книги из ГПНТБ / Мелькумов Т.М. Теория двигателей. I. Теория ракетных двигателей. II. Применение ядерной энергии в силовых установках [учебник]

Т. М. МЕЛЬКУМОВ, Н. И. МЕЛИК-ПАШАЕВ

ТЕОРИЯ

ДВИГАТЕЛЕЙ

/. ТЕОРИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

У/. ПРИМЕНЕНИЕ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

В СИЛОВЫХ УСТАНОВКАХ

Под редакцией. Т. М. МЕЛЬКУМОВА

ПРЕДИСЛОВИЕ

Этот учебник охватывает два раздела программы теории двигателей факультета № 1 ВВИА имени проф. Н. Е. Жуков­ ского. Электроракетные и другие двигатели для космических аппаратов и источники энергии для них здесь не рассматривают­ ся, так как их научно-методическая база еще не установилась; этим вопросам будет посвящено отдельное учебное пособие.

При написании учебника авторы учитывали число часов, отведенных на курс; необходимость сжатого, но достаточно полного изложения всех основных вопросов, а также открытый -характер издания. Для облегчения читателя и для целостности книги здесь приводятся и некоторые дополнительные сведения, которые при чтении лекций опускаются, так как они излагаются в более ранних разделах курса теории двигателей.

Для изучения этой книги нужно иметь знания основ термоди­ намики, газовой динамики, физики и химии.

Выполнение расчетов процесса в камере и сопле требует зна­ ния энтальпии ряда веществ и продуктов сгорания, а также кон­ стант равновесия многих реакций. Эти данные в виде таблиц и диаграмм приведены в ряде книг, указанных в перечне литерату­ ры; в частности, они содержатся в учебном пособии «Теория жид­ костно-реактивных двигателей», изданном в 1956 г. ВВИА им. проф, Н. Е. Жуковского. Было признано нецелесообразным вклю­ чение таблиц и диаграмм в эту книгу.

3

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ

РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

§ 1.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Ракетным двигателем называется такой тепловой двигатель-,, который преобразует энергию рабочих тел, находящихся на борту движущегося аппарат^, в кинетическую энергию отбрасываемых масс, в результате чего образуется сила тяги для перемещения аппарата в пространстве. Следовательно, чтобы двигатель полу­ чил название ракетного, .необходимо выполнение двух условий: во-первых, все нужные для осуществления процесса такого дви­ гателя рабочие тела и при том на весь период работы двигателя должны быть запасены на борту аппарата; во-вторых, двигатель должен непосредственно производить силу т-яги или импульс для перемещения аппарата._

Второе условие выполняется в турбореактивных двигателях (ТРД) и в простейших (бескомпрессорных) воздушно-реактив­ ных двигателях (ПВРД). Но в ТРД и ПВРД не соблюдается первое условие, так как эти двигатели для осуществления своего процесса нуждаются в воздухе, который поступает -в них из ок­ ружающейЗемлю атмосферы; поэтому эти двигатели, будучи реактивными, не являются ракетными.

Определение ракетного двигателя, приведенное выше, не связано с его назначением и с типом аппарата, на который он ус­ танавливается (ракета, самолет, крылатая ракета -и др.; основ­ ной или вспомогательный двигатель).

Вкачестве первичного источника энергии в ракетных дви­ гателях могут быть использованы химическая энергия самих ра­ бочих тел, ядерная энергия деления тяжелых атомов или синтеза легких, солнечная энергия.

Внастоящем разделе рассматривается только химическая

энергия. Применению ядерной энергии' будет посвящен особый

7

раздел. Использование солнечной энергии будет затронуто в са­ мых общих чертах в отдельном учебном пособии.

Источником химической энергии могут быть жидкие и твер­ дые тела, которые в целом именуются топливом.

Ракетные двигатели, использующие твердые топлива, назы­ ваются jaioxe пороховыми, хотя современное твердое топливо часто отличается по своему составу и свойствам от обычных порохов. Впредь будет применяться более общий термин: «ракетный двигатель твердого топлива» (РДТТ).

В двигателях твердого топлива весь заряд помещается в ци­ линдрической камере, в котор,ой происходит газообразование и горение. Процесс газообразования осуществляется на заранее намеченной поверхности. Топливо сгорает постепенно, слой за

Фиг. 1.1. Схема простейшего двигателя твердого топлива:

1— корпус камеры; 2 - топливный злряд; 3 — сопло: 4 — воспламенитель

Вданном случае топливный заряд представляет сплошной цилиндр, вставленный в камеру. Камера соединена с выходным соплом, выполненным в форме сопла Лаваля. Все поверхности

топливного заряда, за исключением торцевой, обращенной к соп­ лу, имеют бронировку, предохраняющую их от воспламенения, или плотно (без зазора) связаны со стенками камеры. В камере имеется воспламенитель (чаще всего электрохимический), на­ значением которого является выделение достаточного колвчества тепла в короткий отрезок времени для организации устойчи­ вого процесса горения основного топливного заряда в услэвиях холодного двигателя и топлива. Так как все поверхности топлив­ ного заряда, кроме торцевой, обращенной к соплу, специально бронированы иди ограничены стенками камеры, горение возника­ ет на свободной торцевой поверхности. Газообразование и хими­ ческая реакция окисления создают в камере определенную тем­ пературу газов и давление; на величину последнего оказывает влияние критическое сечение сопла. На срезе сопла газы, выте­ кающие из двигателя, имеют скорость wc , величина которой за7 висит от перепада давлений в камере и на срезе сопла, от темпе­ ратуры и состава газов и от потерь в сопле.

8

Ракетные двигатели твердого топлива являются самыми простыми пр своей конструкции, не нуждаются ни в каких ме­ ханизмах и 'вспомогательных машинах. Высокие давления и тем­ пературы газов и отсутствие внешнего охлаждения камеры и со­ пла ставят серьезные задачи при создании мощных РДТТ, осо­ бенно при стремлении увеличивать продолжительность их работы.

Пороховой ракетный двигатель имеет длительную историю своего при­ менения. Первое литературное указание об огневом воздействии на врага от­ носится к середине IX века. Так называемые «восточные огневые стрелы» упоминаются в ИЗО г. Китайские боевые пороховые ракеты известны с дав­ них времен; известно их применение в битве под Пекином в 1232 г. Прибли­

в 1429 г. В XIII—XVII веках было опубликовано несколько книг, в которых упоминаются военные ракеты. В 1668 г. в Берлине были созданы «тяжелые» ракеты весом 50—100 фунтов.

ВРоссии боевые ракеты применялись еще в XVII веке. Во времена Пет­ ра I вопросам изготовления и применения ракет уделялось большое внимание.

ВXVIII и в начале XIX веков боевые пороховые ракеты использова­

лись в ряде стфан— России, Индии, Англии, Австрии, США и др.- Успехи

разработан новый эффективный порох — баллистит, а через год в Англии — кордит. В 1904—1908 гг. А. Мауль исполвзовал ракеты для фотографирования военных объектов с высоты 500— 1000 м.

Идея использования порохового ракетного двигателя для полета управляемого летательного аппарата принадлежит рус­ скому революционеру Николаю Ивановичу Кибальчичу. Неза­ долго до казни, находясь в заточении за участие в покушении на Александра II, Н. И. Кибальчич в 1881 г. дал схему и описание летательного аппарата с пороховым ракетным двигателем, в ко­ тором пороховые шашки, по мере выгорания, заменялись новыми, обеспечивая длительный управляемый полет. Этот проект стал известен только после Великой Октябрьской революции, когда изучались архивы полиции.

В1928 г. был осуществлен первый полет планера Штеммера

сракетным двигателем; правда, вся дистанция полета была только 1500 м.

Особенно большие успехи были достигнуты в СССР в обла­ сти применения боевых ракет во второй мировой войне. Знамени­ тые советские боевые ракеты вошли.в историю, получив в наро­ де имя «Катюща». В <них применялись весьма эффективные к то­ му времени топлива, превосходившие по своим данным все ино­ странные пороха.

Впослевоенный период были созданы новые сложные твердые топлива, более эффективные ранее известных. Благодаря этому практическое использо­ вание РДТТ расширялось. На базе РДТТ созданы зенитные ракеты (например, Нике-Аякс в США и Бладхаунд в Англии). Создаются баллистические раке­

ты малой и средней дальности. Например, двухступенчатая ракета Поларис с дальностью 2 200 км, со стартовым весом 12,6—13,2 т и с тягой стартового двигателя первой ступени около 45 т. В процессе доводки находится межконти­ нентальная баллистическая трехступенчатая ракета Минитмен на дальность око- ,ло 10 000 км со стартовым весом 30—35 т. Двигатель первой ступени этой раке­

9

и четырехступенчатые ракеты Скаут на твердом топливе для запуска искусствен­ ных спутников Земли.

В1959 г. в США начаты испытания РДТТ с тягой около 200 т. Подготав­ ливаются двигатели с большей тягой.

Вряде стран применяются пороховые ускорители для облегчения стар­ та самолетов.

Таким образом, ракетные двигатели твердого топлива имеют широкую об­ ласть военного применения.

Ракетные двигатели, использующие жидкое топливо, назы­ ваются жидкостно-ракетными (ЖРД). Как и в случае РДТТ, здесь тепло химической реакции окисления двух и более веществ или реакции разложения одного вещества непосредственно пере­ ходит в кинетическую энергию продуктов сгорания или разложе­ ния. В отличие от РДТТ жидкие вещества, необходимые для процесса, находятся в специальных баках на летательном аппа­ рате. Конструктивно Ж РД весьма прост; он не имеет механиз­ мов, кроме насосов для подачи рабочих тел в камеру и двигателя для привода насосов. В ряде случаев, в зависимости от размеров и назначения, двигательная установка не имеет и насосных агре­

задачи для создания надежного двигателя с необходимым ресур­ сом работы. Особые трудности возникают и в организации эко­ номичного и устойчивого процесса, а также в обеспечении плав­ ности переходных режимов и режимов пуска и останова.

В связи с высокими температурами, постоянно действующи­ ми вдоль газового тракта за период непрерывной работы двига­ теля, в Ж РД серьезное значение приобретает организация до­ статочного и экономичного охлаждения всех горячих поверхно­ стей двигателя. Система питания двигателя со всеми регулирую­ щими и контрольно-предохранительными устройствами и эле­ ментами также предъявляет специфические требования, удовлет­ ворение которых требует разрешения ряда трудных вопросов. Наконец, автоматизация всех процессов пуска, выхода на режим, дросселирования и остановки по заданной программе регулиро_вания тесно связана с характером этих процессов в Ж РД и с об­ ластью применения самих двигателей. Таким образом, несмотря на внешнюю простоту схемы, создание работоспособной и эко­ номичной . двигательной установки с Ж РД требует глубокого проникновения в сущность всех элементов сложного внутреннего процесса и решения большого комплекса трудных вопросов.

Для осуществления процесса жидкостно-ракетного двигате-

•ля чаще всего необходимы два исходных вещества — горючее и окислитель. В этом случае на борту летательного аппарата необ­ ходимо иметь отдельные емкости для горючего и для окислителя.

10