Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 24
Текст из файла (страница 24)
'. Эпюры давления в поперечных сечениях возмущенной области (рис. 4. |9) позволяют 108 (4.13) !09 принят нять за внутреннюю границу отрывного течения линию т те куще щего значения максимального давления (см. рис. 4.17). Учитывая характер изменения линии 1п на развертке сопла, уравнение ее проекции аппраксимируем по аналогии с (4.6) зависимостью типа у' = ч/(х — 1,сова), а в соответствии с принятой схемой расчета (рис. 4.20) у'= — Йез|п' ( — ') (х — 1соза). (4. 7) 81. соа и ~ Й/ Для определения усилия, действующего в зоне отрсявного течения, разобьем площадь зоны на два участка с характерным для них распределением давления (рис. 4.20). По оси симметрии и в поперечных сечениях участка 1 (перед отверстием вдува) принимаем параболический закон распределения давления, близкий по своему профилю действительным эпюрам давления (см.
рис. 4.18 и 4.19). При этом в продольном сечении давление меняется от давления р, невозмущенного потока на линии отрыва до давления р, у отверстия вдува, а в поперечных сечениях — от давления р, на линии отрыва до текущего значения на оси симметрии. В соответствии с этим изменение проекций давления в продольном и поперечном сечениях участка / выразятся соответственно как ге = (р — р,)в совах/1,; (4.8) |Р, — Р,) ч' соя и (~/ — р~ (4.9) р' 1, ), Кч/х где К = Вяз!п(21,/Я)/(1,соэх). Проинтегрировав в соответствующих пределах (рис.
4.20) зависимости (4.8) и (4.9) по плошади, ограниченной уравнением (4.6), получим проекцию силы, возникающей на участке / зоны отрывного течения: Р = (2/3) (р, — р,) 1,/с соня п з|п(21,Я). (4. 10) На участке // отрывной зоны (за отверстием вдува), характеризующимся значительным ростом поперечных.
размеров и падением интенсивности скачка уплотнения, принимаем линейный закон распределения давления от давления р, на линии отрыва з до текущего значения на внутренней границе 1п участка. При этом в соответствии с расчетной схемой (рис. 4.20) уравнение прямой Мй/ в плоскости симметрии имеет вид г = (р, — р,) ',31. соз и — х)/(21а). (4.! !) Проинтегрировав выражения (4.6), (4.7) и (4.1!) в пределах от 1,соза до 3 1, соэх, найдем вторую составляющую Р,: Р, = 0,805 (р, — р,) 1,Я созе а зйп (21,//!). (4.
12) Просуммировав (4.|0) и (4,12), получим искомую проекцию силы взаимодействия двух потоков в сопле Р, 1,5 (ре — р,) 1,/1 созе а з|п (21,/Рс). Для простоты расчета избыточного давления (р, — р,) за величину р, примем усредненное по длине области взаимодействия значение давления невэзмущенного потока, которому в достаточной мере может соответствовать давление в сечении вдува. Многочисленные опытные данные свидетельствуют о том, что при вдуве газа через круглое отверстие величина давления р, за скачком уплотнения несколько меняется в зависимости от абсолютных размеров струйной преграды.
При этом с ростом размеров (главным образом поперечных) давление р, повышается, стремясь к своему предельному значению — критическому давлению рвк, за скачком уплотнения в случае его плоского взаимодействия с пограничным слоем: рвкр = рск (0~39+ 0 73Мск) (4.1 4) где М,„и р,к — число Маха н давление перед скачком уплотнения. Такой характер изменения р, объясняется влиянием трехмерности отрывного течения около круглой струи. Существование перед круглой струей поперечного градиента давления в отличие от плоского взаимодействия приводит к частичному стеканню пограничного слоя по обестороны струи н соответствующему снижению давления в отрывной зоне. На рис.
4.18 штриховой линией показано принятое в расчете параболическое распределение давления перед отверстием вдува с нспользованпем зависимости (4.14) для определения величины р,. Из сравнения действительной и расчетной эпюр давления видно, что их площади удовлетворительно компенсируют друг друга. Таким образом, прн известных параметрах сопла двигателя величина силы взаимодействия — однопараметрическая функция продольного размера зоны отрыва перед вдуваемой струей 1,. Для вдува однородного газа через круглое сопло должно выполняться условие, экспериментально полученное в Институте механики МГУ, прн взаимодействии на пластине: (~/с() 1 ™ск (3,22 — 1,41 с)/(2,44М к — 1~56), (4,15) где с( — диаметр сопла вдува; и — степень нерасчетностн вдуваемой струи; б — толщина пограничного слоя в сечении вдува; е — угол вдува (см.
рнс. 4.17). Следует отметить, что выражение (4.13) не учитывает возможности перехода краевых зон области возмущенного течения выше «горизонтальной» плоскости симметрии сопла. Поэтому решение (4.13) остается справедливым лишь до тех пор, пока эта область не выходят за пределы пространственного угла, равного 180'. Такой диапазон изменения области взаимодействия называют оптимальным и учитывают его в проектных работах. В противном случае на участках сопла, расположенных выше плоскости симметрии, возникают усилия обратного знака, снижающие эффективность управления.
Во избе- жанне этого сечение вдува следует перемещать ближе к срезу сопла. Для рассматриваемого подхода к определению Р, предельно глубокое оптимальное расположение сечения вдува легко найти из анализа ПО ЬР, = Р, 1я а„'— Рр ест м. На практике для сравнительных оценок характеристик управлетем бокового вдува удобнее пользоваться относительными ння путем истик янами, выраженными в долях соответствующих характер двигательной установки — осевой тяги Р н массового расход — о а топ- лина пг: ЬРх ~к» Р в ° «Р х гп в х р Р кс Р» Р У р Р Р где гп — массовый расход вдуваемого газа. Такая обработка позволяет наглядно представить энергетические затраты на управление и полученный эффект, а также сравнить характеристики управления двигательных установок с различными геометрическими и газодинамнческнми параметрами.
Для более глубокого исследования качества управления используют коэффициенты усиления К„= Р /Р и эффективности Ф, = Р, /т, где К вЂ” коэффициент, показывающий, во сколько раз трансформировалась «затраченная» реактивная сила вдуваемой струи, т. е. характеризующий степень совершенства системы управления конкретной двигательной установки; Ф» — коэффициент, выражающий относительный удельный импульс вдува, являющийся обобщенным крите. рвем н дающий возможность сравнить эффективность управления в различных двигательных установках. Выражая Ф через К,, получим где Фр —— — Р /пг — относительный удельный импульс струи. » Путем совместного анализа зависимости коэффициентов К» н Фт от определяющих их параметров можно выбрать направление поиска повышения эффективности управления вектором тяги данным способом, уравнения (4.6), в котором прн х = 31, должно выполняться условие Я„= 1,57 рад (/с — радиус окружности в сечении сопла прн х = х = 31,).
При боковом вдуве для управления вектором тяги двигателя создается не только управляющее усилие Рю но и некоторый прирост осевой тяги /1 Р . Рассматривая причину возникновения ЬР„как суммарный результат перераспределения давления по внутренней поверхности сопла и влияния реактивной силы боковой струи, можно установить, что ГЛАВА э ТОПЛИВА ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕИ Ь ы э' н Ф э э' х Ф с Ф о д Ф 44 4 н 4" х и О .с „э,х х 5 ы Ф о х й И э Ф Ф х ш х н ы П с' ш х Ф х х э з' х с 44 » з' э ас 4 Л ых а э О й З.1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТОПЛИВАХ И ИХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ х О Х хххан В н хн х 0 хн- ФС 44 6 4 О ы ! С4 х Ф О Э' 4 н а й х ххыо ы '4 О Ф~Ф~ О х О .*д Ф х х Оо В 5!- СЪ ,с о ы д О х О Ф х а н х О и а о Р О 4 хо .э н х 4 са Ы 4 ыо оо ы ы ох х х х х Х ыхх х Ф х х Фйыы х э о йй 4 ЯОФ х аххх х нхы 4 х :с О, Ы с хо ч ы ~2 х ОВ 4 О Ос О О О СО 4' СЧ С'4 СЪ сч о сч о СЧ Сс СО ! ! О СЧ 4ООЪ НПИ ама энн -эннэн эом ээннсмая сч о о о 1 ! ! х й о х ы Ф х ОР ХФХ я ъа х о о= оэ сэ О О4 4' л СО С СЪ 4 СО Сэ СЧ СО с хыр э ых, „„ы' Ос ! ол !! о х С.х ы" О с,х НО„ оэ." х 4" м о съ о иъ сч СЧ СЧ \ СО Л 4 О СЧ ° ЫЭМ 'д ЧСЪОНСОНП СО 4 ОО о э С'4 с- о СО о э С'Ъ СО 4О о съ С'Ъ См О ОЪ ы Ф 3 н м о о СЪ а И о о н ыъ о л о В х ы 4 х К н б хо В Х ОХ О, х ж ш й съ ж О Ф о О.О.
ФО О ь !=- О, Сс 5 и ы о х х а 4 н В 4 4 4 в ааОъшън1-е !ч съ О О, 1!2 В )КРД используется химическая энергия, носителем которой является топливо. Химическая энергия высвобождается в результате экзотермических реакций в виде теплоты, которая воспринимается продуктами реакций — рабочим телом. Реакция горения — наиболее распространенная форма использования химической энергии в ракетных' двигателях.
Она основана на окислительных процессах, при которых в реакцию вступают два различных вещества — окислитель и горючее. Основные виды окислительных элементов — кислород, фтор, хлор и различные химические соединения с высоким содержанием этих элементов — четырех- окись азота. Физико-химические характеристики окислителей приведены в табл. 5.1. Основные виды горючих элементов — водород, углерод, литий, бериллий, бор, магний, алюминий, а также соединения с высоким содержанием этих элементов, например углеводороды (керосин, метан и др.). Физико-химические соединения горючих приведены в табл. 5.2. Реакция разложения также используется в ракетной технике для высвобождения химической энергии.
Она основана на способности некоторых химически неустойчивых соединений распадаться под воздействием внешних тепловых инициаторов или катализаторов. Во многих случаях, если продукты распада содержат окислительные и горючие элементы, разложение сопровождается также реакцией горения. Таким образом, топлива ЖРД могут быть как двухкомпонентными (окислитель + горючее), так и однокомпонентными (табл. 5.3).
Важное значение для эксплуатации имеют физические характеристики компонентов. Главные из них — температура кипения и затвердевания (плавления). По этим параметрам компоненты делят на высококипящие, или стабильные, и на низкокипящие, или криогенные. У высококипящих компонентов давление насыщенных паров при максимальной температуре эксплуатации ниже допустимого из условия прочности баков, а у низкокипящих — выше допустимого. Важное значение имеют плотность компонентов (чем она выше, тем меньшие требуются емкости для хранения компонента на борту ЛА); коррозионная активность по отношению к конструкционным материалам; токсичность; чувствительность к удару (взрывоопасность). Например, азотная кислота и четырехокись азота агрессивны и токсичны; несимметричный диметилгидразин токсичен; перекись водорода взрывоопасна и т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
