Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 137
Текст из файла (страница 137)
/(Мтр)— — коэффициент, характеризующий степень конструктивного совершенства системы подачи топлива, чувствительность к увеличению массы системы подачи из-за увеличения р,. Чем более совершенна система подачи топлива и чем меньше увеличивается ее масса с ростом давления подачи, тем меньше ее коэффициент конструктивного совершенства. Используя ссютношение М«с + М, = М,(1 + Ч р«.п) = Мду Мк+арм, получим 678 Мт/Мду = (1 ™ +.р./Мду)/(! + Рс и) Тогда, умножив левую и правую части этого выражения на 1,р, имеем л/Мду = 1у.ср (1 Мк+арм/Мду)/(1 + Рс.м).
(17. 10) На рис. 1?.3 представлена типичная зависимость величин, входящих в (17.9) и (17.10), от давления в КС при заданной начальной массе ДУ. га мла м М= аиду ра/р;-салаг Рис. |7.3. Зависимость / /М от давлении в КС дла вытесни- в ду тельной системы подачи топлива Относительная масса камеры малых тяг М„,арм мало изменяется с ростом давления р„, поэтому при построении графика считали, что М„,а = сопз(. Чтобы увеличить давление в камере, необходимо повысить давление подачи р топлива.
Исходя из прочности толщина стенок топливных баков должна увеличиваться, поэтому растет масса баков. С по.вышением давления подачи р увеличивается масса системы генератора газа за счет увеличения потребного запаса рабочего тела и массы его конструкции. В результате растет масса системы подачи, а запас топлива М, уменьшается. Из рис.
17.3 видно, что вначале 1у с ростом рк(р, = сопз!) увеличивается очень интенсивно и значительно перекрывает потери в импульсе /а за счет уменьшения запаса топлива. В результате растет 1а/Мду. По мере увеличения давления (степени расширения) интенсивность роста удельного импульса уменьшается и с некоторого оптимального значения прирост удельного импульса не компенсирует уменьшения запаса топлива, суммарный импульс уменьшается, уменьшается отношение 1т /Мду. Дальнейшее увеличение давления в КС, несмотря на рост удельного импульса, нецелесообразно, так как в этом случае ЯРД будет сообщать ракете меньший суммарный импульс и дальность ее полета будет уменьшаться.
Следовательно, лишь при оптимальном отношении (1т/Мдь) ракета с М, = сопз! будет иметь максимальную конечную скорость или заданную конечную скорость при меньшей начальной массе. Для вытеснительной системы подачи 679 топлива яовышают 1а/Мцу за счет уменьшения массы топливных баков путем применения новых материалов и улучшения массовых характеристик средств генерации сжатого газа. Так, применение вместо АСГ жидкостного или твердо-топливного ГГ позволяет за счет большей работоспособности (117) 1 кг газа уменьшить массу системы газогенерации рабочего тела.
В результате зависимость 1х /Мду с жидкостным газогенератором идет выше аналогичной зависимости с АСГ при большем значении оптимального давления р„. Так же как и для АСГ, имеется свое оптимальное давление р„для ЖРД с ЖГГ, ТГГ и др., после которого нецелесообразно повышать давление в КС. й 173. РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ ПРИ НАСОСНОА СИСТЕМЕ ПОДАЧИ ТОПЛИВА Для насосной системы подачи топлива преобразуем уравнение (17.10) с учетом специфики работы ЖРД с ТНА.
При вытеснительной системе подачи топлива весь расходтоплива проходит через КС и удельный импульс камеры является одновременно удельным импульсом ЖРД. При насосной системе подачи для ЖРД без дожигания часть тоцлнва расходуется на генерацию рабочего тела турбины, тогда удельный импульс 17 д Р (гпв + тлт т) 17/(1 + 1) (17.11) Из уравнения (17.11) видно, что с ростом 1 удельный импульс ЖРД уменьшается. Причем чем совершеннее ЖРД, тем больше относительный расход топлива на привод турбины.
Последнее обьясняется тем, что увеличение удельного импульса камеры сопровождается ростом давления в КС. Для подачи топлива в КС насосы должны создавать все большие и большие давления подачи, что требует повышения мощности турбины и расхода топлива на нее. На рис. 17г4 изображено изменение удельного импульса камеры 1 и относительного расхода топлива 1 от давления в КС (р, = сопз1) и удельного импульса ЖРД. Из рисунка видно, что до определенного давления в КС уменьшение расхода топлива через камеру в связи с ростом 1 компенсирует увеличение расхода топлива на привод турбины — удельный импульс ЖРД возрастает. После определенного давления, когда 1 менее интенсивно растет, уменьшение расхода топлива через камеру не компенсирует !да увеличение расхода топлива на турбину, и удельный импульс ЖРД уменьшается.
Дальнейшее увеличение удельного импульса с турбонасосной системой подачи топлива за счет повышения давления в КС возможно при улучшении КПД насосов, турбины, повышении температуры Рис. 17.4. Зависимость / и 8 от рабочего тела турбины, т. е. за счет давления н камере сгорания " снижения 1. К сожалению, наиболее 680 эффективный путь снижения ! (и,,) — повышение температуры газа перед турбиной — трудноосуществим ввиду большой конструктивной сложности создания охлаждаемых лопаток и отсутствия приемлемых для этих условий материалов лопаток турбины ЖРД.
Указанная трудность и ограничивает для ЖРД без дожигания рост давления в КС и дальнейшее повышение удельного импульса ЖРД. Найдем применительно к турбонасосной системе подачи топлива зависимость /п /Мду. В ДУ при насосной системе подачи топлива начальная масса Мду = М„-1- М + М„ где Ме.п = Мтил + Ме.п + М + Мб„,', Мтил — масса турбонасосного агрегата; М,, — масса системы подачи топлива для генерации рабочего тела турбины; М, — запас топлива для генерации рабочего тела турбины; Мб,гг — масса топливных баков с системой наддува баков. Первые три члена в Мг п относятся к ЖРД. Тогда /х/Мду = 1„,,„(1 — М.+.,„/Мду)/(Ц+ р,.). (17.
Гй) Зная аналитическую или опытную зависимость /„,,р.д, массы камеры и системы подачи топлива от давления в КС, можно по уравнению (!7.12) построить зависимость /х/Мду от давления и найти оптимальное давление в КС. На рис. 17.5 видно, что с ростом давления р„отношение /а /Мду вначале интенсивно растет и достигает максимального значения, а далее плавно уменьшается. Давление в КС, при котором достигается максимальное значение /а /Мду, является оптимальным. Дальнейшее повышение давления в КС нецелесообразно. 7, йлр Й-— Гт Р1„„ р„/р;-сала| Рис.
!7.8. Зависимость / /М от данлеиия н КС х ду для турбонасосной системы подача топлива: 1 - гааогенератор ва основных хомпоневтах; à — гааогевераторна вспомогательных вомповеятах; а — жрд с Ломвга- ввем рабочего тела ттрбвмм а КС Сравнивая характер изменения 1 /Мдг для вытеснительной и насосной систем подачи топлива, замечаем, что для насосной системы зависимость 1з/Мду изменяется в районе оптимума более плавно, что позволяет без большого ущерба для 1 /Мдг несколько варьировать в выборе р„исходя из других соображений, например из проблемы охлаждения камеры и др. Как видно из рис. 17.5, имеется дальнейшая возможность повышать удельный импульс камеры за счет увеличения давления в ней (р, = сопз().
Чтобы использовать резерв повышения удельного импульса КС с целью увеличения 1 /Мдю идут по пути совершенствования рабочего процесса ТНА и снижения массы системы подачи топлива. Например, можно улучшить турбонасосную систему подачи за счет генерации рабочего тела турбины из основных компонентов топлива с питанием ГГ от основных насосов вместо применения третьего компонента, например перекиси водорода, со специальной системой подачи в газогенератор.
В этом случае появляется возможность улучшить работоспособность 1 кг рабочего тела (уменьшение «); уменьшить массу системы подачи топлива (нет баков для вспомогательного топлива — используются основные, нет специальной системы подачи топлива в газогенератор — используются основные насосы и др.), уменьшить массу системы наддува топливных баков за счет использования выхлопных газов турбины (не требуется специальных емкостей для системы наддува) и др.
Применение более совершенной системы подачи топлива позволяет повысить основную характеристику 1з/Мдю максимальное значение которой достигается при более высоком значении р„, по сравнению с менее совершенными системами подачи топлива (рис. 17.5). Несмотря на возможность дальнейшего совершенствования ЖРД без дожигания для увеличения 1 /Мду за счет совершенствования системы ТНА, этот путь ограничен и не позволяет существенно улучшить 1„/Мду.
В то же время возможности увеличения удельного импульса за счет повышения давления (степени расширения) в КС весьма большие. Выходом из этого положения является применение ЖРД с дожиганием, у которых продукты газогенерации ТНА с неиспользованным запасом химической энергии дожигаются в КС прн з,ю. На рис.
17.5 показан характер изменения 1 = 1 д и 1з/Мдг от давления в камере ЖРД с дожиганием. Из рисунка видно, что отношения 1 /Мду достигают большей величины, чем для ЖРД без дожигания. Применение ЖРД с дожиганием особенно выгодно при высоких давлениях р„для ЖРД больших тяг. й 17Д. ВЫБОР ТИПА СИСТЕМЬ$ ПОДАЧИ ТОПЛИВА Для определенной ракеты выбирают ту систему подачи топлива которая при заданном суммарном импульсе будет обеспечивать луч шее отношение 1з/Мдю Для этого при оптимальном давлении для вы В82 теснительной и турбонасосной систем подачи топлива определяется значение 1 /Мдю Опытному конструктору, как правило, заранее ясно, какую систему подачи топлива нужно выбрать для ракеты в зависимости от 1 . Заранее известно, что оптимальной системой подачи топлива для баллистических ракет среднего и дальнего действия, межконтинентальных ракет, ЗУР и т. п., т. е.
для ракет с большим суммарным импульсом 1, выгоднее турбонасосная система подачи топлива. В этом случае уточняется величина давления, допустимого для данного типа ЖРД с учетом современного состояния ракетного двигателестроения. Для ракет с малым суммарным импульсом более выгодна вытесни- тельная система подачи топлива. В случае когда по величине суммарного импульса проектируемая ракета стоит на границе применимости той или иной системы подачи топлива, следует провести вышеуказанный анализ и определить, при какой системе подачи топлива достигается большее значение 1 /Мдг, учитывая, что ранее разработанные рекомендации могут быть устаревшими в связи с развитием и совершенствованием того или иного типа системы подачи топлива. На выбор типа системы подачи топлива могут оказать влияние не только величина суммарного импульса, но и условия работы ракеты, в которых эта величина должна быть получена.
Если ракета работает в плотных слоях атмосферы, то добиться роста удельного импульса можно за счет (при прочих равных условиях) повышения степени расширения при одновременном росте давления в КС, а для двигателей, работающих в вакууме, можно добиться высоких удельных импульсов при низких давлениях в КС за счет понижения давления на срезе сопла. В этом случае может оказаться более выгодной для определенных значений суммарного импульса вытеснительная система подачи топлива, так как можно в топливных баках держать низкое давление подачи топлива. Системы подачи топлива и параметров ' ЖРД выбирают после анализа отношений 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
