Жидкостные ракетные двигатели Волков Е.Б. Головков Л.Г. Сырицын Т.А.

Е. Б. В О Л К О В Л. Г. Г О Л О В К О В Т. А. С Ы Р И Ц Ы Н ЖИДКОСТНЫЕ РАКЕТН ЫЕ ДВИГАТЕЛИ ССНОВЫ ТЕОРИИ АГРЕГАТОВ ЖРД И ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК Ордена Трудового Красного Знамени ВОЕН НОЕ ИЗДАТ ЕЛ ЬСТВО МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ СССР М О С К В А — 1 9 Т 0 УЛК 621лврт(024) Волков Е. Бм Головков Л. Гм Сырицыи Т. А. Жидкостные рацетнн!е двигатели. М,, Воениздат, 1970. 592 ст1т. В кввго рас иатрквпоз я псковы георп ~ в расчета агрегатов ягадкостиых ракетвых лввгател й (камер сгорания, васосав, турбип, газогеисратороп!, ~рвводятся статические н д~ паыичсскпс харакгервстггкн двигателя Помимо осв гв теории отдельиых агрегатов рассыатрваается расота двигателя в цел~м, !.

е. работа дввгателя как сово«упиости изаимосвизаицых его агрегатов. Оспоаивя цель хпиги п ааг ыт т атед с теорией а р гогов с звромеииьы рйрд и наложить иа основе эгай теорви пк устройство. Кивга состовг из трех разделов. В первом разделе взлагаются поповы теорию в резче~а кам р гкгзд7 а в« рои — асвопы теория и расчета агрегатов систем подачи топлива Х!Рд, в трет~ем — рассмагрива отса аы:е. скис и дипамвчсскче характсрпггикп двигателя в целом. Кинга может служи~в п~соб ~ г дзи иив.еаеров, рабогаыы ы в бласги ракеткой техкики, спедиалистов с ~скгггыт областей, а гакжо д..а служите. аей высвиы воен ~ых учобиык завсдопий. 1-12-4 6Т6 № 86 — 70 ПРЕДИСЛОВИЕ Современный жидкостный ракетный дзига~ель представляет собой ело.иную совокуппосгь разнообразных систем и агрегатов, многие из которых отличанзтся друг от друга по принципу работьг, т.

е, огпог'ятся к машинам разных классов (например. камеры и туроппы, газогенераторы и насосы и т, п.). Г!оэтому не может быть обшей теории для вс х агрегатов, составляюшпх УКРЗ)„п одинаковой методики их рзсчета. Епге бо.тее своеобразны яопросгя теории ЖРД и целом. В связи с зтнм болыпннство книг по теории и расчету жидкостных ракетных дзига ~елей посвящается изложсншо вопросов, относящихся прснмупгествснно к какому-либо одному из их агрегатов. Это позволяет пзложгш теорию и методы расчета агрегатов достаточно полно.

но в го же время делает неооходпмым привлекать для нзучення теории ЖРД в комплексе большое коли ~штво источников, паппсанныхразными ангорамп и в разное время, что создаеп известные трудности. Вместе с тем существует широкий круг специалистов, работающих в области ракетной техники, которые нуждаются в таких книгах, где вопросы теории различных агрегатов ЖРД и ЖРД в пелом были бы собраны воедино, пустьдаже за счет сокращения полноты изложения отдельных вопросов. К числу таких книг и относится данная книга. В первом се разделе рассмагрнвагпся теория камеры ЖРД, во втором - — теория основных агрегатов систем подачи жидкого топлива и в третьем — вопросы теории ЖРД как совокупности взаимосвязанных агрегатов (камера и агрегаты, ооеспечнвающие подачу топлива).

Методы расчета агрегатов ЖРД опираются иа богатый опыт отработки многочисленных образцов двигателей и очень разнообразны. Имея общие теорепгческпе основы, этп методы могут в значительной степени варьироваться в зависимости от требуемой точности рас ~ета, особенностей ЖРД и ряда других факторов данная книга не является учебным пособием по расче~у агре~атон двигателя. Ее назначение— 1» 3 познакомить читателя с теорией жидкостных ракетных двигателей и на этой основе пояснить принципы их устройства. Сведения по методам расчета двигателя, приводимые в некоторых местах книги, имеют целью только проиллюстрировать применение теории к практическим нуждам. В некоторых случаях назначение и специфика условий применения двигателя заметно сказываются на его схеме, параметрах н на организации рабочих пропессов в агрегатах. В связи с этим следует отметить, что материал книги излагается применительно к двигателям ракет и космических аппаратов. Особенности рабочих процессов н схем авиационных ЖРД не рассматриваются, Книга подготовлена по материалам, опубликованным в открытой отечественнои и зарубежной псчапь Опа написана коллективом авторов: Волковым Е.

Б, (введение, главы Ч1 и т'11), Головковым Г1, Г. (главы 1 — У н 'ч'111), Сырицыным Т. А. (главы 1Х вЂ” ХЧ). ВВЕДЕНИЕ в вл. принцип идиоты жидкостного рдкетного ДВИГАТЕЛЯ (ЖРЛ) Ракетные двигатели являются в настоящее время одним из самгях распространенных типов двигателей и применяются главным образом на летательных аппаратах. Для ускорения летательного аппарата, на котором установлен ракетный двигатель, используется спла.

создаваемая в процессе истечения (отброса) пз двигателя массы вещесгва, называемого рабо п1м телом. В качестве рабо. чего тела большинства современных ракетных двигателей служат газы, образующиеся при сжигании топлива. Энергия, выделяемая при горении топлива, используется для ускорения газов, истекающих нз двигателя. Ракетный двигатель называется жидкостным, если его топливо включает только жидкие вещества, 3 Для пояснения принципа работы жидкостного ракетного двигателя рассмотрим схему, изображенную на рис. 0.1.

В камере ! двигателя происходит горение топлива, состоящего из двух компонентов и содержащегося в баках 4. Топливо подается нз баков в камеру по трубопроводам 2 с помощью устройств 3 (например, насосами), называемых системой подачи топлива. т1асто двигателем называют совокупность камеры и системы по- рекетного дачи топлива, относя баки с топливом к кон- двигателя струкции самого летательного аппарата. Однако в дальнейшем будем считать баки частью х)хРД, так как в ряде случаев рабочий процесс двигателя не может рассматриваться без процессов, протекакццих в баках (напрнмер„ процессов вытеснения топлива из баков сжатым газом). Основным агрегатом УКРД явлиется камера двигатели '.

!рис. 0.2), Она состоит из головки 1, камеры сгорания 3, сопла 4. Стенки каз!е!зы нзготавлнваютси, как правил!о, двойными для создания зазора 5, по которому протекает жидкость, охлаждакццая камеру. На головке размещены устройства 2, называемые форсунками, для подачи топлива в камеру сгорания. '1тобы горение происходило интенсивнее, топливо дробится форсунками на мелкие капли. При горении топлива образуется раоочсе тело — газообразные продукты, пагрстыс до высокой температуры и истеки!о!цпе из камеры в окружающее пространство через сопло.

Скорость истечения газов из кав|еры должна бь!ть ио возможности большей. В сужающемся сопле, как известно, может быть достигнута только скорость звука. Камеры ЖРД имеют, как правило, сопла, изготовленные, как сверхзвуковое сопло Лаваля, п состоящие из сужающейся и расширя!ощейся частей. 11аиболее узкое ссчсннс сопла носит название крипшсского. При работе двигателя в камере !ючдсрживается высокое давление — зна !пгельно большее, чем давление окружа!ошей среды. Рис.

Олк Камера Это достигается сжиганием топлива в камере. Прн стационарном процессе за одну секунду в камере сжигается столько топлива, сколько газов истекает из сопла. Равенство между расходом топлива в камеру и расходом газов из нее сохранится, если увеличить подачу топлива в данну!о камеру, но возрастет давление в камере. Давление в камерах современных Я(РД составляет 50— 100 кГ)а.нз н более, температура газов в камере достигает 3000 4000'К, скорость истечения газов пз сопла порядка 3000 лг!сск. Таким образом, рабочий процесс камеры лКРД можно представить так; в камеру непрерывно подается жидкое топливо, прп сжигании которого образуются газы.

имеющие высокие температуру и давление. Газы истекают из камеры через сопло; нрц истечении газов пх скорость уисличпвас!ся до очень больших значений. Так как расход топлива в камеру' равен расходу газов из сопля, в камере поддерживается определенное повышенное давление. * Терминология зо ЖРД оконязте.тано не устаяовнлзсн. !!ногин агрегат, изображенный яя рнс. О.'.д !н1змвз~от не камерой ланга~ела, а ка- мерой сгорания.

ца рис, 0,3 показано изменение давления и скорости движения газов в ь;сссере. По длине цилиидри щекой састп ссассерся давление ис меняется н составляет величину ри, ьоторусо в дяльиейпи и будем называть давлением в каксере. В сопловой часюс скорость газов растет и падает давление, что связано с прсоорязовяннем потенииальиой энергии продУссзов сгоРаниЯ в кинетическую В критическом сечении скорость газов ривка честной скорости звука, а давление рии составляет около полов шы давления в камере. И !сассоссссс, иа выхотс из соила скоросп.

достигаст наибольшего значения юи 1скоросм Ри истечения), а давление га- Ги зов ра является иаимеси.- ря Г шнм по всей яиуцшпши поверхности камеры. ! [а рсщ. 0.3 видсю, ~с|о, им короче соило. тсыс при прочих равных условиях исп меньше -и, и оольше р„. Удлинение сопла, паооорот, увели ~псваст скорость Ркр истсчения и умспьпсяст давление газов ии вы, оде. В завссспмости от иси .-' Ри длины сопла давление р, может быть больше дан- и .

ол, ссосысснис дизлсн!и и скипостя ления окружающей агмо- тиижессия спасы ио лчшсе кямеаи сферы (обозссассессо иа рис. 0.3 как ри], мсныие этого давления или равно ему. У большинства современных ЖРД ри составляет 0,1- — 0,00! от давления в камере. Таким образом, при работе двигателя иа вссугреиисосо поверхность камеры деиствует .савленш. газов. постепенно уменыпающееся от головки к выходу из сопли. По вссй впеио ней поверх!~ости действует пар!жиос дявлеиис р, Так как виутрепияч полость камсры прсчстчсвляет собой полузамкнутое простраищпо, т > риииодс ис мслощяя ссщ давления газов по поверхиости камеры ис равна и).по.

По самой форме камеры нетрудно иидеты что этя рссгссосссйствссо. щая будет действовать по оси камеры и .саиравлсна в сторону головки. )завночействгсощяя ссщ давления газов по поверхности камеРы представляет собои ссслу, с которой камера, я слсдовательно, и весь двигатель будут действовать на летательный аппарат. 1райдем вслсшииу стон раис.одсйстиукицесс. Вначале рассмотрим слу ~ссй, когда двигатель работает в вакУУме, т.

е. пРн Ри=-й, Обозначим РавнодейщвУчощУсо снл давления газов па камеру изнутри через )г и назовем ее реактивной силой. Сила )с могла бы быть найдена интегрированием поля давления по внутренней поверхности камеры в соответствии с ее определением, т. е. как Й = ( Р„гго; ВН где 5„а — полная внутренняя поверхность, р, — проскпия сил дав.пения на ось. Однако проще установить величину реактивной силы, применяя к камере один нз основных законов механики — теорему об изменении количества движения, согласно которой импульс силы (произведение силы на время ес действия), возникающей н замкнутой системс прн ускорении отбрасы.