Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В., страница 77

Поэтому в некоторых случаях продукты сгорания ПАДа охлаждают путем отбора тепла от них на испарение или возгонку специально вводимых охладителей. На рис. 9. 28 показана схема охлаждения продуктов сгорания, поступающих из ПАДа, путем возгонки (сублимации) охладителя.

Продукты сгорания высокой температуры нз ПАДа поступают в многоканальный фильтр 8, выполненный из щавелекислого аммония, в результате возгонки которого температура продуктов сгорания снижается до требуемого уровня. Расчет ПАДа При работе ПАД в системе «трубопроводы — баки» происходят следующие явления. 1.

Интенсивное охлаждение горячих пороховых газов в трубопроводах и в самих баках за счет теплоотдачи в окружающую среду, конструкции и компонентам. 2. Испарение жидких компонентов н частичное растворение в ннх пороховых газов. 3. Так как в продуктах сгорания пороха а< 1, то в баке окислителя при взаимодействии их с парами окислителя происходит догорание СО и Нм что приводит к повышению температуры газов в баке окислителя по сравнению с температурой их в баке горючего. Все эти явления оказывают влияние на вытеснительную способность пороховых газов, а следовательно, и на подачу компонентов. Однако точно учесть их влияние невозможно. Поэтому при расчете ПАДа исходят из предположения, что в течение всего времени работы ПАДа газовый объем системы заполнен только пороховыми газами.

Указанные же выше процессы охлаждения, растворения и догорания пороховых газов учитывают введением опытных коэффициентов. 373 При расчете размеров шашки ПАДа исходят из следующих требований. 1. Секундный объем пороховых газов, поступающих в баки, должен быть равен необходимому секундному объемному расходу топлива (горючего и окислителя); 2. Время горения шашки должно быть равным времени работы двигателя. Из расчета двигателя нам известен секундный освобождаемый объем баков: )г'„„= — + — . Ог 00 у.

уб (9. 69) С другой стороны, объем продуктов сгорания пороха, образуемых в 1 сек, равен 0„ усг (9. 70) где бп — количество пороха, сгоревшего в единицу времени; у„ — плотность продуктов сгорания при давлении подачи рб. Очевидно, что (9. 71) где гп — поверхность горения пороховой шашки; у„— плотность пороха. При вытеснительной системе подачи компонентов с помощью ПАДа 1', =Ь" 0п сек и сеи усг (9. 72) По уравнению состояния газов л Рб сг ятг (9.

73) где Л вЂ” газовая постоянная продуктов сгорания пороха; Т вЂ” температура продуктов сгорании пороха, развивающаяся, если порох горит при постоянном давлении; рб — давление подачи. Произведение ТгТ принято называть приведенной силой и ор о х а /б. Для порохов, перечисленных в табл. 9. 3, величина /б= 58 000в 100000 кГ ° м/кг (=5,8 ° 10б — 10 ° 10б н ° м/кг). Подставив выражения (9.71) и (9. 73) в уравнение (9.72), получим Рпп упят Реп уело (9. 74) Рб Рб откуда находим необходимую поверхность горения пороха и Рб~' бек пусят (9. 75) З74 Зта формула не является окончательной, так как в нее входит температура сгорания пороха, значение которой в зависимости от марки пороха находится в пределах 1200 — 2500'К.

В баках же продукты сгорания имеют более низкую температуру, порядка 800 — 1000' К. При этом, как уже отмечалось, температура продуктов сгорания может снижаться как вследствие теплоотдачи от них, так и в результате принудительного охлаждения. р Рю сек ~ Рю сек м у ит„кт их„ую Для того чтобы при всех условиях обеспечить заданные давления пороховых газов в баке, скорость горения пороха и в формуле (9.76) берется при наименьшей возможной в эксплуатации температуре начала горения пороха.

Если температура начала горения будет больше расчетной, то и скорость и будет большей, вследствие чего расход и давление газов будут больше расчетного. Избыток давления в камере ПАДа будет стравливзться клапаном сброса давления. Длина пороховой шашки Ь подсчитывается исходя из необходимого времени работы ЖРД тл 7.=ит см. (9. 77) (9. 76) При расчете длины пороховой шашки скорость горения пороха и надо брать исходя из наибольшей возможной температуры начала горения, а следовательно, из наибольшей скорости горения пороха, Если величину и брать по средней или наименьшей температуре, длина шашки 7.

будет недостаточной для обеспечения необходимого времени работы двигателя при высокой температуре окружающей среды, и подача компонентов в необходимом количестве прекратится раньше, чем это допустимо. Так как температура продуктов сгорания пороха, поступивших в баки, ниже температуры горения пороха, то для получения необходимого секундного расхода топлива и заданного давления подачи необходимо сжигать в 1 сек большее количество пороха, чем было определено при расчете по формуле (9.75), т.

е. количество пороха, сгорающего в 1 сек, должно быть увеличено во столько раз, во сколько уменьшается абсолютная температура газов. Кроме того, камера ПАДа должна вырабатывать некоторое дополнительное количество газа, необходимое для устойчивой работы клапана сброса давления и для восстановления рабочего давления в баках рю в случае его понижения по какой-либо случайной причине. Все эти факторы учитываются введением коэффициента ф=1,2 —:3,5.

Точное значение коэффициента ф)1 определяется из опытных данных при доводке системы. Строго говоря, снижение температуры как за счет теплоотдачи, так и за счет добавки специального охладителя приближенно можно оценить. Однако всегда останутся неучтенные факторы, влияющие на изменение температуры продуктов сгорания, и все равно нужно вводить коэффициент, учитывающий воздействие этих факторов. Для бака окислителя величина ф вследствие догорания будет меньше, чем для бака горючего; для малых двигательных установокзначение величины ф надо брать большее, так как в этом случае относительная поверхность теплоотдачи баков и газопроводов ббльшая. Окончательная формула для определения необходимой поверхности горения пороховой шашки с учетом охлаждения пороховых газов примет вид Пусковой ПАЙ Пусковой ПАД необходим, в первую очередь, для быстрого заполнения пороховыми газами объемов баков.

Газопроизводительность его должна обеспечить быстрый набор рабочего давления в баках во всем диапазоне температур эксплуатации ЖРД. Масса пускового заряда определяется расчетом по наибольшим свободным объемам баков и трубопроводов при наименьшей темпера- 375 туре эксплуатации ЖРД. При работе пускового ПАДа количество поро- ховых газов, выделившихся за время его работы, должно быть таким, чтобы поднять давление в объеме У„об до заданного давления подачи рб, т. е. Рб~о об ог Рт Очевидно, что масса порохового заряда до сгорания 6,, равна массе образовавшихся пороховых газов 6,=6 „.

При работе пускового ПАДа так же, как и при работе основного, пороховые газы, поступающие в бак, охлаждаются за счет теплоотдачн через стенки системы и в вытесняемую жидкость. Это снижение темпе- ратуры газов учитывается введением коэффициента ор) 1. Пусковой ПАД работает в начальный момент работы ЖРД; при этом разогре- вается баковая система, что вызывает еще большее снижение темпера- туры пороховых газов. Поэтому для пускового ПАДа ф принимается большим, чем для основного, и равным 5 — 6.

С учетом сказанного выше масса порохового заряда Рбо оооб б, об Для обеспечения быстрого выхода установки на режим для заряда пускового ПАДа применяют быстрогорящие пороха. Для увеличения скорости горения пороха камера пускового ПАДа работает на давле- ниях, значительно больших, чем давление подачи. Толщину пороховой шашки определяют из условия Ь=ит, р где и — скорость горения пороха при среднем давлении в камере ПАДа и наименьшей температуре при эксплуатации; тр — заданное время выхода установки на рабочий режим. (9. 78) Вытесиительная подача с ЖАЛом 376 Жидкостным аккумулятором давления (ЖАД) называется газогенератор, вырабатывающий продукты сгорания для вытеснения топлива из баков ЖРД за счет сжигания жидких топлив. Принципиально в качестве ЖАДа возможно использовать и однокомпонентные и двухкомпонентные газогенераторы.

Обычно используют двухкомпонентные, работающие на самовоспламеняющихся компонентах. По весовым характеристикам системы подачи с ЖАДом несколько лучше, чем газобаллонная, однако они сложнее системы подачи с ПАДом и газобаллонной системы. На рис. 9.29 и 9.30 приведены элементарные схемы систем подачи с ЖАДом. При системе подачи с ЖАДом, выполненной по схеме рнс. 9.29, давлением газа компоненты топлива вытесняются из бачков 3 в ЖАДы 4 баков горючего и окислителя.

Для снижения температуры продуктов сгорания ЖАД работает на смещенном коэффициенте избытка окислителя а. При этом для того, чтобы в баках окислителя и горючего не происходило догорания газов, ЖАД, подающий газы для вытеснения окислителя, работает с большим избытком окислителя (а=З вЂ”:6), а ЖАД, подающий газы для вытеснения горючего, работает с большим избытком горючего (а=О,З вЂ”:0,4).

Расчет жидкостного аккумулятора давления проводят в следующем порядке. 1. Зная компоненты, на которых будет работать ЖАД, и давление подачи, задаемся температурой газа, вырабатываемого ЖАДом. 2. Определяем коэффициент избытка окислителя, при котором в ЖАДе получаем заданную температуру газа. При этом, как указывалось, для ЖАДа, вырабатывающего газ, вытесняющий окислитель, берем а)>1, а для ЖАДа, подающего газ в бак горючего, берем а«1.

Обычно для данного топлива имеются графики изменения температуры сгорания и величины КТ в завнси- мости от а. Если таких графиков нет, то, задавшись ориентировочно значением а, рассчитывают Т и КТ по методике, указанной в 9 7.5. 3. Зная КТ и давление, определяем для каждого из ЖАДов плотность получившихся продуктов сгорания по уравнению (9. 73): "б гсг 4. Очевидно, так же, как и при расчете ПАДа, в каждом из баков имеет место равенство (9. 72); 1сг где )усе„— секундный освобождаемый объем бака; 6 — секундный расход компонентов в данном реакторе ЖАДа. 377 Рис. 9. 29.

Схема вы- теснительной подачи с жЛЛ 1-гаяовые аккумуляторы давления; у— редукГоры давления; а— бачки для «оппонентов ЖАДв; 4- ЖАД; Я вЂ” ба. кн: а-мембраны; 7 — камера двига- тнчк Рис. 9. 30. Система подачи с ЖАдом с охлаждением продуктов сгорания: à — воадушные аккумуляторы давления; à — отсечные клапаны; а — редукторы; 4 — бачок с окладителем; б — бачки с компонентамн длл ЖАЛа: б — ЖАД; 7 — смесителя; а- бак На основании формул (9. 73) и (9. 72) определяем необходимый суммарный расход компонентов в ЖАДе: (9. 79) 5.

Так же, как н при п~ ла ~е с ПАДом,'поступившие в баки газы охлаждаются. Следовательно, секундный расход компонентов необходимо увеличить во столько раз, во сколько уменьшается температура образовавшихся газов. Это увеличение расхода учитывается коэффициентом ф) 1. Окончательные расчетные формулы для реактора ЖАДа бака окислителя 6= Ь'„, се~о для реактора ЖАДа бака горючего (9. 80) При системе подачи, работающей по схеме двигательной установки ракеты «Вероника» (см. рис.