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

б) средней тяги (порядка 5—25 т), предназначенные для круп­ ных зенитных снарядов и самолетов, небольших дальнобойных сна­ рядов, скоростных и сверхскоростных самолетов-истребителей, пере­ хватчиков и разведчиков, и

в) большой тяги (свыше 25 т), предназначенные для больших и сверхдальнобойных снарядов.

ЖРД изготовляются без регулирования тяги и с регулируемой тягой во время работы двигателя.

Регулирование величины тяги ЖРД осуществляют:

а) изменением секундного расхода топлива в камеру сгорания путем изменения давления подачи и

б) включением в работу или выключением части топливных фор­ сунок или отдельных камер (если двигатель многокамерный).

Если баки входят в число элементов двигателя, ЖРД разли­ чают:

а) с последовательным расположением баков (один бак располо­ жен за другим, по одной оси);

б) с концентрическим расположением баков (один бак располо­ жен внутри другого).

Топливные баки также можно подразделить на:

а) несущие, которые одновременно являются корпусом снаряда

и несут его нагрузки, и не несущие, которые помещаются в корпусе снаряда и несут только статическую нагрузку от находящихся в них рабочих компонентов;

и нормальные, из которых компонент топлива вытесняется в каме­ ру сгорания холодным газом.

12. П о связи двигателя с боевым аппаратом можно различать ЖРД:

а) конструкции, не зависимой от боевого аппарата (двигатель подвешивается к боевому аппарату или устанавливается на аппа­ рате) ;

б) конструкции, зависимой от боевого аппарата (двигатели зе­ нитных, ближнебойных и дальнобойных снарядов).

§ 3. Основные параметры ЖРД

Основными параметрами, характеризующими летно-эксплуата­ ционные качества ЖРД любого типа и конструкции, являются сле­ дующие.

1. Абсолютная или полная тяга, создаваемая двигателем при работе на расчетном режиме, Рт. (кг, т).

30 Гл. 2. Общие характеристики ЖРД

Абсолютная тяга камеры двигателя, отнесенная к объему каме­

ры сгорания V«, называется литровой тягой:

1к

2.Удельная тяга двигателя, т. е. тяга, отнесенная к суммарно­ му секундному расходу топлива в двигателе:

топлива в камеру сгорания.

Абсолютная тяга не характеризует степень совершенства работы ЖРД. Качественным показателем работы двигателя является его удельная тяга, называемая иногда удельным импульсом.

Чем больше удельная тяга двигателя, тем меньше при заданной величине абсолютной тяги будет секундный расход топлива, а сле­ довательно, тем меньшими будут необходимый запас топлива в ба­ ках для заданной продолжительности работы, габариты и вес дви­

гателя.

Чем больше удельная тяга ЖРД при работе на данном топливе и прочих равных условиях, тем лучше организован в двигателе ра­ бочий процесс, тем совершеннее двигатель в конструктивном отно­ шении.

Абсолютная и удельная тяги камеры двигателя при работе в пу­

стоте на заданном режиме являются постоянными величинами.

Необходимая тяга ЖРД определяется при расчете Заданного боевого аппарата (зависит от дальности полета, величины полезной

нагрузки и других факторов).

3. Удельный расход топлива в двигателе, т. е. расход топлива, приходящийся на единицу тяги двигателя в одну секунду или в час:

важной эксплуатационной характеристикой двигателя, так как чем меньше его значение, тем при прочих равных условиях больше даль­ ность и продолжительность полета боевого аппарата с данным дви­ гателем.

Величина Суд зависит от давления в камере сгорания, вида ис­

пользуемого топлива и организации рабочего процесса в камере двигателя.

4. Удельный вес двигателя, т. е. вес, приходящийся на единицу

где бдв — сухой вес двигателя в кг.

Под сухим весом двигателя подразумевается вес его конструк­ ции при баках, не заполненных рабочими компонентами (топливом,

газом и т. п.).

При заданной величине абсолютной тяги удельный вес опреде­

Удельная лобовая тяга имеет важное значение при оценке аэро­

динамических качеств двигателя, так как чем больше ее значение при заданной тяге, тем меньше может быть мидель боевого аппа­ рата с этим двигателем. Существующие двигатели имеют Рл<б =

=1-4-4 кг тяги)см2.

Кчислу параметров, характеризующих двигатель, также отно­ сится его эффективный коэффициент полезного действия, соотноше­

Обычно в качестве исходных параметров ЖРД даются его отно­

сительные параметры при работе на расчетном режиме, приведен­

40 кг!т тяги.

максимально достижимых скоростей полета летательных аппаратов в зависимости от используемых типов двигателей

§ 5. Области применения ЖРД

Жидкостные ракетные двигатели имеют весьма обширные обла­ сти применения.

Внастоящее время ЖРД в основном используются для:

1)неуправляемых и управляемых в полете снарядов (зенитных,

'ближнего и дальнего действия, космических и др.); 2) самолетов-истребителей в качестве основной силовой уста­

новки и самолетов-бомбардировщиков в качестве двигателей-уско­ рителей, предназначенных для кратковременных маневров самоле­

та, увеличения горизонтальной и вертикальной скоростей полета

и высотности.

Сравнительно ограниченное применение ЖРД имеют в метеоро­

логических снарядах, гоночных автомобилях и мотоциклах, грузо­

вых автомашинах, предназначенных для работы на плохих просе­ лочных и горных дорогах (для облегчения движения автомашины).

Неуправляемые жидкостные ракетные снаряды (НРС) приме­ няются главным образом в качестве тактического оружия для

стрельбы на ближние дистанции.

Управляемые жидкостные ракетные снаряды (УЖРС) по внеш­ нему виду в основном похожи на неуправляемые снаряды и в по­ лете управляются при помощи специальных приборов. Эти снаряды

могут быть использованы для стратегических целей как средства ПВО и для проведения научных исследований мирового простран­ ства. Такие снаряды имеют весьма различные назначения («земля— земля», «земля—воздух», «земля—вода», «воздух—воздух» и пр.).

Поскольку в этих снарядах направление полета корректируется приборами, то кучность стрельбы в этом случае значительно превы­ шает кучность стрельбы неуправляемыми жидкостными и порохо­ выми ракетными снарядами.

Дальность и высота полета одноступенчатых УЖРС без старто­ вых двигателей ограничиваются трудностями конструирования этих снарядов при высоких отношениях веса сухой конструкции и полез­

ного груза к полному стартовому весу снаряда и сравнительно низ­ кой эффективностью применяемых топлив.

Самолеты с ЖРД в качестве основных двигателей по сравнению

с самолетами, имеющими двигатели других типов (ВМГ, ТВРД, ТРД и ПРД), обладают преимуществами в отношении потолка, ско­ рости полета и скороподъемности.

В настоящее время самолет с этим двигателем является един­ ственным летательным аппаратом, позволяющим совершить полет

1 Экспресс-информация АН СССР, вып. 8, РТ-23. 1958. 3*

на исключительно больших высотах и с очень большими, скоростя­ ми. Однако большой секундный расход топлива в ЖРД ограничи­ вает дальность, продолжительность полета и другие важные харак­ теристики самолета. К тому же средства увеличения дальности са­ молета с этим двигателем не являются многообещающими. Поэто­ му ЖРД целесообразно применять только для самолетов, предна­ значенных для кратковременных полетов и больших высот.

Ракетные двигатели обусловили возможность завоевания меж­ планетных пространств. Однако решение этой задачи еще потре­ бует огромного труда по линии увеличения к. п. д. двигателей, ис­ пользования наиболее эффективных трудно эксплуатируемых жидких топлив, конструирования снарядов с максимальным отно­ сительным содержанием топлива, с использованием схем составных снарядов и т. п.

Атомные реактивные двигатели будут применяться без ограни­ чений как для взлета с Земли, так и для полетов вне ее, при усло­ вии, что удовлетворительно будут решены основные вопросы, свя­ занные с их созданием.

§ 6. Требования, предъявляемые к двигателям боевых

аппаратов

К двигателям боевых аппаратов предъявляются следующие ос­ новные требования:

1)компактность и простота конструкции, дешевизна массового производства и эксплуатации;

2)автоматичность работы и герметичность топливоподающих

устройств;

3)небольшие удельный вес и габариты двигателя заданной

тяги;

4)постоянная боевая готовность к пуску в интервале темпера­

тур от —40 до +50° С;

5)надежность запуска, работы и остановки;

6)хорошая приемистость — стабильное нарастание тяги (для

снарядных двигателей время выхода на режим 90% номинальной тяги не должно превышать 1—3 сек., считая от момента подачи пу­ скового электрического импульса);

7)высокая экономичность работы (возможно большее значение удельной тяги);

8)процесс сгорания топлива в камере двигателя должен быть динамически устойчивым в заданном диапазоне тяг, при маневрах боевого аппарата и возмущениях во время полета;

9)постоянство создаваемой тяги на установленном режиме ра­

боты;

10)возможность остановки двигателя до израсходования запа­

са топлива в баках (в случае необходимости);

11) возможность длительного хранения двигателя, заправлен­ ного топливом, и перевозки его на автомашинах или на железнодо­ рожном транспорте (это особенно важно для двигателей зенитных снарядов и воздушных торпед);

12)материалы двигателя и его антикоррозионные покрытия

должны допускать его длительное хранение;

13)удобство монтажа двигателя с боевым аппаратом и др. Этот перечень требований в одинаковой мере относится к дви­

гателям одноразового действия (зенитным и дальнобойным управ­ ляемым снарядам и др.) и многоразового (авиационного типа).

К авиационным двигателям многоразового действия, ускорите­ лям и стартовым двигателям предъявляются следующие дополни­ тельные требования.

а) К двигателю многоразового действия:

1)возможность запуска на любой высоте полета в течение не более 3 сек.;

2)возможность не менее 6—7 запусков в полёте;

3)регулирование тяги в пределах до 0,1 от максимального зна­

чения;

4)управление работой от одного рычага;

5)ресурс работы должен быть не менее 2 час.

б) К ускорителям автономных двигателей:

1) возможность запуска на любой высоте в течение не более

3сек.;

2)возможность не менее 3—4 запусков в полете;

3)регулирование тяги (в случае необходимости) до 0,3 от ма­ ксимального значения;

4)ресурс работы камеры сгорания должен быть не менее 1 часа. в) К стартовым двигателям:

1)возможность синхронного пуска нескольких параллельно ра; ботающих двигателей;

2)возможность сбрасывания на землю на парашюте после окончания работы.

Старт неуправляемых зенитных и баллистических снарядов и сообщение им начального ускорения полета возможны посред­

ством применения порохового заряда в камере сгорания маршево­

го ЖРД.

Приведенный перечень требований в общем вполне выполним

и к тому же он достаточно полно характеризует эксплуатационные

возможности двигателей различного назначения.

В каждом отдельном случае к двигателю могут быть предъ­ явлены и другие дополнительные требования.

При проектировании азотнокислотных двигателей необходимо дополнительно учитывать весьма большую ядовитость, коррозион­ ные свойства азотной кислоты и непрерывное испарение (дымле­ ние) ее. Установка на боевом аппарате азотнокислотного двигате­ ля и баков требует специального подхода, обеспечивающего пол­

ную изоляцию двигателя от других частей аппарата. Материалы,

применяемые для двигателей этого типа, должны быть коррозионно-

стойкими к азотной кислоте.

§ 7. Факторы, влияющие на скорость и дальность полета

снаряда с ЖРД

На скорость в конце активного участка VKoh и дальность полета снаряда L влияет много различных факторов, из которых основны­ ми являются следующие:

1) коэффициент относительного запаса топлива в баках снаряда:

(2.6)

Go

2) коэффициент тяговооруженности снаряда:

Go

3) удельная тяга двигателя:

(2.8)

Gs

где GT — запас топлива в баках снаряда перед стартом; Go—полный стартовый (начальный) вес снаряда; Ро — абсолютная тяга двигателя при старте снаряда; Gs— секундный расход топлива в двигателе;

4)угол траектории полета снаряда в конце активного участка относительно вертикали;

5)аэродинамическая форма снаряда, принцип его многоступен­ чатости и др.

Коэффициент относительного запаса топлива в баках снаряда а

оказывает наибольшее влияние на 1/кои и L, но практически он огра­ ничивается конструктивными особенностями снаряда и применя­ емыми для него материалами.

Всуществующих зенитных снарядах <2^0,604-0,65, а дальнобой­ ных <2 — 0,724-80.

Меньшее значение коэффициента а зенитных снарядов по срав­ нению с дальнобойными баллистическими снарядами объясняется тем, что их выполняют более прочными и тяжелыми вследствие воз­ можного полета с большими поперечными ускорениями и, следова­ тельно, нагрузками.

Возможны более совершенные в весовом отношении дальнобой­ ные снаряды, но этого можно пока достичь дорогой ценой (приме­ нением составных снарядов, использованием более эффективного топлива и т. д.).