книги из ГПНТБ / Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

ЯЛ ДОМ НЕ ВЫДАЁТСЯ

М. И. ШЕВЕЛЮК

Экземпляр чит. зала

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЖИДКОСТНЫХ

РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Допущено Главным управлением политехнических и машиностроительных вузов Министерства высшего образования СССР

в качестве учебного пособия для высших учебных заведений

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ОБОРОНГИЗ

Москва 1960

Глава 1

ВВЕДЕНИЕ

Основным элементом ракетных снарядов различного назначения

является их двигатель.

Тип двигателя обусловливает в основном конструкцию, габа­ ритные размеры и летные характеристики этих снарядов. От вы­ бранного типа двигателя, вида используемых в нем компонентов топлива, от его конструктивных, эксплуатационных и других харак­ теристик зависит дальность полета снаряда.

Настоящая работа ставит своей целью дать студентам втузов

иинженерно-техническим работникам краткие сведения по теории

иосновным принципам проектирования жидкостных ракетных дви­ гателей. На базе этих сведений можно в каждом конкретном случае рационально выбрать для разработки принципиальную схему

ЖРД, компоненты топлива для него, рабочие и конструктивные параметры, произвести необходимые расчеты эксплуатационных, геометрических и прочих характеристик и решить другие вопросы,

связанные с созданием надежной и экономичной в работе конструк­ ции двигателя.

Для успешного изучения этого курса необходимо, кроме общей инженерной подготовки, иметь ясное представление о существую­ щих конструкциях ЖРД и ЖРС (жидкостный ракетный снаряд), а также знать химию и теорию горения жидких топлив, основы теплообмена и теплопередачи, теорию прочности и устойчивости конструкций, аэродинамику больших скоростей, баллистику и тео­ рию автоматического регулирования.

§ 1. Краткая история развития жидкостных ракетных двигателей

Разработка основ теории и создание первых конструкций жид­ костных ракетных двигателей и снарядов к ним в основном при­

надлежат нашей Родине.

Основоположником теории реактивных двигателей является великий русский ученый Н. Е. Жуковский, который в своей работе «О реакции вытекающей и втекающей жидкости», опубликованной в 1882 г., впервые в мире вывел уравнение силы реакции вытекаю­ щей жидкости, а в более поздних работах дал уравнение к. п. д.

струи жидкости.

6 Гл. 1. Введение

Большая роль в создании теории реактивного движения принад­ лежит русскому ученому И. В. Мещерскому, выдающиеся работы которого по механике тел переменной массы, опубликованные в 1897 г., явились основой современной теории движения реактив­ ных снарядов.

Среди русских ученых, прославивших новаторством свою Роди­ ну, стоит К. Э. Циолковский, который является основоположником идеи создания жидкостного ракетного двигателя, творцом теории полета реактивных аппаратов, автором ряда их схем и других

предложений.

Первую свою работу под названием «Исследование мировых

пространств реактивными приборами» К. Э. Циолковский опубли­

ковал в 1903 г. в журнале «Научное обозрение», № 5.

В этой работе и в последующих ее дополнениях, изданных в 1911 —1914-гг., а затем в 1924—1929 гг. и позже, К. Э. Циолков­ ским с гениальной проницательностью поставлены и решены основ­

ные вопросы теории и устройства жидкостного ракетного снаряда. Им впервые в мире предложены:

1)схема жидкостного ракетного двигателя (1903 г.);

2)использование жидкого кислорода в качестве окислителя горючего (1903 г.);

3)насосная подача топлива в камеру двигателя (1903 г.);

4)графит и тугоплавкие металлы для изготовления камеры дви­ гателя (1903 г.);

5)охлаждение камеры двигателя одним из компонентов топлива

(1903 г.);

6)охлаждение камеры двигателя по замкнутому циклу (1903 г.);

7)использование внутриатомной и электрической энергии для работы реактивного двигателя (1911 г.);

8)использование озона в качестве окислителя и жидкого мета­

на и скипидара в качестве горючих (1914 г.); 9) использование окислов азота в качестве окислителя (1926 г.);

10) использование пятиокиси азота в качестве окислителя

иодноатомного водорода в качестве горючего (1927 г.);

11)расположение рулей в струе газов за соплом камеры двига теля для управления снарядом при полете в разреженных слоях атмосферы и в пустоте (1929 г.) и др.

В своих работах К. Э. Циолковский также рассмотрел и другие вопросы реактивного движения, а именно:

1) доказал, что реактивный двигатель может создавать тягу

ив безвоздушном пространстве;

2)указал на большие перспективы практического использова­ ния реактивных снарядов для изучения космического пространства;

3)доказал, что наклонный подъем реактивного снаряда выгод­ нее вертикального;

4)доказал, что для реактивных аппаратов средней и большой дальности полета жидкое топливо выгоднее твердого (пороха);

ностей полета должны иметь органы управления и самоуправления

во время полета;

6)рассмотрел движение реактивного снаряда в пустоте без учета и с учетом силы тяжести;

7)вывел знаменитую формулу для определения максимальной

скорости полета реактивного снаряда в конце активного участка

вбезвоздушном пространстве;

8)указал целесообразность повышения давления газов в камере

сгорания двигателя для увеличения удельной тяги; 9) определил к. п. д. реактивного двигателя во время полета,

а также указал ряд путей и перспектив развития этого вида техники. К. Э. Циолковский поставил на твердую научную почву изучение

движения ракет как тел переменной массы.

К. Э. Циолковский выдвинул гениальные идеи:

1)о создании составных реактивных снарядов для достижения

больших дальностей полета;

2)о целесообразности применения крылатых реактивных сна­

рядов для достижения больших дальностей полета;

3)о создании реактивного самолета;

4)о космических станциях, т. е. об искусственных спутниках Земли в виде специальных реактивных снарядов, и др.

Современная наука о реактивной технике основывается глав­

ным образом на работах К. Э. Циолковского. Его идеи частично были популяризованы в книге Я. И. Перельмана, изданной в 1915 г.

под названием «Межпланетные путешествия».

Вопросами реактивного движения К. Э. Циолковский начал за­

ниматься с 1883 г. С февраля по май этого года им была написана работа под названием «Свободное пространство», в которой он рас­ смотрел некоторые вопросы, связанные с использованием реактив­

ного движения. В 1896 г. им была написана повесть под названием

«Вне земли», в которой он также указывал на реактивный снаряд как на аппарат для межпланетных путешествий.

Великая Октябрьская социалистическая революция дала пол­ ную возможность К. Э. Циолковскому развить творческую деятель­ ность. Повседневное внимание Коммунистической партии и Совет­ ского правительства к его научно-исследовательской работе способ­ ствовало широкой известности и признанию его работ.

До Великой Октябрьской социалистической революции им было

написано 80 работ, из которых 50 было опубликовано в печати, а после революции им написано и опубликовано в печати 150 работ.

Многочисленные работы К. Э. Циолковского в области реактив­ ной техники создали ему мировую известность. Профессор Г. Оберт писал К. Э. Циолковскому в сентябре 1929 г. из Германии: «Посы­

лаю Вам привет . . . Надеюсь, что Вы дождетесь исполнения Ваших великих целей . . . Вы зажгли свет, и мы будем работать,

пока величайшая мечта человечества не исполнится».

он сделал ряд важнейших выводов и высказал много оригинальных идей в области реактивной техники, в частности:

1)доказал, что снаряд, не сбрасывающий в полете своих топлив­ ных баков по мере их опорожнения, вылететь за пределы земного тяготения не может;

2)исследовал динамику взлета крылатого реактивного снаряда;

3)внес новые предложения по осуществлению космических станций и межпланетных перелетов при помощи реактивных аппа­ ратов;

4)предложил использовать в качестве горючих ЖРД твердые вещества: литий, бор и др.

Он же исследовал вопрос о нагревании реактивного снаряда при полете в атмосфере.

В1908 г. реактивным движением начал заниматься наш сооте­ чественник Ф. А. Цандер, который в изданной им в 1932 г. книге

под названием «Проблемы полета при помощи реактивных аппара­

тов» изложил результаты своих исследований по ряду весьма важ­

ных вопросов реактивной техники и наметил пути ее развития,

аименно:

1)указал на целесообразность использования в качестве топ­ лива металлических элементов реактивного снаряда после выпол­ нения ими своих прямых функций с целью достижения наибольшей дальности полета;

2)разработал теорию струйных нагнетателей и теорию ЖРД

ирассмотрел при этом основные принципы теплового расчета и ох­ лаждения камеры двигателя;

3)предложил ряд циклов работы ЖРД и дал вывод их к. п. д.;

4)разработал теорию полета снаряда по эллиптической траек­

тории;

5)исследовал подъем самолета с реактивным двигателем;

6)исследовал различные виды жидких топлив с целью выбора наиболее эффективных из них для работы реактивного двигателя

ирассмотрел ряд других вопросов, связанных с реактивной тех­ никой.

В1930—1932 гг. Ф. А. Цандер создал и испытал реактивный

ОР-2, построенный по его проекту в 1932 г. для работы на жидком кислороде и бензине, огневые испытания прошел в 1933 г. без уча­

стия Ф. А. Цандера, умершего через 10 дней после первой пробы

двигателя. Камера сгорания этого двигателя охлаждалась кислоро­ дом, а сопло камеры—водой. Компоненты топлива подавались

в камеру сгорания этого двигателя сжатым воздухом.