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

1) целесообразно выбрать для разработки и обосновать конст­ руктивную схему двигателя и необходимые для него конструкцион­ ные материалы;

2)установить для будущего двигателя оптимальные рабочие и конструктивные параметры;

3)правильно произвести необходимые расчеты геометрических

иэксплуатационных характеристик;

4)установить конструктивные схемы отдельных элементов дви­ гателя, рассчитать их на прочность, произвести необходимую ком­ поновку и решить ряд других вопросов, связанных с его конструк­

тивным оформлением.

Единого метода выбора типа двигателя не существует. В каж­

дом отдельном случае могут быть те или иные главные факторы,

определяющие преимущества того или иного варианта двигателя.

Задача конструктора заключается в том, чтобы правильно оценить все эти факторы, проанализировать влияние их на тот или иной ва­ риант двигателя и на основе этого анализа выбрать такую схему, которая имела бы преимущества по основным данным перед дру­ гими вариантами.

Рациональный выбор конструктивной схемы двигателя и его ав­ томатики необходимо производить на основе имеющихся теоре­ тических и экспериментальных материалов и данных статистики, с учетом того, какие схемы и элементы конструкции двигателя и при каких рабочих параметрах могут обеспечить высокую удельную

тягу, надежность его работы и чаилучшие весовые и летные харак­ теристики аппарата. Для аппаратов различного назначения необ­ ходимо применять вполне определенные в каждом конкретном слу­ чае наиболее рациональные схемы двигателей и типы приборов для них, так как с изменением назначения аппарата изменяются и тре­ бования к двигателю.

При выборе схемы двигателя одним из основных критериев яв­ ляется технологичность конструкции, так как лучшей будет та, ко­ торую можно строить массово при наименьших производственных

затратах.

Конструкция двигателя должна иметь наименьшее число дета­ лей. Там, где это возможно, необходимо использовать полностью доведенные и проверенные в эксплуатации детали.

Дублирование систем и деталей для повышения надежности ра­

боты двигателя должно выполняться с учетом тех недостатков, ко­

торые оно вносит (например увеличение веса и габаритов).

Выбор материалов зависит от требований, предъявляемых к ним, от типа конструкции двигателя, назначения отдельных агрегатов, их деталей и условий работы. Номенклатуру материалов желатель­

но свести к минимуму, особенно для деталей, изготовленных из де­

фицитного сырья. Необходимо стремиться к использованию более дешевых, недефицитных материалов, позволяющих применить бо­ лее дешевые массовые методы обработки.

630 Гл. 13. Этапы проектирования и доводочных испытаний ЖРД

Вес и прочность элементов конструкции тесно связаны между собой, и поэтому при сравнении материалов по характеристикам нужно учитывать одновременно оба эти фактора. Для облегчения

такого сравнения введено понятие о коэффициенте удельной проч­ ности материала, под которым подразумевается отношение проч­ ностной характеристики материала к его удельному весу. В зависи­ мости от характера нагрузки и деформации детали этот коэффи­

циент меняется.

При изготовлении ЖРД применяют легированные, углероди­ стые стали и легкие сплавы.

Излишний вес двигателя может быть вызван применением не­

соответствующих материалов, неполным использованием прочност­ ных качеств материала и нецелесообразной конструкцией отдель­ ных его элементов.

Значительного улучшения ЖРД нельзя достигнуть только вне­ дрением различных технологических мероприятий без отработки

конструкции двигателя в целом. Под конструктивной отработкой двигателя понимают такое его конструктивное оформление, которое при минимальных размерах и весе двигателя, а также затратах на материалы обеспечивает выполнение им заданных функций в тече­ ние установленного срока службы.

Конструкция двигателя и ее технологичность должны иметь по­ дробное экономическое обоснование на основе анализа технико-эко­ номических показателей (по производительности, стоимости, исполь­ зованию основных фондов и другим факторам).

Поскольку для массового производства двигателей необходимы материалы, оборудование, рабочая сила, время, то при проектиро­ вании нового образца двигателя конструктор, кроме ТУ, всегда

обязан учитывать производственно-экономические требования. Основными производственно-экономическими требованиями,

предъявляемыми к проектируемому двигателю, являются:

1)использование отечественного сырья;

2)недефицитность и дешевизна исходных материалов;

3)простота конструкции и технологичность ее деталей;

4)унификация и нормализация конструктивных элементов (де­ талей, узлов);

5)дешевизна продукции в целом.

Стоимость готовой продукции обычно определяют с учетом стоимости материалов, рабочей силы, оборудования, накладных и других расходов, связанных с данным производством. Расценки и нормы расходов по статьям устанавливаются соответствующими и ведомственными нормативами.

Можно рекомендовать следующий примерный порядок проек­

тирования и разработки двигателя.

1. Эскизный проект двигателя:

а) выбор наиболее простого варианта принципиальной схемы и

основных рабочих и конструктивных параметров двигателя;

ектируемого изделия, так и изделий, находящихся в производстве;

г) разбивка изделия на самостоятельные сборочные единицы;

д) обеспечение технологичности командных деталей;

е) выбор рациональных заготовок для командных деталей.

Эскизный проект ЖРД представляет собой первый этап работы по созданию двигателя, в результате которой выявляются главным образом его принципиальная схема, основные рабочие и конструк­ тивные параметры. Заканчивается этот проект составлением рас­

четных графиков и чертежей общего вида двигателя в нескольких

проекциях и компоновкой.

На этом этапе проектирования производится увязка взаимодей­ ствия всех элементов конструкции. В случае использования двига­ теля для управления полетом снаряда путем поворота камеры от­

носительно ее оси с целью изменения вектора тяги нужно преду­

смотреть для этого соответствующие узлы и механизмы с учетом всех факторов, определяющих работу двигателя при указанном условии.

2. Технический проект двигателя, сущность которого заклю­ чается в определении конструкции изделия и его узлов и в опреде­ лении конструктивной формы всех элементов двигателя.

На этом этапе работы решаются основные вопросы технологии заготовок, механической обработки, сварки и сборки, как то:

а) выбор наиболее простой конструкции узлов и деталей;

б) выбор баз сборки изделия;

в) расчет важнейших размерных цепей;

г) выполнение требований к технологии сборки;

д) выполнение основных технологических требований в соответ­

ствии с обработкой и основными размерами заготовок.

3. Рабочий проект двигателя, в процессе которого дорабаты­ ваются вопросы технологичности конструкции каждой детали и всего изделия в целом. При этом особое внимание обращается на:

а) выбор технологических баз деталей в соответствии с кон­ структивными базами и базами сборки;

Выполняемые при проектировании ЖРД чертежи обычно делят­

ся на следующие две группы:

632 Гл. 13. Этапы проектирования и доводочных испытаний ЖРД

проектные чертежи, отображающие общие виды двигателя и его основных элементов; такие чертежи дают общее представление об устройстве, принципе работы и размерах проектируемого изде­ лия и содержат необходимые исходные данные для рабочих черте­ жей;

рабочие чертежи, содержащие все данные для разработки тех­ нологического процесса изготовления и контроля изделия.

Чистоту обработки для деталей указывают на чертежах со­ гласно ГОСТ 2789—51. У всех размеров рабочего чертежа (диамет­

ральных, линейных, угловых, а также у расстояний между осями иди между осями и плоскостями) указываются допуски в соответ­ ствии с ГОСТ 3457—46.

Конструктор обязан заботиться не только о высоких эксплуа­ тационных качествах будущего двигателя, но и о создании такой конструкции его, которая позволила бы использовать наиболее эко­ номичные технологические процессы производства.

Конструкцию ЖРД можно совершенствовать на основании данных опыта их эксплуатации, производства и результатов спе­

циальных испытаний.

При конструировании ЖРД следует учитывать неодинаковые температурные расширения отдельных частей двигателя во вре­ мя его работы, чтобы избежать снижения запаса прочности металла вследствие появления в нем излишних температурных напряжений.

Условия работы отдельных узлов двигателя не всегда позволя­ ют сконструировать их так, чтобы удовлетворить в полной мере всем предъявляемым требованиям. Поэтому в процессе конструи; рования двигателя часто приходится принимать компромиссные ре­

шения.

Геометрические формы и размеры отдельных элементов и узлов

двигателя в процессе его проектирования и конструирования необ­ ходимо проверять на прочность «прикидочными» расчетами, опи­ раясь на основы теории обычных курсов сопротивления материалов и деталей машин.

Современные ЖРД одноразового и многоразового действия со­ стоят из большого числа деталей, сложных и дорогих узлов и агре­ гатов. При производстве эти детали, узлы и агрегаты проходят большое число контрольных операций (внешний осмотр, обмер

и т. п.) и испытаний. В контроль входит прежде всего проверка со­ ответствия полученных размеров, а испытанием проверяют герме­ тичность узлов, трубопроводов, элементов камеры и топливных баков.

Собранный двигатель с системой топливоподачи проходит пнев­ мо- и гидроиспытания, а в целом подвергается функциональным ис­ пытаниям, на которых проверяют правильность работы его отдель­ ных узлов, четкость работы автоматики, клапанов, подачу компо­ нентов топлива и пр.

После полной и всесторонней проверки приступают к огневым стендовым испытаниям двигателя, проверяют соответствие наибо­ лее важных параметров двигателя его расчетным данным. По этим испытаниям двигатель доводят до надежного рабочего состояния.

При конструировании двигателя и впоследствии во время era производства особое внимание должно быть уделено следующим основным требованиям:

1.Поверхности внутренней оболочки камеры двигателя должны быть чистыми, без выступов и углублений в местах сборки, механи­ ческой обработки и т. п., чтобы избежать гидропотерь внутри ка­ меры и в ее охлаждающем тракте, а также возможных местных пе­ регревов оболочки, излишних термических напряжений и коробле­ ний.

2.Сварные швы оболочек камеры доджны быть достаточно прочными и герметичными.

3.Горловина сопла и форсуночные отверстия должны иметь гладкую поверхность и строго определенные размеры, так как не­

значительное изменение этих размеров сильно изменяет характери­ стики работы двигателя.

4.Щель охлаждающего тракта по окружности должна быть одинаковой, так как незначительное изменение ее величины может привести к нарушению нормальных условий охлаждения камеры

двигателя, к перегреву и прогару внутренней оболочки камеры.

5.Оси сопла камеры и форсуночных отверстий следует выпол­ нять с жесткими допусками, чтобы избежать несоосного направления силы тяги и неудовлетворительного распыла компонентов топлива.

6.Приборы автоматики и управления работой двигателя дол­ жны иметь жесткие и точные допуски, так как неточность в изго­ товлении этих приборов может привести к значительному наруше­ нию режима работы двигателя, а иногда и к аварии.

Точность изготовления двигателя следует устанавливать исходя из строго обоснованных технических требований, так как переход на повышенные классы точности резко увеличивает время и стои­ мость обработки. Однако повышение точности изготовления заго­ товок в некоторых случаях бывает выгодно, так как это может дать

экономию на последующих производственных операциях. Требования к конструированию и производству ЖРД и его от­

дельных приборов автоматики в каждом отдельном случае бывают весьма различными и обычно оговариваются специальными усло­

виями.

Основными требованиями, предъявляемыми к компоновке эле­ ментов ЖРД любого назначения и конструкции, являются компакт­ ность, удобство его связи с боевым аппаратом, незначительное влияние на весовые и летные характеристики боевого аппарата, простота и дешевизна технологии монтажа.

Компоновка отдельных агрегатов проектируемого двигателя обусловливается:

<634 Гл. 13. Этапы проектирования и доводочных испытаний ЖРД

1)назначением аппарата;

2)величиной тяги двигателя и продолжительностью его ра-

'боты;

3)видом компонентов топлива и системой подачи их в камеру

■сгорания;

4)конструктивными, эксплуатационными и экономическими ■соображениями.

Эти факторы определяют конструктивные особенности двига­ теля, режим его работы, условия эксплуатации и, следовательно, потребное число агрегатов двигателя, их конструкцию и компо­ новку.

Дать общие рекомендации по компоновке отдельных агрегатов двигателя на аппарате даже одного и того же назначения невоз­ можно, так как этот вопрос можно целесообразно решить только при условии одновременной компоновки данного аппарата, кото­ рый почти в каждом отдельном случае характерен разнообразием «своей конструкции. При решении этого вопроса нужно стремиться к тому, чтобы аппарат имел простую, дешевую и надежную в рабо­ те конструкцию, минимальные весовые и хорошие летные характе­

ристики.

Известно, что развитие ЖРД идет в направлении увеличения

^абсолютных тяг, продолжительности работы и удельной тяги за «счет улучшения рабочих процессов, применения новых высокоэф- «фективных химических топлив и др.

В связи с тем, что разработка ЖРД в большинстве случаев свя­ зана с созданием новых образцов вооружения, точные данные о но­ вейших типах двигателей для дальних и сверхдальних снарядов в настоящее время отсутствуют. В литературе имеются сообщения «о том, что ВВС США ведутся работы над созданием однокамерного ЖРД с тягой 450 т и многокамерного ЖРД с тягой 700 т *, в ка­ честве топлив для двигателей изучаются аммиак-фтор, гидразин- «фтор, водород-фтор, водород-озон и др.21, созданы стенды для ис­ пытаний двигателей с тягой до 1000 т 3, с диаметром камеры сгора­ ния до 3,5 м и разрабатываются проекты снарядов с двигателями весьма больших тяг. В частности, в проекте трехступенчатого сна­ ряда «Метеор Джуниор» 4, предназначенного для полета на Луну,

с гидроприводами для управления полетом каждой ступени сна­ ряда. В качестве окислителя для двигателя этого снаряда преду­ смотрен жидкий фтор.

1 Экспресс-информация АН СССР, вып. 20, АДС-78, 1958.

иметь в виду, что отработка однокамерного двигателя большой тяги чрезвычайно затруднена, требует много времени и связана с огромными денежными затратами. Применение же блочного дви­

гателя в виде связки камер ранее разработанных конструкций однокамерных двигателей относительно меньших тяг экономически выгоднее.

Но однокамерный двигатель той же тяги конструктивно проще и имеет меньший габаритный диаметр. Однако в связи с тем, что надежность однокамерных ЖРД еще невысока, а в целях уменьше­ ния веса конструкции приходится его проектировать и изготовлять с минимальными запасами прочности, то даже незначительное на­ рушение условий его запуска или небольшая неисправность в ра­ боте могут вызвать взрыв и аварию снаряда. При взрыве, кроме раз­ рушения деталей, может нарушиться последовательность в выполне­ нии некоторых операций, особенно зажигания топлива при запуске двигателя. На последующих ступенях многоступенчатого снаряда трудности зажигания топлива при запуске двигателя возрастают вследствие низких давлений и температур на больших высотах по сравнению с их значениями у земли, когда запускается двигатель первой ступени.

В этом отношении более надежен многокамерный (блочный)

двигатель, так как выход из строя одной его камеры может и не вызвать аварию.

Основные трудности при дросселировании двигателей больших тяг связаны с нарушением в них нормального процесса сгорания топлива, условий охлаждения и стабилизации работы двигателя. Многокамерный двигатель с регулируемой тягой посредством изме­ нения расхода топлива при частичной нагрузке, очевидно, облада­ ет большей удельной тягой по сравнению с однокамерным двига­

телем той же тяги, так как пределы изменения нагрузки каждой малой камеры блочного двигателя более узки и потери ими удельной тяги при регулировании расхода топлива относительно

меньше.

К недостаткам многокамерного двигателя следует отнести необ­

ходимость строгого взаимного согласования тяг отдельных камер во избежание несимметричности результирующей силы тяги двигате­ ля, наличие разветвленной системы коммуникаций и относительно сложной системы регулирования для обеспечения заданных рабо­ чих характеристик и подавления возможных вибраций и автоколе­ баний. Следует также иметь в виду, что многоступенчатые снаря­ ды характеризуются значительно меньшей надежностью, чем одно­ ступенчатые.

При разработке ЖРД больших тяг основное внимание должно быть уделено решению таких вопросов, как повышение надежности работы отдельных камер, отработка их запуска в пустоте, значи­ тельное сужение пределов разброса основных характеристик от­

этой цели создается специальная лаборатория. Для испытания си­

Проблема охлаждения камеры двигателя также в значительной мере может быть изучена в модельных условиях (особенно при ис­

испытания его отдельных агрегатов в более тяжелых рабочих ус­ ловиях сравнительно с режимом работы их на двигателе (напри­ мер, по их нагрузке, продолжительности работы и т. п.). При этих испытаниях нужно проявлять большую осторожность, чтобы не раз­

рушить агрегаты, поскольку они в целях снижения веса всегда проектируются и выполняются для работы с небольшим запасом

прочности. Камера двигателя вначале может быть испытана при

охлаждении водой, а затем одним из выбранных для этой цели

компонентов топлива.

Первые огневые испытания двигателя проводятся непродолжи­ тельно (несколько секунд) с последующим тщательным осмотром всех его элементов и агрегатов при частичной или полной их раз­ борке. Конкретные программы этих испытаний зависят от особен­ ностей и назначения ЖРД. Во время доводочных испытаний дви­ гателя в собранном виде обычно вносится много изменений на ос­ новании результатов предыдущих испытаний.

Доведенный конструктором до заданных рабочих параметров двигатель предъявляется на огневые стендовые испытания ведом­

ственной комиссии. Основной задачей этих испытаний является проверка соответствия фактических рабочих параметров двигателя техническому заданию на его постройку. При этих испытаниях боль­

шое внимание уделяют выявлению эксплуатационных особенностей двигателя.

Если результаты этих испытаний положительны, то двигатель предъявляют специальной комиссии для огневых статических и лет­ ных испытаний. Во время этих испытаний проверяют основные и эксплуатационные характеристики двигателя и по результатам испытаний делают рекомендацию о целесообразности запуска его

в серийное производство.

Полигонные летные испытания двигателя на соответствующем аппарате проводятся в условиях, отличных от статических испыта­ ний. Здесь прежде всего на двигатель начинают действовать пере­ грузки, которые могут нарушить подачу компонентов топлива в ка­ меру сгорания и работу клапанов системы топливоподачи и регу­ лирования.

Летные испытания производятся не только с целью определе­ ния характеристик двигателя в условиях его эксплуатации, но и