книги из ГПНТБ / Динамика и управление ядерным ракетным двигателем [Текст] 1974. - 253 с

ІЙ

ч

ДИНАМИКА И УПРАВЛЕНИЕ ЯДЕРНЫМ РАКЕТНЫМ ДВИГА ТЕЛЕМ

Под редакцией академика Б. Н. ПЕТРОВА

МОСКВА АТОМИЗДАТ 1974

ДК 629.19 : 621.039.578 + 621.398

Динамика и управление ядерным ракетным двига­ телем. Под ред. акад. Б. Н. Петрова. М., Атомиздат, 1974, с. 256. (Авт. Бугровский В. В., Жуков В. П., Пре­ ображенский С. С., Солнечный Э. М., Уланов Г. М., Чупрун Б. Е.)

основном иностранной, литературе. Своевременность выпуска такой книги обусловливается тем, что в на­ стоящее время отсутствует систематическое изложение этих вопросов, содержащихся в разрозненных жур­ нальных статьях. В книге дается математический ап­ парат, методы и алгоритмы исследования динамики ЯРД, а также некоторые принципы управления дви­ гателями. Большое внимание уделено учету влияния распределенности параметров, что является необхо­ димым при изучении многих вопросов динамики и уп­ равления.

Рис. — 68. Таблиц — 1. Библиография — 115 названий.

В. В. БУГРОВСКИЙ,

В. П. ЖУКОВ, С. С. ПРЕОБРАЖЕНСКИЙ, Э. М. СОЛНЕЧНЫЙ, Г. М. УЛАНОВ,

Б. Е. ЧУПРУН.

П РЕД И СЛ О В И Е

Развитие реактивной космической техники требует разработки новых эффективных источников энергии. Весь­ ма перспективным в этом отношении является широкое ис­ пользование атомной энергии, которая позволяет значи­ тельно увеличить энерговооруженность космических объ­ ектов, создать реактивные установки с высоким удельным импульсом и повысить долю полезной массы в общей массе космического корабля. При этом атомная энергия может использоваться как для непосредственного создания реак­ тивной тяги (ядерный ракетный двигатель), так и для соз­ дания на борту корабля источника электрической энергии (для электрических реактивных движителей и других нужд).

Перспективы применения атомной энергии в космосе все время расширяются; вместе с тем в отечественной науч­ ной литературе до настоящего времени отсутствуют книги, отражающие специфические проблемы атомной энергетики в космосе, не разработана классификация объектов ядерной космической техники. Нет также монографий по ис­ следованию стационарных и нестационарных процессов и методов управления ядерными энергетическими установками

идвигателями. В изданном в СССР переводе книги Р. Бассарда и Р. Делауэра «Ядерные двигатели для самолетов и ракет» освещаются в основном вопросы расчета и конструи­ рования ядерного ракетного двигателя; в настоящее время

иэта книга стала уже библиографической редкостью.

Предлагаемая вниманию читателя книга является обоб­ щением теоретических работ в области динамики и управле­ ния ядерными ракетными двигателями, опубликованных в периодической, в основном иностранной, литературе. Книга отражает важные теоретические проблемы в ука­ занной области, такие, как математическое описание не­ стационарных процессов в ядерном двигателе, выбор алго-

3

ритмов и структуры системы управления, разработка ме­ тодов численного решения задач динамики и оптимизации.

В книге рассматриваются два типа ядерных ракетных двигателей — с твердым и с газофазным делящимся веще­ ством. Первый из них (известный по таким американским разработкам, как двигатель «Нерва») в настоящее время прошел в США долгий путь научно-исследовательских, опытно-конструкторских и экспериментальных работ и показал возможность продолжительной устойчивой работы с высоким удельным импульсом — около 715 сек. Еще более высокие показатели (по данным иностранной печати) должны иметь газофазные ядерные двигатели.

Для каждого из указанных типов двигателей дано ма­ тематическое описание нейтронно-кинетических, газоди­ намических и теплообменных процессов в рабочих средах и элементах конструкции. В частности, подробно рас­ смотрена и обоснована математическая модель процессов кинетики нейтронов в реакторах с твердым делящимся веществом и в газофазных реакторах с циркулирующим горючим; рассмотрены особенности процессов в сложных газовых трактах; дается магнитогидродинамическое описа­ ние процессов в плазме газофазного реактора; даны оценки звуковых эффектов при течении газа в каналах.

Особенностью подхода авторов к математическому опи­ санию процессов является учет распределенности парамет­ ров для основных звеньев двигателя. В ряде случаев даны оценки эффектов, вносимых распределенностью параметров.

На основе математического описания нестационарных процессов в отдельных звеньях получена математическая модель динамики ядерного ракетного двигателя каждого из типов; эта модель может служить основой для синтеза законов управления.

В книге дан аналитический подход к задаче синтеза систем управления на номинальном и пусковом режимах. Для номинального режима дана методика синтеза системы управления по заданным реакциям на внешние воздействия.

Академик Б. Н. Петров

У

Глава 1

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ЯДЕРНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Тяга, создаваемая ракетным двигателем, равна произ­ ведению эффективной скорости истечения (из сопла) рабо­ чего тела на его массовый расход (в соответствии с извест­ ными законами механики):

Из этого выражения видно, что скорость истечения рабо­ чего тела является в высшей степени существенной харак­ теристикой ракетного двигателя. Она определяет расход массы, необходимый для создания единицы тяги, а следо­ вательно, и запас топлива в ракете. Понятно поэтому стрем­ ление к разработке ракетных двигателей, имеющих возмож­ но большую скорость истечения рабочего тела. Эта особен­ ность скорости истечения оттеняется другим ее названием:

удельная тяга. Чаще применяют термин удельный импульс wig сек, численно равный тяге, создаваемой расходом в 1 кг!сек.

Следует заметить, что современная техника располагает средствами, которые позвбляют создавать потоки вещества со скоростями, приближающимися к скорости света (ускори­ тели заряженных частиц). Однако вес энергетических уста­ новок, поставляющих энергию ускорителям подобного типа, а также вес самих ускорителей очень велик и значи­ тельно превышает тягу, которую может развить ракетный двигатель, работающий на этих принципах. Поэтому уско­ рение заряженных частиц можно использовать лишь в ра­ кетных двигателях малой тяги, предназначаемых в качестве маршевых двигателей, или двигателей систем ориентации, а также для решения задач, связанных с перелетами в косми­ ческом пространстве [1]. Для космических задач, связан­ ных со взлетом с планеты и выходом на орбиту, спуском на планету, а также для баллистических целей необходимы

5

ракетные двигатели с тягой, превышающей вес всего корабля (а тем более вес двигателя!). Современные ракетные двига­ тели подобного типа используют принцип превращения тепловой энергии предварительно нагретого рабочего тела в кинетическую энергию реактивной струи и являются поэтому двигателями термодинамическими.

Без учета к. п. д. двигателя скорость истечения рабочего вещества определится из соотношения

гн

где Т — температура рабочего тела; с — теплоемкость ра­

бочего тела; с — средняя теплоемкость рабочего тела в ин­ тервале температур от Т„ (начальная) до Т. Из этого вы­ ражения видно, что для повышения скорости истечения рабочего вещества необходимо повышать его температуру. Последнее возможно за счет подвода к рабочему веществу большого количества энергии. Возможности химических источников энергии ограничиваются скоростями истече­ ния 6,5 км/сек или удельной тягой до 650 сек [2]. Исполь­ зование атомной энергии принципиально позволяет зна­ чительно превзойти эту величину [2].

Рассмотрим американский атомный ракетный двигатель серии ХЕ-1, схема которого приведена на рис. 1.1 [3]. Двигатель состоит из системы подачи рабочего тела (во­ дород), атомного реактора, сопла и системы управления. Система подачи рабочего тела включает в себя турбонасос­ ный агрегат (ТНА), систему трубопроводов и управляющих

чатая осевая, мощность турбины около 2000 кет. Смазка подшипников производится струей жидкого водорода с по­ стоянным расходом. Вообще разработка подшипников, ра­ ботающих в условиях высокой радиации и низких тем­ ператур,—сложная техническая задача. Сопло двигателя представляет собой штампованную конструкцию из нержа­ веющей стали и U-образных трубок охлаждения из того же материала, подогнанных и припаянных к прорезям, вы­ полненным с внутренней стороны корпуса.

Схема реактора «Нерва» приведена на рис. 1.2[41. Как видно из этого рисунка, реактор состоит из активной зоны, собранной из цилиндрических тепловыделяющих

6