76 (641419), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

(2.1)

где k – показатель адиабаты рабочего тела;

R_μ=8314 Дж/(кмоль К), универсальная газовая постоянная;

μ – молекулярная масса рабочего тела, кмоль;

Т_к - температура в камере сгорания, К;

р_а - давление на срезе сопла, Па;

р_а – давление в камере,Па.

Площадь среза сопла определяется выражением:

или

(2.2)

где f_кр – удельная площадь критического сечения сопла, м²с/кг;

f_а – удельная площадь среза сопла, м²с/кг;

- степень расширения рабочего тела в сопле.

Удельный импульс двигателя:

, (2.3)

где р_н – давление окружающей среды, Па;

- удельная площадь среза сопла, м²с/кг.

Тяга двигателя определяется по формуле:

, (2.4)

где - расход рабочего тела через камеру, кг/с;

F_a –площадь среза сопла, м.

Удельная площадь произвольного сечения камеры сгорания и сопла определяется по формуле:

, (2.5)

где - число Маха в данном сечении сопла;

w – скорость течения рабочего тела в данном сечении сопла, м/с;

- cкорость звука в данном сечении, м/с.

Зависимость между степенью расширения рабочего тела в сопле ε и числом Маха на срезе сопла выражается следующей формулой:

. (2.6)

Зависимость между поперечными размерами сопла на срезе f_a и степенью расширения газа в сопле ε определяется так:

, (2.7)

Нерасчетный режим работы сопла, когда р_а<р_н, называется режимом перерасширения и сопровождается проникновением скачков уплотнения внутрь сопла. Начало этого проникновения совпадает с моментом появления скачков уплотнения на срезе сопла, при р_а<(0,2 – 0,4)р_н. В ходе экспериментов было установлено, что число Маха в сечении, где располагается граница скачков уплотнения при их проникновении внутрь сопла, может быть найдено из уравнения:

, (2.8)

где М_х – число Маха в сечении границы скачков уплотнения;

ξ – поправочный коэффициент.

После нахождения из этого уравнения числа М_х можем определить:

• местоположение сечения Х:

, (2.9)

• удельный импульс двигателя:

, (2.10)

• скорость потока рабочего тела в сечение Х:

, (2.11)

• температуру рабочего тела в сечении Х:

(2.12)

1. Термодинамические процессы, протекающие в камере электронагревного движителя

Обобщенно можно представить ТД процессы, протекающие в ЭРД с ВЧ нагревом рабочего тела, следующим образом (см. рисунок 17):

Рисунок 3. Схема электронагревного ракетного движителя

Запишем уравнение баланса энергии в интегральной форме для промежутка времени в предположении установившегося процесса работы двигателя:

, (2.13)

где Q_рас –потери энергии в двигателе, связанные с рассеянием ее в стенки камеры и сопла и др.;

С_р0, С_ра – изобарные теплоемкости рабочего тела соответственно при температурах рабочего тела на входе в камеру и на выходе из сопла, Дж/(кг*К);

Т₀, Т_а - температуры рабочего тела соответственно на входе в камеру и на выходе из сопла, К;

w₀, w_а – скорости потока рабочего тела соответственно на входе в камеру и на выходе из сопла, м/с.

Разделим все члены записанного уравнения на ( ), т.е. приведем его к удельной форме:

, (2.14)

Его можно записать иначе:

, (2.15)

где .

Связь параметров рабочего тела на срезе сопла с параметрами в камере определяется следующей зависимостью:

или

. (2.16)

С учетом допущения об идеальности рабочего тела:

. (2.17)

Исходя из предположения адиабатности течения, получим:

, (2.18)

хотя на самом деле течение является изоэнтропным, в данной формуле, так же как и в последующих, следует вместо k писать n_из, причем n_из

Исходя из вышеприведенных формул, имеем:

. (2.19)

Связь параметров рабочего тела в критическом сечении сопла с параметрами в камере:

или

,

, (2.20)

,

.

Определим связь параметров рабочего тела в камере с площадью критического сечения сопла. Из уравнения:

, (2.21)

получим:

. (2.22)

Моделирование основных газодинамических процессов в ЭНД с ВЧ нагревом рабочего тела, в качестве которого использовались различные водород содержащие и водород не содержащие газы, осуществлялось с использованием вышеприведенных формул.

1. Заключение

С использованием приведенных выше формул были проведены численные расчеты рабочих характеристик реактивного двигателя для рабочих тел (как водород содержащих Н₂, NН₃, Н₂О, так и водород не содержащих СО₂, N₂, Не₂, Аr). Все расчеты производились для одинаковых термодинамических параметров в камере двигателя, для одних и тех же геометрических размеров камеры и сопла, и баллонов системы хранения и подачи рабочего тела. Полеченные результаты расчета сведены в таблицу 2 и графически представлены на рисунке 4. На рисунке 4 представлены зависимости удельного импульса ракетного двигателя, массы необходимого рабочего тела, массы СХП этого рабочего тела, и суммарной массы СХП, и рабочего тела от рода рабочего тела (проще говоря, от М и к рабочего тела). Из этой зависимости вытекает вывод о преимущественном использовании в качестве рабочих тел веществ с низкой молекулярной массой. Одним из наиболее доступных и широко распространенных веществ с низкой молекулярной массой является молекулярный водород. Здесь же представлена зависимость массы потребного рабочего тела и массы необходимой для его хранения СХП баллонного типа от рода рабочего тела.

Таблица 2

Из анализа этого графика следует, что по критерию минимальной массы системы хранения и рабочего тела наилучшим рабочим телом является аммиак. Однако следует принять во внимание тот факт, что в случае применения в качестве СХП водорода такой системы хранения как, например, хранение водорода в металлогидридах или в связанном состоянии, суммарная масса такой СХП рабочего тела водорода может быть снижена и станет ниже массы газобаллонной СХП других рабочих тел. Необходимо учитывать тот факт, что в отличие от аммиака, который является химически активным и, соответственно, требует для своих СХП использования дорогих конструкционных материалов и систем предотвращения утечки, и имеет достаточно низкий удельный импульс, не токсичный и не химически активный водород позволяет упростить структуру СХП.

Р исунок 4. Зависимости удельного импульса РД, массы необходимого рабочего тела, массы СХП этого рабочего тела, и суммарной массы СХП и рабочего тела от рода рабочего тела.

При использовании водорода в качестве рабочего тела мы можем достичь больших значений скоростей истечения (т.е. большего удельного импульса) и получить более безопасную систему с точки зрения хранения рабочего тела и эксплуатации двигательной установки. Кроме того при рассмотрении в качестве варианта нагрева рабочего тела в камере РД способа ВЧ нагрева следует учитывать тот факт, что для достижения наибольшего КПД процесса передачи энергии от ВЧ разряда к рабочему телу необходима полная или частичная ионизация, или активация последнего, что в случае аммиака представляет собой достаточно серьезную проблему.

Список литературы:

1. Арлазаров М.С. “Гражданская реактивная техника создавалась так…”. Москва, 1976.

2. Баев Л.К. “Реактивные самолеты”. Москва, 1958.

3. Новиков А.А. “Реактивная техника в транспортной авиации”. Ленинград, 1963.

4. Безэлектродный разряд высокого давления. ЖТФ, №36, т.5, 1966г., с.913-919

5. Особенности развития импульсных СВЧ разрядов в различных газах. ЖТФ, №4, т.68, 1998г, с.33-36

6. Получение атомарного водорода в высокочастотном газовом разряде и масс-спектрометрическая диагностика процесса. ЖТФ, №5, т.67, 1997г., с.140-142

7. K.H. Groh, H.J. Letter. RIT 15 – a medium range radio-frequency ion thruster.

8. А.Н.Пономарев "Советские авиационные конструкторы"

МОСКВА. Воениздат. 1990 г.

1. А.Н.Пономарев "Авиация на пороге в космос"

МОСКВА. Воениздат. 1971 г.

1. И.К.Костенко " Летающие крылья "

МОСКВА. Машиностроение. 1988 г

1. Г.Ф.Байдуков " Первые перелеты через Ледовитый океан. Из воспоминаний летчика ". МОСКВА. 1977 г.

Характеристики

Список файлов реферата