Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Они имеют минимальное количество подвижных и вращающихся деталей. Благодаря этому ракетные двигатели получаются значительно более легкими, чем, напри~мер, турбореактивные двигатели. В этом отношении с ними могут конкурировать только прямоточные ВРД. 5. Воздух, используемый в ВРД, и жидкие окислители, используемые ЖРД, значительно отличаются между собой. Кислород воздуха, необходимый для сжигания горючего в ВРД, в очень большой степени разбавлен азотом — элементом, не участвующим в сгорании, т. е.
балластом. Поэтому концентрация химической энергии на единицу веса топлива, включающего горючее и необходимый для его сжигания окислитель, для топлива воздушно-реактивных двигателей невелика и составляет 680 — 700 кал на 1„кг смесж В жидких окислителях можно довесто содержание кислорода до 75 †1'/о, в связи с чем концентрация химической энергии в топливе ЖРД возрастет до 1400 — 2250 кал на 1 кг. Поэтому в камере сгорания ЖРД происходит очень интенсивное выделение тепла и достигаются гораздо более высокие по сравнению с ВРД температуры сгорания.
По этой же причине скорости движения газа в камере и сопле очень велики. С одной стороны, высокая тепловая и скоростная напряженность рабочего процесса ЖРД обеспечивает двигателям этого типа минимальные габариты. При одной и той же тяге ЖРД по сравнени~ю с ВРД любого типа имеет значительно меньшие размеры. Вследствие этого ЖРД легко размещается на летательном аппарате любого типа. Однако, с другой стороны, высокая напряженность рабочего процесса ЖРД вызывает и ряд затруднений.
Очень усложняются задачи охлаждения двигателя, обеспечения его взрывобезопасности, обеспечения необходимого ресурса времени надежной работы и т. д. Поэтому, несмотря на относительную простоту конструкции ЖРД, отмеченную выше, создание надежного двигателя я~вляется сложной инженерной задачей, требующей большого опыта в конструировании и изготовлении двигателей этого типа. 6. Большим недостатком ракетных двигателей является очень высокий удельный расход топлива. Однако повышенный расход топлива в ряде случаев искупается малым весом двигателя.
В целом ряде случаев ракетный двигатель является единственным двигателем, пригодным для решения поставленных задач. Сравнивая далее между собой жидкостные и пороховые ракетные двигатели, следует отметить следующие особенности пороховых двигателей. 24 Пороховой двигатель обычно не имеет искусственного охлаждения стенок.
По этой причине время работы порохового ракетного двигателя весьма ограниченно — ' оно не превышает, как правило, нескольких секунд, в течение которых материал стенок камеры сгорания не успевает прогреться и потерять свою прочность. Только в самое последнее время стали появляться ПРД, работающие 20 — 25 сек. Камеры сгорания таких двигателей покрываются специальными обмазками, предохраняющими материал стенок камеры от прогрева.
Камера сгорания порохового ракетного двигателя является одновременно и своеобразным баком, в котором хранится топливо. Поэтому камера сгорания по необходимости имеет большие размеры„ тем большие, чем больше тяга и время работы двигателя. Надо учесть, что в камере сгорания порохового двигателя, как правило, развивается весьма высокое давление. Поэтому для обеспечения прочности камеры, работающей в тяжелых температурных условиях, приходится увеличивать толщину ее стенок, что значительно утяжеляет конструкцию двигателя и не позволяет увеличивать его размеры, Следует, однако, отметить, что в последнее время созданы пороха, устойчиво горящие и при низких давлениях (30 — 50 ат), что уже позволяет создавать довольно крупные пороховые ракетные двигатели.
Широкому распространению крупных пороховых ракетных двигателей препятствовала также высокая стоимость ракетного пороха, однако созданные в последние годы более дешевые пороха устраняют и это препятствие. Преобразование энергии в ракетном двигателе Преобразование химической энергои топлива в работу, сообщаемую двигателем летательному аппарату, осуществляется за счет протекания отдельных процессов, происходящих в двигателе и его агрегатах. Носителем химической энергии, поступающей в двигатель, является топливо, состоящее, как правило, из горючего и окислителя. Превращение химической энергии топлива в тепловую осу1шествляется чаще всего вследствие протекания химического процссса— Реакции сгорания топлива.
Однако процессу сгорания должен предшествовать целый Ряд подготовительных процессов, необходимых для создания наилучших условий преобразования как химическои энергии в тепловую, так и тепла в работу расши~рения. К этим процессам относятся: сжатие (т, е, повышение давления.
топлива, которое необходимо для осуществления последующего Расширения продуктов сгорания), подача компонентов в камеру его ан оранил, распыл компонентов топлива и воспламенение их. Вь1делившаяся в результате сгорания тепловая энергия частично превращается в работу расширения продуктов сгорания. Работа расширения затрачивается на увеличение скорости истечения продуктов сгорания, а следовательно, на создание тяги. Схема процессов преобразования рючее энергии приведена на фиг. 18. й б.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕИ Классифицировать жидкостные ракетные двигатели можно по различным признакам: — по свойствам применяемых топлив; — по способу осуть;ествленил основных процессов преобразования энергии; — по назначению двигателя. В соответствии с этим мы будем классифицировать двигатели следующим образом: — по типу применяемых топлив; — по способу сжатия и подачи компонентов топлива; — пю назначению. Схема классификации приведена на фнг. 19.
Классификация ЯРД по типу применяемых топлив В жидкостных ракетных двигателях возможно применение топлив двух основных типов: унитарных жидких топлив, представляющих собой одно вещество (или раствор нескольких веществ), которое находится в подготовленном для сгорания (или разложения) виде (такие смеси можно назвать жидкими порохами) и юплиа раздельеюй подачи, состоящих из горючего и окислителя, подаваемых в камеру сгорания раздельно и смешивающихся только в самой камере сгорания.
Задачи процессов распыла и смесеобразовання в двигателях этих типов значительно различаются между собой. В двигателях, работающих н а унитарных топливах, смешение компонентов, участвующих в реакции сгорания, производи~тся заранее, и в процессе распыливания топливо должно быть только возможно более равномерно распределено по поперечному сечению камеры сгорания, Фиг. 18. Схема протекания процессов преобразования энергии в реактивных двигателях.
26 В двигателях р а з д е л ь н о й и о д а ч и в процессе распыла, кроме того, должно происходить тщательное перемешивание частичек горючего и окислителя, чтобы создавались наилучшие условия для сгорания и для возможно более полного выделения химической энергии топлива. В двигателях, работающих на унитарных топливах, система подачи получается более простой, так как в ней используется один, а не два бака и имеется также одна система коммуникаций между баком и камерой сгорания. Однако создание совершенного унитарного топлива ограничено его взрывоопасностью. В связи с этим двигатели на унитарном топливе пока получили малое распространение. Двигатели раздельной подачи классифицируются более детально по типу применяемого окислителя, так как свойства того или иного окислителя в значптельной мере определяют конструктивные особенности двигателя, а часто и возможность его использования на том или другом объекте. При классификации по типу применяемого окислителя двигатели обычно получают название по наименованию применяемого окислителя, например, кислородный, азогнокислогный и др.
В настоящее время наиболее распространены кислородные и азотнокислотные двигатели. Классификация ЖРД по способу сжатия и подачи компонентов топлива Процесс сжатия и подачи компонентов в жидкостных ракетных двигателях осуществляется в основном двумя способами: или вытеснением компонентов из баков за счет создания в них избыточного давления или за счет сжатия и подачи компонентов насосами; Первый тип системы подачи будем называть вытеснитгльной падачем, а второй — насосной. При н а сосной п од а ч е компоненты из баков нагнетаются в камеру сгорания насосами, которые требуют для своего вращения какого-либо источника энергн~и.
Для привода насосов чаше всего используется турбина, работающая на продуктах разложения перекиси водорода или на ином рабочем теле. Повышение давления в баках при в ы т е с н и т е л ь н о й п од а ч е может осуществляться самыми разнообразными способами. Широко распространена система подачи, в которой вытеснение компонентов осуществляется газом высокого давления. Из баллона этот газ проходит через редуктор, понижающий давление газа до рабочего давления в баках, а затем поступает в баки с компонентами топлива, выдавливая их в камеру сгорания.
Такая система подачи носит название баллонной. Недостатком ее является большой вес газа, вытесняющего компоненты из баков, и особенно очень большой вес баллона, в котором под высоки~м давлением находится запас этого газа. Для снижения этих весов применяется вытеснение компонентов продуктами сгорания пороха, так называемая подача пороховым аккумулятором давления — ПАД или'продуктами сгорания жидких 28 компонентов, так называемая подача жидкостным аккумулятором давления — ЖАД.
В этйх системах вытеснительной подачи тяжелый баллон со сжатым газом заменяется более легким пороховым или жидкостным аккумулятором; вес газа, вытесняющего компоненты, уменьшается за счет более высокой температуры, при которой газ поступает в топливные баки. При вытеснительной подаче любого типа баки компонентов работают под давлением; несколько превышающим давление в камере, поэтому они должны быть достаточно прочными. В двигателях больших тяг или в двигателях, рассчитанных на сравнительно большую продолжительность работы, применение вытеснительной подачи привело бы к недопустимому увеличению веса:баков. В этих двигателях применяется насосная подача, компонентов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
