Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 118
Текст из файла (страница 118)
Рис. 13.25). Конструкция и тип баков определяются схемой и условиями эксплуатации ДУ. Конструкция баков должна быть устойчива под воздействием внешних (аэродинамических) и внутренних (давление вытеснения топлива, статическое и динамическое воздействия массы топлива, находящегося в баках) снл, инерционных перегрузок и должна обеспечить максимальную полноту выработки топлива, а также минимальное растворение (или конденсацию) газа, находящегося в баке в компоненте топлива. Наиболее эффективный способ выполнения последнего требования — исключение непосредственного контакта между газом и компонентом топлива путем применения устройств с механическим разделением фаз: оболочки, расширяющейся (сжимающейся) по мере расходования компонента топлива, упругой мембраны, деформирующейся в ходе процесса вытеснения (см.
Рис. 13.25), и т. п. В зависимости от передаваемых на стенки топливного бака силовых нагрузок различают несущие, нагруженные и разгруженные баки. У несущих баков стенки воспринимают силовые нагрузки, действующие на ЛА. Нагруженными баками называют баки ДУ с вытеснительной системой подачи топлива. Разгруженные баки характерны тем, что силовые нагрузки на них сведены к минимуму.
Этот тип баков используется в ДУ с ТНА. Размещение топливных баков на ЛА определяется условиями центровки и обеспечения бескавитационной работы ТНА (максимального использования гндростатического напора столбов жидких компонентов топлива). Исходя нз этих условий на большинстве ЛА бак окислителя располагается над баком горючего. В конструкцию топливных баков в общем случае входят устройства, предназначенные для: забора компонента топлива из бака— заборное устройство, сброса избыточного давления из свободного объема бака, подачи газа в бак при падении давления в нем нижеуровня, допускаемого из условий прочностной устойчивости стенок (устройство «дыхания»), ввода газа наддува, демпфирования колебаний жидкости и др.
Расчет объема топливных баков. Объем топливных баков Уи о н Ув „рассчитывают из условия размещения в них заданных масс окислителя М, и горючего М„, называемых массовой заправкой компонентом топлива. Массовую заправку определяют из условий обеспечения теоретически необходимого для создания заданного суммарного импульса тяги количества топлива Мт о и М, „ (полезной массы топлива) и компенсации непроизводительных затрат топлива М„, и М„ „.
Под непроизводительными затратами понимается масса компонентов топлива, не используемая для получения расчетной тяги при полете ЛА; Наличие непроизводительных затрат вызывает уменьшение (против возможного при полном использовании запаса топлива) суммарного импульса тяги, увеличение конечного веса ДУ и, как следствие этого, снижение конечной скорости ЛА. На рнс. 15.1 показано влияние полноты использования топлива на конечную скорость ЛА с относительным конечным весом )ь„= = 0,2. На рисунке К„„=- Ул1'У,— отношение действительной конечной скорости У, к конечной скорости возможной при 1005»-ном использовании топлива — У„а М процент неиспользованного топлива.
Величина непроизводительных затрат складывается из гидравлического остатка недозабора ЛМ„ конструктивных остатков недозабора ЛМ„, тепловых остатков недозабора ЛМ„ гарантийного остатка топлива к моменту окончания работы ДУ ЛМ,„ расхода топлива на привод ТНА и наддув топливных баков (расход в систему газогенерации) ЛМьо запаса топлива на предстартовые потери (испарение„ выброс через дренажные системы, расход на захолаживание магистралей и пр.) ЛМ„ потерь на выброс непрореагировавшего топлива при запуске двигателя и на расход топлива до старта ЛА — ЛМ,. Гидравлические остатки недозабора обусловливаются тем, что к моменту обнажения заборного устройства в баке еще остается некоторое хп количество топлива.
Гидравлические остатки недозабора могут быть сведены к минимуму путем рационального выбора конструкции и разме- йв щения заборного устройства. Если тРаектоРия ЛА задана заРанее, то Р 15 1 3 Рис. 15.1. Зависимость иоиевиоя можно аналитически определить Рас сьогости галеты от полно положение свободной поверхности польаоваиии топлива жидкости в момент окончания работы ДУ (при наличии действующих перегрузок) и соответствующим образом разместить приемный патрубок заборного устройства. При более сложном законе перемещения жидкости используют передвижное заборное устройство «отслеживающее» перемещение поверхности жидкости в баке (рис.
15.2,а). Принцип действия такого устройства основан на том, что а) 1 2 ~ д) ' - приемный патрубок получает возможность перемещаться под действием тех же сил, которые заставляют перемещаться жидкость. Недостаток такого устройства заключается в том, что при возникновении отрицатель- 4 2 Я 5 у А А ных перегрузок жидкость устремляется к противоположРис. 1525 Устройства для гашения во- ной стороне бака. Конструкронки с подвижным (а) и неподвиж- тивное решение подвижного за- ным (5) заборными Ус»Ройс»вами: борного патрубка для работы в 1 — топливный бак; 2 — зеРкало жнккастнг 2 — такиХ усдоинях Затрудиеип гибкий пгланг: Š— ребра Кля гашения воронки; 5 — наконечник заборного устройства; 6 — ТНКИХ Сдунаяк ПрнбЕГНЮТ К уСТ- кронштейн крепления норонкогзсявгего кону.
Ойствам с механическим рааса; 1 аоронкогасящий ианус; А — вы»оя вз топливного бака делением фаз или инерционным разделительным устройствам (см. 9 13.7). Гидравлические остатки недозабора объясняются тем, что при определенном расстоянии между входом в заборное устройство и поверхностью жидкости в баке может образовываться воронка, в результате чего газ прорывается в магистраль компонента топлива. При осесимметричном входе жидкости величина столба жидкости над входом в заборное устройство, при котором возможно это явление, у„р может быть определена по эмпирическому уравнению: У„р — — 0,430(Ь(1,3 г'гш ) (15.3) где 'Π— диаметр топливного бака; Гг = па)(аг() — критерий, характеризующий условия течения потока; и — скорость перемещения поверхности жидкости в баке; а — ускорение ЛА; с( — диаметр входа в заборное устройство.
В общем случае величина у„р зависит от ряда факторов (вращение столба жидкости в баке, внешйяя форма приемного пнтрубка и пр.). Для снижения величины у„р можно рекомендовать установку устройств, препятствующих возникновению воронки (рис. 15.2,б). Принцип действия этих устройств основан на механическом воздействии на вращающийся столб жидкости и к отдалению, за счет этого, момента возникновения воронки. Тепловые остатки недозабора объясняются тем, что во время работы ДУ температура топлива, находящегося в баках, возрастает изза аэродинамического нагрева стенок бака, притока тепла от газа наддува и воздействия ряда других факторов (например, вследствие пе.
594 репуска компонента топлива из насоса обратно в топливные баки— работе на «закольцовку»). В результате часть топлива может быть нагрета до температур, исключающих возможность подачи к насосам из-за опасности возникновения кавнтации. При останове ДУ эта часть топлива остаегся в баках и учитывается как тепловой остаток недозабора.
Гарантийный остаток топлива объясняется невозможностью точного поддержания в полете заданной величины соотношения компонентов топлива (из-за изменения их температуры, влияния перегрузок и ряда других факторов). Вследствие этого один из компонентов топлива может быть выработан преждевременно. Обычно, если не предъявляются какие-либо специальные требования, оставляют гарантийный остаток горючего, с тем чтобы окислитель (вследствие того, что он находится на борту ЛА в большем количестве) был выработан наиболее полно.
Величина гарантийного остатка определяется заданным допуском на массовое соотношение компонентов топлива +о»та )с„, Д' . Величина допуска зависит от принятой системы регулирования двигателя. С учетом изменения плотности топлива и давления на входе в насосы отклонение в соотношении компонентов в общем виде может быть описано уравнением дйш дй„, ° д)тш Ай = — (Р.— о.') + — (Р.— о„') +,— (Р...— р,'„.) + дйщ + др ()Ув» г Рзк,г) (1 5.4) где р„, и р„, — давление на входе в насосы окислителя и горючего; р, и рг — плотность окислителя и горючего (штрихом обозначено максимальное отклонение от расчетных величин).
При наличии регулирования по соотношению компонентов уравнение (15.4) принимает вид с»уст — (Ро Ро) + (Рг Р„). дйш дйш (1 5.5) дро дрг При проектировании можно принять: для систем без регулирования соотношения компонентов топлива Д)с, = Л)5 „= Л)с = 3% М; (15.6) 595 для систем с регулированием соотношения компонентов топлива 1б)с = А)г „= А)г =!1% М .
(15.7) Соответственно гарантийный запас компонентов топлива может быть определен из уравнений: АМгг=М „АЙ „/1(й +1) — А)г ); (15,8) АМ„, = М,.,Ай,)(Р. (й + 1+ б)с )), (15 9) Расход топлива в системе газогенерации определяется при расчете соответствующих систем двигателя. Величина запаса топлива на пред- о(о (Р ах тт!пРпнп а Рктта» Ртако) ~ Ах: Аа; г б.о Ртах о Рт!п а (Рта» Тт!и РзТтах) (15. 15) стартовые потери для стабильных компонентов жидких ракетных топлив принимается равной нулю, Для низкокипящих и криогенных компонентов жидких ракетных топлив этот запас определяется факторами, не поддающимися аналитическому учету (условиями заправки и хранения ракеты на старте, обьемом бака и совершенством его термоизоляции и т. д.). В проектных расчетах для жидкого кислорода можно принять: ЬМ„, = 1%Мг о Потери топлива при старте определяются программой запуска и выхода двигателя на режим.
В проектных расчетах ориентировочно можно принять АМ, = (2,5 †: 0,2)л!, (15.10) где и! — массовый расход топлива ЖРД на стартовом режиме. Ббльшие значения ЬМ, относятся к криогенными несамовоспламеняющимся компонентам, меньшие — к стабильным самовоспламеняющимся. В итоге уравнения (15.1) и (15.2) могут быть переписаны в виде М = М,, + АМ,, + АМ„, + АМ, б+ АМт, + АМ„, + + ЛМ, + Лмт,; (15.11) Мг Мх г +'-~к~(гг+ ~Миг + ~Мтг+ ~Мо г+ ~Ми г+ + АМ„„+ АМвгт (15.12) Объем топливных баков ЛА, стартующих непосредственно после заправки топливом, определяется уравнениями 1 б.о ™о)(Ризах о йо) + А~ т.о + А1 и.о ()о 13) 1 б г Мг((Ранах г йг) + ")1 и г + 81 и.г (15 1 1) где р,х — плотность компонента топлива при максимальной температуре эксплуатации; й„й„— коэффициент, учитывающий наличие незаполненных топливом полостей внутри бака (для проектных расчетов можно принять й, = йг = й =- 0,990 —: 0,998); А1'„— изменение (увеличение) объема бака из-за силовых воздействии (гидростатическое давление топлива, давление наддува топливных баков и т.
п.); хх)7, — изменение объема бака из-за температурных деформаций. Полный объем бака с учетом свободного объема, необходимого для компенсации колебаний давления при изменении температуры топлива во время хранения заправленной ракеты, может быть найден из уравнений, определяющих изменение состояния газа в свободном объеме при максимальной Т ,х и минимальной Тиби температурах эксплуатации: в заправленном состоянии; р, — давление в баке при заправке топливом. Расчет объема топливных баков систем АСГ прямого расширения отличается от изложенного тем, что в этом случае величина рв не может выбираться произвольно, а определяется из условий вытеснения заданного количества топлива при обеспечении давления р м в баках к концУ вытеснении. Величина Р,п Равна давлению в топливных баках, обеспечивающих минимальное давление в камере сгорания в конце работы ЖРД.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
