Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Если покрытия не разрушаются во время работы н не реагируют с газовым потоком (инертные покрытия), то их защитное действие состоит в создании на пути теплового потока слоя с высоким термическим сопротивлением (рис. 23.19). Согласно уравнению теплопроводности (23.8) наиболее высокая температура основного материала составляет Т, = Т,, „ — д = б, х~ Очевидны основные требования к свойствам материала покрытия: высокая допустимая температура поверхности, необходимая 269 23.1лх риеврЕЗЕЛЕИИС Сеивсрвяурц В Стсвке С ИИВРЛЛ тиси для того, чтобы противостоять высокотемпературному газовому потоку; низкая теплопроводность, чтобы обеспечить высокие гс значения Тс, „ и снизить тепловые потоки.
Дополнительно требуются хорошая сцепляемость !адгезия) покрытия с основным материалом, стойкость по отношению к вибрационным нагрузкам, механическим и тепловым ударам. Не существует материалов, одинаково хорошо удовлетворяющих этим требованиям в разнообразных условиях.
Поэтому выбор материала теплоизоляционных покрытий производится из довольно широкого круга химических элементов, их окислов, нитридов и карбидов. В практике ЖРД довольно широко применяется нанесение на огневую поверхность камеры теплоизоляционных покрытий толщиной 0,02 ... 0,15 мм. Используются окислы циркония, ниобия, колумбия и другие материалы. Необходимо отметить, что защитный теплоизоляционный слой на огневой поверхности камеры ЖРД иногда может быть создан без вмешательства в конструкцию камеры. Если в качестве одного из компонентов жидкого ракетного топлива используется углеводородное горючее типа керосина, то образующийся в продуктах сгорания углерод тонким слоем осаждается на стенках камеры.
Это уменьшает тепловой поток в стенки. По данным зарубежной печати, добавкой к жидкому горючему силиконовых соединений можно вызвать появление в продуктах сгорания двуокиси кремния 5!О„вязкая пленка которой осаждается на стенках камеры и уменьшает тепловой поток. По опытным данным, такое покрытие имеет толщину 0,1 ... 0,2 мм, является «динамическим», т. е.
во время работы постоянно уносится и возобновляется. Добавка в горючее ! ... 2 % силиконовых соединений приводит к снижению плотности теплового потока на величину, достигающую 40 %. 23.8. КОМБИНИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ СТЕНОК В камерах современных ЖРД чаще всего встречаются комбинированные системы защиты стенок, представляющие собой сочетание двух или более способов теплозащиты. Наиболее распространенным является сочетание наружного проточного регенеративного охлаждения с внутренним. Последнее применяют в виде защитной зоны, создаваемой смесительной головкой, или в виде завесного охлаждения. В особо тяжелых по термической напряженности вариантах камер можно применять 270 одновременно оба упомянутых вида внутреннего охлаждения. При наличии хорошо отработанных пористых материалов целесообразно применять вставки на участках максимальных тепловых потоков.
На этих же участках целесообразно применение вкладышей из аблирующих материалов (см. гл. ХХХЧП1). Находит применение сочетание наружного проточного регенеративного охлаждения с защитой огневой поверхности термоизоляциониыми покрытиями. Для камер, имеющих большую геометрическую степень расширения сопла, на участке его расширяющейся части с относительно низкими температурами газа ограничиваются радиационным охлаждением. Применение новых высокоэнергетических топлив и необходимость увеличения ресурса ЖРД предъявляют новые повышенные требования к системам защиты стенок камеры.
Совершенствование этих систем идет по пути изыскания новых высококачественных материалов и целесообразных схем различных вариантов охлаждения. 23.9. ПОТЕРИ УДЕЛЬНОГО ИМПУЛЬСА В СВЯЗИ с ОРГАнизАцией теплОВОЙ зАщиты Основным средством практически всех методов защиты стенок от перегрева, окисления н эрозии является снижение их температуры по сравнению с температурой Т„которую имела бы теплоизолированная стенка. Потери удельного импульса из-за трения $,р при снижении температуры Т„„возрастают, так как пограничный слой становится более холодным и плотным. Как видно из рис.
21.6, при изменении фактора теплообмена в диапазоне Т„ = 0,1 ... 0,9 значения $,р возрастают в 2 ... 3 раза. Для течений, сопровождаемых теплообменом, можно специально выделить потери удельного импульса, обусловленные неадиабатностью течения: б7г ' = ($,э — $Ф) )т".'., где $,'ро и $,р — соответственно потери при адиабатном (Т„= 1) и неадиабатном (Т„ ( П течениях, 1„'"'„ — идеальное значение удельного импульса. Основной способ снижения температуры Т„ „ для камеры ЖРД или газогенератора — проточное охлаждение. При автономном проточном охлаждении дополнительные потери б7„' ' являются безвозвратными.
В случае регенеративного охлаждения теплота (~, воспринятая охладителем — компонентом топлива,— возвращается с ним в камеру. Энтальпия топлива при этом увеличивается на М„ и удельный импульс возрастает. Относительное увеличение удельного импульса $о за счет регенерации, которое возрастает при увеличении степени расширения сопла и уменьшении Т„.„, можно вычислить с применением экстраполяционной формулй и коэффициентов из справочника !27). За счет составляющей $ч потери из-за неаднабатности частично компенсируются и составляют б(а = Йтг — ~(р' — ~е) 1а".
Как в случае автономного, так и регенеративного охлаждения потери из-за неадиабатности можно уменьшить, увеличивая температуру стенки, например, применяя тугоплавкие покрытия. Удельный импульс при наличии внутреннего охлаждения часто сопоставляют со значением удельного импульса без применения такого охлаждения. Для организации внутреннего охлаждения приходится расходовать часть топлива при неоптимальном соотношении компонентов, расходовать его в условиях, неоптимальных в смысле создания тяги.
Для грубой оценки снижения удельного импульса в случае внутреннего охлаждения, организуемого смесительной головкой, применяют модель двухслойного течения пристеночный слой— ядро потока. Используя формулу (22.2), можно получить Фст — 1 Й~ст (1 17. и. от!7). (23.26) Как видно, снижение удельного импульса, обусловленное наличием пристеночного слоя, зависит от значения относительного расхода в пристеночном слое д„ и отношения удельных импульсов при соотношениях компонентов топлива в пристеночном слое и ядре потока.
Уменьшение 7 „ может составлять несколько процентов. Оценка влияния на удельный импульс завесного или транспирационного охлаждения, применение выгорающих теплозащитных покрытий требуют привлечения различных моделей взаимодействия потока, обеспечивающего защиту, с основным потоком. Для модели полного перемешивания удельный импульс определяют термодинамическим расчетом для условной формулы смеси, например завесы и ядра. При отсутствии взаимодействия потоков и без учета вклада потока, обеспечивающего защиту, в создание тяги потери удельного импульса рассчитывают по формуле (23.26) при 1э „„= О.
Так, в случае завесного охлаждения без взаимодействия завесы с ядром ~р„~ = 1 Ыэав. Процессы смешения пристеночного слоя (создаваемого смеси- тельной головкой, жидкостной или газовой завесой) с ядром потока могут привести к существенному изменению удельного импульса по сравнению с расчетом для двухслойной модели течения. В этом случае необходимо воспользоваться более общей формулой (22.2), но для этого нужно знать распределение соотношения компонентов топлива на срезе сопла. Как упоминалось, при течении в сопле радиальное перемешивание несущественно, поэтому за искомое распределение можно принять распределение соотношения на входе в сопло. На рис. 23.18 приведены данные по влиянию пристеночного слоя на удельный импульс камеры.
Сплошная 272 линия соответствует расчету по двухслойной модели, штриховая— расчет с учетом смешения ядра потока и пристеночного слоя. Видно, что в рассматриваемом диапазоне изменения параметра т = (и„,.„/и„)„смешение приводит к увеличению удельного импульса камеры. Особенно это заметно для прнстеночного слоя с избытком окислителя. Г Л 1 В А ХХ(Ч. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО ТЕЛА В СИСТЕМАХ НАДДУВА И ПОДАЧИ ТОПЛИВА 24Л. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАПАСА ГАЗА ВЫТЕСНЕНИЯ (НАДДУВА) Прн использовании двигателей с вытеснительной подачей топлива конечная скорость аппарата снижается вследствие увеличения массы конструкции из-за более тяжелых баков, а также за счет пассивной массы рабочего тела системы подачи, не участвующего в непосредственном создании реактивной силы. В случае турбонасосной подачи пассивной массой является рабочее тело и другие элементы системы наддува баков.
Снижение удельного импульса нз-за наличия пассивной массы можно оценить методом эквивалентов (см. гл. 111). Массу рабочего вещества в системах подачи или наддува удобно характеризовать относительной величиной е = т,/гп,. (24.1) Запас топлива т, вычисляется как сумма масс компонентов т,„н и„. Методы расчета массы газа т, для употребительных случаев вытеснительных систем подачи (нли систем наддува) рассматриваются ниже.
24.!.!. Газобаллонная система Газ, используемый для вытесннтельной подачи компонентов топлива или для наддува баков, должен обладать определенными свойствами: высокой плотностью при хранении, большой работоспособностью (в том числе за счет малой молекулярной массы), незначительной растворимостью в компонентах топлива, химической инертностью к ням и к материалам. Этими свойствами в достаточной мере обладают азот и гелий, они нашли в настоящее время широкое применение. Запас газа вытеснения в баллоне т, определяют из условия обеспечения заданного рабочего давления в баке ра прн полной выработке компонента с учетом остаточного давления в баллоне т, = т, + газа — тпа. (24.2) В формуле (24.2) параметры только с цифровым индексом относятся к баллону, с дополнительным буквенным индексом «б»вЂ” к баку, из которого происходит вытеснение, индексы ! и 2 указывают начальное (начало работы) и конечное (конец работы) состояния системы; очевидно, что т, = т,.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
