3.2 Выбор ракетного топлива

Учитывая поставленную в научном проекте цель, проведя предварительные исследования, мы пришли к выводу, что для улучшения тяговых характеристик ЖРД необходимо сделать правильный выбор топлива. Выбор топлива при проектировании РКН имеет большое значение, так как физико-химические свойства компонентов и условия их эксплуатации практически полностью определяют тип ДУ, систему проектных параметров, массу, габаритные размеры и баллистические возможности РКН.

В настоящее время известно большое количество жидких и твердых топлив. По существу, при выборе топлива задача сводится к подбору оптимального топлива из ряда наиболее распространенных с учетом требований ТТЗ к РКК.

Для сравнения различных топлив с использованием критерия «массовая отдача РКН» воспользуемся соотношениями из теории реактивного движения.

Рассмотрим формулу К.Э. Циолковского для конечной скорости одноступенчатой ракеты:

, (1)

где с – эффективная скорость истечения продуктов сгорания в пустоте,

(2)

_где - относительная конечная масса ракеты;

m_к – конечная масса ракеты;

m₀ – стартовая масса ракеты.

Скорость истечения продуктов сгорания на срезе сопла w_а зависит от параметров продуктов сгорания рассматриваемых ракетных топлив:

w, (3)

где к – показатель адиабаты;

R – газовая постоянная;

Т_{к .с} – температура в камере сгорания;

р_а – давление на срезе сопла;

р_к.с – давление в камере сгорания.

Будем предполагать, что рассматриваемая одноступенчатая ракета должна иметь определенное значение характеристической скорости V_х. Воспользуемся формулой для относительной конечной массы одноступенчатой ракеты

, (4)

где а_Т.О = m_Т.О/m_Т – относительная масса топливного отсека;

m_Т.О –топливного отсека;

m_Т – рабочий запас топлива;

γ_ДУ = g₀m_ДУ/Р_п – относительная масса ДУ;

m_ДУ –масса ДУ;

n_o = Р_п /g₀m₀ – стартовая перегрузка;

а_δ= m_δ(m₀- m_КГЧ) – относительная масса прочих элементов;

m_δ - масса прочих элементов;

(m₀- m_КГЧ) – стартовая масса РБ;

m_КГЧ – масса КГЧ;

m_КГЧ /m₀ - относительная масса КГЧ, или массовая отдача РКН.

Из формулы (1) найдем

(5)

Из формулы (3) с учетом формулы (4) найдем массовую отдачу РКН

, (6)

где с – может быть выражено через удельную пустотную тягу:

(7)

Относительная масса топливного отсека а_Т.О может быть найдена как функция плотности топлива ρ_Т ; ρ_Т зависит от плотности окислителя ρ_ок, горючего ρ_Г и соотношения массовых секундных расходов окислителя и горючего:

(8)

Рассмотрим соотношение

(9)

где V_T – объем топлива.

Предположим, что соотношение а*_Т.О=m_T.O/V_T не зависит от ρ_Т, тогда из соотношения (9) имеем зависимость

(10)

Рассмотрим соотношение для плотности топлива

, (11)

где , - рабочие запасы окислителя и горючего;

, - соответствующие объемы окислителя и горючего;

; .

Из соотношения (11) с учетом соотношений для объемов

, (12)

где при постоянных массовых секундных расходах окислителя и горючего.

С использованием выражения (12) можно исследовать влияние на массовую отдачу параметров ρ_ок, ρ_Г, К_m.

Формулы (2) и (3) позволяют исследовать влияние на массовую отдачу РКН параметров продуктов сгорания: к, R, T_к.с, ρ_к.с, ρ_а.

Кроме описанных выше расчетов значений критерия «массовая отдача РКН», при выборе топлива должны учитываться: характеристики механической прочности для твердых топлив; данные по стоимости компонентов топлива; эксплуатационные характеристики; возможности использования компонентов топлива для охлаждения камер сгорания и наддува топливных баков; условия производства, транспортировки, хранения и т.п.