Жидкостные ракетные двигатели Волков Е.Б. Головков Л.Г. Сырицын Т.А. (1014157), страница 24
Текст из файла (страница 24)
З.!В. дроссельная характеристика как это следует Пз сооткамеры ЖРЛ ношения (2.72), проходит через начало координат. Параллельно ей со смешением вниз на величину ркР, (см. формулу 2.73) проходит прямая Р=Р(0к). Тангенс угла наклона прямых уха=Я(С)к) и Р=Р(йк) одинаков и равен удельной тяге в пустоте Яка. Заметим, что при ба=0 Р= — ркс,, Точка (0к= 0; Р= — р„Р,) является чисто формальной и нужна только для того, чтобы построить дроссельную характеристику камеры. В действительности камера при нулевом расходе топлива не создает никакой тяги, тем более отрицательной. Такое противоречие объясняется тем, что установленные в ~ 2.2 зависимости, которые определяют тяговые характеристики камеры, справедливы лишь в определенной области изменения величины с) (или р„). Начиная 124 с некоторого* значения Оатсы (плп рампа), при дальнейшем уменьшении расхода топлива свсрхкритический безударный режим течения газа в сопле сменяется ударным и эти зависимости перестагот быть справедливыми.
Ероаге того, вследствие уменьшения расхода топлива резко (по квадратичной зависимости) снижается перепад давления на форсунках, ухудшается качество распыления топлива п нарушается нормальный процесс его горения. Все это приводит к тому, что при расходах топлива б ( О, с. Оа „„, график Р= — Р(0а) сгановится криволинейным. Характер зависимости Р = =- Р(Ов) на этом участке условно изооражсн пунктиром.
Приближенно зависпмошь Р от р| ~рп рос роаии выражается уравнением а, Р= г, ( ) Р,р~~~ Ва+ '" ра — В), (2.75) где и, * Значение р, „„эависит от давлении оиружношей среды ра и определветси приближенно соотиопгегтнеаг при г,т (!. "' ',-г,,') (2.76) где п ~2 — опытный коэффициент. 125 Уравнение (2.75) выводится исходя из того, что при Ро Роы внУтРи сопла РасполагаетсЯ пРЯмой скачок )гггготнения. Более точные зависимости для расчета тяги и удельной тяги при ударноъг сверхкритическом течении газа в сопле здесь не излагаются. Интересуюшпхся этим вопросом отсылаем к работе [31 В дейсгвительностн !и и )ттл зависят ог расхода топлива, так как с изменением Оа несколько изменяются полнота сгорания топлива и степень днсгоппаппп продуктов сгорания.
С увеличением О„ как правило, )р и гстл слабо возрастагот и поэтому зависимости Й = учг(Ос) и Р = Р(Оа) ие являются строго линейными. Однако если интервал изменения Оа невелик, то использование линейных зависимостей (2.72) и (2,73) не приводит к заметным ошибкам при расчетах. Дроссельная характеристика камеры может быть полу. чена как расчетом, так и в результате огневых испытаний двигателя. При этом ввиду линейной зависимости Р н Р от Оо для построения характеристики нужна всего лишь гздна точка — значение Р или Р при каком-нибудь значении О ) О, о„„(нлн ро ) ро о„„). Если известна реактивная сила Р, то проводят прямую через начало координат и эту точку.
Если известна тяга Р, то прямую проводят через эту точку и точку с координатами О„= О; Р=--Р»Р,. При расчете дроссельной характеристики следует пользоваться формулами: о' = Ус'„ЄЄ„; й ороРкр РоРа~ Рчо = — нотр — - — о~ —.— 1о,' Ло оо ~'ор О»= Ро тт', Р, Р„х и О„от давле- поскольку они дают зависимость няя в камере в явном виде. Дроссельная характеристика того, чтооы ~настроить двигатель, действия и прп других расчетах расхода топлива через камеру.
камеры используется для определить импульс послесвяза~нных с изменением Влияние давления окружающей среды р„. Р= Рх — г, то с уменьшением р„тяга двигателя линейно возрастает, достигая своего наибольшего значения в пустоте, Удельная тяга двигателя то то при этом также линейно увеличивается, стремясь к значению удельной тяги в пустоте.
Усменьшсние р, и соответствующий 12б Удельный импульс давления 1р как характеристика совокупности процессов, происходящих только в камере сгорания и «прикрытых» от влияния окружающей среды сверхзвуковым «щитом», не зависит от рго От ро не зависят также реактивная сила (тяга в пустоте) и удельная тяга в пустоте, так как эти тяговые характеристики как раз и определяются при отсутствии воздействия на камеру окружающей среды (прн р«=О). Таким образом, от р„зависят только тяга и удельная тяга двигателя. С уменьшенном ро убывает величина составляющей тяги г=р„р„н поскольку рост Р и Ртд имеют место при полете ракеты на активном участке траектории.
Однако, ввиду того что давление атмосферы с высотой падает не по линейному закону*, зависимость тяги и удельной тяги от высоты полета имеет нелинейный характер. Эта зависимость при неизменной геометрии камеры и постоянном расходе топлива называется высотной характеристикой камеры, Ее примерный вид изображен на рис. 2.16. Чтобы построить высотную характеристику, можно использовать формулы (2.73), (2.?4) и функцию Р„=) (Н), например в виде таблиц МСА. Высотная характеристика необходима для расчета траектории ракеты. р р Вопрос о влиянии давления у д У ад,у окружающей среды на тяго- Р Р вые характеристики двигателя р четном и нерасчетных режи-:1," ру уд мах работы соила.
Дело в том, что сопла современных Ж(тД ?д выполняются в виде обычных Сг ° сао»1 геометрических сопел — сопел и Лаваля — с неизменяющимися во время работы размерами рис. йлб. Высотная характеристика Кроме того, основную часть . к а~яры жрд времени двигатели работают при постоянном расходе топлива, а следовательно, при постоянном давлении в камере и на выходе из сопла. По зтим причинам сопла, как правило, функционируют нс в наиболее выгодном расчетном режиме (когда Р,=-Р„), а в нерасчетных режимах, пбо давление атмосферы изменяется на активном участке траектории полета ракеты.
Это и обусловливает потери тяги и удельной тяги либо на недорасширение (когда Р,>Р,), либо на перерасширение (при р,<Рв), либо на то и дРУгое вхгегте (когда в начале полета Ра<рго а в когще Р, >Р ). Чтобы обеспечить наибольшую удельтгую тягу, желательно гиметь у камеры )КРД такое сопло, которое в полете изменяло бы величину ), с соблюдением условия р,=рн в любой точке траектории полета. Такое воображаемое («резнновое») сопло, геометрическая степень расширения которого изменяется в строгом соответствии с изменением давления окружающей среды, называется идеально регулируемым.
е Значения рк в аависимости от высоты пад уровнем моря содержатся в таблицах нли графиках, полученных в реаулыате экспернментального исследования атмосферы. Таковы, например, таблицы МСА (Международной стандартной атмосферы) и др. 127 Однако практическая реалцзацпя этой идеи встретилась с большими трудностями. Проблс»а создания регулируемых сопел Лаваля ие решена и до настоящего времени. Чтобы уменьшить потери тяп! и удельной тяги, связанные с нерасчетными режимами работы сопел, наряду с поясками приемлемых конструктивных решений ведутся работы по исследованию сопел других типов, автоматически обеспечивающих подлержание на выходе давления р„близ!-ого к давлениго окружающей срезы ':".
$2.5. пОтеРи удельнОН тяГи В ЖРЦ. кОэФФипиенты СОГЛАСОВАНИЯ ТЕОРИИ С ОПЫТОМ Для люоого ЖРД теорсгпческ~!е значения тяговых характеристик (1г', Р, Рта и Лр.), определенные расчетом по формулам й 2.2, как правило, ие совпала!от с опытными их значения»и, полученными при огневом испытании двигатсли. Это несоответствие объясняется принятой плеализацией рас!стной мо.[ели Ж!зД (см. ч 2.1) и потерями, испзосжнымп во всяком реально» процессе преобразования энергии.
Особо от»стим, чго поскольку ЖРД является тяговыз! Лвигателсз!, т. с. Лп!Ггатслс», прелназначсиным для выработки опрелеленного ичпульса ! = ' Ргтт(т, — полное время раооты цвигатсля), то, чтобы более правп,!ьио оценить качество и пути соверп!енствования ЖРД, слелует рассматривать потери не энергетических, а именно импульсных (тяговых) его характеристик, важнейшей из которых является удельная тяга (импульс, создаваемый единицей веса израсходованного топлива). Потери улельной тяги в )КРД вызываются действием двух групп факторов: внешних и внутренних.
К внешним относятся факторы, обусловленные влиянием окружающей среды, а к внутренним — факторы, завися!цие только от организации отдельных этапов рабочего процесса в камере двигателя. Рассмотрим влияние этих факторов в отдельности с качсствснной и количественной стороны. Внешние потери уяельной тяги в ЖРД Как уже указывалось, из внешних факторов для камеры лвпгателя главным является изменение давления в окружаю. щей среде р„на активном участке траектории полета ракеты Это изменение р„у обычных (нерегулируемых) сопел )КРД созлает потери улельной тяги, обусловленные работой сопел в нерасчсгных режим!ах. Для количественной оценки внешних * См сисек! иа сгр.
! !9. 128 потерь вводят так называемый коэффициент относительного изменения удельной тяги на нерасчетных режимах гч!р, равный отношению теоретической удельной тяги на нерасчетном режиме Рул „ к теоретическому значению удельной тяги этого же двигателя на расчетном режиме Руд р, т. е. Руз. нр ,нр уз У двигателя с соплом неизменной геометрии, работающего на данном топливе, скорость истечения продуктов сгорания ш, постоянна и не зависит от давления в окружающей среде ". У этого двигателя та'а Р уа р и Р, = — + ' ша Р Рн у,, нр — и Тогда (таа — Рн) 'нр 1 3 К т.ш. Отсюда, учитывая уравнение состояния, уравнение изоэнтропы и формулу скорости истечения, получим и,— ! нр н,— ! (Р.~ н, Видно, что оно является линейной функцией отношения Р„!ар,, На рис.
2.!7 изображен график этой функции при различных степенЯх РасшиРениЯ газа в камеРе Ро1Р, и постоЯнном и!=1,2. Значениям Р„ггр, в интервале от 0 до 1 соответствуют режимы недорасширения; предельному значеншо Р„/Ра=О отвечает работа двигателя в пустоте. Ыа режимах нсдорасширения !озэффиггпсну срнр>1, т. е. удельная тяга [в!ггателя с постоянным соплом ири уменьшении наружного давления все же возрастает, несмотря на отход от оптима.!ьпого соотношения между Р„и р,. Однако не следует забывать, что это возрастание у двигателя с идеаль' СлУчаи, ьогзз Р, стннонитгЯ меньше Р„нн, п и сопле РенлнзУетсн ударное (са скачкаин уплотнения] течение газа, здесь ие рассиатрииаштся.
Нели шна Р,„,„„определяется по приближенной зависимости пР ! Ра анн— йл! — М а где а=2 — опытный козффиниент. Рл й 3 аз, чз Ра Внутренние потери удельной тяги в ЖРД Внутренние потери удельной тяги обусловлены несовер. шенством организации рабочего процесса в камере сгорания (неполным сгоранием топлива), тепловым сопротивлением камеры и потерями энергии в сопле. По этим причинам действительная (экспериментальная) удельная тяга в пустоте /тта з„„являющаяся обобщенной характеристикой качества рабочего процесса в камере, всегда будет меньше теоретиче. ской удельной тяги в пустоте этого же двигателя /ттд.теор 130 но регулируемым соплом (всегда обеспечивающим условие Ра=р„) было бы значительно большим.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
