Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 55
Текст из файла (страница 55)
Оценка и выбор топлива с учетом всех указанных выше показателей весьма сложны и обычно производится прн окончательном подборе топлива для конкретного аппарата или в случае предварительной оценки новых топлив. Для оценки известных или достаточно проверенных практикой видов топлив можно ограничиться сравнением их основных энергетических показателей и скорости полета аппарата, т.
е. руководствоваться методикой, рекомендуемой В. П. Глушко1121. зп. ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕН ТОПЛИВА При рассмотрении технических требований к топливу как источнику энергии была показана связь между теплопроизводительностью топлива и удельным импульсом Ф~„,= — =9,33 ~/ЙП,; /„,=%'=1,41 ЗГН„т),.
(6. 1) К Отсюда следует, что удельный импульс прямо пропорционален скорости истечения газов из сопла и теплопроизводительности топлива. Удельный импульс тяги и теплопроизводительность топлива практически одинаковы по своей значимости и энергетической характеристике топлива. Однако надо иметь в виду, что максимальные значения этих показателей зависят от принятого значения и — коэффициента избытка окислителя и не совпадают друг с другом. Использование Н или /гт зависит от условий и удобства сравнения.
Оба эти показателя являются первостепенными, но удельный импульс используется для сравнения и оценки качеств топлива значительно шире, так как обычно определяется для реальных условий работы двигателя при оптимальном значении коэффициента избытка окислителя. Удельный импульс, отнесенный к массовому расходу (кг/с), называют массовым удельным импульсом (/„„) в отличие от так называемого объемного удель. ного импульса /',. Этот показатель физически представляется как удельный импульс 1 м' топлива, израсходованного за 1 с.
Объемный удельный импульс очень удобен для оценки габаритов баков, занимаемых компонентами топлива, и в известной мере характеризует габариты силовой установки илн аппарата, иа котором используется данное топливо.!'„(м/с/м') определяется как произведение массового удельного импульса на плотность топлива (6. 2) Эквивалентная объемному удельному импульсу величина теплопроизводительности, отнесенной к 1 м' израсходованного топлива, называется теплоплотностью и обозначается Н„'(кДж/мз). Она определяется как произведение теплопроизводительности Н„на плотность топлива у, ( кЛж) (б. 3) Значение этой величины в оценке топлива можно показать на следуюшем примере.
Для топлива с кислородом в качестве окислителя и углево- дородным горючим теплопроизводительность может быть при- нята равной 2250 ккал/кг топл., приняв т1,=0,5, получим массо- вый удельный импульс /„„=9,33 7~РЗ„"И,= 9,33)/2250~0,5=3110 м/с. Объемный удельный импульс в этом случае /',=/„у,=3!5)~1,04=3240 м/с, где у,=1,04, если считать к=3,00; а=! и у р —— 0,85 г/см, а у„=1,!1 г/см'. Разница между/„„и /„„мала и составляет око- ло За/э от /тд. Практически можно считать, что оба показателя равноценны. Это обстоятельство будет иметь место во всех случаях, когда у, близка к единице. В то же время, если взять более плотный 247 7У„=9,33 ~И„Ч,=9,33)/1710)~0,5=2700 м/с; 7„',=Iрку,=273~(1,47=3945 м/с. Здесь объемный удельный импульс значительно выше массового, что указывает на возможность в достаточной степени использовать объем баков, т. е. габариты такого аппарата будут значительно меньше, чем в первом случае.
Плотность топлива или точнее его техническая плотность, являясь одним из важнейших показателей при оценке и выборе топлива. Но плотность топлива — величина, зависящая от плотности компонентов — горючего и окислителя и больше всего от их соотношения (.техиометрического и действительного) в заданном топливе, т. е. от кр, я на. Влияние плотности горючего и окислителя на плотность топлива далеко не одинаково, это можно показать, если вспомнить, что у, — —" — — а (кг/м'), (6. 4) 1/Угор + — НУгор + Уок У, к где бг — масса топлива, кг; )г, — объем топлива, и'; 0ок х= —; 0гор "о= "=""о. ~ кр. бгорр Полагая для данной пары компонентов топлива значение рр= =сонэ(, можно видеть, что значение У,„много выше Уг,р и всегда ведет к увеличению плотности топлива.
В то же время, если я=акр, то можно показать, что при определенном значении мр плотность топлива с ростом а также растет (рис. 6.1). Влияние а — коэффициента избытка окислителя на качест. ьо топлива очень существенно и проявляется в значительно большей степени, чем рр. Оценка топлива по теплопроизводительности Н обычно производится при а= 1,0, когда значение Н. достигает максимальной величины. Для сравнительной оценки это условие допустимо, но в реальных условиях работа двигателя обычно происходит при а, не равном единице, чаще всего при оптимальном значении а, отвечающем максимальному зна- окислитель, например, тетранитрометан и сохранить прежнее горючее, положение резко изменится, Теплопроизводительносгь углеводородно-тетранитрометанового топлива равна только 1710 ккал/кг.
Плотность у, топлива с тетранитрометаном в качестве окислителя будет выше и равна 1,47. Полагая, как и выше, а=1,0 и р),=0,5 получим: йг йа йз йа 1Р 77 Еэа Рис. 6.1. Зависимость удельного импульса и плотности некоторых топлив от коэффициента избытка окислителя а: т — керосин+ азотная кяслота; т — тидразин+фтор; а — керосин+нислород; Ф вЂ” водород+ + кислород 6.2. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТОПЛИВА ПО МАКСИМАЛЬНОИ СКОРОСТИ ПОЛЕТА АППАРАТА Максимальная скорость полета аппарата определяется по формуле Циолковского (6.
5) Оценка топлива по формуле Циолковского является упрощенной потому, что производится без учета эксплуатационных показателей топлива. Такая форма оценки наиболее удобна для сравнения известных по эксплуатационным показателям или совершенно новых, не проверенных еще практикой, топлив. Используя формулу Циолковского для оценки топлива, получают достаточно обоснованный результат с учетом удельного импульса н плотности топлива — двух основных энергетических показателей.
Оба эти показателя существенно зависят от а— коэффициента избытка окислителя. Если последний назначен в определенных пределах или выбран как оптимальный для реальных условий работы двигателя, то удельный импульс и плотность топлива также отвечают оптимальным или реальным условиям работы двигателя. Таким образом, используя формулу Циолковского дляоценки топлива, одновременно учитывают и комплексное влияние а, 249 чению удельного импульса, поэтому наиболее часто оценку проводят по удельному импульсу. Оптимум а для различных топлив не совпадает с а=! и не совпадает друг с другом для разных пар топлив. Эти несовпадения довольно значительны для ряда топлив, особенно резко отличается а оптимальное от а= 1 для топлив водород+кислород. 7,7 Зависимость удельного импульса от а га для разных топлив показана на рис, ад 5. !.
При оценке топлив необходимо ! учитывать влияние а не только на удельный импульс, но и на темпера- йч турный режим Лвигателя, плотность й7 топлива, а следовательно, и на размеры баков и габариты аппарата. Влияние а на величины удельного импульса и плотности топлива в конечном итоге очень заметно сказывается и на основном показателе летательного аппарата — его максимальной скорости полета в конце активного участка работы двигателя. одного из основных параметров рабочего процесса двигателя, на тягу и плотность топлива (рис. 6.2). Формула Циолковского часто записывается в виде Р,„=)Ул!п(1+ ~' ), где )у' — скорость газов на срезе сопла; ктт — масса топлива в баках аппарата на старте; сан — масса сухой конструкции аппарата. Выражая массу топлива через объем бака Уцо, м/с и плотность топлива, получим Бтоп бваа г зат 1' бУта боаа в то же время, )а'=ттд и тогда уравнение оооо (6.
5) примет вид: оооо г ~ бтт вгпп ввпп топо Объем баков связан с массой конструкгппо ции, эту связь можно выразить через массо- 1"б |БПППТООПБОВ|атв, Внй КОЭффнцнсит ак= ~ ТОГда а к (l,„= /~, 1и (1+ о,у,). (6. 7) Рис. 6 2. Зависимость идеальной скорости Из формулы (6. 7) видно, что макси- полета ракеты от ио- мальная скорость полета зависит от двух вффиииеита избытка переменных 1 и у„т. е. удельного импульокислителя: тл са и плотности топлива, непосредственно ! †керос-|-азотиак кислота: я — гидразина фтор: СВЯЗВННЪ|Х С ТОПЛИВОМ, И МаССОВОГО ПОКаЗаг — «евосинокиоаовод; 4 — тела аппаРата Он. Отметим еще Раз что водородькнсдород удельный импульс и плотность топлива зависят от одного из основных параметров рабочего процесса двигателя — коэффициента избытка окисли- теля а. Влияние указанных трех параметров на максимальную скорость полета неравноценно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
