Гахун Г.Г. - Конструкция и проектироввание жидкостных ракетных двигателей

для вузов КОНСТРУКЦИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕИ Под обгцеи редакциеи нроф. Г.Г, Гахуна Донущено Государственным комитетом СССР но народному образованию в качестве учебника длн студентов вузов, обучающихсн но снецаааьности "Авиационные двигатели и знергетическце установки" Москва ° Машиностроение 1989 ББК 39.65-02я73 К65 УДК 621.454.2.018(075.8) ПРЕДИСЛОВИЕ ( 2705140400 — 255 038(0!) — 89 ББК 39.65О2и73 !БВХ 5-217-00360.Х Авторы: Г. Г, Гохуа, В. И. Баулии, В. А. Волосин, В, Д, Куроатеиков, М.

В. Краев, В. Ф. Трофимов Репензент: кафедра двигателей петатепьнмх аппаратов ХАЙ и чп.-кор. АН СССР В. П. рисов екий Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигаК65 гелей: Учебник для студентов вузов по специальности "Авиационные двигатели и энергетические установки" 1' Г. Г. Гахун, В.

И. Баулин, В. А. Володин и др.; Под обш. ред. Г. Г. Гахуна. — М.: Маши. построение, 1989. — 424 ел ил. 18В1з1 5-217-00360-Х Даны кпасен4мкапня н характеристики жидкостных ракетных рризатепвй (ЖР10. Рассмотрены пневмогидравлические схемы ЖРД. Приведены сие. денна о копструкппн и проектировании основных узлов и агрегатов ЖРД.

Проанализированы сидни разработки ЖРД н автоматизированное проектнро. панне его элементов. Рассмотрены вонроеы надежносги ЖРД. © Г. Г. Гахун, В. И. Баулин, В. А. Володин и др., 1989 Теоретические исследования жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) относятся к началу ХХ века, а их разработка и испьпания 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 искусствен. ных спутников, первый полет человека в космос и открыли зру 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. 6, 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 Э.Л. Гутковского, за что авторы выражают ему благодарность. Искреннюю признательность авторы выражают чл:кор. АН СССР В П.

Радовскому и сотрудникам кафедры Харьковского авиационного института за ценные замечания, сделанные ими при рецензировании книги. ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ И ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ ОСНОВНБ!Е СОКРА ШЕНИЯ БНà — бустерный насос горючего БНА — бустерный насосный агрегат БНΠ— бустерный насос окиспитепя БР— бзпнистическая ракета БТНА — бустерный турбонасосный зг регат ВЧ вЂ” высокая частота, высокочастотный Гà — газогенератор à — горючее ДУ вЂ” двигательная установка ЖГà — жидкостный гззогенераюр ЖРД вЂ” жидкостный ракетный двигатень ЖРДМТ вЂ” жидкостный ракетный двигатель малой тяги ЖРТ вЂ” жидкое ракетное топливо НСЗ вЂ” искусственный спутник Земли КА, КК вЂ” космический аппарат, космический корабль ЛА — петзтепы<ый аппарат МБР— межконтинентальная баппистическая ракета ММà — монометнпгидрззин МТКК вЂ” многоразовый транспортный космический корабль Н — насос вспомогательного компонента топпнва Н Г вЂ” насос горючего НДМà — несимметричный днметилгид- рзэин НΠ— насос окислителя НЧ вЂ” низкая частота, низкочастотный Ок — окислитель ПГС вЂ” пнюмогидрзвпнческзя схема РД вЂ” ракетный дзигатень РДГà — ракетный двнгатепь гибридного топлива РДТТ вЂ” ракетный двигатель твердого топлива РКС вЂ” регупнровенне кажущейся скорости РН вЂ” ракета-носитель РСУ вЂ” реактивная система управления СА — сопповой аппарат СОБ — синхронное опорожнение баков СУ вЂ” система уирзвпення Т вЂ” турбина ТГà — твердотопливный газогенератор САПР— система автоматизированного проектирования САР— система автоматического регулированияя ТКК вЂ” транспортный космический корабнь ТНА — турбонасосный агрегат ТП вЂ” турбина пусковая УВГ -угнезодородное горючее ЗНА — эпектронзсосный агрегат ЭПК вЂ” эпектропневмокпапан ЗРД вЂ” зпектрический ракетный двнгатепь ЯРД вЂ” ядерный ракетный двигатель 1.1.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК Реактивным двигателем называют двигатель, который создает силу дпя перемещения аппарата в пространстве путем преобразования энергии собственного ипи внешнего источника в кинетическую энергию отбрасываемой струи вещества. Дпя работы реактивного двигателя можно испоньзовать 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 гидродинамических сил, действующих на внутренние поверхности реактивного двигателя при истечении из него вещества. Параметры и агрегатное состояние вещества до его подачи в двигас тель (т.е. исходного вещества) и в реактивной струе обычно сушественно различаются. Исходное вещество дпя создания реактивной струи может находиться в газообразном, жидком ипи 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 двигателя. Одним из основных агрегатов реактивного двигателя является камера; в ее начальной части вещество принимает состояние, требующееся дпя создания реактивной струи, а в конечной — вещество ускоряется, образуя реактивную струю. Например, в ряде реактивных двигателей составные части жидкого химического топлива подаются в камеру, в начаньной части которой — в камере сгорания — они сгорают, выделяя теплоту и образуя газообразные продукты. Конечная часть камеры, называемая соплом„обеспечивает преобразование энергии теплового движения продуктов сгорания в кинетическую энергию реактивной струи.

Реактивные двигатели, используемые в настоящее время, представляют собой широкий класс двигателей самого разпичного назначения. Область их применения постоянно раширяется. Подавляющее бопьшннство реактивных двигателей используется на летательных аппаратах (ЛА) различных типов. Дпя создания реактивной силы необходимы; а) источник первичной энергии, которая непосредственно ипи через промежуточный вид энергии преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи; б) вещество, которое в виде реактивной струи выбрасывается из двигателя; это вещество в наиболее общем случае называют рабочим телом; в) двигатель, т.е.

устройство, обеспечивающее указанное преобразование. Рабочим телом нли его составной частью могут быть: а) газообразное или жидкое вещество окружающей среды, например атмосферы Земли и других планет иаи воды морей, рек и т.д.; б) вещество, размещаемое в специальных емкостях (баках) аппарата или непосредственно в камере двигателя; в) смесь вещества окружающей среды (например, 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 нли принимается от внешнего источника (например, 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 перемещения, Такой аппарат может быть летательным, наземным или подводным.

Наиболее широко ракетные двигатели используют иа 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 нз 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 рассматриваются только ДУ с жидкостным ракетным двигателем. Жидкостным ракетным двигателем (ЖРЛ) называют ракетный двигатель, работающий на жидком ракетном топливе, Жидким ракетным топливом (ЖРТ) называют вещество (совокупность веществ) в зшдком состоянии, способное в результате экзотермических химических реакций обраэовьюагь продукты, создающие реактивную силу при истечении из двигателя, При использовании жидких 'ракетных топлив экзотермические химические реакции — реакции окисления (горения) или разложения— протекают в камере сгорания или разложения с образованием газооб.