Конструкция и проектирование ЖРД Гахун Г.Г.

КОНСТРУКЦИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Под общей редакцией лроф. Г.Г. Гахуна эзонущено Государственным комитетом СССР ло народному образованию в качестве учебки ка длл студентов вузов, обучающнлсн но снециаа ьностн "Авиационные двигатели и энергетические установки" Москва ° Машиностроение. 1989 ББК 39.65-02я73 К65 УДК 621.454.2.018(075.8) Авторы: Г. Г. Гохуа, В. И. Беулнн, В.

А. Володин, В.Л. Курнагенное, 5(. В. Краев, В. Ф. Трофимов рнзмопзты; кафедра лввгатепеа леппензных аппаратов ХАН и чп:кор. АН СССР В. П, Вздоескнй Ланы клаом4нкацня и характеристики жидкостных ракегных двигате. леа (ЖРЛ) . Рассмотрены пневмопоцзавпнческпе схемы ЖРЛ. Прнведазы сво дзниа о конструкции и проекзировапин основных узлов я агрегатов ЖРЛ. Проанализированы стадии разработки ЖРД и автомешзнрованное проектирование его зчемеитов, Рассмотрзнм вопросы надежности ЖРЛ. 2705140400 — 255 ОЗВ(01) — 59 ББК 39*5О2я73 © Г.

Г. Гахун, В. И. Баулнн, В. А. Володин и др., 1989 18Вг) 5-217-00360-Х Конструкции и проектирование жидкостных ракетных двигаК65 гелей: Учебник для студентов вузов по специальности "Авиационные двигатели и энергетические установки" / Г. Г. Гахун, В. И. Баулин, В. А. Володин и др4 Под общ. ред. Г. Г. Гахуна. — М.: Машиностроение, 1989.

— 424 сл нл. 1ЯВ)4 5-217-00360-Х ПРЕЛИ СЛОВИЕ Теоретические исследования жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) относятся к началу ХХ века, а их разработка и испытания начались в 20— 30-х годах. К середине 50-х годов в СССР были созданы ракеты-носители "Восток" и "Союз", которые обеспечили запуск первых советских искусственных спутников, первый полет человека в космос и открыли эру завоевания космического пространства. Развитие космических исследований обусловило подготовку инженерных кадров в высших учебных заведениях страны. В настоящее время вышло из печати большое число учебников и учебных пособий по теории ЖРД.

Однако учебников, посвященных конструкции ЖРД, нет как в нашей стране,так и за рубежом. В настоящем учебнике изложены основы конструирования и проектирования ЖРД. В нем кроме общих вопросов проектирования ракетного двигателя рассмотрены проектирование отдельных узлов и элементов, виды нагрузок, действующих на элементы конструкции, а также методы инженерных расчетов. Главы 1, 13, 14, 16, а также приложение 1 написаны В.

А. Володиным, гл, 2 — В. А. Володиным, В. Ф. Трофимовым и В. Д. Курпатенковым, гл. 3, 4, 5 — В. Д. Курпатенковым, гл. б, 7, 12 — В. Д. Курпатенковым и Г.Г. Гахуном, гл. 8 — В.А. Володиным и В.Ф. Трофимовым, гл. 9, 11, 15 — В. И. Баулиным, гл. 10 — М. В. Краевым, предметный указатель составлен Г„Г. Гахуном.

При подготовке глав, относящихся к конструкции камер, использованы материалы ЭЛ. Гутковского, за что авторы выражают ему благодарность. Искреннюю признательность авторы выражают члгкор. АН СССР В. П. Радовскому и сотрудникам кафедры Харьковского авиационного института за ценные замечания, сделанные ими при рецензировании книги. ОСНОВНЫЕ СОКРАШЕНИЯ БНà — бустерный насос горючего БНА — бустерный ласо<ныл агрегат БНΠ— бусгерный насос окислителя БР— баллистическая ракета БТНА — бустерны» турбонасосиый м резит ВЧ вЂ” высокая часгота, высокочастотный Гà — газогенератор à — горючее ЛУ вЂ” двнгательнэя установка ЖГà — жидкостный газогенератор ЖРЛ вЂ” жидкостный ракетный лзигатель ЖРЛМà — жидкостный ракетный двигатель малой тяги ЖРТ вЂ” жидкое ракетное топливо ИСЗ вЂ” искусственный спутник Земли КА, КК вЂ” космически» аппарат, космический корабль ЛА — летательный аппарат МБР— межконтинентальная баллистическая ракета ММà — мономепзлгидразин МТКК - многоразовый транспортный космический корабль Н — насос вспомогательного компонента топлива Н Г вЂ” насос горючего НЛМà — несимметричный днметилзид- разин НΠ— насос окислителя НЧ вЂ” инакая частота, низкочастотный Ок — окислитель ПГС вЂ” пневмопздравлическая схема РЛ вЂ” ракегный двигатель РЛГТ вЂ” ракеткый двигатель пзбрид- ного зоплива РЛТТ вЂ” ракетный двигатель твердо- го топлива РКС вЂ” регулирование кажущейся ско- рости РН вЂ” ракета носитель РСУ вЂ” реактивная система управления СА — сопловой аппарат СОБ — слнхронное опорожнение баков СУ вЂ” система управления Т вЂ” турбина ТГà — твердотопливный газогенеразор САПР— система авзоматнзировлщого проектирования САР— актема автоматического регу- лированияия ТКК вЂ” транспортный космический ко- рабль ТНА — турбонасослый агрегат ТП вЂ” турбнна пусковая УВ Г -упмлодо родное горючее ЭНА — электронасосный агрегат ЭПК вЂ” электропневмоклапан ЭРД вЂ” электрический ракетный дви- гатель ЯРП вЂ” ядерный ракетный длзгэтель ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ И ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ 1.1.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК Реактивныта двигателем называют двигатель, который создает силу лля перемещения аппарата в пространстве путем преобразования энергии собственного нли внешнего источника в кинетическую энергию отбрасываемой струи вещества. Для работы реактивного двигателя можно использовать как вещество, размещенное на борту аппарата, так и окружающую среду, т.е.

среду, в которой движется аппарат. Струю вещества, истекающую из реактивного двигателя, называют реактивной струей, а силу, которая возникает вследствие ее истечения и передается на аппарат, — реактивной силой. Реактивная сила представляет собой равнодействующую газо- и гидродинаиических сил, действующих на внутренние поверхности ршктивного двигателя лри истечении из него вещества. Параметры и агрегатное состояние вещества до его подачи в двигатель (т.е.

исходного вещества) и в реактивной струе обычно существен. но различаются. Исходное вещество для создания реактивной струи может находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии и иметь температуру, равную температуре окружающей среды. Реактивная струя чаще всего представляет собой высокотемпературную смесь газов. Вид используемого вещества во многом определяется типом реактивного двигатеяя. Одним нз основных агрегатов реактивного двигателя является камера; в ее начальной части вещество принимает состояние, требующееся для создания реактивной струи, а в конечной — вещество ускоряется, образуя реактивную струю.

Например, в ряде реактивных двигателей составные части лощкого химического топлива подаются в камеру, в начю|ьной части которой — в камере сгорания — они сгорают, вьщеляя теплоту и образуя газообразные продукты. Конечная часть камеры, называемая соилом, обеспечивает преобразование энергии теплового движения продуктов сюрания в кинетическую энергию реактивной струи. Реактивные двигатели, используемые в настоящее время, представляют собой широкий класс двигателей самого различного назначения. Область их применения постоянно раширяется.

Подавляющее большинство реактивных двигателей используется на летательных аппаратах (ЛА) различных типов. Для создания реактивной силы необходимы: а) источник первичной энергии, которая непосредственно или через промежуточный вид энергии преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи; б) вещество, которое в виде реактивной струи выбрасывается иэ двигателя; это вещество в наиболее общем случае называют рабочим геном; в) двигатель, т.е. устройство, обеспечивающее указанное преобразование. Рабочим телом или его составной частью могут быть: а) газообразное или жидкое вещество окружающей среды, например атмосферы Земли и других планет или воды морей, рек и т.д.; б) вещество, размещаемое в специальных емкостях (баках) аппарата или непосредственно в камере двигателя; в) смесь вещества окружающей среды (налример, воздуха) и вещества (например, керосина), подаваемого в камеру из бака аппарата (вещество в твердом состоянии также может быть размещено непосредственно в камере) .

Первичная энергия запасается на борту аппарата в каком-либо источнике или принимается от внешнего источника (налример, от Солнца в виде его излучения) . В наименьшей степени зависят от окружающей среды реактивные двигатели, у которых рабочее тело и источник первичной энергии размещены на самом аппарате.

Такие реактивные двигатели выделяют в отдельный класс ракетных двигателей (РД) . Ракетным двигателем называют реактивный двигатель, использующий для работы только вещества, имеющиеся в запасе на аппарате, предназначенном для перемещение. Такой аппарат может быть летательным, наземным или подводным. Наиболее широко ракетные двигатели ислользуют на ЛА, называемых ракетами. Учитывая значительную автономность ракетных двигателей от условий окружающей среды, их точнее было бы назвать автономными реактивными двигателями. Однако закрепился термин ракетный двигатель. Нельзя противопоставлять реактивные и ракетные двигатели: ракетные двигатели являются частным случаем реактивных двигателей. Ракетный двигатель является единственным типом реактивного двигателя, который может работать в любой газообразной и жидкой среде, а также в условиях среды с глубоким разрежением (с пренебрежимо малым давлением).

Указанные условия характерны для космического пространства; для краткости в дальнейшем такую среду будем называть пустотой, имея в виду условность указанного термина. Прежде чем рассматривать основные параметры и классификацию ракетных двигателей, разберем простейшие схемы и принцип действия наиболее характерных нэ них. Введем понятие о ракетной двигательной установке (ДУ) „включающей в себя в наиболее общем случае источник первичной энергии, бак с рабочим телом, двигатель и систему подачи рабочего тела в двигатель. К числу наиболее характерных двигательных установок относятся ДУ: с жидкостным ракетным двигателем; с ракетным двигателем твердого топлива; с ядерным ракетным двигателем; с электрическим ракетным двигателем.

Ниже рассьатрнааются только ДУ с жидкостным ракетным двигателем. Жидкостным ракетным двигателем (ЖРД) называют ракетный двигатель, работающий на жидком ракетном топливе. Жидким ракетным топливом (ЖРТ) называют вещество (совокупность веществ) в жидком состоянии, способное в результате экзотермических химических реакций образовывать продукты, создающие ршкгивную силу нри истечении из двигателе, При использовании жидких ракетных топлив экзотермические химические реакции — реакции окисления (горения) или разложения— протекают в камере сгорания или разложения с образованием газообразных провуктов сгорания или разложения н вьщелением теплоты.

Введем ряд терминов, Компонентом жидкого ракетного толлива (компонентом топлива) называют отдельно хранимую н подводимую к камере ЖРД составляющую ЖРТ. Компонент топлива может состоять из одного вещества или смеси индивидуальных химических веществ.

ЖРТ может быть одно- н многокомпонентным, в основном двухкомпонентным; за рубежом рассьатрввают целесообразность использования трехкомпонентных топлив для ЖРД большой тяги для мощных ракет. Жидким ракетным горючим (горючим) называют компонент ЖРТ, окисляющийся в процессе горения. Жидким ракетным окислигелем (окислигелем) называют компонент ЖРТ, служащий для окисления горючего в процессе горения.

Различают основное и вспомогательное ЖРТ. Основным ЖРТ называют жидкое ракетное топливо, служащее для получения всей или основной доли тяги. Обычно в ЖРД применяют только одно топливо, которое используется также дпя вспомогательных целей (привода турбонасосного агрегата, работы системы управляюппсх моментов я снл ит.п.). Вспомогательным ЖРТ называют жидкое ракетное топливо, отличное от основного и применяемое только для вспомогательны целей. Продукты сгорания или разложения вспомогательного ЖРТ часто выбрасываются помимо камеры сгорания или разложения очыовной камеры. Одним или несколькями компонппамн ьшогокомпонентного вспомогательного топлива могут быть компоненты основного топлива.