книги из ГПНТБ / Волков Е.Б. Ракетные двигатели на комбинированном топливе
.pdfЕ. Б. ВОЛКОВ, Г. Ю. МАЗИНГ, Ю. Н. ШИШКИН
РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ НА КОМБИНИРОВАННОМ ТОПЛИВЕ
Мо с к в а
«М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е »
1 9 7 3
В 67
УДК 629.7.036.54.001.2(02)1 " j j J j J J o T L
іг
Волков Е. Б., Мазинг Г. Ю. и Шишкин Ю. Н. Ракетные дви гатели на комбинированном топливе. М., «Машиностроение», 1973, стр. 1-84.
В книге рассматриваются вопросы теории ракетных двига телей, работающих на твердо-жидких компонентах топлива, и ракетных двигателей на твердом топливе с зарядами раз дельного снаряжения.
Приводятся различные схемы и описываются принципы работы таких двигателей; приводятся данные о топливах.
Излагаются сведения по выбору основных параметров ка мер сгорания, теплообмену и горению топлива в камерах.
Отмечаются особенности регулирования и рассматриваются статические характеристики двигателей, работающих на ком бинированных топливах.
Книга предназначена для инженеров и научных работни ков ракетного двигателестроения. Она будет полезна также студентам и аспирантам высших учебных заведений.
Табл. 18. Ил. 74. Список лит. 69 назв.
Рецензент д-р техн. наук, проф. С. Д. Гришин
3186—205 038(01)—73 205—73
ПРЕДИСЛОВИЕ
В зарубежной научной периодической литературе в послед ние годы опубликован ряд материалов по результатам исследо ваний и разработки ракетных двигателей на твердо-жидких компонентах топлива (гибридных ракетных двигателей).
Настоящая книга |
представляет |
собой попытку |
обобщить |
|
и систематизировать |
те разрозненные |
сведения |
по теории гиб |
|
ридных ракетных двигателей ( Г Р Д ) , |
которые |
были |
опублико |
ваны до сих пор и стали известными авторам. Значительное вни мание в книге уделено процессам, протекающим в камерах ГРД. Так как по особенностям этих процессов много общего с ГРД имеют ракетные двигатели на твердом топливе (РДТТ) с двумя зарядами разного состава, то в книге рассматриваются и неко торые вопросы теории РДТТ такого типа.
Основным в настоящей книге является изложение основ тео рии двигателей; вопросы их расчета, там где они включены в книгу, излагаются главным образом для того, чтобы проиллю стрировать применение теории двигателей для нужд практики.
Формулы и числовые величины, характеризующие двигатели и их топлива, приведены в соответствии с Международной систе
мой единиц (СИ) . Параметры и |
схемы двигателей |
даются |
на |
|
основе иностранных публикаций. |
|
|
|
|
Введение и гл. 1 книги написаны |
Е. Б. Волковым, |
главы |
2— |
|
4 — Г. Ю. Мазингом, главы |
5 |
и 6 — Е. Б. Волковым |
и |
|
Ю. Н. Шишкиным. |
|
|
|
|
Авторы выражают благодарность д-ру техн. наук С. Д. Гри шину за ценные замечания, сделанные им при рецензировании книги, и заранее признательны читателям за критические заме чания как по существу излагаемых вопросов, так и по методике их изложения. Все замечания просим присылать по адресу: Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., 3, издательство «Машино строение».
ВВЕДЕНИЕ
Все основные успехи в развитии ракетостроения, которые были достигнуты за последние десятилетия, связаны со значи тельным прогрессом в улучшении характеристик двигателей, при меняемых на боевых и космических ракетах. От степени совер шенства ракетного двигателя в сильной степени зависят основ ные особенности и показатели качества ракеты или космического аппарата, на которых он применяется. В связи с этим понятно то большое внимание, которое уделяется во всех странах, где создаются ракеты, развитию и совершенствованию ракетных двигателей.
В настоящее время практически на всех (за очень редким исключением) боевых и космических ракетах и на космических аппаратах используют ракетные двигатели, работающие на жид ких или твердых топливах ( Ж Р Д и РДТТ).
Применение современных Ж Р Д и РДТТ позволило создать весьма совершенные ракеты и решить ряд сложнейших техни ческих задач, однако развитие ракетостроения продолжается и будет продолжаться, и в связи с этим совершенствование двига телей остается по-прежнему важной и актуальной задачей.
Направления дальнейшего улучшения характеристик ракет ных двигателей определяются из анализа тех основных требова ний к ним, которые обычно формулируются в теории ракет и со гласно которым необходимо, чтобы:
а) двигатель имел возможно больший удельный импульс; б) двигатель при данной силе тяги или при данном запасе
топлива имел возможно меньшую собственную массу; в) двигатель во всех возможных условиях работы обеспечи
вал бы с заданными пределами |
требуемый |
режим работы — |
||||||
силу |
тяги, время |
действия, |
регулирование |
параметров, |
необхо |
|||
димое число включений и выключений и т. п.; |
|
|
|
|||||
г) |
двигатель |
обладал |
надежностью |
не |
меньшей, |
чем |
за |
|
данная; |
|
|
|
|
|
|
|
|
д) |
эксплуатация двигателя была простой |
и безопасной |
для |
|||||
личного состава; |
|
|
|
|
|
|
|
|
е) |
стоимость |
двигателя |
была |
возможно |
низкой. |
|
|
В зависимости от типа ракеты (летательного аппарата), на которой применяется двигатель, относительная степень важности того или иного требования, конечно, меняется. Так, требования повышения удельного импульса и снижения удельной массы тем более важны, чем больше дальность полета ракеты (и поэтому наиболее важны для космических ракет); требования простоты эксплуатации и малой стоимости, наоборот, — для космических ракет менее важны, чем для ракет массового применения.
Более того, есть требования, которые характерны для двига телей ракет лишь какого-то одного вида. Так, например, только для двигателей боевых ракет, как правило, формулируется тре бование о том, чтобы двигатель длительное время (годы) хра нился в состоянии готовности к пуску и запускался очень быстро (секунды); для двигателей космических аппаратов возникают свои специфические требования возможности запуска в условиях невесомости и вакуума и др.
Большая часть характеристик двигателей, а следовательно, и возможность выполнения соответствующих требований к дви гателям зависят от вида и качества топлива, применяемого в дви гателе. В связи с этим вопрос выбора топлива приобретает исключительно большое значение. Поясним это некоторыми примерами.
Температура и состав продуктов сгорания в камере РД опре деляются главным образом свойствами топлива и, следова тельно, этими свойствами определяется и удельный импульс
двигателя, так как он пропорционален |
YRTK, |
где |
R |
и |
Г„ — |
||||
соответственно |
газовая постоянная |
и |
температура |
продуктов |
|||||
сгорания. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Совершенно |
очевидно, |
что |
от |
свойств топлива |
(например, |
||||
от его плотности) зависят |
массы баков |
жидкого |
топлива, |
уст |
|||||
ройств для его подачи в камеру |
Ж Р Д , |
масса камеры |
РДТТ и |
ряда других элементов двигателя. Чем больше плотность топли ва, тем меньше потребные объемы баков и камеры, и тем меньше, следовательно, масса всей ракеты.
Регулирование силы тяги двигателя, выключение и повторное включение его осуществляются главным образом изменением количества топлива, сжигаемого в единицу времени в камере двигателя. Так как для разных видов топлива это изменение можно осуществить с большим или с меньшим трудом, то вид топлива оказывает крайне важное влияние и на такие качества двигателей, как возможность их регулирования и многократ ного запуска.
От вида топлива зависит в сильной степени стоимость пуска ракеты — через стоимость самого топлива, через стоимость материалов, применяемых в двигателе, через состав и стоимость агрегатов комплекса, которые меняются в зависимости от вида топлива.
Не |
требует специальных пояснений влияние |
свойств |
топ |
||
лива на особенности эксплуатации двигателя, на |
возможность |
||||
хранения его длительное |
время в состоянии готовности |
к |
пуску |
||
и т. п. |
|
|
|
|
|
В |
связи с отмеченным |
двигатели, работающие |
на |
жидких |
и на твердых топливах, имеют существенные различия. Каждый из двигателей этих типов обладает своими достоинствами и не достатками.
Достоинствами Ж Р Д являются:
а) возможность достижения высокого удельного импульса. Это достоинство Ж Р Д связано с тем, что в качестве отдельно
хранимых компонентов топлива для двигателя этого типа можно иметь вещества, которые при смешении и горении дают очень большой выход энергии;
б) относительно низкая собственная масса двигателя — осо бенно для длительно работающих двигателей с большой силой тяги;
в) возможность многократного включения и выключения дви гателя и регулирования его силы тяги, что обеспечивается отно сительно простым управлением подачей каждого из компонентов топлива в камеру;
г) возможность относительно длительной работы двигателя. Практически для Ж Р Д время работы ограничивается только запасом топлива. Термостойкость камеры обеспечивается в те чение этого времени охлаждением ее конструкции компонентами
топлива;
д) низкая стоимость самого топлива, особенно в случае использования в качестве его компонентов веществ, производ ство которых хорошо освоено промышленностью и имеет широ кую сырьевую базу.
Основные недостатки Ж Р Д связаны |
прежде |
всего с тем, что |
|||||||||
вследствие |
необходимости иметь |
на борту |
жидкостной |
ракеты |
|||||||
отдельные |
баки |
и устройства для подачи топлива в |
камеру, |
||||||||
усложняются |
ее |
конструкция, |
производство |
и |
эксплуатация, |
||||||
а также снижаются возможности длительного хранения |
ракеты |
||||||||||
с заправленным |
топливом |
и достижения |
высокой |
надежности. |
|||||||
Многие из |
этих |
недостатков отражаются не только на |
самой |
||||||||
ракете, но |
и |
на |
всем ракетном |
комплексе. Кроме того, |
в |
силу |
|||||
специфических |
особенностей схемы и рабочего |
процесса |
Ж Р Д |
||||||||
отработка |
этих двигателей, |
особенно |
двигателей |
с высокими |
параметрами и очень большой силой тяги, затруднена и может потребовать больших затрат средств и времени.
И, наконец, недостатком Ж Р Д является относительно низкая плотность топлив, применяемых в этих двигателях, — особенно в случае использования жидкого водорода в качестве горючего. Низкая плотность топлива ведет к увеличению габаритов ракеты.
К достоинствам двигателей, работающих на твердых топливах (РДТТ), следует отнести:
а) простоту устройства и эксплуатации; возможность упро щения (по сравнению с Ж Р Д ) комплекса, используемого для применения ракеты;
б) |
большую |
плотность топлив; |
|
|
в) |
возможность длительного хранения двигателей в состоянии |
|||
готовности к пуску и быстрого запуска двигателя. |
|
|||
Кроме того, по результатам, достигнутым за рубежом в обла |
||||
сти отработки |
РДТТ, можно предполагать, что к |
достоинствам |
||
РДТТ |
следует |
отнести и возможность получения |
в одном блоке |
|
очень больших значений силы тяги. |
|
|||
Наряду |
с |
отмеченными достоинствами, РДТТ обладают |
||
и заметными |
недостатками, к которым относятся: |
|
а) относительно низкое значение удельного импульса.
Этот недостаток РДТТ объясняется тем, что компоненты топ лива, которые могли бы дать большой удельный импульс, в од ном твердом веществе трудно совместимы;
б) в РДТТ крайне трудно осуществить регулирование силы тяги по величине и многократное выключение и включение дви гателя. Конструктивные усложнения двигателя, которые необ ходимы при этом, столь велики, что в подавляющем большин стве случаев регулирование силы тяги и многократное включе
ние РДТТ считают нецелесообразными; |
|
|
|
|
|
|
||||
в) значительная стоимость многих твердых топлив; |
|
|
||||||||
г) значительные |
трудности, связанные |
с |
перевозкой |
снаря |
||||||
женных двигателей большой силы тяги, |
или же необходимость |
|||||||||
усложнения |
комплекса |
и эксплуатации ракеты в случае |
снаря |
|||||||
жения их на месте применения; |
|
|
|
|
|
|
||||
д) |
чувствительность |
РДТТ к внешним условиям; дефекты |
||||||||
заряда |
в них |
(трещины) |
могут привести к авариям и срыву пу |
|||||||
ска ракеты, а обнаружить дефекты трудно. |
|
|
|
|
||||||
Таким образом, и жидкостные двигатели, и двигатели, рабо |
||||||||||
тающие на твердом топливе, наряду с достоинствами |
обладают |
|||||||||
и определенными недостатками. Двигатели |
обоих |
рассмотрен |
||||||||
ных типов непрерывно совершенствуются |
и некоторые |
их каче |
||||||||
ства могут быть улучшены. Однако, вместе с тем, млогие |
из от |
|||||||||
меченных выше недостатков этих двигателей |
нельзя |
устранить |
||||||||
полностью, они связаны |
с использованием |
в двигателях |
только |
|||||||
жидкого или только твердого компонентов топлива. |
|
|
|
|||||||
В связи с этим понятен интерес, проявляющийся в |
послед |
|||||||||
ние годы к двигателям, |
топливо которых состоит из веществ |
|||||||||
разного агрегатного |
состояния (жидких |
и твердых). Такие дви |
||||||||
гатели |
принято называть гибридными |
ракетными |
двигателями |
|||||||
(ГРД). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Гибридные ракетные двигатели исследованы значительно менее полно, чем жидкостные двигатели и двигатели, работаю-
щие на твердом топливе. Однако анализ схем |
и |
особенностей |
||||||||
двигателей этого типа позволяет с большой |
долей |
уверенности |
||||||||
заключить, что: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
а) |
топлива |
гибридных ракетных |
двигателей |
дают |
возмож |
|||||
ность достичь значений удельного импульса, |
превышающих его |
|||||||||
значения для |
РДТТ и приближающихся |
к значениям |
удельного |
|||||||
импульса для |
лучших Ж Р Д ; при этом |
плотность |
топлив |
ГРД |
||||||
значительно превосходит плотность |
топлив, |
состоящих |
|
только |
||||||
из жидких компонентов, а стоимость топлив |
ГРД |
может |
быть |
|||||||
очень |
низкой; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
б) |
наличие |
в топливе ГРД жидкого |
компонента |
предостав |
||||||
ляет |
значительно большие, чем существуют |
в |
РДТТ, |
возмож |
ности по отработке регулирования силы тяги, многократного
включения и выключения |
двигателя, а также охлаждения |
его |
||||
камеры; |
|
|
|
|
|
|
в) характеристики ГРД по массе не будут уступать при соот |
||||||
ветствующей отработке |
этих двигателей |
характеристикам |
по |
|||
массе двигателей на жидких или твердых топливах; |
|
|
||||
г) эксплуатационные характеристики ракет или других лета |
||||||
тельных аппаратов с ГРД хотя и будут уступать |
соответствую |
|||||
щим характеристикам ракет с РДТТ, но |
будут |
лучшими, |
чем |
|||
в случае использования на этих ракетах и |
аппаратах |
двигате |
||||
лей, работающих только на жидких топливах. |
|
|
|
|||
Все эти качества ГРД делают возможным их применение на |
||||||
ракетах и летательных |
аппаратах |
самых |
различных |
классов |
||
и назначений, и в том числе, на боевых и космических |
ракетах. |
|||||
Кроме двигателей, работающих |
на твердо-жидких компонен |
|||||
тах топлива ( Г Р Д ) , в качестве возможного нового типа РД |
на |
химических источниках энергии могут рассматриваться и дви гатели с двумя раздельными зарядами твердого топлива, один из которых содержит избыток окислителя, а другой — избыток
горючего. Такой двигатель |
называют РДТТ раздельного |
снаря |
||
жения (РДТТ |
PC), или РДТТ с разделенными |
компонентами |
||
топлива. |
|
|
|
|
РДТТ раздельного снаряжения и гибридные ракетные дви |
||||
гатели объединяются в класс комбинированных |
ракетных |
двига |
||
телей (КРД), |
или ракетных |
двигателей на |
комбинированном |
|
топливе. |
|
|
|
|
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ОКОМБИНИРОВАННЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ
1.1. РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС КРД
1. 1. 1. Рабочий процесс ГРД
Одна из возможных схем двигателя, работающего на твердожидких компонентах топлива ( Г Р Д ) , приведена на рис. 1.1. Двигатель включает в себя камеру / с зарядом 2 твердого ком понента топлива и форсуночной головкой 3; бак 5 с жидким компонентом топлива; баллон 8 со сжатым газом; клапаны 4 и 7; редуктор давления 6. Элементы 4—8 образуют систему хранения и подачи жидкого компонента.
Твердый и жидкий компоненты топлива подбирают так, чтобы один из них содержал в избытке горючие элементы (углерод, водород и т. д.), а другой — окисляющие элементы (кислород, фтор, хлор). Эти компоненты называются соответственно горю чим и окислителем.
Заряд твердого компонента может иметь различную форму. На рис. 1. 1 показан заряд, изготовленный в виде одноканальной цилиндрической шашки.
В момент включения ГРД открывается клапан 7 и сжатый газ через редуктор 6 под определенным давлением поступает в бак. После открытия клапана 4 жидкий компонент, вытесняе
мый из бака |
газом, проходит |
к форсуночной головке 3 камеры. |
|
С помощью |
форсунок жидкий |
компонент |
дробится на струи |
и капли и направляется в канал заряда |
твердого компонента. |
Твердый компонент воспламеняется; газы, образующиеся на его поверхности, смешиваются в канале заряда с жидким компо нентом. Смесь горючего и окислителя сгорает, продукты сгора
ния поступают к соплу и истекают |
через него. На стационарном |
||
режиме работы расход топлива |
Os |
(суммарный расход жидкого |
|
и твердого компонентов — G m |
и GT ) равен расходу газов |
через |
|
сопло, и в камере поддерживается |
определенное давление |
рк. |
Как видно из описания принципа действия ГРД, рабочий процесс и схема этого двигателя имеют некоторые общие черты