Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева

ба 0-75 б 7~ УДК 621.455 ПРЕДИСЛОВИЕ А. П. ВАСИЛЬЕВ, В. М. КУДРЯВПЕВ, В. А. КУЗНЕПОВ В. Д. КУРПАТЕНКОВ, А. М. ОБЕЛЬПИЦКИИ, В. М. ПОЛЯЕВ. Б. Я. ПОЛУЯН Р е и е и 3 е н т пРоф. В, Н. Богомолов | Вс р ь я Гврвйеййв Рз; ' -сьцвка рвь н.

~. г!кг<РАЕОВА ,/12359-Х О-75 л; расчета жидкостных Основы тео ии и асч лей: Учебник/Васильев А. П., Кудрявцев В. М., К р.; од ред, В. М. Кудрявцева.— 3-е изд., испр. и доп Высш. школа, 1983. — 703 с., ил. В перл 1р. 90 к В учебнике даны общие сведения о ракетных в я о ракетных д нгателях, ос оиы те»мог в д; жена теория тяги и характераств стеалсн расчеь процессов старания топлива н нстеч тельной н насосной системы под нстемы подачи топлива, расчет н выбор оптимальчых нов ыми сведениями о достижениях в б .) переработано н лопал женках в области ракетной техники н освоения к Длл студентов авиационных еоае. М л с у а, ожет быть полезен длл иижеиерое их е о лести ракетной техники.

ББК 3 б 2303020200 — 264 104-83 001(01) — 83 ыз Издательство «Высшая школа», 1975 'ф Издательство «Высшая школа», !983, с кзменепв За послевоенное время ракетно-космическая техника прошла огромный путь развития. Появились и утвердились новые отрасли этой техники и среди них — ракетное двигателестроение со сложной и многообразной наукой, в которой накоплен большой теоретический и практический материал, постоянно расширяющийся и совершенствующийся. Быстрый рост техники создает значительные трудности для авторов учебника, предназначенного в первую очередь для подготовки специалистов в области ракетного двигателестроения.

С одной стороны, возникает естественное желание изложить в учебнике на более строгой теоретической основе больше материала, с другой— имеются определенные пределы, накладываемые программой курса и физическими возможностями студентов усвоить излагаемый материал в отведенный срок. Авторы решили ближе придерживаться второго направления, излагая материаз! в доступной для студента, впервые изучающего курс, форме.

Поэтому в учебнике излагаются основные вопросы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей с такой полнотой, при которой читатели могут усвоить эти вопросы с достаточным пониманием. Кроме того, изложение теории в большинстве случаев доводится до инженерных методов расчета, необходимых студентам при курсовом и дипломном проектировании и приспособленных к использованию ЭВМ. Опыт прошлых лет полностью оправдал такое методологическое построение и принципиальный подход к изложению материала учебника. Второе издание учебника <Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей» вышло в 1975 г. и нашло применение как в учебном процессе, так и в научно-исследовательских и конструкторских организациях.

В связи с быстрым ростом науки и техники назрела необходимость переработать книгу в соответствии с ГОСТ 22345 — 77 и дополнить ее новым теоретическим и справочным материалом, отражающим достижения в отечественном и зарубежном двнгатслестроснии за прошедшее время. При написании третьего издания учтены замечания и пожелания учебных заведений, различных организаций и специалистов, а также собственный опыт работы авторов. Авторы признательны и благодарны рецензенту проф. В. Н. Богомолову за ценные рекомендации, направленные на улучшение книги, а также товарищам Е.

Л. Березонской, Ю. Д. Надеждинои, О. В. Бихар, Т. Д. Крюковой,,7. Я. Бажановой, Н. П. 54атюниной, Г, Т. Лос. кушниковой за помощь, оказанную при подготовке и оформлении материала учебника. Материал между авторами распределяется следующим образом: В. М, Поляевым написана гл. 1; А. П. Васильевым и В. М. Поляевым— гл. 2, 6, 7; В.

М. Кудрявцевым — гл. 3, 4, 8, 17; Б. Я. Полуяном— гл. 5, В. Д. Курпатенковым — гл. 9 — 12; А. М. Обельницким — гл. 13, 15, 16; В. А. Кузнецовым — гл. 14; В. М. Кудрявцевым и В. Д. Курпатенковым — гл. 18. А б признательны всем, кто сочтет возможным прислать вторы удут ва К-51 Неглинная свои пожелания и замечания по адресу: Москва, ул., д. 29/14, издательство «Высшая школа». Авторы ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ ф ЕП ТЕРМИНОЛОГИЯ И СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Для ускоренного перемещения какого-либо аппарата (ракеты, самолета и т. п,) или для преодоления им сил внешнего сопротивления (аэродинамнческих, гравитационных) к нему должна быть приложена сила, называемая тягой. Тягу создает двигательная система (двигатель), установленная на аппарате. На современном уровне развития для создания тяги используют «реактивный принцип», основанный на отбросе от двигательной системы некоторой массы вещества, называемого рабочим телом.

В этом случае тяга есть сила реакции (реактивная сила), возникающая при отбросе от этой системы рабочего тела, причем направление тяги и движение отбрасываемого рабочего тела — противоположны. Величина тяги, определяемая уравнением количества движения, пропорциональна произведению массы рабочего тела на скорость ее отброса.

Для создания скорости отброса рабочего тела к нему должна быть подведена энергия. Чем большее количество энергии подводится к единице массы рабочего тела, тем выше скорость его отброса и тем больше тяга, развиваемая двигательной системой. Таким образом, для создания тяги необходимо иметь рабочее тело, источник энергии и двигательную систему, преобразующую подводимую энергию в кинетическую энергию рабочего тела.

Характерны два типа двигательных систем, преобразующих подводимую энергию в кинетическую энергию рабочего тела: 1. Энергия преобразуется вне двигателя. Рабочее тело — окружающая среда, которая с помощью движителя, например винта самолета, отбрасывается от системы. 2. Энергия внутри двигателя и система при этом не требует дополнительных устройств (движнтеля). В первом случае двигатель и движитель — отдельные агрегаты, а рабочее тело двигателя не является рабочим телом движителя. Такую систему называют двигателем непрямой реакции. Во втором случае двигательная система представляет собой сочетание в одном агрегате двигателя и движителя с единым рабочим телом, причем в этой системе происходит не только преобразование подводимой энергии в кинетическую энергию рабочего тела, но непосредственно без промежуточного устройства создается тяга в виде реакции струи (реактивной струи), вытекающей нз двигателя рабочего тела.

Такую систему называют двигателем прямой реакции нлн реактивным; в ней наиболее ярко проявляется реактивный принцип. Для создания тяги реактивные двигатели могут частично илн пол- постыл использовать либо энергию или рабочее тело из окружающей среды, либо энергию и рабочее тело полностью расходуются из запасов, находящихся на борту летательного аппарата (ЛА), Реактивные двигатели, получающие из окружающей среды частично или полностью энергию или рабочее тело или то и другое вместе, относятся к классу неракетных двигателей, например различные типы воздушно-реактивных двигателей (турбокомпрессорный, прямо- точный, пульсирующий), плазменный электрореактивный двигатель, установленный на автоматической межпланетной станции «Зонд-2», у которого запас рабочего тела полностью находился на борту космического аппарата, а энергию (солнечную) он получал из окружающей среды.

Ракетным двигателем (РД) называют реактивный двигатель, не использующий для своей работы из окружающей среды ни энергию, ни рабочее тело. Таким образом, РД вЂ” установка, имеющая источник энергии и запас рабочего тела и предназначенная для получения тяги путем преобразования любого вида энергии в кинетическую энергию~ рабочего тела, отбрасываемого от двигателя в окружающую среду. Ракетные двигатели, обладают тремя основными характерными особенностями: 9ф 1) автономность от окружающей среды. Под автономностью РД нельзя понимать независимость его параметров от окружающей среды, так как его выходные параметры в значительной степени зависят от окружающего давления (противодавления).

Под автономностью следует понимать лишь способность РД работать без использования окружающей среды. Поэтому эти двигатели могут работать под водой, в атмосфере и. в космическом (межпланетном) пространстве; 2) независимость тяги от скорости движения аппарата, так как тяга создается в нем за счет расхода запасов рабочего тела и энергии, имеющихся на этом аппарате. Поэтому эти двигатели способны функционировать, при очень больших скоростях движения (см. гл. 4); 3) высокая концентрация подводимой энергии на единицу массы рабочего тела, обусловленная стремлением получить максимально возможную скорость истечения (отброса) реактивной струи,, и, как следствие этого, большая энергонапряженность (теплонапряженность) рабочего процесса и малая удельная масса двигателя, приходящаяся на единицу развиваемой тяги.

Из рассмотренных основных характерных особенностей РД вытекают целесообразные области их применения. Большое значение при этом имеет вид запасенной энергии, находящейся на борту ЛА. На современном уровне техники можно использовать в РД энергию, запасенную в форме ядерной, электрической, тепловой и химической. Двигатели, использующие ядерную, электрическую и тепловую энергию, составляют класс нехимических РД. Эти двигатели пока находятся в стадии теоретических разработок и опытных исследований. Большинство практически применяемых в настоящее время РД используют химическую энергию, носителем которой является топ- е лино.

Топливо может быть одно-, двух- и многокомпонентным. Чаще всего используют двухкомпонентное топливо, состоящее из горючего и окислителя. Источником энергии в этом случае является реакция горения (экзотермическая, идущая с выделением тепла). Экзотермической реакцией может быть также реакция разложения некоторых веществ, или ассоциация (рекомбинация) атомов и радикалов. Химическая энергия топлива преобразуется в камере сгорания (КС) в тепловую энергию продуктов реакции (продуктов сгорания). Затем тепловая,энергия в сопле переходит в кинетическую энергию вытекающих продуктов сгорания (ПС), в результате чего образуется реактивная сила (тяга).

Таким образом, исходное химическое топливо является одновременно источником энергии н источником рабочего тела для получения тяги. Совокупность отмеченных признаков определяет класс химических РД, характерная особенность которых по сравнению с другими РД вЂ” высокие удельные расходы топлива (массовый расход топлива, приходящийся на единицу развиваемой тяги), вызванные необходимостью иметь, на борту аппарата горючее и окислитель. В связи с этим время работы химических РД ограничено запасами топлива в аппарате, которое относительно невелико. Из всего многообразия химических РД ограничимся рассмотрением только жидкостного ракетного двигателя, который занимаетособое место в ракетной технике и широко используется в освоении космическогб пространства.

5 Ьз. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВЫ УСТРОИСТВА, ХИМИЧЕСКИХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕИ Химические РД (в зависимости от агрегатного состояния топливн до его использования в двигателе) можно разделить на следующие основные группы: жидкостные ракетные двигатели (ЖРД); ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ); гибридные (комбинированные) ракетные двигатели (ГРД), использующие топливо смешанного агрегатного состояния (рис. 1.1). Основной агрегат ЖРД, где создается тяга*, — КС двигателя.