Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 21
Текст из файла (страница 21)
4.8 штриховой линией нанесены изменения удельного импульса и тяги без учета скачка уплотнения в сопле, которые пока- зывают, что в указанных условиях вхождение скачка уплотнения в сопло улучшает характеристики ЖРД. Следовательно, для уменьшения потерь в удельном импульсе ре- .гулирование двигателя по дроссельной характеристике жалательно вести при возможно ббльших значениях давлений в камере сгорания, что особенно важно для двигателей, работающих в среде с высоким давлением. С уменьшением противодавления снижается его вредное влияние на дроссельную характеристику, и удельный импульс воз- растает, а сама дроссельная характеристика имеет более плавный ннд.
Если на Земле (И = 0) удельный импульс в режиме минималь- ной тяги составляет лишь 60% от удельного импульса на номиналь- ном режиме, то на высоте 80 км он возрастает до 92%. Процесс горения при ббльших давлениях в КС и заданном диапазоне изменения тяги позволяет, как и в случае уменьшения давления окружающей среды, улучшить изменение удельного импуль- са при дроссельной характеристике, Уменьшение удельного импульса с понижением давления в КС при повышенных начальных его значениях будет проходить более плавно, чем при низких начальных давлениях.
Регулирование тяги ЖРД в соответствии с дроссельной характе- ристикой связано с большими или меньшими потерями удельного импульса. Эти потери можно исключить, если при изменении тяги камеры ее сопло работало бы всегда в расчетном режиме„а качество рабочего процесса оставалось неизменным. Исключение потерь в удельном импульсе из-за работы сопла в переменных условиях воз- МОЖНО ПРИ Рк|ри Рк1ре' Если р„= сойз1, то и давление в камере сгорания должно быть постоянным при изменении тяги. Этот режим может быть осуществ- лен в камере, у которой площадь критического сечения сопла изме- няется прямо пропорционально изменению расхода топлива, что ясно из выражения (4.1).
Чтобы расчетное давление р, на срезе сопла было постоянным, необходимо иметь постоянную безразмерную пло- щадь сопла Р„т. е. площадь выходного сечения сопла должна изме- няться прямо пропорционально изменению площади критического сечения, Несмотря на все преимущества, осуществить подобный способ регулирования тяги чрезвычайно трудно из-за сложности создания сопла, способного изменять геометрические размеры и надежно ра- ботать в газовом потоке высоких температур и скоростей. Устранить или уменьшить потери удельного импульса, связанные с ухудшением рабочего процесса из-за уменьшения перепада давления на форсун- 96 ках, можно для однокамерного ЖРД с помощью регулируемых форсунок.
В этих форсунках расход топлива сокращается за счет изменения их плошади выходного сопла (при Ьрф = сопз1) тф = й,рР, ф $' 2~Ар~, где рф — коэффициент расхода топлива форсунки; Р,,ф — площадь выходного сечения сопла форсунки; р — плотность жидкости; Лрф— перепад давления на форсунке. Площадь сопла форсунки Р, 0 должна изменяться прямо пропор- 40 ЦИОНаЛЬНО ИЗМЕНЕНИЮ РаСХОДа тОП- г ~» '0- .— Р, лива. 0 Гг кон На рис. 4.9 представлена дрос- Р Ре г сельная характеристика двигателя, у Р:.
которого в процессе работы отношение Ре1Ркр постоянное, а качество рабочего процесса — неизменное за счет Рф/Р„р — — сопз1, Рф — суммар- Ь Ч ф„' НОК р К ~~ ке 00 0,Ф 0 4~4таааи сГ1 '4 при подобном способе регулирования давление Р„= сопз1, на этом РисУнке рис 4.9. дроссеаьиак характе- ИЗМЕНЕНИЕ тяГИ И удЕЛЬНОГО ИМПуЛЬСа ри тика камеры при Р = сопы я постРоено в фУнкЦии от РасхоДа топ- Рф!Р„р — еопа1 лива. Для сравнения нанесена дроссельная характеристика двигателя при обычных условиях, т. е. когда Р, = сопз1, Р„р — — сопз1 и Рф = сопз1. Из характеристики видно, что регулированйе тяги двигателя при Р,/Р„р — — сопз1 и Рф/Ркр — — сопз1 происходит при постоянном удельном импульсе, в то время как при существующем способе регулирования тяги величина удельного импульса резко падает с уменьшением тяги.
Из-за технических трудностей пока не удалось осуществить регулирование тяги при Р,1Р„р —— — Р, = сопз1 и р„= сопз1. Пытались создать регулируемые форсуйки, однако они не получили распространения ввиду их конструктивной сложности. Чтобы устранить большие потери в удельном импульсе, можно использовать многокамерные ЖРД, у которых тягу изменяют отключением отдельных камер.
В работающих камерах поддерживают номинальные, оптимальные для конкретного ЖРД параметры, что позволяет добиться глубокого ступенчатого регулирования тяги без снижения удельного импульса. Если отключением отдельных камер не удается достигнуть нужной минимальной тяги, то этого добиваются уменьшенным расходом топлива в оставшуюся или оставшиеся камеры. В этом случае диапазон изменения давления в камере сгорания при заданном изменении тяги будет меньше, чем в однокамерном ЖРД, а следовательно, и потери удельного импульса при этом будут меньше. На рис. 4.!О представлены дроссельные характеристики однока- 4 — 1442 97 мерного и многокамерного ЖРД, Начальные давления в камерах сгорания, давление на срезе сопла и общая тяга у обоих двигателей одинаковы. Точками на штрихпунктирных линиях отмечены соответствующие характеристики многокамерного двигателя при отключении его отдельных камер.
Во всем диапазоне изменения расхода топлива, включая и участок, когда в последней камере уменьшение ее тяги происходит за счет этого изменения, имеется серьезный выиг- рыш в удельном импульсе /и мнегеномерныйжРД мНОГокамерноГо ДВИгатЕЛя /, .~'. / / Т ернеиемериыйж~д мерным. Дроссельные ха'/ рактеристики многокамер- / Г'/ ного двигателя в значительной мере схожи (за исключением участка регуРнниененернынжрд лирования тяги последней / камеры) с характеристи,,гг йе згр Рз ками регулирования тяги при р„= сопз1, Р,= сопз1 и Рэ(рир — — сопз1 (см.
рис. Р„Г, ннегенимерньй жРД 4.9), естественно, с учетом Р,Г, Мненемерниижй ступенчатости изменения тяги многокамерного дви- рис. 4 19. дроссельная характеристика ка- гатели. Недостаток такого мер однокамерного и мнотокамерного жрд способа регулирования— усложнение конструкции, снижение надежности работы ЖРД, необходимость ступенчатого регулирования тяги. Ранее было отмечено, что для ЖРД, у которых все топливо выбрасывается в виде ПС в окружающую среду только через камеру, характеристики камеры являются также характеристиками и ЖРД. Для ЖРД, у которых топливо выбрасывается в виде ПС в окружающую среду не только через камеру, но и через другие агрегаты, характеристики камеры отличаются от характеристик ЖРД.
К таким ЖРД относится ЖРД с насосной подачей топлива, у которого рабочее тело турбины выбрасывается в окружающую среду. Используя, например, уравнения тяги (3.45) и удельного импульса (3,46) дляЖРД, работающего с выбросом ПС турбины через реактивные патрубки, Рд — Р + Р, Ут д — — (Т (Г-Р Рр м(Р)/(1 + 1), можно построить дроссельную характеристику ЖРД.
При построении дроссельной характеристики подобных ЖРД тягу и удельный импульс камеры и реактивных патрубков определяют по ранее изложенной методике, Из расчета ТНА знают расход газа на турбину и его параметры за ней. В результате можно определить Рр, „и значения Рд и Ут „на каждом режиме его работы. На рис. 4.11 представлена дроссельная характеристика подобного )КРД, из которой видно, что удельный импульс камеры больше, чем удельный импульс ЖРД. Это объясняется тем, что для турбины необходи- 98 мы ПС с низкими температурами для обеспечения надежной работы я~пяток турбины.
Поэтому топливо, используемое для генерации ПС, сжигают при массовых соотношениях компонентов, резко отличающихся от оптимальных. В результате некоторый прирост тяги за счет реактивных патрубков не компенсируется повышенным расходом топлива на турбину и член (1 + Р,, „)РР(1+ 1) всегда меньше единицы. Следует отметить, что обычно при снижении тяги топливо, расходуемое в турбине, уменьшается меньше, чем в КС, благодаря чему удельный импульс ЖРД не только меньше удельного импульса камеры, но и уменьшается более резко с падением тяги.
В заключение следует отметить, но что пределы регулирования тяги по / дроссельной характеристике ограничены диапазоном устойчивой работы камеры. У каждой камеры имеется 4 П свой диапазон изменения давления " ' ' „,„„„, жььд р„, яри котором рабочий процесс в камере протекает нормально, устойчиво. Отклонение от допустимого диапазона по давлению р„ может привести к разрушению камеры. Диапазон устойчивой работы камеры, соответствующей дроссельной характеристике, зависит от многочисленных факторов (род топлива, конструкция камеры сгорания и др.) и, как правило, определяется экспериментально. 4 4.3.
ВысОтнАя хАРАктеРистикА Изменение давления окружающей среды влияет на основные параметры ЖРД вЂ” тягу и удельный импульс. Характер изменения последних зависит от ряда параметров ЖРД, которые должны выбираться таким образом, чтобы характеристики ЖРД по траектории движения были наивыгоднейшими для ракеты, обеспечивали ей максимальную дальность при заданной массе или заданную дальность при минимальной массе. Зависимость тяги и удельного импульса от давления окружающей среды называют высотной характеристикой потому, что первые ракеты стартовали с поверхности Земли и достигали какой-то высоты полета.
В настоящее время ракеты стартуют не только с Земли, но и из-под воды (ракеты «Поларис») и далее движутся по обычной траектории полета, из атмосферы с какой-то высоты в воду на различные глубины и т. п. Поэтому, оставив прежнее ее традиционное название, будем рассматривать изменение параметров ЖРД не от высоты полета, а от давления окружающей среды. К тому же во все расчетные формулы входит именно давление окружающей среды, которое влияет на характеристики ЖРД. 99 Высотная характеристика камеры будет одновременно и высотной характеристикой ЖРД, у которых все топливо в виде ПС выбрасывается в окружающую среду только через камеру (ЖРД с вытесни- тельной системой подачи топлива, ЖРД с дожиганием продуктов газогенерацни и т. п.).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
