Жидкостные ракетные двигатели Добровольский М.В. (1014159), страница 69
Текст из файла (страница 69)
Однако в связи с низким давлением в камере весовые характеристики двигательной установки в целом остаются достаточно хорошими. Основные возможные области применения установок с вытеснительными системами подачи: двигательные установки космических кораблей (например, двигатели системы ориентации спутника «Меркурий»), лег- 12« ких ракет класса «воздух — воздух», «земля — земля», «воздух — земля». Возможно также применение вытеснительной подачи в двигательных установках зенитных ракет (Эрликон), верхних ступеней космических ракет («Эйбл-Стар»).
Кроме того, вытесиительные системы находят применение в качестве вспомогательных систем, например для подачи компонента в ПГГ или ЖГГ, для наддува баков и т, д. Различают три основных вида вытеснительных систем: газобалл он н ые системы подачи, использующие для вытеснения азот, воздух, гелий или какой-либо другой газ; системы с п о р о х о в ы м а к к у м у л ят о р о м д а вл е н и я (ПАД), использующие для вытеснения продукты сгорания пороха, и системы с жидкостным аккумулятором д а в л е н и я (ЖАД), использующие для вытеснения продукты сгорания жидких компонентов. Рассмотрим каждую из этих систем.
9, Ь ГАЗОБАЛЛОННАЯ СИСТЕМА ПОДАЧИ Рис. 9.2. Элементарная схема газобаллояной си стемы подачи: Изменение температуры вытесняющего газа Процессы, происходящие при газобаллонной подаче (см. рис. 9.2) компонентов и при наддуве баков, аналогичны. Газ высокого давления вытекает из баллона и дросселируется в редукторе 2 до давления подачи, при котором и поступает в баки.
При вы- Ззб Газобаллонная вытеснительная система применяется как в качестве основной системы подачи для вытеснения компонентов в камеру сгорания, так и для вытеснения компонентов в ЖГГ, ПГГ и для наддува баков. Вытесняющим газом обычно является азот, воздух или гелий. Пре. имущество гелия перед воздухом и азотом состоит в том, что он имеет меньший молекулярный вес, а следовательно, при одинаковых условиях и меньшую плотность. При выборе вытесняющего газа следует иметь в виду, что он не дол- жен вступать в реакцию г З гг о с компонентом или легко раствориться в нем.
Также необходимо учитывать, что при подаче или наддуве баков с низкокипящими компонентами температура сжижения вытесняющего газа должна быть ниже температуры ! — баллон с газом высокого лавленин; х — редуктор лвв кипения компонента, Таленин; а †топливн баки 4 †мембра. а †каме ави. гатела ким образом, бак с жид. ким водородом можно наддувать либо водородом, либо гелием, так как другие газы при контакте с жидким водородом будут конденсироваться. Элементарная схема двигательной установки с газобаллонной си.
стемой подачи приведена на рис. 9.2. Газ под давлением 250 †3 ага (=25 †Мн(м'), заключенный в баллоне 1, поступает в газовый редуктор 2, где давление газа снижается до необходимой величины и откуда он поступает в баки 3, откуда топливо вытесняется и по трубопроводам поступает в камеру двигателя 5, разрывая установленные на трубопроводе мембраны 4.
Пример. ная схема использования газобаллонной подачи для наддува баков показана на рис. 6.4. При расчете газобаллонной системы задача сводится к определению необходимого объема баллона и запаса сжатого газа, служащего для вытеснения компонентов или для наддува.
текании газа из баллона 1 оставшийся там газ будет расширяться и температура его будет падать. В результате понижения температуры газа к нему будет подводиться тепло от стенок баллона. Но так как этот подвод тепла незначителен, то температура газа в баллоне в конечном счете понижается, т. е. в баллоне 1 имеет место политропическое расширение с показателем политропы и, меньшим, чем показатель адиабаты, т. е.
1<п</г. Воспользовавшись уравнением политропического процесса, можно подсчитать конечную температуру газа в баллоне по выражению тг.„„= Т,,„,„(')" "'" Р«.нач и — 1 и Обозначив велпчииУ(~"'чон ) чеРез си полУчим чР«.нач (9.1) Тг.кон Тг нач 1 (9.2) Величина с, зависит от пеРепада давлений Р„„ /Р,нач и показателЯ политропы и, определяемого интенсивностью передачи тепла от стенки баллона к газу. Можно считать величину и, равной 1,15 — 1,33. В табл. 9.1 приведены значения коэффициента бн подсчитанные при значении и = 1,33. В процессе вытекания газа из баллона температура его в баллоне постепенно снижается от Тг«нач до Тг.кон. При дросселировании газа в редукторе температура реальных газов не остается постоянной.
В частности, для воздуха и азота она пони. жается, а для гелия несколько увеличивается. Кроме того, поступая г баки, газ подогревается от стенок баков. Все эти изменения температуры учесть теоретически очень трудно. Для упрощения не будем учитывать изменения температуры газа в процессе дросселирования и нагрев его от стенок баков. В этом случае каждая порция газа, поступающая в бак 3, имеет температуру, равную температуре газа в баллоне 1 в данный момент. Поэтому первая порция газа при запуске двигателя поступает в бак при температуре Тг.„, а самая последняя порция в конце работы двигателя — при температуре Тг.„,н, Все эти порции газа перемешиваются в баке, вследствие чего средняя температура газа в баке будет промежуточной между Т„„„ и Т„„,н, т. е. Тг кон(Тб.со <Т« вач' Будем считать, что температура газа в баке в конце подачи имеет величину Тб.нон С2Тг вач 19.3) Таблица 9.1 Рг.на ч Рг.кон 10 0,55 0,75 0,50 0,80 0,70 0,87 0,82 0,90 с! С2 337 Величина коэффициента са меньше единицы, но больше, чем значе.
ние с!. Ориентировочные значения с, и са при п= 1,33 в зависимости от Рг а /рг.««он приведены в табл, 9.1. Если учесть изменение температуры газа в процессе дросселироваиия, то для азота и воздуха значение сб будет уменьшаться по сравнению с данными табл. 9. 1, а для гелия — увеличиваться. Расчет объема баллона и запаса газа Для расчета объема баллона и запаса газа служат следующие исходные данные: общий объем бака горючего и окислителя (гб, давление подачи компонентов или наддува баков рбч а также газовая постоянная 1г и начальная температура газа Т, „. Начальное давление газа в баллоне определяется условиями заполнения баллона. Конечное давление в баллоне должно быть выше, чем давление подачи рб на величину минимального перепада давления в редукторе Лррзн, необходимого для того, чтобы обеспечить нормальную работу редуктора.
Величина ЛР, д определяется конструкцией редуктора и зависит от давления подачи или наддува. При высоких давлениях подачи, поРЯдка 30 — 40 ага (=3 — 4 Мн7мз), величина Лррод — — (0,25-:-0,50) Р,ы,. При наддуве или низких давлениях подачи — в пределах 3 — 1О ага (0,3 — 1 Мн(мб) величина Лррзд— - (2 —:10) р„„(см. 8 9. 4). Рассмотрим состояние вытекающего газа перед началом подачи и в конце ее.
Перед началом подачи весь газ заключен в баллоне, и по уравнению состояния можно написать авг.нач~ газ ~газ~ ~Тг нач (9.4) где с㄄— количество газа, заключенного в баллоне. В конце подачи газ находится частично в баллоне, частично в баках. Состояние газа в баллоне можно выразить уравнением (9.5) Рг.кон( газ ~г.кон~Тг.кон где Р,,о, Т... Ог,ко — давление, темпеРатУРа и масса газа, оставшегося в баллоне к концу подачи. Конечное давление в баллоне Р,к„=рб+Лргод. Состояние газа в баках к концу подачи определится по уравнению Ро" 'б ~б'аТб.ион где бб — количество газа, поступившего в баки к концу подачи.
Из формулы (9.4) находим Рг.нач~ газ газ ~~~ г.иач (9.7) Из формулы (9.6) Рбг б б= Дт б.кон Подставив значения Р,„,„и гг,,„в формулу (9. 5), получим )1' ( Р иач газ Гб б ау (9.9) г.изч '~~б.кои г 338 Количество газа в баллоне и баках в конце работы двигателя равно начальному: Гааза=Как.кон ! Каб откуда Р .иачг гаа Рб б (9.8) г.кон газ 'а~ г.изч ггИ б.кок Вводя указанные выше связи между начальными и конечными тем. пературами (9. 2) и (9. 3) и подставив эти выражения в формулу (9.
9), получим Г4Тг нач )ГС2 Тг.на») После преобразований и сокращений получим Рб б с, С!рг. 3» (рб+ Ггррза) Объем баллона прямо пропорционален давлению подачи и объему баков; он уменьшается с увеличением начального давления и не зависит от газовой постоянной применяемого газа. Зная величину объема баллона )7„„„ по формуле (9.7) находим количество необходимого запаса газа (9.11) Рг.нач Газ Газ г.на ч (9 12) Масса газа зависит от его свойств. С увеличением газовой постоян- ной оиа уменьшается. Поэтому применение, например, гелия вместо азота или воздуха позволяет сократить массу запаса газа примерно в 3,3 раза.
Пример. Определить объем баллона для сжатого воздуха и массу воздуха в бал- ноне для ЖРД с баллонной подачей, если полный объем бака с горючим равен )Го=0,209 и', а объем бака окислителя )Г»=0,472 м'. Давление подачи компонентов нз баков рз=30 кГ)смз (2,94 Мн(мз). Начальная температура газа Т,, а»=299'"в. Дав- ление в баллоне принимаем равным 250 кГ|смз (24,53 Мн/мз). Решен не. Определяем суммарный объем баков горючего и окислителя )гб = )Гг-~- 1'о = 0,209 + 0,472 = 0,681 мз, Считаем, что редуктор обеспечивает нормальную подачу при разности давлений в баллоне н баке, равной Ьр „,=7 кГ/смз (0,67 Мн(м').
Находим давление в баллоне к концу работы Рг „,н =- Рб+ аР„,а — 30--; 7 = 37 кГ/смт (3,63 Мн!мт), Отношение начального давления в баллоне к конечному равно Рг.нач 250 = — —.— 6,75. Рг но» 37 По табл. 9, 1 находим коэффициенты сГ и сз для этого отношения: сГ=061; сз —— 0,81. По формуле (9.11) находим объем баллона СГ 0,61 Рб' о 30.104.0 681. — ' ст 0,81 1' газ = 0,156 мз.
сзр, на Г (Рб + арра») 0,61 250. 104 — (30 10 '; 7 104) Мессу газа, заключенного в баллоне, определяем по уравнению состояния: Рг шч! газ = Пггаз)зТг.нач Г/ Рг. »ч(ГГ»з 250.104.0,156 )7ТГ.»ач 29 3 293 отктда Выбор начального давления в баллоне 339 Начальное давление в баллоне р„„„выбирают исходя из следующих соображений. Очевидно, чем больше р„„, тем меньше будет объем, занимаемый этим баллоном, что очень существенно, если необходимо в конструкции ракеты ограниченных размеров разместить шаровой баллон. Можно показать, что масса шарового баллона мало зависит от начального давления в нем. Действительно, масса шарового баллона етб со средним диаметром и' при плотности материала ум и толщине стенки б будет О„= агЯтч.
(9.!3) Так как толщина стенки баллона Рг.начг! 4а (9.!4) где й — коэффициент запаса прочности; н„— предел прочности при растяжении, то са ПЕ!~аРг.ггачтм '-'б 4а, (9. 15) Выразив диаметр через объем шарового баллона бнга, и подставив значение Н в выражение (9. 15), получим баРг.начтм!ггач 1 5нг, Р .и чт "'г*" 4а (9.16) Подставив 1',„, из выражения (9, 11), получим б1 тмЬРб б Рг.аа г Об=1,5 ен(беРгнач (Рб+ бРрелМ или бе ьР~Уб Об= 1,5 (- Ра+ аРреа ) еа с,— Рг.нач (9. ! 7) Из формулы (9. 17) видно, что при заданном давлении и объеме топливных баков рб и ргб масса баллона зависит только от разности Ра+ Ррел Использование подогрева газа Для уменьшения необходимого запаса газа в баллоне, а следовательно, и массы самого баллона можно использовать подогрев вытесняющего газа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
