Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Этот слой, обладая низкой теплопроводностью и высокой жаростойкостью, представляет собой большое тепловое сопротивление и хорошо тепло- изолирует «свежне» слои теплозащитного покрытия, резко уменьшая скорость его разложения. Как правило, аблирующие ТЗП вЂ” сложные композиционные материалы, приготовляемые на основе жаростойких волокнистых веществ н синтетических смол. Получилн известное распространение ТЗП, представляющие собой ткани из стекловолокна, графита, кварца, асбеста и других жаростойких волокнистых материалов, пропитываемых эпоксидной или фенольной смолой.
Если подобрать соответствующую толщину покрытия, то можно полностью ограничиться защитой силовой оболочки только с помощью ТЗП, без наружного охлаждения, даже прн большой продолжительности работы двигателя. Эта схема защиты стенки — наиболее подходящая для КС. Сопло труднее защищать аблнрующими покрытиями, так как оио в процессе работы будет изменять форму и сечение. Однако для ЖРД с регулированием тяги разгар критического сечения сопла в определенных пределах может сравнительно легко компенсироваться системой регулирования.
Примером успешного использования аблирующих ТЗП в ЖРД является конструкция посадочного двигателя известного космического корабля «Аполлон». На рис. 12.9 приведена конструктивная схема этого двигателя, работающего на четырехокиси азота и аэрозине. Тяга двигателя глубоко регулируется в пределах между Р = 45,40 кН и )т ш = 4,54 кН.
Этому соответствуег изменение давления в камере 4!Ь в пределах р„„„= 0,8 МПа, р„;п = 0,08 МПа. Силовая оболочка выполнена из титанового сплава, допускающего нагрев до 420'С, защищена слоем аблирующего композиционного материала. Этот ма. териал приготовлен на основе кварцевой ткани, пропитанной фенольной смолой, имеет плотность р = 1,7 г/см' и обладает хорошей про- тивоэрозионной стойко- 4 Х 0 У стью.
5 7 Кроме того, при разло- жении на поверхности об- 7 разуется прочный слой кокса. 74 Для дополнительной зады .0Р7007яй щиты титановой оболочки Рис. !2.9. Конструктивная схема камеры между ободочной н аблндвигателя торможения н мягкой посадки рующим ТЗП нанесена экспедиционного блока космического корабля нрослоика из другого комсАполлон»: позиционного материала, 7 — ввод окислителя: 2 — ввод горючего; 3 — коллектор пристсиочмой завесы; 4 — силовые бандажи; 8 — имекхцего низкие плотность тепловой экРан: слой стекловолокна, закрытого с (р 0 9 г/сма) обекх сгорая Фольгой из нержавеющей стала 0.088 м; 4 — аблврующее покрытяе МХ-2800г кварцевая ткань, Проводиоеть. пропитавяав Феиольиой смолой; 7 — силоваи титаио- Конфигурация покрывая оболочка; 8 — дополяятельвая теплоиэоляцвосиая прослойка из легкого композицвоввого материала тия вдоль КС и сопла спе ВС-7208; Р— яеохлаждаемая часть соила; ияабиевый сплав С-108 с аятикорразиовиым жаростойким алю- цнаЛЬНО ПОдсбраНа В СО- мющдиым покрытием ответствии с тепловым потоком и скоростью абля.цни так, чтобы происходило равномерное разрушение покрытия на всех участках.
Как показали испытания и эксплуатация, это покрытие успешно выполняет задачу защиты силовой оболочки в течение довольно длительного времени — двигатель рассчитан на работу в течение почти 1000 †11 с. Защита стенки на основе емкостного охлаждения. Происходит путем поглощения (аккумулирования) теплоты массой стенки. Схема защиты стенки имеет достаточно широкое распространение в ракетной технике, причем такие двигатели часто называют «яеохлаждаемыми», так как массивная стенка не имеет какой-либо другой специальной защиты или охлаждения.
Подобный двигатель может работать очень короткое время, в течение которого воспринимаемая стенкой теплота идет на ее подогрев. Такой режим работы стенки называют нестационарнейм режимом охлаждения. Прн этом распределе. ', ине температур поперек стенки непрерывно изменяется (рис. 12.10, а).. В момент начала работы двигателя температура стенки постоянна и равна температуре окружающей среды. По прошествии некоторого времени работы двигателя часть теплоты передается стенке и последняя нагревается.
Так как процесс передачи теплоты в стенку происходит с конечной скоростью, определяемой теплопроводностью материала, то распределение температур теперь будет определяться последова- ' тельными кривыми ты т,, т,. По мере нагревания стенки растет температура «горячей» и «холодной» поверхностей. Температуры будут 4!6 увеличиваться до тех пор, пока не наступит стационарный режим, характеризуемый равенством теплопередачи от газа в стенку и от стенки в окружающую среду.
Так как в данном случае наружная поверхность стенки специального охлаждения не имеет, то ее теплоотдача в окружающую среду мала, а для того чтобы таким же малым стал тепловой поток от газа 7200 1000 700 000 07! Мг Л 4 0 047720 и 5000Дм/Гр.ме.г/уп01 Рнс. 12.10. Емкостное охлаждение в стенку, температура горячей поверхности стенки должна установиться близкой к температуре газа. При высокой температуре газа стационарный режим охлаждения такой стенки устанавливается при очень высоких температурах стенки, далеко превосходящих допустимые. Поэтому неохлаждаемые двигатели могут работать лишь короткое время (несколько секунд), пока не успеет установиться стационарный тепловой поток (рис. 12.10, б). В некоторых случаях такого малого времени работы вполне достаточно.
Вследствие чрезвычайной простоты конструкции неохлаждаемого двигателя и дешевизны изготовления он получил распространение в экспериментальных исследованиях; иногда применяется и в эксплуатации. При неохлаждаемых двигателях наиболее пригодными материалами для стенок КС и сопла будут материалы с высокой теплопроводностью. Тогда тепловое сопротинление стенок будет низким и распределение температуры поперек стенки получится более пологим. Иначе говоря, воспринимаемая стенкой теплота будет равномерно распределяться по толщине стенки, и двигатель может работать более длительное время, так как температура «горячей» поверхности растет по времени значительно медленнее, чем в случае нетеплопроводной стенки.
На рис. 12.10, б приведено изменение температуры поверхности стенки по времени для мягкой стали 1, меди 2 и алюминиевого сплава 3. Вместе с этим увеличение теплоемкости и плотности материала стенки также способствуег увеличению длительности надежной работы двигателя из-за возрастания тепловой «емкости» материала. 14 †14 417 Наружное радиационное охлаждение.
Осуществляется излучением теплоты стенкой в пространство. Причем, тепловое излучение стенки будет тем интенсивнее, чем выше ее допускаемая температура. На рис. 12.11 приведена примерная зависимость излучаемого стенкой теплового потока в пространство от ее температуры. Как видно из рисунка, при температуре стенки 1500 — 2000 К тепловой поток, «сбрасываемый> в пространство, лежит в пределах (0,2 — 0,6) 10« Втlма.
йг лз р= яЕ кр Рис. 12.11. Условия радиационного охлаждения стенки сопла Учитывая, что в КС и особенно в области критического сечения тепловые потоки во много раз выше, то, очевидно, здесь эта система охлаждения непригодна. Однако в соплах с большим расширением и низким давлением на срезе тепловые потоки в области среза становятся настолько низкими, что радиационное охлаждение оказывается вполне приемлемым. Например, упомянутый посадочный двигатель космического корабля «Аполлон», приведенный на рис.
12.9, имеет' участок сопла, начиная с относительной плошади Р = 16 и до конца сопла (г', = — 26) с радиационным охлаждением. Этот участок выпол-, нен из ниобиевого сплава и имеет еще жаростойкое покрытие, допускающее нагрев до 1460'С. Радиационное охлаждение используется в настоящее время также и для охлаждения двигателей системы стабилизации и ориентации космических кораблей.
Эти двигатели обычно работают при низком давлении в камере либо на однокомпонентном топливе с низкой температурой разложения ()т(яН, Н,О,), либо на двухкомпонентных топ-, ливах, но с низким соотношением компонентов. Наконец, радиационное охлаждение может применяться и пр высоком соотношении компонентов, нос достаточно мощным внутрен ним охлаждением.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
