Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели, 2005 г. (1240835), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Окончательно их формулируют следующим образом: топливо должно обладать большим запасом химической энергии и высокой плотностью, а продукты сгорания топлива — хорошими термодинамическими свойствами (значением газовой постоянной, показателем адиабаты и т.
д.). Конструктивные и эксплуатационные требования определяются необходимостью создания надежной, удобной в эксплуатации и, по возможности, дешевой двигательной установки. В соответствии с этими требованиями оцениваются физические свойства топлива, охлаждающие свойства, способность к самовоспламенению и пределы воспламеняемости, химическая стойкость, Глава 1. Общие сведения а ЖРД 16 Таблица 1.1 Основные физико-химические свойства некоторых окислителей ЖРД Относи- тельная Полная энтальпия, кДж/кг Плот- ность, кг/м Химиче- ская формула 7 пп 7 ппп Окислитель молекулярная масса -398 !140 54,35 Кислород жидкий 90,16 о 32 Фтор жидкий Азотная кислота 55,16 1510 †3 85,16 Рг 38 231,56 359,16 -2756 63,016 1510 Н1чΠ— 212,5 261,96 294,36 1450 92,016 нг04 Азотный тетроксид -5520 272,26 423 (разя.) 1440 Перекись водорода но 34,016 +2635 21,76 161,66 1700 48 Озон о +222 128 1520 49 Моноокись фтора ОР 54 273,16 373,16 -15880 1000 Н,О 18,016 Вода взрывоопасность, агрессивность по отношению к металлам, токсичность, температуры кипения и плавления и, наконец, стоимость топлива.
Таким образом, к компонентам топлива предъявляются многочисленные и разнообразные требования, которые одновременно не удовлетворяются ни одним из компонентов, хотя исследуется возможность использования в топливах почти всех элементов периодической системы Менделеева 151. В ЖРД основными компонентами применяемых топлив являются окислители на основе кислорода (чистый кислород или его соединения) и горючие на основе водорода и углерода 1углеводороды, азотноводородные соединения, чистый водород).
В качестве окислителя возможно применение также фтора и его соединений, а в качестве горючего — соединений бора, бериллия и лития. Однако ввиду повышенной токсичности фтора и его соединений, бериллия и его соединений, а также соединений бора (бороводороды) использование этих веществ в качестве компонентов топлива связано с определенными сложностями.
В табл. 1.1, 1.2 приведены некоторые основные свойства окислителей, горючих, а в табл. 1.3 — результаты термодинамических расчетов некоторых топливных композиций, полученные по универсальной программе «АСТРА». Глава /. Общие сведения о ЖРД 18 Табл и ц а 1.3 Основные свойства некоторык топлив ЖРД /т „(равновесное расширение), м/с Горючее Т„, К Окислитель !3, м/с 3564 Жидкий водород Этиловый спирт (92 %) Керосин НДМГ 4541 2322 3500 Жидкий кислород 1731 1,73 3548 3831 3736 1761 1838 3,07 1,92 3599 3720 4859 4809 Жидкий водород Гидразии Аммиак НДМГ 2515 13,2 Жидкий фтор 2,!3 2,7 4,55 4290 4569 4150 3925 4122 3778 2124 2203 1872 Керосин НДМГ Тонка-250** 4,83 3,36 4,5 3207 3200 3185 3117 3224 3193 1589 1657 1579 Азотная кислота Керосин НДМГ Аэрозии-50* Гид азин 4,41 2,64 2,02 1,29 3561 3545 3435 3306 3308 3403 3428 3425 1652 1734 !757 1792 Азотный тетроксид 2812 2751 3128 3220 1612 1693 Керосин Гидразин 7,24 2,12 Перекись водорода 90% Примечание: Р; /Р' = 70, р„= 10 МПа.
* Аэрозин-50 — смесь, состоящая из 50 % НДМГ и 50 % гидразина. *в Тонка-250 — смесь, состоящая из 50 % ксилидииа и 50 % тризтиламииа. 1.2. Основные параметры ЖРД Здесь и далее параметры, относящиеся к камере ЖРД, обозначим в соответствии с местом протекания цикла ЖРД в характерных сечениях (см. рис. 1.1). Будем относить все параметры камеры сгорания к сечению 2 — 2, а давление в камере сгорания, температуру, плотность будем обозначать соответственно р„, Т„, р„. Для критического сечения будем использовать обозначения рни Т„,, рч,. Параметры, относящиеся к выходному сечению сопла (сечению а — а), будем обозначать р„Т„р„.
Параметры заторможенного потока будем обозначать р", Т, р'. Для изобарической камеры имеем р„= р„Т„= Т„, р„= р„. 1.2. Основные параметры ЖРД 19 Тяга и удельный импульс Тяга — равнодействующая газодинамических сил, действующих на внутренние поверхности ракетного двигателя при истечении из него вещества, и сил давления окружающей среды, действующих на его внешние поверхности, за исключением сил внешнего аэродинамического сопротивления.
Формула тяги при допущении одномерности течения газа по соплу ЖРД имеет вид Р = ти, +(р, — р„)Р;, (1.1) т'оа (1.2) Если р„= О, т. е. двигатель работает в пустоте, то тяга определяется следующим образом: Ри т'оа + Рара (1.3) При р, > р„или р, < р„сопло камеры ЖРД работает соответственно на режимах недорасширения или перерасширения. Удельный импульс тяги (удельный импульс) равен отношению тяги к массовому расходу топлива: Р 1 т' или Р, 1 и+(р р) т (1.4) На расчетном режиме имеем 1 =тю,. (1.5) Вводя понятие эффективной скорости истечения ш„удельный импульс на любом режиме можно выразить аналогично формуле (1.5): 1у "ое а (1.6) где Р; ше гоа + (Ра р») т (1.7) где Р— тяга; т — секундный массовый расход топлива; р„го, и Р, — давление, скорость и площадь сечения на срезе сопла соответственно; р„— давление окружающей среды.
При ра = р„реализуется расчетный режим работы сопла, при этом тяга определяется равенством Глава 1. Общие сведения о ЖРД 20 Мо, т Удельный импульс является одним из важнейших параметров работы ЖРД, так как от его величины в конечном счете зависит весовая отдача ракетной системы (отношение полезной нагрузки к стартовой). На рис. 1.4 приведен график изменения начальной массы системы для запуска спутника массой 5,5 т в зависимости от удельного импульса. В теории тепловых двигателей часто используют понятие удельного расхода топлива, т. е.
расхода топлива, приходящегося на тягу в 1 Н: 400 300 200 ~оо 2750 3530 4320 гп м/с Рис. 1.4. Влияние удельного им- пульса на начальную массу сис- темы й 1 7П 11.8) Поскольку величина удельного расхода топлива в ЖРД однозначно связана с величиной удельного импульса, понятие 7п используется редко. Основные соотношения общей теории ЖРД Основными величинами, используемыми для оценок работы ЖРД и определяющими его характеристики, являются: удельный импульс, расходный комплекс 11, коэффициенты тяги К, и К, „и геометрическая степень расширения сопла Ра 7Р Расходный комплекс камеры задается соотношением РЛ0 (1.9) Очевидно, что р имеет размерность скорости (м/с).
Теоретическое значение ~) рассчитывается по формуле ,ф„т„ А1у) Здесь Я, — газовая постоянная продуктов сгорания, (1.10) ги А(у) = ~у (1.11) 1.2. Основные параметры ЖРД 21 К,= Р«с (1.12) Коэффициент тяги показывает, во сколько раз тяга двигателя больше основ- ной составляющей тяги р„г . Поэтому иногда К, называют безразмерной тягой.
Теоретическое значение К, рассчитывается по полученному из фор- мулы тяги (1.1) выражению Р, Р, (1.1 3) Для анализа удобнее использовать коэффициент тяги в пустоте К и т.п ЫЫг (1.14) При р„= 0 расчетное выражение для К, „получим из уравнения (1.13): у — показатель процесса расширения продуктов сгорания. Величины,Я~Т, и А(у) зависят от вида топлива и почти не зависят от других параметров работы двигателя (с погрешностью 1...2 %). Поэтому считают, что теоретически ~3 зависит только от вида топлива и является постоянной термодинамической характеристикой данного топлива. Для данного топлива величина расходного комплекса ~3 зависит только от качества протекания процессов в камере сгорания и не зависит от процессов, проходящих в сопле.
Таким образом, для данного топлива ~3 является характеристикой, определяющей работу только камеры сгорания. Коэффициент тяги К, задается соотношением гг Глава 1. Общие сведения о ЖРД К =К Р» ра т тп р. Р., (1.16) откуда с учетом равенства (1.12) получаем выражение для определения на осно- ве опьпных данных действительного значения коэффициента тяги в пустоте Р +р„Р, Кт.п, д Р» ртр (! .17) где Р, — замеренная действительная тяга двигателя. Сопоставляя выражения (1.9), (1.12) и (1.14), получаем формулы для определения 1У и 1„„: 1т — ~3К„1„„= ~3К, „.
(1.18) Геометрическая степень расширения сопла Рп (или просто степень расширения) определяется следующим образом: ра а а Р„р (1.19) Эта величина не только определяет размеры сопла, но и характеризует ос- новные параметры работы сопла: р„/р,, М, (или скоростью,), р„1'р,. Связь между основными параметрами определяется известными из газовой дина- мики соотношениями: (1.20) ~юГ или у+! = — — 1+ — М2 (1.21) Очевидно„К,„не зависит ни от работы камеры сгорания, ни от внешних условий (р„) и является характеристикой, определяющей только работу сопла камеры. В соответствии с формулами (1.1) и (1.3) коэффициенты К, и К, и связаны следующей зависимостью: 23 !.2. Основные параметры ЖРД ~а!~кр (1 22) 50 4О У вЂ” 1+ — М, (1.23) го Т„ —" =1+ — М,, Т, 2 (1.24) ! — 1+ — Мг 0 !00 200 300 400 500 р„!р, (1.25) Рнс. 2.5.
Зависимость Г,(Р„р =~(р„~р„у) Сопоставляя приведенные выражения, мы видим, что степень расширения сопла однозначно определяет любой из основных параметров работы сопла. Отношение рв 6=— Ра (1.26) называют степенью расширения газа в сопле (или газодинамической степенью расширения).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
