Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 139
Текст из файла (страница 139)
Вторая характерная черта развития ЖРД вЂ” освоение более энергетически мощных топлив, с целью максимального повышения удельного импульса. На первом этапе (примерно до середины 50-х годов) использовались топлива, в которых в качестве окислителя применялась азотная кислота (с добавкой или без добавки четырехокиси азота) с керосином и эквивалентным ему по энергетике, но самовоспламеняющимся горючим — тонкой.
Реже использовались топлива на основе жидкого кислорода, когда наиболее часто горючим с ним был спирт (керосин с кислородом только начинал внедряться в практику). На втором этапе (к концу 50-х годов) стали использовать более эффективные топлива: в качестве окислителя — четырехокись азота; в качестве горючего — несимметричный днметил гидразин, гидразин и их смесь.
Широкое распространение получили энергетически мощные топлива на основе жидкого кислорода со специальными углеводородами типа керосина, а также топливо на основе жидкого кислорода с несимметричным диметилгидразином. Создание мощных ЖРД на кислородно-углеводородном топливе позволило в этот период ракетной техники решить такие эпохальные задачи, как запуск пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций. 690 В последующие годы начался этап освоения еще более мощных топлив. Были созданы и получили практическое применение ЖРД, работающие на кислородно-водородном топливе.
Началось освоение топлива на основе самого энергетически мощного окислителя— жидком фторе, и были созданы первые опытные ЖРД, работающие с этим окислителем. Появляются сообщения и о практическом освоении одного из самых эффективных ныне химических топлив — фтороводородного„ что позволяет существенно повысить сразу две важные характеристики — удельный импульс ЖРД и плотность топлива.
Наряду с освоением высокоэнергетических жидких топлив большие работы ведутся в направлении создания и освоения жидких топлив с добавками к горючему некоторых металлов и их соединений, например 1.1, Ве, Мя, А1, 1!Н, ВеН,. Напомним, что композиция О, + Н, + + Ве на сегодня является наиболее энергетически мощным топливом. Использование металлов и их соединений в ракетных топливах, обеспечивающих повышение удельного импульса и плотности топлива, позволяет значительно улучшить характеристики ракет и космических ЛА. Хотя надо отметить, что разработка отвечающих всем требованиям эксплуатации способов использования этих добавок в жидкостных ракетных двигателях наталкивается на большие трудности.
Вместе с тем из-за возросшего значения в последнее время экологических проблем, топлива, которые сами и их продукты сгорания сильно загрязняют среду, подвергаются серьезной критике. С этих позиций предполагают, что такие компоненты, как несимметричный диметилгидразин, фтор и его производные, бериллий и др., несмотря на их большие энергетические достоинства, будут использоваться в будущем в ограниченном масштабе. С другой стороны, наиболее перспективным топливом является кислородно-водородное, которое не загрязняет среду и будет все шире применяться в ракетной технике.
Третья характерная черта развития ЖРД вЂ” постоянное форсирование и улучшение его основных параметров, С одной стороны, имеет место значительное повышение тяги одиночного двигателя, например, самый «большойэ ЖРД конца второй мировой войны имел Рж 0,245 ° 10з Н, современные двигатели имеют Ры (5,0 —: 10) 10з Н. Прорабатываются и изучаются двигатели и с ббльшими значениями тяги, которые могут быть необходимы для дальнейших космических программ, а с другой — значительный рост давления в КС. Если двигатели конца второй мировой войны имели и„= (15 —: 25)10' Па, то в современных двигателях давление в КС достигает р„= (150 —; 300) !О' Па и имеет тенденцию к дальнейшему повышению. Увеличение давления в КС сразу улучшает три важных показателя: повышается удельный импульс, уменьшаются габариты и масса.
Удельный импульс увеличивается ввиду увеличения степени расширения-газов в сопле, т. е. Р !Р,, Если при Р„/Р, = 20 —: 25 удель- 69! ный импульс ! = (О,б —: 0,65) 1 „„, то при р„lр, = 2000 —: 4000 удельный импульс ! = (0,80 —: 0,85) 7, где 7,„— максимально возможный удельный импульс данного топлива при бесконечном расширении, т.
е. при р„lр, = оо. Хотя современные ЖРД используют возможности по удельному импульсу топлив достаточно хорошо — 80 — 85»4, однако часть этих возможностей все же теряется. Это резерв, за счет которого будет увеличиваться 1 при дальнейшем повышении р„. Габариты двигателя уменьшаются с повышением р„. Дело в том, что при одной и той же тяге и одинаковом давлении на срезе сопла р, увеличение р„пропорционально уменьшает площадь критического сечения Г«р, причем из-за увеличения удельного импульса уменьшение !г«р происходит даже сильнее увеличения р„. Вместе с этим несколько уменьшаются площадь среза Г, и длина сопла, хотя степень расширения газов в сопле р„/р«и соответственно относительная площадь среза Г« = Г«~Г„р увеличились.
Одновременно с этим уменьшаются поперечные й продольные размеры самой КС. Таким образом, контуры КС и сопла с большим р„полностью вписываются внутрь контуров КС и сопла с меньшим р„. Если еще учесть, что с ростом р, повышается потребное давление подачи, которое вызывает увеличение оборотов ТНА и соответствующее снижение поперечных размеров последнего, то в целом двигатель с ббльшим р« будет иметь меньшие габариты по сравнению с аналогичным двигателем, но с меньшим р„. Все это, вместе взятое, не увеличивает, а снижает, как показывает практика, массу двигателя. Это связано с тем, что хотя агрегаты и элементы двигателя работают с большими давлениями и сильнее нагружены, но ввиду их меньших размеров упрощаются проблемы обеспечения прочности конструкции. Это сказывается на снижении общей мегаллоемкости конструкции двигателя и, следовательно, на ее массе.
Количественно улучшение массовых характеристик современных ЖРД можно видеть по снижению удельной массы двигателя — отношению массы двигателя к тяге. Так, если двигатели конца второй мировой войны имели удельную массу и„= (0,037 —: 0,050)10 ' кг!Н, то современные двигатели с р„= (150 —: 200)!0' Па имеют тд — — (0,0075 —: —:0,010)10 ' кг!Н, т. е. на 10 000 Н тяги приходится меньше 10 кг массы двигателя. Конечно, снижение удельной массы современных двигателей достигнуто не только за счет «чистого» повышения р„, но и за счет совершенствования конструкции и применения новых материалов. Четвертая характерная черта развития ЖРД вЂ” все более глубокое изучение рабочего процесса в камере и других агрегатах двигателя.
Практика показывает, что без достаточных знаний рабочего процесса в КС, ГГ и ТНА трудно с большой полнотой использовать энергетические возможности современных топлив, создавать высоконадежные с большим ресурсом двигатели, совершенствовать конструкцию и снижать массу двигателя. 692 Глубокие исследования рабочего процесса в камере позволили, с одной стороны, снизить потери удельного импульса из-за несовершенства организации процессов, протекающих в КС и сопле, а с другой — снизить потребные объемы и размеры КС и длину сопла. Появились и широко используются более совершенные смесительные элементы и головки, малогабаритные и форсированные КС, повсеместно используются профилированные сопла. Продолжается интенсивное изучение теплозащиты и охлаждения стенки камеры: отрабатываются экономичные системы внутреннего охлаждения; появляются пористые стенки в разрабатываемых конструкциях двигателей. Все это позволяет обеспечить надежную тепло- защиту и охлаждение современных двигателей с высокоинтенсивным рабочим процессом.
Вместе с этим удается снизить потери удельного импульса, связанные с организацией теплозащиты стенки. Большое внимание уделяется проблеме устойчивости горения топлив в КС и ГГ: разрабатываются новые теории, лучше и точнее учитывающие многие факторы гидродинамической и химико-физической природы; применяются новые методы исследований, а также испытаний натурных двигателей с целью экспериментального определения их «вибрационных» характеристик и прогнозирования устойчивости рабочего процесса на рабочих режимах; разрабатываются проблемы моделирования рабочего процесса, что особенно важно при создании двигателей с большими тягами (Р ) (О,1 —; 1)10«Н!. Вместе с этим интенсивно ведутся исследования процессов в других агрегатах и элементах ЖРД вЂ” газогенераторах, насосах, турбинах, системах наддува баков и бустерных ТНА, в агрегатах управления и регулирования.
Большое внимание уделяется исследованиям надежности ЖРД как в целом, так и составляющих его агрегатов. Здесь много проблем: разработка путей и методов повышения надежности ЖРД и его агрегатов, методов количественной оценки и сравнения этих путей; как экспериментально определять и оценивать надежность двигателя по «малому» числу экспериментов и испытаний; как вести расчеты надежности ЖРД в целом и отдельных его элементов в процессе проектирования; как проводить «ускоренные» испытания для определения надежности и др.
Особое место занимают исследования методов испытания ЖРД в процессе его отработки и доводки. Здесь стоят важная задача— как вести испытания, какие параметры задавать, сколько проводить запусков и т. п., чтобы путем испытаний небольшого числа экземпляров двигателя получить наибольшую информацию о его работоспособности, параметрах и соответствии требованиям технического задания. Развивается новое направление исследований — теория и практика диагностики ЖРД, его агрегатов и систем. Стремятся найти способы оценки и определения состояния и работоспособности агрегатов и систем 'ЖРД в процессе его работы по каким-то поддающимся измерению параметрам.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
