Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Последнее объясняется тем, что с повышением давления в КС доля тяги, получаемая с внешней поверхности камеры, по сравнению с тягой, получаемой с внутренней поверхности камеры, уменьшается. В пределе, когда давление в КС стремится к бесконечности, значение ее тяги стремится к значению тяги в пустоте, т. е. влияние статического члена РнР, будет пренебрежимо малым. Большой выигрыш в тяге давала бы камера, если бы безразмерная площадь сопла при изменении давления в КС соответствовала расчетному режиму сопла.
Осуществить расчетный режим работы сопла очень сложно. Если для двигателей ракет, у которых траектория полета проходит в среде с Р„) О, в принципе такие сопла можно создать, то для ракет, работающих на части траектории с Р„= О, и тем более для ракет, у которых по всей траектории полета рн = О, сделать регулируемое расчетное сопло нельзя, так как в нем должна быть достигнута бесконечно большая площадь выходного сечения, что невозможно осуществить. 6 3.4. УДЕЛЬНЫИ ИМПУЛЬС Отношение тяги камеры к массовому расходу топлива называют удельным импульсом тяги ЖРД, т. е. (3.22) Одним из важных путей совершенствования ЖРД и ракеты в целом является повышение уделыюго импульса ЖРД.
Рассмотрим В дальнейшем под расходом топлива будем понимать секундный массоаый расход топлива. 68 факторы, влияющие на удельный импульс, и способы его увеличения. Разделив левую н правую части (3.10) на массовый расход топлива т, получим удельный импульс ~у, внут Рннутг т ппа + РаРаг т (3.24) В случае отсутствия скачка уплотнения в сопле из-за влияния внешнего противодавления рн удельный импульс, получаемый с внутреннего контура, равен удельному импульсу в пустоте, т. е. г у.нвут ~у,н ° Большое значение прн повышении удельного импульса имеет первый член (3.23), или удельный импульс, получаемый с внутреннего контура камеры. Решающим фактором повышения удельного импульса, получаемого с внутреннего контура, является повышение скорости истечения: , = )ггг — а„т„'р' — ( г' ) зависящей от рода рабочего тела (К „Т„и й) и степени расширения газов в сопле р„,гр,.
Чем больше произведение К„Т„и степень расширения газов в сопле, тем выше скорость истечения. Следовательно, для повышения скорости истечения, т. е. увеличения удельного импульса 1.„„, нужно применять при всех прочих равных условиях (см. дополнительные требования к топливу в гл. 18) топлива с высоким значением К Тн и увеличивать степень расширения газов в сопле. Для заданного тонплива увеличить скорость истечения газов из сопла можно лишь повышением степе- ииии г ни расширения газов р„/Р,. Последний способ повышения пг, и 1 широко распространен в практике. гппа Увеличить степень расширения газов опле можно путем понижения дав- гппп ления на срезе сопла, оставляя постоянным давление в камере сгорания, мйллп,'лгапсил нли путем повышения давления в камегапп ре сгорания, оставляя постоянным давление на срезе сопла, или, наконец, ис- йгппгп пп пользуя оба пути, учитывая назначение ЖРД.
На рис. 3.9 представлены теоре- рнс. Зль Ваннснмость гу = тические значениЯ Удельного импУльса =-1(Р„.~Рв) н от Рода топлива па пп ~пав ри аа УУ вЂ” — Рант,~т — Р,„1т =- (ш, + Р,Г,!т) — рнГ 1т . (3,23) Из (3,23) видно, что величина удельного импульса зависит от параметров внутрикамерного процесса и давления окружающей среды. Максимального значения удельный импульс при заданных параметрах камеры, как и тяга, достигает при р„= О. Тогда удельный импульс полностью определяется внутрикамерными параметрами: на расчетном режиме в зависимости от степени расширения газов в сопле р„/р, для нескольких топлив. В зависимости от назначения ракеты используют то или иное топливо с реальным удельным импульсом / = 3500 —: 4500 м/с.
Ранее были рассмотрены пути повышения удельного импульса, снимаемого с внутреннего контура камеры, которые широко используются для ЖРД вторых и третьих ступеней ракет, а также для ЖРД, работающих в среде, где р„> О, но с некоторой спецификой. Из формулы (3.23) видно, что при р„, отличном от нуля, удельный импульс определяется не только удельным импульсом, снимаемым с внутреннего контура, но и отрицательным членом р Р,/т. В случае работы ЖРД при р„» 0 (ЖРД одноступенчатых ракет, ЖРД первой ступени многост пеичатых и т. п.) нельзя произ- составляющие тяги камеры с у вольно уменьшать давление на срезе сопла для увеличения степени расширения с целью повышения скорости истечения.
Если давление на срезе сопла ниже давления окружающей среды, то увеличение удельного импульса, снимаемого с внутреннего контура камеры, не компенсирует отрицательного влияния члена р Р,/т. Здесь, так же как и для тяги, расчетный режим ря = р, является оптимальным, однако следует учитывать все замечания, которые были сделаны в отношении тяги при расчетном режиме. грал л Л рлллр :~5~ й З,З. ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ТЯГИ КАМЕРЫ И МЕСТО ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ Ранее были даны расчетные зависимости для определения тяги, создаваемой всей камерой.
Конструктору для анализа работы отдельных частей камеры, расчетов на прочность, определения наивыгоднейшего места крепления камеры к двигательной установке, оценки путей улучшения характеристики камер необходимо знать, какая доля тяги снимается с той или иной части камеры и какие имеются дальнейшие возможности увеличения тяги, получаемой с 1 кг топлива, т.
е. увеличения удельного импульса. Для анализа составляющих тяги и места их приложения удобнее тягу представить так, как показано на рис. 3.10. Не в ущерб существу дела проведем этот анализ для идеального процесса в камере, считая, что камера сгорания изобарическая, т.
е. давление в камере сгорания равно давлению торможения. Как и ранее, тяга камеры определяется уравнением (3.12). Первый интеграл уравнения можно представить в виде (3.25) где р„р„р — неуравновешенная сила, приложенная к головке каме- 70 ры сгорания; ЬРл,„р — сила, возникшая за счет большего „среднего давления, действующего на кольцевой элемент головки (Р„ — Р„р), по сравнению со средним давлением, действующим на докритическую часть сопла той же площади; ЬР„вр — сила, действующая на закритическую часть сопла.
Второй интеграл в (3.12) определяет силу, возникшую от давления окружающей среды на внешний контур камеры, равнуюйр Р,.1 Тогда тяга Для количественного анализа составляющих тяги„, снимаемых с внутреннего контура, целесообразно преобразовать уравйение (3.15) следующим образом: Рыр тил + Р,Р = р,Р (1+ и т/(р Р )). Далее, используя равенства т = р,ш,Р;, р~,lр, =~ РТ,1 М = и,~(м1гТ,), где й — показатель изоэнтропы, получим Р,„„= р.Р. (1+ йм.'). (3.26) Разделим и умножим правую часть выражения (3.26) на р„р„р, тогда Р =(р /р )(Р /Рвр)р Р р(!+АМ~) ° (327) Введем понятие о коэффициенте тяги камеры ке я = к..
. = Р, /(ЄЄ ), (3.28) который определяет, во сколько раз тяга, снимаемая с внутренней поверхности камеры, больше тяги, приложенной к головке камеры на площади, равной диаметру критического сечения. Разделив левую н правую части уравнения (3.27) на р„р„р, получим к*. ьвте = — ' (1+ /аМа) = Є— (1+ /аМ,), (3.29) Ри кр ь где Р,— безразмерная площадь сопла; е — степень расширения газов в сопле. Формулу (3,29) можно преобразовать к удобному для анализа и расчетов виду, если все входящие в нее величины выразить или через число М„или через коэффициент скорости А„или через отношение р,/р„.
Г1осле простых преобразований получаем ,„„=( ' ) ил"+ч'[Оеьмям)Л~~'— 'м,")~, (з.зо) (3.31) 71 ,,„,=2( л ) л )Гг! — ( — ') х (3.32) Проведем количественный анализ составляющих тяги. Из (3.30)— (3.32) видно, что коэффициент тяги к,,ну, зависит от степени и показателя процесса расширения. Поделив все члены (3.25) на рнрнр, найдем Кт. внут Кт внут1+ Кт.
внут! + Кт. внутв л (3.33) где кт,вну,! — — Рнр„р/(рнрнр) =- 1; к,,внуа = араон,/(рнрни)л к... а = г»Р „р/(р„рнв), что позволяет оценить роль отдельных эллементов камеры в создании тяги. Для определения доли тяги, снимаемой с докрнтической части сопла, рассмотрим камеру без закритической части сопла. Положив в (3.30) выражение М, = 1 или в (3.3!) значение Х = 1, получим коэффициент тяги камеры без закритической части сопла: кт. внут у=1 = 2 (2/(/г + 1)) (3.34) В ЭТОМ Сдуиао Кг,внугу=! = Кг,внут! + Кт.внутт. Коэффициент тяги к, „!. 1 зависит только от показателя процесса расширения, так как при наличии докритической части сопла отношение давления в камере сгорания к давлению в критическом сечении — величина постоянная: чем доля р„рнр.
Следует подчеркнуть, что доля тяги, которую создают сопла, непрерывно будет возрастать, особенно для ЖРД второй, третьей и более высоких ступеней многоступенчатых ракет. Развитие ракетной техники связано с непрерывным ростом удельного импульса ракетного двигателя. Один из эффективных путей роста удельного импульса — повышение степени расширения газов в сопле. Уже сейчас имеются камеры ЖРД, у которых степень расширения газов рн/р, )~ 500 —; 4000. Поэтому доля тяги, снимаемой с сопла, непрерывно растет и может превысить величину основной составляющей тяги р„р„р. Естественно, все больше внимания будет уделяться совершенствованию сопловой части камеры. Поэтому необходимо знать, какую долю тяги в пределе могут дать сопло камеры в целом и закритическая часть в отдельности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
