5. Оптимизация двигательной установки в составе ла

Универсальным параметром для оптимизации ДУ является характеристическая скорость, рассмотренная ранее. В первую очередь выбирают топливо и тип системы подачи.

Тяга ДУ является заданным параметром, но тягу камеры можно выбирать разной в зависимости от числа камер в ДУ. Тяга камеры и давления Р_к и Р_а в наибольшей степени определяют размеры и массу двигателя.

Выбор давления в камере сгорания зависит от типа подачи, но независимо от этого при увеличении в ней давления Р_к возрастают скорости химических реакций, и это без снижения удельного импульса тяги позволяет уменьшить относительную длину камеры сгорания. При увеличении Р_к возрастает расходонапряженность камеры сгорания (отношение массового расхода продуктов сгорания к площади поперечного проходного сечения камеры сгорания F_к смесительной головки), что может привести к уменьшению площади F_к.

Тип топлива при заданных значениях тяги, давлений Р_к и Р_а и при заданной системе подачи влияет на характеристическую скорость значениями удельного импульса тяги и плотности топлива, причем в разной степени, поэтому возникает необходимость в комбинированном оценочном параметре. Таким параметром является выражение , где с - показатель, определяющий влияние плотности топлива на характеристическую скорость (c = 0,7). Максимуму характеристической скорости соответствует максимальное значение выражения ( )_max. На первой ступени ракеты желательно применение компонентов топлива с повышенной плотностью. Для последующих ступеней влияние плотности уменьшается, а влияние удельного импульса тяги возрастает. Поэтому для верхних ступеней оптимальным является применение топлива О₂+Н₂, несмотря на чрезвычайно малую плотность жидкого водорода (r = 71 кг/м³). Кислородно-водородное топливо применено, в частности, на второй и третьей ступенях РН "Сатурн-5" (двигатель J-2), на второй ступени МТКК "Спейс-шаттл" (двигатель SSME), на блоке «Ц» РН "Энергия" (двигатель РД-0120), а также на основной ступени РН "Ариан-5" (двигатель “Вулкан”).

Однако, применение указанных компонентов топлива в ДУ КА, предназначенных для длительных полетов, затрудняется из-за их быстрой испаряемости (требуется эффективная теплоизоляции баков); поэтому в указанных ДУ используют хорошо освоенные, но токсичные и достаточно дорогие компоненты топлива, например N₂O₄+ ММГ.

На основе выбранных значений тяги и давления в камере сгорания проводят оптимизацию давления в выходном сечении сопла Р_а. По мере снижения давления Р_а при неизменном давлении Р_к возрастает как удельный импульс камеры, так и ее масса (вследствие увеличения значения ). Однако, начиная с некоторого значения при уменьшении Р_а (следовательно, при увеличении ) масса сопла возрастает в большей степени, чем увеличивается удельный импульс тяги, так что характеристическая скорость ЛА уменьшается.

Влияние изменения удельного импульса и массы двигателя на характеристическую скорость удобно оценивать массовым эквивалентом удель­ного импульса. Если обозначить отношение начальной и конечной масс ЛА через μ_к, то уравнение массового эквивалента удельного импульса, которое выводится из уравнения Циолковского, имеет вид

(5.1)

Например, для ЖРД SSМЕ повышение удельного импульса тяги на 1 м/с эквивалентно увеличению массы полезного груза, выводимого на орбиту, на 45,4кг.