Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 3
Текст из файла (страница 3)
10-Э— — 10 э — 10-а 11 рителе. В тех случаях, когда рабочее тело подвергается нагреву, осушествляется его ускорение, обычно в реактивном сопле. Характерным для электрических ракетных двигателей является ускорение рабочего тела в электрическом (электромагнитном) поле. Совокупность реактора и ускорителя представляет собой камеру— энергопреобразователь, реализуемую в различных конструктивных формах.
На рис. 1.1 показаны принципиальные схемы ракетного двигателя с совмещенным или независимым источником энергии. В табл. 1.1 представлены характерные параметры основных типов ракетных двигателей. Ракетные двигатели с тепловым ускорением рабочего тела имеют скорость истечения реактивной струи, ограниченную величиной порядка тепловой скорости молекул. Для химических РД ограничение обусловлено в основном природой топлива, для ядерных — температурой нагрева рабочего тела, максимально допустимой для конструкции. Ограничением' для электрических РД является также мощность энергетической установки, увеличение которой влечет за собой существенное увеличение массы кон-.
струкции. Как видно из табл. 1.1. химические и ядерные РД имеют относительно небольшую удельную массу (отношение массы двигателя к развиваемой им максимальной тяге) и способны сообщать аппаратам значительные ускорения а по сравнению с ускорением свободного падения у поверхности Земли й~ В связи с относительно небольшой скоростью истечения для них характерен большой расход массы рабочего тела на единицу тяги. Этим определяется основная задача, выполняемая такими двигателями: ускорение тяжелых аппаратов до больших (космических) скоростей в около- планетных н межпланетных полетах при относительно непродолжительной работе двигателей. Применение ЭРД в качестве основных двигателей летательных аппаратов возможно после сообщения аппаратам первой космиче.ской скорости. Длительная работа ЭРД может обеспечить дальние космические перелеты, т.
е. достижение второй и третьей космической скорости. ЭРД могут использоваться также в качестве вспомогательных двигателей. Ез. ХИМИЧЕСКИЕ РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ Химические ракетные двигатели (ХРД) являются в настоящее время наиболее освоенным и широко применяемым типом ракетных двигателей. Вариантов выполненных и разрабатываемых ХРД много.
Основная классификация нх связана с видом применяемого топлива. Химические ракетные топлива способны к экзотермическнм (протекающим с выделением тепла) реакциям. Основными являются следующие типы экзотермнческих реакций. 1. Горение. Горение (окисление) — основной и наиболеераспроетраненный способ получения тепла. В реакции горения необходимо участие окислительных и горючих элементов, которые могут находиться в составе одного нли нескольких веществ, образующих топливо.
Обычно вещества, в которых преобладают окислительные элементы, называют ок и ел и тел я ми, вещества, в которых преобладают горючие элементы, — го р ю ч и м и. 2. Разложение. К экзотермическому разложению способны некоторые индивидуальные вещества, либо смеси и растворы веществ 3. Рекомбинацня. Тепловой аффект рекомбинации (воссоединения) атомов или радикалов, обладакпцих свободной валентностью, весьма значителен и поэтому заманчиво использование его в ракетных двигателях. Однако способы получения и сохранения свободных атомов и радикалов пока не найдены и топлива на их основе не созданы. Одним из характерных отличительных признаков химических ракетных топлив является исходное агрегатное состояние компонентов топлив.
Классификация по атому признаку приведена на рис. 1. 2. Ронотное то»нодо Однофазное топливо может быть жидким или твердым. Гибридное (смешанное) топливо представляет собой ддноФлзное гайду д "о> сочетание твердого и жидкого компонентов. «о Топливо или компонент в твердом с,~ ь состоянии обычно размещаются непо- ' риз средственно в камере сгорания двигз- ~ ~ Д' г«Ь. тела, жидкие хранятся в специальных емкостях — баках, откуда они посте- Однономпоц ддхномоо пенно подаются в двигатель.
не»тине нентное . Однокомпонентное ж и д к о е т о ил и во подается в двигатель в виде од- НОЙ жндКОСТИ. ОНО МОЖЕТ ПрсдСТандятЬ Ива»тими топлив собой индивидуальное вещество либо однородную смесь, либо раствор различных веществ. Двухкомпонентпое жидкое топливо состоит из двух раздельно хранящихся и раздельно подаваемых в двигатель компонентов~ . окислителя и горючего, которые, в свою очередь, могут быть индивидуальными веществами либо смесями веществ. Это топливо, называемое также топливом раздельной подачи, является основным современным жидким ракетным топливом.
Возможно также применение многокомпонентных (обычно не более трех компонентов) жидких и гибридных топлив. Твердые ракетные топлива содержат в своем составе окислительные и горючие элементы. Весь запас твердого топлива в виде топливных зарядов определенной формы размещается в камере сгорания двигателя.
Необходимо подчеркнуть разницу терминов применительно к топливам ракетных и аоздушно-рсактизных двигателей. Летательный аппарат с воздушно-реактиааым двигателем несет а баках лишь один компонент топлива — горючее. Необходимый для горения окислитель — кислород — не транспортируется аппаратом, а забирается нз воздуха атмосферы. мовтону а практике аоздушао-реактивных двигателей понятие «горючее» отождествляют с понятием «топлизо». для ракетных двигателей и горючее и окислитель находятся на борту аппарата. Расход того и другого уменьшает топливный запас, а до»тому понятие «горючее» н «толли»о» сущестзенно различны, В соответствии с приведенной классификацией топлив химические ракетные двигатели подразделяют на жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), ракетные двигатели на твердом топливе (РДТТ), гибридные ракетные двигатели (ГРД).
На классификационной схеме рис. 1.3 химические ракетные двигатели показаны вместе с другими типами ракетных двигателей и с воздушно-реактивными и гидрореактивными двигателями. С двигателями, использующими окружающую среду, химические ракетные двигатели могут образовывать комбинированные силовые установки (см. гл.
Х(.). На рис. 1.3 выделены типы двигателей, рассматриваемые в настоящей книге. Рис. ыь укрупневаав влассаэнканна реа|гтнанык днгпнтеаед Рис. СЛ. Области првмеаевна лвгателышк вииаратов с двигателвмн римгнчиегк тиаовг à — современные аппараты с ВРДГ У вЂ” перспективные аппараты с ВРД; и †ограничение по подъемной силе; б †ограничен па аеродинамнческому нагреву и, ' первая космическая скеоосте ол йт огУ ор ат ьо х з о У Уг кгм(о Возможноств химических ракетных двигателей интересно сопоставить с возможностями воздушно-реактивных двигателей. Из рис. 1.4 видно, что возможности летательных аппаратов, на которых в настоящее время преимущественно применяются ВРД, существенно ограничены по высотеискорости полета. В пределах относительно плотных слоев атмосферы ограничениями являются аэродинамическая несущая способность крыла и предельно допустимый аэродинамический нагрев.
На высотах более 40 — 50 км применение ВРД практически исключено из-за малой плотности воздуха, необходимого для работы двигателей. Применение химических РД в плотных слоях атмосферы раздвигает упомянутые ограничения, а за пределами земной атмосферы ракетные двигатели являются пока единственно пригодными для управляемого перемещения летательных аппаратов. Химические ракетные двигатели современных ракетно-космических аппаратов выполняют две основные функции: 1) создание тяги, необходимой для перемещения аппарата; 2) создание управляющих усилий и моментов, необходимых для управления полетом или для целей ориентации и стабилизации полета. Первую функцию выполняют основ н ые (маршевые) двигатели, обеспечивающие взлет и ускорение летательного аппарата на активном участке полета.
Тяга основных двигателей, в качестве которых применяются ЖРД и РДТТ, достигает десятков меганьютонов (сотен и тысяч тонн). Вторую функцию выполняют вспомога- тельные двигатели. Среди них различают: рулевые двигатели, служащие для управления полетом по заданной программе; корректируюшие, включаемые в космическом полете для изменения направления н скорости полета аппарата; т о р м о з н ы е, применяемые для посадки (торможение для схода с орбиты и собственно посадка), а также для торможения отделяемых ступеней многоступенчатых ракет при их разделении. Рулевые, корректирующие и тормозные двигатели имеют относительно небольшую тягу— до нескольких килоньютонов (сотен кгс). Это преимущественно ЯРД и иногда РДТТ.
К вспомогательным относят также двигатели систем ориентации и стабилизации летательного аппарата, а также индивидуальные РД, служащие для передвижения и маневрирования космонавта в свободном полете вне корабля. Двигатели ориентации н стабилизации и индивидуальные обычно развивают очень небольшую тягу. Двигатели, используемые в качестве исполнительных органов систем управления космических летательных аппаратов и имеющие тягу от 0,01 до 1600 Н, называют д в и г а т еля ми малых тя г (РДМТ). Все химические ракетные двигатели в пй ' э т оейе оявляются тепловыми.
В большинстве тепловых РД подвод тепла к рабочему телу осуществляется при постоянном или почти постоянном давлении. На рис. 1. 5 показан характер изменения параметров рабочего тела по тракту такого двигателя. Основными задачами теории химических ракетных двигателей, рассматриваемых в настоящей книге, являются качественное и количественное описание различных типов ХРД как тепловых машин и двигателей, поведения рабочего тела различных видов в тракте камеры РД, закономерностей совместной работы элементов двигателя на различных режимах, теплового состояния элементов конструкции и способов их защиты. Заметим, что многие положения теории химических ракетных диюгателей можно применить и к изучению других типов тепловых пакетных (например, ядерных) или реактивных (например, использующих солнечную энергию) двигателей.
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КАМЕРЫ И ДВИГАТЕЛЯ вл. ТяеА кАмеРы Камера является основным агрегатом двигателя. Ее назначение— создание реактивной силы тяги. Необходимое для этого ускорение выбрасываемой струи можно получать посредством различных воздействий на поток: геометрического, расходного, теплового, механического. В РД используется исключительно геометрическое воздействие — ускорение потока в сужающихся и расширяющихся соплах — как наиболее просто реализуемое. Форма поперечного сечения и контур таких сопел могут быть различными, однако чаще всего это круглые сопла с криволинейной образующей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
