­ большой скоростью истечения создание тяги сопровождается большим расходом рабочего тела на единицу тяги, ограничиваю­ щим время работы РД. Этим определяется основная задача, вы­ полняемая такими двигателями: ускорение тяжелых аппаратов до больших космических скоростей в околопланетных и межпла­ нетных полетах при относительно непродолжительной работе дви­ гателей.

В электрических ракетных двигателях (ЭРД) скорость истече­ ния на порядок выше, чем в ядерных, и ограничена мощностью электроустановки, увеличение которой влечет за собой сущест­ венное увеличение массы конструкции. Малый массовый расход, обусловленный природой рабочего тела (плазма), не по­ зволяет создавать тягу большой величины, но увеличивает время работы РД.

Применение ЭРД в качестве основных двигателей возможно после сообщения летательному аппарату первой космической ско­ рости. Возможность длительной работы ЭРД может обеспечить дальние космические перелеты. ЭРД также могут использоваться в качестве вспомогательных двигателей.

3.11.1.1. Создание тяги в химическом РД

Химический РД - это тепловая машина (рис. 3.29), в которой химическая энергия компонентов ракетного топлива 7, 2, подавае­ мых насосами 3, 4 в камеру сгорания (КС), в процессе горения преобразуется в потенциальную тепловую энергию газообразных продуктов сгорания с температурой Тк и давлением рк., которая при расширении в сверхзвуковом реактивном сопле (PC) частично превращается в кинетическую энергию истекающей из PC струи

газа сЦ 2 .

Так как ск сравнительно мала, условно считают что ск ~ О, тогда формулу (3.19) с небольшой погрешностью можно записать

Удельный импульс тяги характеризует эффективность РД как тепловой машины:

ный импульс тяги является важнейшей характеристикой РД как части ракеты. Так, если увеличить /у всего на 1 % при одном и том же времени работы РД дальность полета увеличивается на 250-400 км.

В отличие от воздушно-реактивных двигателей (ВРД), где максимальное теоретическое (при отсутствии сопротивления среды) значение отношения Vlcc не может превышать единицы, в РД отношение V/сс ограничено только величиной сопротивления среды, аэродинамическим совершенством ЛА, величиной тяги РД

где п - показатель политропы газа; R - газовая постоянная.

Из выражения (3.22) видно, что для увеличения сс, а следова­ тельно, для увеличения /у необходимо:

•выбирать топливо с низкой молекулярной массой (|R, ]п);

•выбирать топливо с высокой температурой горения (t Тк);