Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 99
Текст из файла (страница 99)
Массовое совершенство РДТТ характеризуют коэффициентом а, представляющим собой отношение массы конструкции двигателя (корпус, теплозащита, сопловой блок) к массе топлива 1формула (3. 17)1. С учетом формул (3.!4) и (3. 17) выражение (38. Ц можно записать так: 14то = 1»((1+ а+т„,~т,), (38. 9) откуда следует, что для повышения эффективности системы необходимы минимальные значения коэффициента совершенства конструкции а. Пределом, к которому стремится отношение 1» /то, является средний удельный импульс. В хороших конструкциях значения 1»/то могут достигать 0,90 — 0,96 от величины удельного импульса, что соответствует значениям а=0,11...
0,05. Запишем полную массу аппарата то следующим образом: то — — тк!+т о+т„ где тса — масса конструкции двигателя„т о — масса прочих частей аппарата (включая полезный груз). Масса конструкции двигателя состоит из массы камеры сгорания и сопла тк! тк.с +тс' Теперь 1к/то можно представить так: 1 Хк — «! У„ то к!о сок. асс сок! — '+ — + — +1 ос, !к, Массу камеры сгорания можно считать состоящей из массы ци- линдрической части и массы двух днищ.
Обычно днища выполняют эллиптическими илн сферическими, одно из них (у соплового конца заряда) не является сплошным. Однако при качественном анализе это не будем учитывать и при подсчете массы примем днища пло- скими. Масса цилиндрической части камеры сгорания равна т, = йп»„,1,,60„, где г,, и 1,— радиус и длина цилиндрической части камеры сгорания; б — толщина стенки; о„— плотность материала стенки. Масса двух плоских днищ равна ток= й»о! к.сЗйи. В итоге масса камеры сгорания составит тке = йнгксййсс~к.с (1 + гкк!~и.с)' Толщину стенки определяют из условий прочности Ь= р„г„ /а, (38. 3) где о — допустимое напряжение для данного материала, при опре. деленных температурных условиях.
С учетом выражения (38. 3) получим 2яг'.Т„„р„п (1+ ' ) ч х гис Массу топливного заряда в камере сгорания можно записать следующим образом: т,= злгз.,А,„,й„ где 6=Ь;/(г„, (38. 4] представляет собой отношение объема топлива к объему камеры сга анин, называемое плотностью заряжения. Ь а основании выражений для т„, и т, запишем ~к.с 9м Рн 1 / ~ гк.а 1 — '=2 — — — 1+ — . ам ч ям а гк.е Подставляя это выражение в равенство для /,/тм получим гз гу (38. 5) мэ Ь р 1 / г„.,х мс щ„э 2 — — — ~1+ — ~+ — в + — + ~ ч гь а ьк.с ~з.с ~Фт Важным результатом анализа выражения (38. 5) является вывод о необходимости выбора материалов с максимальным значением отношения и/р .
В частности, несмотря на более низкие допустимые напряжения, алюминиевые сплавы и армированные пластмассы имеют ббльшие значения о/о„, чем стали. Для некоторых корпусов ракет, как например, для американской ракеты «Минитмэн», применяют титановые сплавы. Материалы следует оценивать при характерных для конструкции температурах с учетом снижения значений а/й„при увеличении температуры. Если считать параметры, входящие в уравнение (38.
5), не зависимыми друг от друга, то можно заключить, что повышению эффективности также способствуют: 1) увеличение удельного импульса Хт; 2) увелчгчение плотности топлива о~; 3) увеличение плотности заряжения Л; 4) уменьшение давления р,; 5) уменьшение геометрической характеристики камеры сгорания г„с//- 6) уменьшение максы сопла и других частей конструкции т ~, Однако большинство из этих параметров взаимосвязаны друг с другом, поэтому изменение одного из них отражается на других, что и должно учитываться при определении условий, обеспечивающих максимальную эффективность двигателя. В практике проектирования РДТТ'после предварительного выбора параметров топлива и двигателя в соответствии с выражени- ем ~38. 5) все последующие изменения в параметрах рассматриваются из условия ЛР~О, где Л'г'=У вЂ” $'т,,; У вЂ” скорость аппарата в конце активного участка'„ $'к, — заданное значение скорости, например, по техническому заданию.
Для опенки значения ЛР используется разложение в ряд Тейлора с учетом лишь первых производных ЛЬ'= ~~~~~( 1 ) Ллм где Лх; — изменение параметра,' например, массы топлива, конструкции, удельного и суммарного импульса и т. п. Значения частных производных обычно определяют расчетом. ввл. вывор топлива Характеристиками топлива, непосредственно влияющими на значение 1, /гпм являются удельный импульс и физико-механические характеристики, скорость горения и плотность топлива. Оптимальное топливо должно иметь такое сочетание значений 1г и от, которое обеспечивает при прочих равных параметрах необходимое значение 1, /гпэ.
В этом отношении выбор топлива для РДТТ не отличается от выбора топлива для ЖРД. В тех случаях, когда смена топлива по каким-либо причннамлызывает изменение плотности заряжания Л, величинами, зависящими от топлива, следует считать 1 и произведение огЛ. Плотность заряжания Л всегда меньше единицы, так как часть объема камеры сгорания занята, бронировкой заряда и присиособлениями для его фиксирования в случае вкладного заряда, каналами для течения продуктов сгорания. В камерах с зарядами, горящими по боковым поверхностям, оставляют свободную площадь и объем для движения газового потока.
Кроме того, для зарядов, скрепленных со стенкой камеры, лимитнруется минимальный диаметр канала. Поэтому для зарядов с торцовым горением плотность заряжания больше, чем для зарядов с горением по боковым поверхностям. В первом случае Л=0,8... 0,97, во втором — Л=0,25... ... 0,80. Меньшие значения относятся к многошашечным зарядам. Обычно замена топлива влечет за собой и изменение массовых характеристик двигателя. Характерным является следующее положение. В ряде случаев топлива, развивающие большой удельный импульс, имеют и высокую температуру горения: /„- ут„, Высокие температуры в тракте требуют увеличения массы, главным образом, за счет теплозащитных покрытий и усиления напряженных элементов конструкции. Необходимое увеличение массы более значительно для двигателей с продолжительным временем работы.
470 По статистическим данным, например, масса сопла пропорциональна величине суммарного импульса т,=с1, н, следовательно, т,=с1„т, — )~"Т„. (38. б) Если при одинаковых значениях произведения о,.Л сравнивать топлива с разницей в удельных импульсах, обусловленной различной температурой Т„то, как это явствует нз уравнения (38. 5), величина 1е/те должна иметь максимум.
Повьппение удельного импульса увеличивает; а одновременное увеличение массы сопла т, и камеры сгорания т„, (вследствие уменьшения допустимого напряжения о) уменьшает 1а/епе. На рис. 38. 1 показаны результаты такого анализа при заданном суммарном импульсе 1е . В этом случае максимуму 1е /те соответствует минимум полной массы тр. Часть массы конструкции тга пропорциональна удельному импульсу т„, = с,1„; другая часть т„е не зависит от него: тт=сопз(.
Масса топлива т,=1е/17 и, следовательно, т,=се/Хх. В итоге полная масса т =с,1„+сопз1+се/17 представляет собой функцию, изменяющуюся по 17 с минимумом. При достаточной эластичности (низкий модуль упругости и большие значения критических или разрывных деформаций) топливо можно скреплять с корпусом двигателя. Такие заряди даже прн наличии внутреннего канала обеспечивают наибольшее значе; ние плотности заряжания, При этом топливо должно обладать оптимальным уровнем скорости горения, соответствующим располагаемой толщине свода заряда и заданному времени работы. Тот факт, что в течение всего времени топливный заряд защищает корпус двигателя от действия высоких температур, позволяет умень шить массу теплозащитного покрытия, улуппить значение а и снизить влияние повышенной температуры на массу конструкции. Итак, топливо наибольшей эффективности нужно определять с учетом влияния его свойств на те массу конструкции.
Обеспечивая высокую эффек- те тивность двигательной системы, 1 ~Ъе топливо должно удовлетворять е7ее Ряду других требований. Выше ~Веет была выяснена необходимость малой чувствительности скорости Р~е. заь ~е~~ее ~~~ее оптаепыыюео ~ев- 471 малой температурной чувствительности (малые и„) во всем эксплуатационном диапазоне температур заряда. Желательно, чтобы топливо имело низкое значение давления, при котором возникает аномальное горение. Так как заряд испытывает высокие напряжения, требуются хорошие механические свойства заряда. Важными являются требования малого коэффициента термического расширения заряда и хорошей связи его с корпусом и броннронкой. Для этих целей могут применяться специальные защитно- крепящие слои.
Заряд должен быть химически инертным и стабильным нри длительном хранении. Весьма существенны также требования простой и безопасной технологии производства. Важно, чтобы технологические отклонения свойств топлива были минимальными. зал. ВИБОР РАзмеРОВ зАРядА и кАмеРы сГОРАния Подставляя это выражение в равенство для т„., получим гях,с=р~ + 2пгмл — Р~,вг~д ° з Для определения оптимального радиуса камеры сгорания выражение (38.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
