Лекции по основам РДТТ, страница 3

Рассмотрим два режима:

1) Рв>Pз – воспламенение в открытой камере

2) Рв<Pз – воспламенение в закрытой камере

1. расход при критическом перепаде:

«в» – состав продуктов сгорания воспламенителя

M_в = m_в_Т

Q* – тепло, требуемое для воспламенения

2. _Т – задано

Для баллиститных потребная масса воспламенительного состава:

1.2-2 кг на м³ свободного объема

Для смесевых топлив канальных:

0.15-0.2 кг на м² поверхности горения

Лекция 9

Особенности конструкции сопловых блоков РДТТ

Сопловой блок предназначен для создания тяги путем преобразования тепловой энергии, выделяемой при сгорании топлива в кинетическую энергию продуктов сгорания.

Сопловой блок является одним из основных блоков РДТТ и параметры соплового блока оказывают влияние на габариты, энергетические и прочностные характеристики двигателя.

Сопловой блок: сопло и вспомогательные системы, расположенные на нем.

Стенки сопла подвержены интенсивному тепловому, химическому, скоростному, эрозионному и силовому воздействиям.

Раздел 9.2. Классификация сопловых блоков РД

Назначение:

– основные

– вспомогательные

2:

– регулируемые

а) предстартовое регулирование (для компенсации температурных изменений скорости горения. Методы: сменные вкладыши, устройства типа груши).

б) регулирование в полете

• пассивное – такое регулирование, когда закон изменения тяги в полете не изменяется. Реализуется за счет разгара критического сечения;

• активное – закон тяги может быть скорректирован в полете. Методы: регулируемая критика, двигатели изменяемой геометрии (насадки).

– нерегулируемые – профиль которых в течение всего полета остается неизменным (небольшие тактические ракеты).

3:

– односопловые блоки

Преимущества: простота, надежность. Масса ТЗП существенно меньше. Для поворотных сопел для создания одного усилия угол поворот существенно меньше.

– многосопловые блоки.

Преимущества: существенно уменьшают длину.

Недостатки: большая масса ТЗП. Неравномерный разгар сопла, особенно когда присутствует К-фаза -> не используются большие степени расширения. Суммарная масса больше.

4:

– подвижные

– неподвижные

Основные геометрические соотношения

Основные факторы, определяющие конструкцию и геометрию соплового блока:

1. Параметры двигателя из ТЗ (тяга, удельная тяга, давление, температура, время работы).

2. Ограничения, накладываемые на массу, длину и диаметр.

3. Назначение ракеты определяет выбор системы управления вектором тяги, полетные нагрузки и изменение внешних параметров.

Для верхних степеней масса соплового блока может превышать массу камеры.

Угол  – 30-60°. С его увеличением резко возрастают тепловые нагрузки и масса ТЗП. Меньше – длинное сопло.

Входная часть:

r_вх = (0.5-2)r_кр

чем больше r_кр, -> 0.5

чем меньше r_кр, ->2

r_скр = (0.5-3)r_кр

Утопленные сопла

Глубина погружения – расстояние от входной кромки сопла до точки пересечения соплового днища с осью сопла

Относительная глубина погружения:

Утопленные сопла используют, чтобы при тех же габаритах втиснуть большую массу топлива.

Главная задача – попытаться снизить массу ТЗП, для этого увеличивают дельта, увеличить соотношение между площадью входа и площадью критики (1.6).

М_ТЗП – ; F_вх/F_кр (1.6 – рациональное соотношение)

Недостатки:

Профилированные

В РДТТ часто используют приближенные методы: замена спрофилированного на дугм окружности или параболы.

Обычно _а = 5-7.5°.

Сопла с внешним расширением

Преимущества:

– обладают способностью к саморегулированию;

– при прочих равных условиях имеют меньшую длину;

– большой свободный объем.

Недостатки:

– наличие пилонов.

– сложность охлаждения.

Лекция 11

РДТТ космического назначения

• ТТ ускорители РН космического назначения (корпуса ускорителя делаются из сталей с пределом прочности 1300-1600 МПа). На базе такого ускорителя можно создавать двигатели сверхбольшой тяги. SL, TIS, Space Shattle, Arian 5 – создает ускорение 2-3 g.

• гибридный ДУ на основе ТТ

• САС (отвода отсека с космонавтами, катапультирование кресел)

• перигейно-апогейные системы – осуществляют перевод спутника с транспортной орбиты на нужную орбиту

• РДТТ систем управления (сублимационные РДТТ, детонационные РДТТ, управление по горючему)

• Системы отделения ступеней

Лекция 12

Гибридные РДТТ

Преимущества: заряд гибридного двигателя сильно отличается от заряда обычного.

Прямая схема - окислитель жидкий

Обратная схема - горючее жидкое.

Проблемы с хранением компонентов.

Скорость газификации:

U_г = A (V)^v1=0.2p_к^v^v2

Преимущество: рабочий процесс более устойчив

Недостаток: не удается получить высоких полнот сгорания.

ЛЕКЦИИ 9-10

ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ КОНСТРУКЦИЙ РДТТ

1. Общие вопросы

Расчёт теплового состояния узлов РДТТ в общем случае сводится к решению уравнения теплопроводности для многослойной стенки (цилиндрической или плоской) с переменными по слоям теплофизическими свойствами при известных начальных и граничных условиях.

Граничные условия могут быть заданы в виде температуры окружающей среды и законов теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. В связи с этим расчёт теплового состояния элементов конструкции предполагает предварительное определение тепловых потоков к этим элементам конструкции.

2.Тепловые потоки к элементам конструкции

В общем случае процесс подвода тепла к элементам конструкции РДТТ происходит за счёт конвективного и теплообмена излучением, а также частицами окислов металлов (к-фазы), находящимися в продуктах сгорания ТРТ. Доли этих составляющих неодинаковы по тракту двигателя. Так, подвод тепла к элементам газового тракта соплового блока за счёт теплообмена излучением составляет не более 10…20% от общего теплового потока, а влияние к-фазы в области критического сечения наблюдается главным образом в начальный период работы двигателя (1…2 с).

В области переднего днища конвективная составляющая имеет незначительную долю от суммарного теплового потока, а в области соплового днища (особенно многосоплового) влияние осаждения к-фазы на процесс теплообмена может быть очень существенным.

Процессы теплообмена можно с допустимой точностью описать упрощённой формулой теплоотдачи, согласно которой, количество тепла , отдаваемое или воспринимаемое элементом поверхности твердого тела за время , пропорционально разности температуры поверхности и окружающей среды :

(1)

– коэффициент теплоотдачи.

В общем виде задача расчёта коэффициента теплоотдачи по тракту РДТТ ставится следующим образом. Должны быть известны:

- конструктивные схемы двигателя и топливного заряда;

- изменение формы топливного заряда по времени;

- изменение давления в КС.

Предварительно должны быть определены следующие параметры продуктов сгорания:

• состав и массовая доля к-фазы;

• температура ;

• показатели процесса расширения в камере и сопле и ;

• газовая постоянная ;

• коэффициент динамической вязкости ;

• коэффициент теплопроводности ;

• число Прандтля ;

• энтальпия ;

• характерные скорости, входящие в число Re.