Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 2
Текст из файла (страница 2)
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ г Л А В А 1. ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ФУНКЦИИ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 1.1. УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Для обеспечения заданной заранее или уточняемой в процессе полета траектории полета летательного аппарата (ЛА) необходимо управлять его движением. В зависимости от соотношения действующих на ЛА в полете сил и моментов (аэродинамических, гравитационных, за счет работы двигателей) меняются параметры траектории полета.
Характерным видом движения ЛА с работающими двигателями является случай, когда поворот его относительно центра масс сопровождаетс1) изменением траектории движения самого центра масс ЛА, так как в этом случае от углового положения аппарата зависят направления векторов тяги и (при движении в атмосфере) аэродинамических сил. Типичным примером такого движения является полет на активном участке при старте ракеты-носителя и выведении космического аппарата (КА) на заданную траекторию. Для точного выдерживаиия параметров движения в конце активного участка полета двигательные системы на протяжении полета должны обеспечить необходимое тяговое усилие для двнжения ЛА в поле тяготения и в среде с сопротивлением (при наличии атмосферы).
Кроме того, они должны обеспечить выполнение программ углового разворота ЛА. Управление угловым положением аппарата для рассматриваемого вида движения ндзывают стабилизацией. Некоторые маневры летательных аппаратов также являются примерами управляемого движения с работающими двигателями, сопровождаемого стабилизацией: при изменении или коррекции орбиты, переводе аппарата на орбиту снижения для спуска, При снижении и посадке аппарата на поверхность планет, лишенных атмосферы. Для полетов при отсутствии плотной среды (например, в космическом пространстве) и с выключенными РД характерна независимость движений центра масс летательного аппарата и угловых поворотов ЛА вокруг центра масс.
Поэтому траектория полета аппарата будет одинаковой независимо от того„ сохраняет ли аппарат неизмен1)ое (относительно, например, Солнца и звезд) угловое положение или беспорядочно вращается вокруг центра масс. 9 Независимость траектории ЛА от его поворотов вокруг центра масс вовсе не означает, что во всех случаях отпадает необходимость поддержания требуемого углового положения аппарата. Оно необходимо всегда, когда от углового положения ЛА относительно заданных ориентиров зависит функционирование установленных на нем систем или приборов (например, работа солнечных батарей, система дальней космической связи, фотографирование поверхности Земли и т.
п.). Систему управления, приводящую положение ЛА к заданному при полете его вне атмосферы, называют системой ориентации, а само управление — ориентацией. Ориентация может быть длительной (в течение всего времени работы соответствующей аппаратуры) или кратковременной для придания ЛА необходимого углового положения перед включением РД или входом в плотные слои атмосферы (управляемый спуск с торможением в атмосферу). Для ориентации необходимо создавать управляющие моменты относительно центра масс ЛА; для этих целей чаще всего применяют малые РД Системы ориентации и стабилизации нередко тесно взаимодецствуют. Например, процесс сближения двух космических аппаратов с большого расстояния состоит из чередующихся режимов ориентации и стабилизации путем многократных и кратковременных включений двигателей. В то же время ориентация — это самостоятельная задача управления угловым положением, а стабилизация — вспомогательная для управления движением центра масс.
Таким образом, управление движением летательного аппарата включает управление движением центра масс (в том числе и стабилизацию) и ориентацию, дополняемые навигационными измерениями и вычислениями для исправления (коррекции) траекг торин в необходимых случаях. 1ЛЬ РЕАКТИВНЫЕ И РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ В ракетной технике и космонавтике для управляемого движения летательных аппаратов в большинствеслучаев используется принцип реактивногодвижения. Движущей силой является реактивная сила, создаваемая при выбрасывании из аппарата некоторой массы, т. е. при истечении струи рабочего тела.
Реактивная сила прямо пропорциональна скорости истечения рабочйго тела и секундному расходу массы выбрасываемого вещества. Поэтому для создания реактивной силы. в течение определенного времени необходимо иметь запасы (ресурсы) выбрасываемой массы и энергии, преобразуемой в кинетическую энергию струи рабочего тела. Двигательная (тяговая) система включает в себя источник (генератор) энергии и движитель — устройство, создающее тяговое усилие. Определение »реактивный» не накладывает каких-либо ограничений на используемые ресурсы массы и энергии.
В частности, 1О они могут быть внешними, а не храниться на борту. Так, гидро- 'реактивные и широко распространенные воздушно-реактивные двигатели для создания реактивной струи в основном используют окружающую среду: воду или воздух. Аналогично может быть использована атмосфера других планет. Источник энергии обычно находится на борту аппарата, но иногда и он может быть внешним, например солнечная энергия или энергия лазерного излучения. Реактивная струя ракетных двигателей образуется только из веществ, запасенных на аппарате, а внешняя среда при этом не используется.
Это же относится и к источникам энергии. Итак, определение «ракетный» предполагает дополнительные ограничивающие признаки — независимость от внешних источников массы и энергии. Ракетный двигатель — это автономный реактивный двигатель, работающий на бортовых ресурсах массы и энергии. Термин «ракетный» не отражает в явном виде дополнительного ограничивающего признака автономности, но он широко используется по сложившейся традиции.
1.3. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И МАССЫ ДЛЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Из числа известных и широко используемых видов энергии для ракетных двигателей выделим следующие основные. Химическая энергия. Носителями ее являются мимические топлива — вещества или совокупность веществ, способные выделять теплоту в результате химических превращений.
Ядерная энергия. Ее источниками являются ядерные топлива — вещества, способные выделять теплоту в результате ядерных превращений: а) распада радиоактивных изотопов (непрерывная генерация теплоты); б) деления ядер (с момента достижения критической массы); в) термоядерного синтеза. Электрическая энергия. Источники ее на борту аппарата могут быть весьма разнообразными: солнечные батареи, электро- машинная или электрохимическая энергетические установки и др. В соответствии с видом первичной энергии, используемой в двигателе, различают химические (ХРД), ядерные (ЯРД) и электрические (ЭРД) ракетные двигатели. Менее существенное значение имеет механическая энергия в форме, например, энергии сжатых газов, запасенных на борту аппарата.
Могут использоваться также различные формы электромагнитной энергии (в том числе солнечной) как внешней по отношению к аппарату. В процессах преобразования первичной энергии в кинетическую энергию реактивной струи участвует р а б о ч е е т е л о (рабочее вещество) ракетного двигателя. Реактивная струя пред- 11 Гпяпемгппмй нппннннк Пкарьнн а рнйетеен мена Реакагнр Чпннрнмепь Реакньнйная пгруа.. Реакяьнйяая гпьрря !.1. Приипиииальиан схема ракетного двигателя а — с соимещеннмм источиииом пнеагин и Пивочсго тела; б — с иеиииисиммм источнииоь писигин ставляет собой конечную форму рабочего тела.
В зависимости от исходной формы рабочего тела можно выделить два характерных случая (рис. 1.1). 1. Источники энергии и рабочего тела с о в м е щ е н ы. Та коны, например, химические топлива. Энергия, выделяемая имн, сообщается продуктам их реакции. Так же обстоит дело со сжатыми газами. 2. Источники энергии и рабочего тела р а з д е л е н ы.
Это характерно для ядерных и электрических двигателей. Продукты превращений ядерного топлива нецелесообразно использовать в качестве рабочего тела ввиду малости их массы и опасности заражения окружающего пространства. Обычно предусматривают специальное рабочее тело, воспринимающее энергию от независимого источника. Подвод энергии к рабочему телу осуществляется в химическомч ядерном или электрическом реакторе, а ускорение массы — в ускорителе.
В тех случаях, когда рабочее тело подвергается нагреву, его ускорение осуществляется обычно в реактивном сопле. Характерным для электрических ракетных двигателей является ускорение рабочего тела в электрическом (электромагнитном) поле. Химические и ядерные РД имеют относительно небольшую удельную массу (отношение массы двигателя к развиваемой им максимальной тяге) и способны сообщать аппаратам значительные ускорения по сравнению с ускорением свободного падения у'поверхности Земли яв. В связи с относительно небольшой скоростью истечения для них характерен большой расход массы рабочего тела на единицу тяги. Этим определяется рациональная область применения таких двигателей: ускорение тяжелых аппаратов до больших (космических) скоростей в околопланетных и межпланетных полетах при относительно непродолжительной рабате двигателей.
г Применение ЭРД в качестве основных двигателей летательных аппаратов возможно после сообщения аппаратам первой косми- 12 ческой скорости. Длительная работа ЭРД может обеспечивать дальние космические перелеты, т. е. достижение второй и третьей космической скорости. ЭРД могут использоваться также в качестве вспомогательных двигателей. 1зк РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ НА ХИМИЧЕСКОМ ТОПЛИВЕ Ракетные двигатели на химическом топливе являются в настоящее время наиболее освоенным и широко применяемым типом ракетных двигателей Основная классификация их связана с видом применяемого топлива. Химические ракетные топлива способны к экзотермическим (протекающим с выделением теплоты) реакциям.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
