Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Для ЖРД с ТНА, у которого часть топлива используется для генерации ПС турбины с последующим выбросом их в окружающую среду, высотная характеристика камеры будет отличаться от высотной характеристики ЖРД. Рассмотрим протекание высотной характеристики камеры ЖРД с учетом допущений, которые были ранее сделаны при рассмотрении дроссельной характеристики. При изоэнтропическом режиме течения газа в сопле значение тяги н удельного импульса определяется уравнениями Из формул видно, что с увеличением давления р„ тяга и удельный импульс линейно уменьшаются. При определенном для данной камеры отношении рк/р„ в сопло войдет скачок уплотнения, и тогда тягу и удельный импульс необходимо рассчитывать по уравнениям: а) для малых углов раствора (2сс ( 30') сопла /и Р (1 й 1г)+ Рскрск ( 1 + Ьтг ск) 1 = + Р р(Р— Р и)/лт — РаР /тп 1 аи б) для больших углов раствора (2а ~ 30') сопла Р=р Р,„(1+йМ',.) — Р.Р,„; 1 = — Р,кР,„(1+ /гМ~„)/лт — ЄР/лг.
На рис. 4.12 представлены изменения основных параметров ка. меры ЖРД в зависимости от противодавления, Как видно из рисунка, характер изменения высотной хаи т рактеристнки камеры ЖРД можно Гаигт разделить на два участка: работа рмт сопла без скачка уплотнения (1) и со скачком уплотнения (11). интер п На участке с изоэнтропическим ' Р и г с/и (бесскачковым) режимом работы Ь сопла (участок 1) тяга и удельр г„„=р, ~ ный импульс линейно уменьша/т.и.г ='/ги / ются с ростом давления окружаю// щей среды. Удельный импульс и тяга, снимаемая с внутреннего р„ контура, остаются постоянными и численно равны удельному импульРас. 4.12. Высотная характерастяка камеры ЖРД су и тяге в пустоте (р„= О).
100 В этом случае рабочий процесс в камере и ее сопле автономен от давления окружающей среды. При некотором давлении р'„в сопло камеры входит скачок уплотнения — линейность изменения тяги и удельного импульса нарушается. С момента вхождения скачка уплотнения тяга, снимаемая с внутреннего контура камеры, возрастает и интенсивность уменьшения тяги камеры ЖРД с повышением дав- лениЯ Рк паДает.
ХаРактеР изменениЯ тЯги и УДельного импУльса в режиме работы сопла со скачком уплотнения (участок /1) определяется закономерностью движения скачка уплотнения в глубь сопла и восстановлением давления р, за скачком уплотнения. На рисунке штриховыми линиями показан характер изменения основнйх параметров камеры ЖРД в том случае, если бы скачок уплотнения не входил в сопло и при всех давлениях р„ в сопле происходило изоэнтропическое расширение газа.
С момента вхождения скачка уплотнения в сопло Р,„„~ Р, ~ сопз1 и 1,„, ~ 1, ~ сопз1 и они растуг по мере проникновения скачка уплотнения в гл убь сопла. Такой режим работы наблюдается у камеры ЖРД первой ступени межконтинентальных ракет, давление на срезе сопла которых выбирают достаточно малым для получения среднего максимального удельного импульса на активном участке траектории движения ракеты нли у ракет, стартующих из-под воды (ракета «Поларис»).
У последних ракет параметры двигателя выбирают такими, чтобы на воздушном участке траектории движения можно было получить средний максимальный удельный импульс, так как именно на этом участке подавляющее время работает двигатель и дальность полета в основном определяется параметрами двигателя при работе вне водной траектории. Поэтому для этих ракет давление на срезе сопла получается довольно низким: р, =- 0,05 МПа, а атмосферного давления достаточно, не говоря уже о давлении окружающей среды при старте ракеты из-под воды р„= 0,11 МПа, чтобы скачок уплотнения вошел в глубь сопла. В указанных условиях режим работы сопла со скачком уплотнения улучшает характеристики двигателя.
Следует отметить, что рассчитывать по обычным формулам удельный импульс и тягу в пустоте по результатам наземных испытаний при наличии скачка уплотнения нельзя, так как в этом случае они будут соответствовать данным, снимаемым с внутреннего контура камеры при конкретном противодавлении, которые больше тяги и удельного импульса в пустоте. Чтобы определить тягу и удельный импульс в пустоте, необходимо подобные двигатели испытывать на специальных стендах, в которых создают определенное разрежение около сопла, исключающее его работу со скачком уплотнения. Рассмотрим, как протекает высотная характеристика при изменении давления Рк в двигателе (Ра = сопз() в случае изоэнтропического течения газа в сопле.
Чем меньше давление на срезе сопла, тем больше отличаются тяга и удельный импульс на Земле от тяги и удельного импульса в пустоте. Так, у ЖРД второй ступени одной нз ракет тяга на Земле Р = 298,2 кН, в пустоте Р,„=.Р, = 359 кН, т. е. увеличивается примерно на 20%. Положим, что на втором режиме давле- 1О1 ние в камере сгорания в два раза больше, т. е. Рна = 2р„, или из = = 2то тогда 1 з = внуез Герн1 ~уз = 1г.визге РнГа'(2пгг)' Удельный импульс„снимаемый с внутреннего контура, не зависит от давления в камере, поэтому 1х „хы= — 1„,„г,з = 1„„„, Из приведенных зависимостей видно, что с повышением давления в камере сгорания уменьшается влияние давления окружающей среды.
В пределе, когда р„стремится к бесконечно большому значению, 1- 1„, . Исходя из этого выгодно вести процесс сгорания топлива при возможно большом давлении р„. На рис. 4.!3 представлена зависимость изменения тяги, удельного импульса (Раню 1у внус Р 1у) от давления окружающей среды для двигателя с разными давлениями в КС. Из рисунка видно, что удельный импульс у камеры с ббльшим давлением Р„изменяется более цлавно, чем удельный импульс у КС, имеющей меньшее давление от величины противодавления.
Удельный импульс у камеры с ббльшим давлением р„выше по абсолютной величине в зависимости от давления окружающей среды по сравнению с камерой сгорания с меньшим давлением, Последнее объясняется меньшим влиянием давления окружающей среды при более высоких давлениях в камере сгорания. Далее рассмотрим, как будут изменяться высотные характеристики трех камер ЖРД, у которых все параметры, за исключением безразмерной площади сопла, одинаковые.
Положим Е,,>Р„>Р,з, т. е. Ра! <.Роз( Раз. Следовательно, сопла Работают в Расчетных УсловиЯх прн различных противодавлениях (высотах). На рис. 4.14 представлен характер изменения удельного импульса этих камер ЖРД в зависимости от давления окружающей среды. В некотором масштабе аналогично происходит изменение тяги У Зчи~ 1ГЗПЕ Гул х камер 7КРД.
Из рисунка видно, что при расчетном режиме сопла каждая из камер ЖРД выигрывает в удельном импульсе по сравнению с другими камерами. Например, сопло камеры Р„работает в Расчетном Режиме пРи Рн,р и имеет больший Удельный импульс, так как сопла двух других камер работают с перерасширением. Камера с соплом площадью Р„, имеет больший удельный импульс при Р„,, так как камера с соплом 1„работает на режиме недорасширения а камера с соплом ~, — на режиме перерасширения.
Сопло Р, имеет нанбольшее перерасширение, и при каком-то давлении в него входит скачок уплотнения, штриховой линией показано изменение удельного импульса камеры ЖРД с соплом Р,, в предположении изоэнтропичесского истечения газа в нем. Чем меньше расчетное давление на срезе сопла, тем интенсивнее зависимость удельного импульса от давлении окружающей среды. Следовательно, желательно каждое из сопл использовать в зоне противодавлений (высот) окружающей среды, близких к расчетному на срезе сопла. Идеальный случай — иметь регулируемое сопло, позволяющее изменять давление на срезе в соответствии с изменением давления окружающей среды. Например, при подъеме на высоту давление окружающей среды уменьшается, поэтому для поддержания расчетного режима работы сопла необходимо увеличивать площадь выходного сечения Е„.
На рис. 4.14 штриховой линией показана высотная характеристика с регулируемым соплом 1 Создание регулируемого сопла имело бы исключительно важное значение для повышения удельного импульса камеры ЖРД и, следовательно, улучшения основных характеристик ракеты (массы, габаритов, дальности и т. п.). Так как еще не созданы регулируемые сопла, то давление на срезе нерегулируемого сопла выбирают из условия получения максимального среднего удельного импульса по траектории движения ракеты (см, гл. 17). В настоящее время ведутся работы по созданию сопла со ступенчатым $зуиг = и Ззаиг згрегулированием давления на его срезе (безразмерной площади сопла). На рис. 4.15 представлена схема сопла с двухступенчатым регулированием площади выходного сечения.
ЖРД плотные слои атмосферы про- рз 102 103 Рис. 4.13. Высотная характеристика камер при разных значениях давления в КС Риз 6 гг Ви Рзм лз Рис. 4.14. Высотная характеристика камер при р„= сопз1 и рщ> газ> гав Рис.' 4.15. Схема сопла с двухступенчатым регулированием площади выходного сечения сопла Рнс. 4.16. Высотная характеристика сопла с двухступенчатым регулированием площади выходного сечения сопла ходит с соплом 1, при этом давление на срезе сопла будет ближе к давлению окружающей среды. При определенном давлении окружаю'цей среды (его рассчитывают из условия, чтобы при включении сопла 2 в целом ЖРД развил бы максимальный средний удельный импульс на траектории движения ракеты) сопло с помощью определенных органов перемещения включается в работу.
На рис. 4.!б представлена высотная характеристика камеры ЖРД с подобным соплом. Из рисунка видно, как изменяется тяга камеры (в некотором масштабе также изменяется удельный импульс камеры) н какое преимущество дает применение сопла со ступенчатым регулированием выходного сечения. С увеличением числа ступеней регулирования выходной площади сопла будут улучшаться характеристики ЖРД и в пределе стремиться к регулируемому соплу с плавным изменением безразмерной площади сопла камеры.
Конечно, создать такие надежно работающие сопла — задача трудная, но крайне необходимая и возможная. В заключение укажем на специфику расчета высотных хараюгеристик ЖРД, у которых часть топлива в виде ПС выбрасывается не только через камеру ЖРД, но и, например, через турбину ТНА. В этом случае, используя уравнения Р„= — Р + Р„,.„и 7 д =77(1 + + Р,, „(Р)1» + е), строят зависимость изменения как тяги камеры, так и тяги выхлопных реактивных патрубков от давления окружающей среды по изложенной методике расчета высотной характеристики камеры.
Поэтому удельный импульс ЖРД будет ниже удельного импульса камеры сгорания на величину (1+ Рв, „(Р)!(1 + 1). 5 4.4. УПРАВЛЕНИЕ ВЕКТОРОМ ТЯГИ При управлении полетом ракеты применяют различные способы создания управляющих усилий. Использование того нли иного способа управления в каждом конкретном случае зависит от трех основных факторов: вида управления (по тангажу, курсу, крену), энергетических характеристик двигательной установки и требований, предьявляемых к величине управляющего усилия и траектории полета. Одни способы управления (аэродинамические и газоструйные рули, щитки и т.
и.) просты в эксплуатации, но оказывают существенное влияние на снижение удельного импульса двигательной установки, другие (качающиеся маршевые двигатели, поворотные сопла и насадки, дефлекторы и т. и.) эффективнее и экономичнее, но усложняют схему двигательной установки, что снижает ее надежность. Большой интерес представляет газодинамический способ управления вектором тяги ракетного двигателя (и в целом ракеты) путем бокового вдува сравнительно небольшого количества газа или жидкости в закритическую часть сопла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
