книги из ГПНТБ / Михайлов, В. И. Термодинамика и силовые установки летательных аппаратов учеб. пособие

100

Глава IX

ЖИДКОСТНЫЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

§ 1. Устройство и принцип действия двигателя

Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) имеет (рис. 9.1) ка­ меру сгорания 1, сверхзвуковое реактивное сопло 2, головку 3,

вкоторой располагаются форсунки 4, и рубашку охлаждения 5.

Внастоящее время для жидкостных ракетных двигателей широко

применяется двухкомпонентное топливо (окислитель-)-горючее)

с раздельной подачей компонентов в камеру сгорания. Струйные или центробежные форсунки окислителя и горючего располага­ ются в шахматном или сотовом порядке, что обеспечивает в про­ цессе распыления получение тесной однородной горючей смеси. Воспламенение образовавшейся горючей смеси происходит либо за счет введения в камеру сгорания самовоспламеняющегося компонента топлива, либо от электрической свечи, от пирозапала или от другого воспламеняющего устройства. После сгорания первых порций топлива при неизменной подаче возникает ста­ ционарный режим работы — в единицу времени через реактив­ ное сопло отбрасывается в окружающую среду такое количество продуктов сгорания, какое образуется при сгорании топлива. Поэтому в камере сгорания устанавливается определенное по­ стоянное давление рк (рис. 9.1). Величина этого давления опре­ деляется только расходом топлива, что следует из уравнения (5.6)

РкГкр

тЛ— т- '-кр

102

В зависимости от назначения двигателя давление в камере сгорания может иметь различную величину, но нередко состав­ ляет 25—80 дан/см2. Это объясняется тем, что, во-первых, интен­ сивный рост удельной тяги наблюдается при повышении давле­ ния примерно до 80 дан/см2, после которого темп р<?ста удельной тяги замедляется, и, во-вторых, при более высоких давлениях увеличивается вес камеры сгорания и обслуживающих систем.

Не вся химическая энергия, которая может быть выделена при сжигании топлива, расходуется на повышение энтальпии продуктов сгорания, так как имеет место неполнота горения, дис­ социация продуктов сгорания и излучение. Поэтому полная эн­ тальпия1 /І( продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания

где /о — полная энтальпия продуктов сгорания, охлажденных до 293° К; hu — теплотворность топлива; £ = 0,924-0,98 — коэффици­ ент выделения тепла.

Несмотря на потери химической энергии, теплонапряженность камер сгорания существующих Ж РД высока и составляет <7кс =

= (5004-800) -ІО6 м3ч ат .

Уравнение (9.1) позволяет определить температуру Тк про­ дуктов сгорания на выходе из камеры сгорания. Решение задачи усложняется влиянием температуры на теплоемкость ср продук­ тов сгорания, состав которых изменяется вследствие термической диссоциации, зависящей от давления и температуры.

Наивысшая температура Т1{ в камере сгорания при отсутствии диссоциации продуктов сгорания имеет место при коэффициенте избытка окислителя а=1,0 (рис. 9.2). Возникновение диссоциа­ ции приводит к снижению температуры Гк продуктов сгорания и увеличению газовой постоянной Ru- При понижёнии давления рк в камере сгорания усиливается диссоциация, в связи с чем тем­ пература Tu продуктов сгорания снижается, а величина газовой постоянной RKувеличивается, причем максимум температуры Тк смещается в сторону более богатых смесей (а<1,0). При изме­ нении давления рк в камере сгорания произведение RKTK изме­ няется незначительно в связи с отмеченным характером измене­ ния Ru и Tu. Температура продуктов сгорания на выходе из ка­ меры сгорания может доходить до 3500—4500° К. Продукты сго­ рания, обладая высокой потенциальной энергией, направляются в реактивное сопло. В реактивном сопле происходит преобразо­ вание потенциальной энергии потока в кинетическую (снижается температура и давление газа, увеличивается скорость течения

1 Под полной энтальпией I понимается количество тепла, которое необхо­ димо для получения 1 кг вещества в данном состоянии из исходных элементов, взятых при начальной температуре 293° К.

103

газа). У современных двигателей скорость истечения газа из со­ пла доходит до 2500—3000 м/сек и выше.

В результате ускорения отбрасываемых масс газа возникает реактивная сила, которая приложена непосредственно к двига­ телю. ,

Камера сгорания и реактивное сопло охлаждаются во избежа­ ние разрушения конструкции под действием высокой темпера­ туры и давления. Наружное охлаждение камеры сгорания и ре­ активного сопла осуществляется, одним из компонентов топлива, который протекает по рубашке охлаждения перед поступлением

в стенке на внутреннюю поверхность камеры. Пленка жидкого компонента на поверхности стенки, а по мере ее испарения паро­ вая завеса изолируют внутреннюю поверхность камеры и сопла от горячих газов.

Двигатели с небольшой продолжительностью работы могут выполняться без специального охлаждения. В таком случае ка­ мера сгорания и реактивное сопло имеют более толстые стенки, что обусловливает повышенную тепловую инерцию.

§2. Системы питания

Всистему питания двигателя включаются баки, где на ракете хранятся компоненты топлива и устройства, обеспечивающие по­ дачу компонентов топлива в камеру сгорания. Различают два вида систем питания жидкостных ракетных двигателей: вытесни­ тельную и насосную. Вытеснительная система питания (рис. 9.3)

104

характерна тем, что подача компонентов топлива в камеру сгора­ ния осуществляется под воздействием газа, поступающего в топ­ ливные баки под давлением. При запуске двигателя открыва­ ются клапаны 5 и компоненты топлива вытесняются из баков 3 и 4 в двигатель 6 сжатым газом, поступающим из аккумулятора давления 1 через редукционный клапан 2. Аккумуляторы давле: ния могут быть различных конструкций. Простейшим аккуму­ лятором давления является баллон шаровой формы, в котором находится сжатый до высокого давления (250—300 дан/см2) воз­ дух или другой газ (рис. 9.4, а).

В момент запуска двигатёля открывается клапан 3, сжатый газ,из баллона 1, пройдя редукционный клапан 2, поступает в баки и вытесняет компоненты топлива в двигатель. Редукцион­ ный клапан 2 обеспечивает постоянное давление газа в топлив­ ных баках и равномерную подачу топлива в двигатель. Через кла­ пан 4 производится заполнение баллона сжатым газом. Баллон­ ный аккумулятор давления имеет большие габариты и вес по сравнению с пороховым аккумулятором давления. Пороховой аккумулятор давления (рис. 9.4, б) состоит из камеры 1, в кото­ рой размещен заряд 2 медленно горящего пороха и воспламени­ тель. На трубопроводах 4, идущих к топливным бакам, установ­ лены тонкие металлические мембраны 3. В момент запуска дви­ гателя с помощью воспламенителя зажигается пороховой заряд. Когда давление газов, образующихся при горении пороха, до­ стигнет расчетного значения, прорываются мембраны. Пороховые

105

газы поступают в баки и вытесняют компоненты топлива в двигатель. Пороховой заряд подбирается таким образом, чтобы поддерживалось необходимое давление в топливных баках при работе двигателя. Топливные баки снабжаются предохранитель­ ными клапанами, которые предотвращают разрушение баков при чрезмерном повышении давления газа. Пороховые аккумуляторы давления по сравнению с жидкостными аккумуляторами давле­ ния имеют несколько лучшие весовые и габаритные показатели.

телю с вытеснительной системой подачи топлива. Образующиеся в камере сгорания аккумулятора давления продукты сгорания поступают в топливные баки и вытесняют топливо в камеру сго­ рания двигателя. При вытеснительной системе питания топлив­ ные баки находятся под высоким давлением. В связи с этим ис­ пользуются толстостенные конструкции, что ухудшает весовые показатели системы. Вытеснительная система подачи топлива применяется обычно для двигателей, развивающих относительно небольшую тягу.

Насосная система питания (рис. 9.5) характерна тем, что ком­ поненты топлива подаются из баков 1 и 2 в камеру сгорания 7 двигателя при помощи насосов 3 и 4. При запуске двигателя от­ крываются клапаны 9 и вступает в действие устройство 8, из ко­ торого газ под небольшим давлением поступает в топливные баки и вытесняет окислитель и горючее в насосы. Насосы горю­ чего и окислителя приводятся в действие газовой турбиной 5. Насосы и газовая турбина образуют единый агрегат, который на­ зывается турбонасосным (ТНА). В качестве рабочего тела для турбины используется пар или газ, которые вырабатываются

вгазогенераторе 6. Возможны различные виды газогенераторов,

втом числе работающие на высококонцентрированной перекиси водорода, а также на компонентах топлива двигателя.

Перекисный газогенератор на твердом катализаторе (рис. 9.6, а) состоит из бака 1, в котором находится высококон­ центрированная (80—82%) перекись водорода НгСЬ, реактора 2, содержащего пористое вещество, пропитанное катализатором (КМпО/і или NaMnCU), баллона 3 со сжатым воздухом, редук­ тора 4 и клапана 5. При открытии клапана 5 перекись водорода вытесняется воздухом в реактор. В реакторе перекись водорода в присутствии катализатора разлагается с выделением количе­

на газовую турбину. Один из возможных вариантов газогенера­

106

тора, работающего на компонентах топлива двигателя, показан на рис. 9.6, б. Газ для турбины турбонасосного агрегата получа­ ется при сжигании компонентов топлива двигателя в специаль­ ной камере сгорания 1. В эту камеру топливо подается от основ­ ных магистралей 2 и 3 системы питания двигателя. Продукты сгорания, образовавшиеся в камере 1, направляются на газовую турбину 5 турбонасосного агрегата. Сжигание топлива в ка­ мере 1 протекает при соответствующем избытке одного из компо-

центов топлива. Поэтому температура продуктов горения оказы­ вается ниже предельно допустимой для материалов лопаток турбины турбонасосного агрегата. Регулирование соотношения компонентов, поступающих в камеру сгорания 1, осуществляется клапаном 4.

Насосная система питания двигателя более сложна, чем вы­ теснительная система. Однако для двигателей большой тяги она более приемлема, так как баки не находятся под высоким давле­ нием, а следовательно, имеют меньший вес.

§ 3. Тяга двигателя

Тяга ЖРД

107

где /пт — расход рабочего тела (топлива); сс — скорость истече­ ния газа из сопла; Fс — площадь выходного сечения сопла; рс — давление на срезе сопла; ро— давление окружающей среды; или

P = m 1cc-\-Fcp c— Fcp0.

Так как расход газа

т = і Щ = Р с - щ - с с,

где А = Р0-Ц -(1+ Ш *С).

Рк

Таким образом, тяга ЖРД зависит от давления р* в камере

сгорания и от давления ро окружающей среды. Удельная тяга

Удельная тяга в пустоте

108

V

постоянна, так .как давление р* в камере сгорания пропорционально расходу /пт топлива. Таким образом,

Рк

где B = FCB-—. тт-

§ 4. Характеристики двигателя

При рассмотрении характеристик считают, что коэффициент избытка окислителя постоянен, а расход энергии на работу си­ стемы питания пренебрежительно мал.

1. Дроссельная (расходная) характеристика (рис. 9.7) отра­ жает зависимость тяги и удельной тяги от расхода тТ топлива или давления р*. в камере сгорания при неизменной высоте по­

лета. Формулы (9.3) и (9.5) показывают, что в.пустоте (при ро= = 0) тяга Рп в зависимости от р* изменяется по закону прямой

линии, а удельная тяга Руд. п постоянна; на некоторой высоте Н тяга Рн двигателя отличается от тяги в пустоте Рп на величину ДсРо, а удельная тяга Руд. и изменяется от давления р* по гипер­

боле.

2. Высотная характеристика (рис. 9.8) выражает зависимость тяги и удельной тяги от высоты Н полета при постоянном рас­ ходе тТ топлива или постоянном давлении р* в камере сгора­

ния. Из уравнений (9.3) и (9.5) следует, что при безотрывном течении газа в сопле с увеличением высоты полета Я, т. е. с уменьшением атмосферного давления, тяга Рп и удельная тяга

109