- •16.3. Схемные и конструктивные решения ракетных двигателей
- •Литература
- •1. Основы теории термических ракетных двигателей
- •1.1. Введение
- •1.2. Краткий исторический экскурс
- •1.3. Классификация реактивных двигателей
- •2.1. Ракетный двигатель как тепловая машина летательного аппарата
- •2.2. Выходные показатели ракетного двигателя
- •2.2.1. Тяга ракетного двигателя
- •2.2.2. Удельные параметры ракетного двигателя
- •2.5. Зависимость начальной массы ракеты от удельного импульса
- •2.2.3. Расходный комплекс камеры
- •2.2.4. Коэффициент тяги
- •2.2.5. Геометрическая степень расширения сопла
- •2.2.6. Удельная масса ракетного двигателя
- •2. Генерация рабочего тела
- •3.1. Оценка эффективности ракетного двигателя
- •3.2. Топлива ракетных двигателей
- •3.3. Жидкие ракетные топлива
- •3.3.1. Коэффициент избытка окислителя
- •3.3.2. Основные характеристики жидких топлив
- •3.3.3. Твердые ракетные топлива
- •Лекция 4
- •4.1. Гибридные топлива
- •4.2. Горение жидких топлив
- •4.3. Горение твердых топлив
- •5.1. Горение гибридных топлив
- •5.2. Термогазодинамика ракетного двигателя
- •5.2.1. Термодинамические расчеты состава и параметров рабочего тела
- •5.2.2. Термогазодинамика потока рабочего тела
- •6.1. Течение газа в соплах
- •6.2. Профилирование камеры жидкостного ракетного двигателя
- •6.2.1. Определение размеров камеры сгорания
- •6.2.2. Профилирование сопла
- •6.2.3. Профилирование сопла ракетного двигателя твердого топлива
- •6.2.4. Потери удельного импульса в ракетных двигателях (в камере жрд и рдтт)
- •6.2.5. Потери удельного импульса в сопле
- •3. Схемные и конструктивные решения жидкостных ракетных двигателей
- •7.1. Тепломассообмен в ракетных двигателях
- •7.1.1. Конвективный теплообмен
- •7.1.2. Массообмен по тракту сопла ракетного двигателя твердого топлива
- •8.1. Радиационный теплообмен в ракетных двигателях
- •8.2. Перенос теплоты в конструкциях ракетных двигателей
- •8.3. Организация тепловой защиты жидкостного ракетного двигателя
- •9.1. Тепловая защита в ракетных двигателях твердого топлива
- •10.1. Основные узлы и агрегаты жидкостного ракетного двигателя
- •10.2. Схемы двигательных установок с вытеснительной системой подачи топлива
- •10.3. Схемы жидкостных ракетных двигателей с турбонасосной системой подачи топлива
- •11.1. Турбонасосные агрегаты жидкостных ракетных двигателей
- •11.2. Величины, характеризующие работу насоса
- •12.1. Турбины турбонасосных агрегатов
- •12.1.1. Классификация турбин
- •12.2. Жидкостные генераторы газа
- •4. Схемные и конструктивные решения жидкостных ракетных двигателей малой тяги
- •13.1. Движение космических летательных аппаратов
- •13.2. Управление движением космического летательного аппарата Активные, пассивные и комбинированные системы управления
- •13.3. Функциональная схема системы управления движением кла
- •13.4. Классификация ракетных двигателей систем управления. Управление движением кла с помощью ракетного двигателя
- •13.5. Динамические характеристики жрдмт
- •13.6. Экономичность жрдмт
- •14.1. Основные требования к жрдмт
- •14.2. Общие принципы проектирования жрдмт
- •14.3. Проектирование и расчет параметров и характеристик жрдмт
- •1. Назначение
- •2. Состав
- •3. Основные технические требования
- •4. Номинальные условия работы
- •5. Характеристики ракетного двигателя Статические характеристики жидкостного ракетного двигателя
- •15.1. Дроссельная (расходная) характеристика жрд
- •15.2. Высотная характеристика рд
- •15.2.1. Высотная характеристика двигателя с постоянным соплом
- •15.2.2. Высотная характеристика двухпозиционного (раздвижного) сопла
- •16.1. Неустойчивость процессов в жидкостных ракетных двигателях
- •16.2. Запуск, останов, регулирование и управление жрд
- •6. Схемные и конструктивные решения ракетных двигателей твердого топлива
- •16.3. Схемные и конструктивные решения ракетных двигателей твердого топлива
- •16.4. Корпуса маршевых рдтт с зарядами
- •17.1. Сопла маршевых рдтт и системы создания боковых усилий
- •17.2. Вспомогательные рдтт
5. Характеристики ракетного двигателя Статические характеристики жидкостного ракетного двигателя
ЛЕКЦИЯ 15
Под статическими характеристиками понимают взаимосвязи между входными и выходными параметрами двигателя на установившемся режиме работы. Зависимость тяги, давления в камере сгорания, соотношения компонентов от управляющих и внешних воздействий могут быть построены на основе характеристик отдельных агрегатов и схемы их соединения между собой.
15.1. Дроссельная (расходная) характеристика жрд
Дроссельная характеристика или расходная характеристика ЖРД- зависимость тяги от расхода. Отражает возможность регулирования величины тяги (модуля тяги). Степень регулирования тяги ( ) определяется задачами полета ЛА (маневрирование на лунной орбите, например, требует значения ). Для каждой камеры существует диапазон реализуемой характеристики от до , которому соответствует минимальный и максимальный расходы топлива. Режим является предельно допустимым, на который рассчитаны прочность и тепловое состояние камеры, агрегаты подачи топлива и др. Режим обусловлен порогом устойчивой работы камеры (с позиций генерации рабочего тела), перегревом жидкости в тракте охлаждения и режимом течения в сопле.
Недостатком регулирования тяги по дроссельной характеристике является уменьшение удельного импульса на всех режимах ниже максимального, особенно при глубоком дросселировании ( ). Это происходит вследствие уменьшения разности в распределении давлений по внутренней и внешней поверхности камеры и ухудшением процесса генерации рабочего тела при малых расходах топлива. Теоретически можно избавиться от этого недостатка путем изменения площадей минимального сечения и выходного сечения сопла, а также площади впрыска компонентов в головке (изменение - регулирование расхода, изменение - сохранение постоянной степени расширения сопла, изменение - поддержание постоянного перепада давления на форсунках для сохранения качества рабочего процесса). Однако в реальных конструкциях ЖРД устройства для изменения указанных площадей отсутствуют – их сложность исключает высокую надежность двигателя в целом.
Выведем уравнение дроссельной характеристики.
; ,
.
Полагаем, что при изменении величины и остаются постоянными. При неизменной геометрии сопла можно записать
, (15.1) где , .
Уравнение (15.1) есть уравнение прямой. Вид этой прямой представлен на рис. 15.1.
Рис. 15.1 Дроссельная характеристика ЖРД
Начиная со значения = , когда происходит отрыв потока, уравнение (15.1) становится неверным.
15.2. Высотная характеристика рд
Высотная характеристика РД- зависимость тяги и удельного импульса от давления окружающей среды при постоянном давлении в камере сгорания и соотношения компонентов. Зависимость атмосферного давления от высоты полета принимают в соответствии с табличными данными стандартной атмосферы.
Рассмотрим режимы работы сопла.
Характеристикой работы сопла служит отношение давления окружающей среды к давлению рабочего тела на выходе из сопла , величину называют степенью нерасчетности. Расчетный режим работы сопла наступает при . Если , то течение в сопле называют недорасширенным, а при - перерасширенным. Именно расчетный режим является рациональным для двигателя: если течение недорасширенное, то рабочее тело покидает сопло, не оказывая давление на несуществующую стенку сопла, хотя согласно формуле для тяги разность значительна, но скорость истечения меньше, чем в расчетном режиме. Получается, что не полностью используется энергия движущегося по соплу потока. На режиме перерасширения низкое значение давления в концевой части сопла, даже при безотрывном течении, дает малое приращение тяги ввиду противодействия более высокого давления окружающей среды.
Определенным вариантом является создание конструкции сопла, в которой по мере изменения внешнего давления происходит изменение диаметра выходного сечения так, что все время работы двигателя . Но конструктивные сложности не позволили реально разработать такой двигатель.
На режимах работы сопла со значительным перерасширением (степень нерасчетности достигает некоторого предельного значения) поток отрывается от стенок сопла, как показано на рис. 15.2. Возмущения из внешней среды могут передаваться вверх по потоку только по дозвуковой области пограничного слоя. При кинетической энергии потока в пограничном слое достаточно для преодоления перепада давления в скачке уплотнения на срезе сопла из-за нерасчетности режима истечения, и отрыв не возникает. При возникает отрыв потока, и вглубь сопла начинает двигаться мостообразный скачок уплотнения. Качественное распределение давления вдоль контура сопла при отрыве потока показано на рис. 15.2. На участке отрыва давление существенно больше по сравнению с безотрывным течением. Отношение давлений соответствует критическому перепаду и не зависит от типа отрывного сверхзвукового течения. Для турбулентного пограничного слоя критический перепад зависит от числа перед областью отрыва
; .
Рис 15.2. Схема течения в круглом сопле с отрывом потока
При режиме работы сопла с отрывом потока формулы, полученные для безотрывного течения, становятся недействительными.