Лекции по основам РДТТ, страница 6

М_а – молекулярная масса продуктов разложения материала вкладыша, вдуваемых в пограничный слой;

b – коэффициент: 0,2 < < 1,0 b = 0.35

1 < < 10 b = 0.7

Q_с – тепло, затраченное на химические реакции углерода поверхности обугленного слоя с газообразными продуктами сгорания топлива (реакции 1-5).

Суммируя тепловые эффекты реакций (1-5) и приведя их к массовой доле углерода в обугленном слое, получаем:

Q_c =  {[( ) + ( ) ] –

­– [ (

+ ) ]}( )^-1.0 (4)

C_i – массовая доля i-го компонента продуктов сгорания;

J_i – теплота образования i-го компонента.

Задаваясь рядом произвольных значений Т_w по уравнению (3) можно найти . Таким образом, чтобы найти действительную скорость уноса , нужно знать температуру поверхности Т_w.

Как показывают расчеты, значение Q_с с ростом Т_w убывает. В диапазоне Т_w = 2200…2600 К, Q_с  2200…2100 .

Химический унос материала поверхности в общем случае может происходить в кинетическом и диффузионном режимах, что зависит от Т_w.

Анализ показывает, что в реальных случаях Т_w достаточно высока, поэтому, преобладает диффузионный режим, который можно представить в виде следующих основных стадий:

1. диффузия окисляющих компонентов продуктов сгорания через пограничный слой к поверхности материала;

2. химическая реакция на поверхности;

3. диффузия продуктов реакции от поверхности.

При выводе зависимости для массовой скорости уноса материала в диффузионном режиме используется уравнение диффузии.

Расход i-го окисляющего компонента продуктов сгорания через пограничный слой определяется как:

Суммируя окисляющие компоненты продуктов сгорания, принимая равными коэффициенты диффузии всех компонентов и учитывая снижение конвективного теплового потока из-за вдува массы в диффузионном режиме можно представить в виде:

– коэффициент теплоотдачи без учета вдува;

w, r_i – стехиометрические коэффициенты в уравнениях реакций углерода;

MW, MR_i – молекулярные массы материала стенки (в данном случае углерода) и соответствующих компонентов внешнего потока, вступающих с ним в реакцию;

С_i,e – концентрация компонентов (массовая доля) продуктов сгорания топлива, вступающих в реакцию с углеродом, на внешней границе пограничного слоя (известно из термодинамического расчета);

с_р – теплоемкость продуктов сгорания топлива.

В силу того, что _о слабо зависит от Т_w, также является функцией Т_w.

Совместное решение уравнений (3) и (5) дает нам искомую массовую скорость уноса и Т_w. Решать уравнения (3) и (5) удобно графически.

Линейная скорость уноса массы .

1.2. Элементы конструкций сопловых блоков

Сопловой вкладыш с системой отвода и поглощения тепла

1 – наружная стальная обечайка

2 – теплоизоляционный асбестовый слой

3 – графитовый теплопоглощающий элемент

4, 5 – теплоотводящие пластины из пирографита с направленным положением кристаллов

6, 8 – теплоизоляция из пирографита

7 – вкладыш (W, W + Ta, ВНДС).

Анизотропные свойства пирографита широко используются в конструкции сопловых блоков в целях отвода тепла от нагреваемой поверхности, перераспределение теплового потока вдоль продольной оси сопла и в целях теплоизоляции. В зависимости от направления расположения кристаллов пирографит может быть хорошим проводником тепла или превосходным теплоизолятором.

Сопловой блок с твердым охладителем

Горловина соплового блока состоит из набора плоских колец 6, изготовленных из жаростойкого металла. Между кольцами радиально прокладываются пластины 3, равномерно распределенные по окружности. Минимальный зазор _min между пластинами (на внутренней поверхности горловины сопла) определяет расход охладителя при работе двигателя. Твердый охладитель заполняет пространство между кольцами 6, образованное прокладкой пластин 3. Блок из колец с прокладками и охладителем, заполняющим зазоры , монтируется внутри обечайки 4, сваренной с фланцем 2, который крепится на болтах к заднему днищу 1 корпуса РДТТ. Расширяющаяся часть сопла образована графитовыми кольцами 7, имеющими составное покрытие из кольцевых элементов 5. В качестве твердого охладителя могут использоваться полиамидные смолы, в частности, нейлон, образующий при температуре разложения Т_р = 389 К газообразные продукты с низкой молекулярной массой, которые вытекают в зазор  между пластинами 3 и смешиваются с продуктами сгорания топлива, образуя пристеночный слой и охлаждая конструкцию сопла.

В качестве твердого охладителя может быть использовано твердое топливо с низкой температурой горения из-за значительного избытка горючего (на основе каучука и нитрата аммония).

Охлаждаемое сопло с пористым вкладышем

В системе охлаждения вкладыша в районе критического сечения сопла могут быть использованы пористые материалы. Вкладыш горловины сопла выполнен из жаростойкого пористого материала. Охладитель (жидкая или газообразная среда) размещается в специальном баллоне на борту с вытеснительной системой подачи. После запуска двигателя продукты сгорания, двигаясь по соплу, расплавляют пробку 2, при этом стержень 3 открывает отверстие 5, через которое охладитель поступает в полость 1. Из полости 1 через поры во вкладыше 4, отбирая у него тепло, охладитель попадает на омываемую потоком поверхность вкладыша, образуя пристеночный слой.

Утопленное сопло из материалов с нормированным уносом массы

1 – кварцевая ткань, пропитанная фенольной смолой;

2 – сталь;

3 – графитовая ткань, пропитанная фенольной смолой;

4 – угольная ткань, пропитанная фенольной смолой;

5 – плотный графит;

6 – угольная ткань, пропитанная фенольной смолой.

ЛЕКЦИЯ 14

ОРГАНЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРОМ ТЯГИ

14.1. Основные положения. Классификация

Величина потребной управляющей силы, являющаяся исходным параметром при проектировании органов управления (ОУ) конкретной ракеты, выбирается из условия:

,

где – тангажный момент; - управляющий момент; - суммарная управляющая сила, направленная перпендикулярно ракете; - расстояние от точки приложения до центра массы ракеты;

- сумма возмущающих моментов сил, воздействующих на ракету в процессе полета.

Оптимальность выбранного типа ОУ оценивается на этапе ОСИ

Основные требования к ОУ

1. Обеспечение потребных управляющих усилий при минимуме потерь тяги.

2. Высокая конструктивная надежность и массовое совершенство.

3. Стабильность основных характеристик по времени работы двигателя.

4. Возможность использования рулевых приводов минимальной мощности.

5. Простота компоновки на двигателе, не вызывающая усложнения конструкции.

6. Технологичность и сжатые сроки отработки.

В зависимости от способа получения управляющей силы ОУ подразделяют на механические и инжекционные.

В механических ОУ управляющая сила возникает в результате:

- механического воздействия на газовую струю двигателя;

- отклонения ее вместе с устройством управления.

По конструктивному признаку механические ОУ в зависимости от места, занимаемого в конструкции двигателя, подразделяются на базисные и надстроечные.

Базисные ОУ являются органической частью двигателя, его обязательным элементом (поворотные и качающиеся сопла, разрезные управляющие сопла, управляющие сопла с косым срезом и сопла с подвижным центральным телом).

Надстроечные ОУ являются устройствами дополнительными и устанавливаются только для целей управления (рулевые двигатели, газовые рули, дефлекторы, триммеры).

В инжекционных ОУ управляющая сила возникает в результате газодинамического взаимодействия основной струи с рабочим телом, инжектируемым в расширяющуюся часть сопла. Инжекционные ОУ различают по роду рабочего тела: газообразные продукты сгорания основного или газогенераторного топлива или жидкости, инжектируемые в расширяющуюся часть сопла.

Сравнение эффективности различных типов ОУ

- относительные потери тяги из-за установки ОУ;

- отношение управляющей силы к тяге исходного сопла.

1 – газовые рули; 2 – дефлектор; 3 – инжекция фреона; 4 – поворотное сопло.

Наиболее эффективными, с точки зрения обеспечения минимума потерь тяги, являются поворотные сопла и инжекционные ОУ.

Возможности различных устройств управления вектором тяги по направлению с учетом предъявляемых к ним специфических требований определяются следующими основными характеристиками:

1. Относительная величина боковой силы или угол поворота вектора тяги .

2. Относительная потеря тяги двигателя в следствии отклонения вектора тяги .