книги из ГПНТБ / Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

20 Гл. 1. Введение

венное влияние оказывают время задержки и нелинейность процес­

са сгорания, жесткость конструкции, включая топливные баки и магистрали, сжимаемость компонентов топлива и аэродинами­ ческие силы. Несмотря на наличие ряда работ, посвященных теоре­

тическому исследованию этой проблемы, в настоящее время борьба с высоко- и низкочастотными колебаниями давления газов в камере

сгорания двигателя ведется пока эмпирическими методами.

В связи с созданием в последние годы космических и сверхдаль­ них снарядов, а также снарядов для запуска крупных спутников Земли потребовались ЖРД с тягой в сотни тонн *. В дальнейшем в двигателях больших тяг, видимо, будет использована ядерная энергия.

1 Interavia, No. 4038. 1958.

Глава 2

ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖРД

Основным элементом жидкостных ракетных дальнобойных, зенит­ ных и другого назначения снарядов является их двигатель—ЖРД- Дальность полета снарядов при прочих равных условиях в большой мере зависит от совершенства конструкции двигателя, вида приме­

няемых компонентов топлива для него, а также от его конструктив­ ных и эксплуатационных характеристик.

Для оценки эксплуатационных качеств существующих типов ЖРД и выбора двигателя согласно тактико-техническим условиям

сначала нужно ознакомиться с некоторыми понятиями, определе­ ниями, основными данными и характеристиками ЖРД.

В этой главе изложена классификация существующих ЖРД и приведены их общие характеристики, позволяющие выяснить их достоинства и недостатки, сравнить их качества и установить целе­ сообразные области применения того или иного типа двигателя. Помещены таблицы численных значений основных параметров и краткие данные о конструктивных особенностях существующих ЖРД. Приведен также анализ основных факторов, влияющих на

дальность полета, и требования к двигателям боевых аппаратов.

Одновременнорассмотрены и другие вопросы, относящиеся к тео­ рии и основам проектирования ЖРД.

§ 1. Основные конструктивные элементы ЖРД

Реактивным двигателем называется тепловой двигатель, соз­ дающий тягу за счет результирующей газодинамических сил, дей­ ствующих на камеру двигателя при сгорании в ней топлива и исте­ чении образующихся продуктов сгорания через сопло в окружаю­ щую среду.

Жидкостным ракетным двигателем называется реактивный дви­ гатель, использующий для своей работы жидкое топливо.

Основными конструктивными элементами ЖРД в общем случае являются следующие.

1. Камера двигателя, в которой осуществляется сжигание топли­ ва и преобразование тепловой энергии газов в кинетическую энер­ гию вытекающей струи, в результате чего создается тяга.

Камера двигателя состоит из головки, камеры сгорания и сопла. Головка камеры двигателя служит для распыла в заданном весовом

соотношении компонентов топлива, подаваемых в камеру сго­ рания.

Вкамере сгорания двигателя происходит непосредственно сме­

шение, подогрев, испарение и сгорание топлива.

Всопле камеры двигателя происходит преобразование тепло­ вой энергии продуктов сгорания топлива в кинетическую энергию истечения их в окружающую среду. Эти процессы оказывают огром­ ное влияние на экономичность работы и тяговые характеристики

двигателя.

Процессы в камере сгорания и в сопле двигателя тесно связаны между собой. От степени завершенности процесса в камере сгорания зависит доля химической энергии, которая может выделиться в соп­ ле в результате догорания топлива и рекомбинации молекул газов.

2. Система топливоподачи двигателя, обычно состоящая из

одного, двух или нескольких топливных баков, механизма принуди­ тельной подачи компонентов топлива в камеру двигателя, источни­ ка энергии для приведения в действие этого механизма, коммуни­ каций и арматуры (трубопроводы, вентили, клапаны, расходные шайбы и т. п.), обеспечивающих в совокупности нормальный запуск,

рабочий режим и остановку двигателя.

В некоторых случаях топливные баки в число элементов двига­ теля не включаются, а входят в состав летательного аппарата.

Двигатель может иметь такие системы топливоподачи и управ­

ления, при которых можно запустить его в работу и остановить

вслучае необходимости.

3.Система зажигания двигателя, представляющая собой при­ способление для зажигания топлива при запуске ЖРД.

В некоторых типах ЖРД система зажигания конструктивно не связана с камерой двигателя и даже иногда совсем отсутствует, если используются самовоспламеняющиеся компоненты топлива.

4.Силовая рама двигателя или другие средства для крепления агрегатов двигателя между собой и передачи силы тяги к боевому аппарату.

Питание агрегатов двигателя сжатым газом бывает автономным

ибортовым. Для автономного питания иногда используется воздуш­

ный баллон с блоком редукторов, трубопроводами, арматурой и клапанами, необходимыми для создания напора в топливных ба­ ках и других целей.

Жесткие требования, предъявляемые к двигателю в связи с боль­ шой концентрацией энергии в применяемых топливах, сложность протекания в нем физико-химических процессов, а также требова­ ния техники безопасности во время работы привели к тому, что

современные ЖРД в конструктивном отношении во многих случаях

являются весьма сложными силовыми установками со значительно развитой автоматикой управления.

Стремление предельно автоматизировать работу двигателя объясняется основной особенностью ЖРД. В этих двигателях за короткое время надо проделать все операции, необходимые для надежного зажигания топлива, увеличения его подачи в камеру сго­ рания до номинального значения, поддержания этого расхода по­

стоянным или его изменения в соответствии с программой работы двигателя, и, наконец, в нужный момент остановить двигатель.

Нельзя забывать, что топливо, поданное в камеру сгорания,

представляет собой взрывчатую горючую смесь. Учитывая большие секундные расходы топлива в двигателе, можно ясно представить себе, что малейшее нарушение правильности работы системы подачи или запаздывание момента воспламенения топлива может привести к накоплению его в камере сгорания и, следовательно, к внезапно­ му воспламенению с резким повышением давления в камере сгора­ ния до большой величины и даже вследствие этого к взрыву двига­ теля. То же самое может произойти и при случайном перерыве горения топлива или при повторной подаче его в горячую камеру сгорания после остановки двигателя. Воспламенение топлива в этом случае от накаленной поверхности камеры также может вызвать

взрыв двигателя.

Из сказанного ясно, что система топливоподачи должна рабо­

тать очень четко. Практически это достигается автоматизацией

и блокировкой системы топливоподачи двигателя. Под автоблоки­ ровкой понимается создание таких условий, когда последующая операция, совершаемая в системе подачи двигателя, не будет вы­ полнена до тех пор, пока не осуществится предыдущая операция.

Автоматизация системы топливоподачи в современных ЖРД доводится до такого совершенства, что все операции по запуску, выводу двигателя на заданный режим и остановке его производятся только после подачи на двигатель одной команды.

Столь высокая степень автоматизации ЖРД нужна также и по­

тому, что он большей частью устанавливается на беспилотных лета­ тельных аппаратах.

Назначение снаряда определяет тип двигателя, его тягу и про­

должительность работы, что в свою очередь оказывает влияние на размеры камеры, емкость топливных баков и на выбор рода компо­ нентов топлива.

§ 2. Классификация существующих ЖРД

Существующие жидкостные ракетные двигатели по своим кон­ структивным схемам, рабочим характеристикам и другим призна­ кам весьма разнообразны. Это объясняется:

1)большим разнообразием применяемых в них топлив;

2)назначением того или иного типа двигателя, что определяет величину его тяги, программу и продолжительность работы;

3)особенностями процесса преобразования в двигателе химиче­ ской энергии топлива в кинетическую энергию газового потока на выходе из сопла в окружающую среду;

4)экономическими, производственными и другими соображения­ ми, а также особенностями в направлениях разработки двигателей отдельных конструкторских бюро.

Наибольшее влияние на конструкцию ЖРД имеют область его применения и вид используемого топлива.

Для выявления достоинств и недостатков тех или иных типов и конструкций двигателей, установления для них целесообразных областей применения, изучения их конструктивных и эксплуатаци­ онных особенностей существующие ЖРД целесообразно разделить по следующим наиболее характерным признакам.

1. По назначению двигателя:

а) маршевые или основные, когда каждый двигатель является основным на данном аппарате и работает в течение всего полета или большей части его;

б) стартовые, используемые для облегчения старта боевого аппарата, имеющего маршевый двигатель;

в) ускорители, используемые на боевом аппарате в полете в до­ полнение к основному двигателю с целью кратковременного увели­ чения тяги и скорости полета боевого аппарата.

ническим приводом от основного двигателя самолета. Уско­ рители можно многократно запускать в работу во время полета самолета.

Кроме того, ЖРД могут быть предназначены для одноразового

(однократного) действия, т. е. для совершения только одного поле­ та после установки на аппарате, и многоразового (многократного)

действия, г. е. для со’вершения нескольких полетов.

2. По роду используемого топлива ЖРД делятся на двигатели, работающие на самовоспламеняющихся и несамовос­ пламеняющихся компонентах топлива. Различные свойства топлив накладывают специфические черты на конструкцию двигателя.

Выбор жидких компонентов топлива для данного двигателя обычно определяется методами их применения, их наличием, харак­ теристиками, свойствами и другими факторами.

Топлива для ЖРД бывают однокомпонентные, когда применяет­ ся только один жидкий компонент топлива (изопропилнитрат, нитро­

метан, гидразин и др.), и двухкомпонентные, когда применяются два жидких компонента топлива — горючее и. окислитель. Существуют также трехкомпонентные топлива.

В настоящее время наибольшее распространение получили двух­ компонентные двигатели.

3. По роду используемого окислителя для горю­ чего двигатели делятся на:

а) кислородные, использующие в качестве окислителя жидкий кислород, его аллотропические видоизменения и соединения с горю­ чими элементами;

б) азотнокислотные, использующие в качестве окислителя окис­ ли азота и окислители, содержащие окисли азота или являющиеся их производными;

в) перекисеводородные, использующие перекись водорода с жид­ ким или твердым катализатором;

г) фторные, использующие в качестве окислителя фтор, фтори­ ды кислорода и другие фторсодержащие соединения;

д) хлорные, использующие в качестве окислителя хлор, окислы хлора и окислители, содержащие окислы хлора или являющиеся их производными.

Известны также сложные окислители, содержащие в различных сочетаниях молекулы кислорода, азота, хлора и фтора, а также растворы некоторых одислов, кислот и других компонентов друг в друге

Возможны также двигатели, работающие на суспензиях метал­

лов и металлоидов с жидкими горючими 21.

Деление двигателей по роду используемого окислителя весьма существенно, так как различия в свойствах окислителей определяют конструктивные формы двигателей. Нет такого двигателя, который мог бы работать на нескольких разных окислителях.

Каждый двигатель разрабатывается для вполне определенного окислителя и, как правило, в силу различия свойств используемых окислителей конструкция одного .двигателя отличается от конструк­ ции другого. Разработка ЖРД всегда начинается с выбора окисли­ теля и горючего для этого двигателя.

4. По способу подачи топлива в камеру сгора­

ния ЖРД делятся на двигатели;

а) с вытеснительной системой топливоподачи при помощи:

—газового аккумулятора давления (ГАД), т. е. давления хо­ лодного газа, обычно воздуха (ВАД), поступающего из специаль­

ного баллона в топливные баки;

—порохового аккумулятора давления (ПАД), т. е. давления горячих пороховых газов, образующихся во время работы двигателя

вспециальной камере при сжигании порохового заряда;

—жидкостного аккумулятора давления (ЖАД), т. е. давления

горячих продуктов сгорания самовоспламеняющихся компонентов топлива, образующихся во время работы двигателя в одной общей или двух отдельных специальных камерах (газогенераторах), уста­ новленных в верхних днищах топливных баков;

б) с нагнетательной системой топливоподачи при помощи:

— турбонасосного агрегата, т. е. с подачей компонентов топли­

1 Экспресс-информация АН СССР, вып. 21, РТ-60, 1959. 2 Вопросы ракетной техники, № 12, ИЛ, 1959.

ва из баков в камеру сгорания двигателя центробежными насосами,

приводимыми в действие парогазовой турбиной, питаемой парога-

зом, производимым в специальном газогенераторе из перекиси водо­ рода, изопропилнитрата, гидразина или от сжигания основных ком­

понентов топлива, или газом, отбираемым из камеры сгорания дви­

гателя;

— инжекторов, работа которых основана на принципе исполь­ зования кинетической энергии, развиваемой газом при его расшире­ нии в особом сопле (необходимый газ для работы инжектора отби­ рается из камеры сгорания или производится в специальном паро-

газогенераторе).

Вытеснительную систему топливоподачи с газовым аккумулято­

ром давления (ГАД) часто называют газобаллонной системой топливопадачи.

5. По тепловой нагрузке ЖРД бывают:

а) «горячего» типа, в которых сжигается топливо при высокой температуре (около 2700—3600° С), и

б) «холодного» типа, в которых протекает разложение перекиси водорода при сравнительно низкой температуре (около 320— 480°С).

6. По способу охлаждения камеры ЖРД делятся на двигатели, имеющие:

а) регенеративное охлаждение, состоящее в том, что один из

компонентов топлива (или иногда оба компонента) перед посту­ плением в камеру сгорания проходит через межоболочное простран­ ство камеры и охлаждает при этом внутреннюю оболочку сопла и камеры сгорания;

б) эффузионное охлаждение, состоящее в том, что охлаждающая жидкость подается из межоболочного пространства внутрь камеры через малые поры во внутренней оболочке, выполненной из специ­

ального пористого материала, и тем охлаждает ее и одновременно

образует на внутренней поверхности парогазовую пленку, предохра­ няющую оболочку от чрезмерного нагревания горячими газами;

в) проточное водяное охлаждение, обычно применяемое на стен­ довых установках.

Возможно также охлаждение камеры двигателя циркулирую­ щей водой, являющейся одновременно рабочим телом для питания турбины насосного агрегата системы топливоподачи двигателя

(замкнутое регенеративное охлаждение двигателя).

На выбор соответствующего способа охлаждения двигателя в основном влияет теплонапряженность камеры сгорания и сопла.

Регенеративный способ охлаждения в настоящее время является самым распространенным, как наиболее надежный и экономичный.

В этом случае тепло, переданное от внутренней оболочки к охлаж­ дающей жидкости, возвращается в камеру сгорания.

Для регенеративного охлаждения двигателя обычно применяют дот компонент топлива, который обладает наименьшими коррозион­

ными свойствами, высокими значениями теплоемкости, теплопро­ водности и другими выгодными для этой цели характеристиками. Для охлаждения камер двигателей малых тяг обычно используется окислитель, так как горючего недостаточно для надежного охлаж­ дения.

7. По способу защиты внутренней оболочки камеры от перегрева (при регенеративном охлаждении) ЖРД делятся на двигатели:

а) с газовой завесой горючего, создаваемой со стороны головки камеры через периферийные форсунки малого расхода;

б) с пленочными завесами горючего, создаваемыми в наиболее

теплонапряженных частях камеры двигателя; горючее подается на внутреннюю поверхность оболочки через специальные отвер­ стия или щели в ней, при этом жидкость течет по этой поверхности

в) с изоляцией газовой поверхности оболочки от тепла газового потока (в качестве изоляции могут служить керамика, графит, окислы металлов и др.).

Защиту оболочки камеры от перегрева газовой или пленочной завесой горючего, как и эффузионный способ охлаждения, обычно применяют в том случае, когда вследствие высокой теплонапряжен-

ности камеры двигателя ее нельзя охладить наиболее простым и эко­ номичным способом или когда использование последнего при ука­ занных условиях сопряжено с большими трудностями.

Охлаждающий тракт камеры ЖРД может быть щелевым, спи­ ральным, спирально-щелевым и других форм.

В конструктивном отношении наиболее простым и дешевым является кольцевой тракт охлаждения.

Камеры бывают однооболочные и двухоболочные. Однооболоч­ ные камеры имеют двигатели «холодного» типа и неохлаждаемые

двигатели «горячего» типа, предназначенные для работы не более

5—35 сек. Двухоболочные камеры имеют охлаждаемые двигатели «горячего» типа с относительно большей продолжительностью работы.

Система охлаждения камеры двигателя должна обеспечивать

снятие охлаждающей жидкостью с внутренней оболочки камеры местных тепловых потоков, которые имеют максимальное значение

вблизи критического сечения сопла, при допустимом разогреве этой жидкости в тракте.

8. По числу камер сгорания двигатели делят­ ся н а:

а) однокамерные, т. е. имеющие в своей конструкции только

одну камеру сгорания, и

б) многокамерные, т. е. имеющие в своей конструкции несколько

камер сгорания, способных работать по мере надобности одновре­

28 Гл. 2. Общие характеристики ЖРД

менно или в отдельности с целью изменения величины тяги двига­ теля.

Камеры ЖРД изготовляются стальными, медно-стальными, алю­ миниевыми, керамико-стальными и из других материалов.

Камеры сгорания ЖРД бывают цилиндрические, конически

суживающиеся, эллиптические, грушевидные, шаровые и других форм.

На выбор целесообразной формы камеры сгорания двигателя влияют вид используемого топлива, способ его распыла, давление в камере сгорания, величина тяги и продолжительность работы дви­ гателя, технология его изготовления, стоимость и другие факторы.

Выходную часть сопла камеры ЖРД конструктивно выполняют:

а) конической (угол раствора выходной части сопла обычно ко­

леблется от 25 до 35°) и

б) профилированной (для получения осевого или близкого к нему потока газов в выходном сечении сопла).

Сопла двигателей могут быть нерегулируемого и регулируемого сечения по высоте.

9. По способу распыла компонентов топлива камеры ЖРД бывают:

а) со струйным распылом (подобно двигателю зенитного управ­ ляемого снаряда «Вассерфаль»);

б) со щелевым распылом (подобно двигателю зенитного снаряда «Рейнтохтер»);

в) с центробежным распылом;

г) с предкамерным распылом (подобно двигателям А-4).

Центробежные форсунки делятся на однокомпонентные и двух­

компонентные.

По конструкции приварные и съемные головки камеры имеют плоскую, шатровую, шаровую и другие формы. К головке камеры сгорания шаровой формы относится та часть ее, на которой распо­

ложены топливораспыливающие органы.

10. По способу зажигания основных компо­ нентов топлива при запуске ЖРД делятся на двигатели:

а) с химическим зажиганием, т. е. посредством основных или

пусковых самовоспламеняющихся при контакте компонентов топлива;

б) с электрическим зажиганием, т. е. посредством электрических

устройств (электросвечи и электродуги);

в) с пиротехническим зажиганием, т. е. посредством пироэлек­ тропатрона (факела, образующегося при сгорании пороховой шашки).

11. По величине номинальной тяги ЖРД условно

можно делить на двигатели:

а) малой тяги (порядка 0,5—5 г), предназначенные для воздуш­

ных торпед различного назначения, небольших зенитных снарядов, стартовых двигателей и самолетов в качестве основных двига­

телей;