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

Постоянство величины тяги требует постоянства величин се­ кундного расхода газа и скорости истечения, т. е. постоянства Fгор5Р * и Тк* при Fкр= пост. Наиболее просто этот случай реали­ зуется при горении торцевой поверхности сплошного цилиндриче­

ского заряда. Действительно в этом случае / гор— пост, и постоян­

Ф и г. 5.12. Пример регрессивного горения

го по внутренней поверхности и с торцов (фиг. 5.12). В этом слу­ чае, по мере развития процесса горения, поверхность горения не­ прерывно уменьшается, уменьшается количество образующихся газов и падает давление в камере. Сила тяги уменьшается ввиду уменьшения секундного расхода газа, а также из-за падения ско­ рости истечения.

Примером прогрессивного горения может служить горение с внутренней цилиндрической поверхности полого цилиндрическо­ го заряда, бронированного с торцов и по наружной поверхности. В этом случае в процессе горения топлива поверхность горения растет и непрерывно увеличивается секундное количество обра­ зующихся газов (фиг. 5.13). Это приводит, к увеличению давле­ ния в камере. В результате по мере выгорания топлива сила тяги растет как вследствие увеличения секундного расхода газа, так и увеличения эффективной скорости истечения (удельной тяги).

Если бронировать кольцевой цилиндрический заряд только с торцевых поверхностей и, следовательно, иметь регрессивное горение с наружной цилиндрической поверхности и прогдессивное с внутренней (фиг. 5.14), можно получить постоянную тягу в про­ цессе всего горения.

Действительный процесс горения может иметь более сложный

характер.

Показанные на фиг. 5.8 и 5.9 топливные заряды будут иметь вначале прогрессивное горение из-за увеличения Frop при малом

Фиг. 5.13. Пример прогрессивного горения

уменьшению скорости V газов, так как проходные сечения непре­ рывно растут.

Фиг. 5.14. Пример горения с постоянной тягой:

/—горение по внешней поверхности; 2—горение по внутренней поверхности

§5.7. ФОРМА ПОВЕРХНОСТИ ГОРЕНИЯ. КОЛИЧЕСТВО ТОПЛИВА

Форма поверхности горения оказывает большое влияние на процесс РДТТ. Это влияние сказывается на величине ■давления

вкамере (при Дкр^пост.), на продолжительности процесса дви­ гателя, на изменении тяги двигателя во времени, на тепловом воз­ действии на стенки камеры, на мертвом весе конструкции и др. Например, при регрессивном горении по фиг. 5.12 стенки камеры

втечение всего времени горения топлива воспринимают давление газов и тепло от продуктов сгорания. В случае прогрессивного

132

горения по фиг. 5.13 само топливо изолирует стенки камеры от теплового воздействия газов; кроме того, в некоторой степени топливный заряд (особенно при заливке его в камеру) восприни­ мает нагрузку от силы давления газов. В первом случае (по схе­ ме фиг. 5.12) понадобится особая тепловая изоляция стенки каме­ ры. Таким образом, мертвый вес конструкции, равный начально­ му весу заряженного РДТТ за вычетом веса топлива, будет за­ метно больше для двигателя с регрессивным горением по схеме фиг. 5.12 и меньше для двигателя по схеме фиг. 5.13.

Современная технология заливки составных топлив в камеру с установлением прочной связи остывающего топлива со стенкой позволяет отказаться для камеры сгорания небольших и средней мощности двигателей от стали как конструкционного материала и использовать стекловолокно и другие пластмассы, что еще более снижает мертвый вес конструкции.

Горение топливного заряда с торцевой поверхности при за­ данном диаметре камеры имеет три преимущества: наиболее простой путь обеспечения постоянства тяги, увеличенное время горения при заданной длине заряда и сгорание всего топлива практически без остатка. Недостатком такого метода организации горения являются: относительно малая величина тяги двигате­ ля, прямое и длительное действие давления и температуры газов на поверхность камеры сгорания. Сплошные заряды с горением с торцевой поверхности используются для малых ракет и снаря­ дов. Нужно иметь в виду также и то, что, по мере выгорания топлива, центр тяжести двигателя в этом случае перемещается в сторону задней крышки.

Фиг. 5.15. Некоторые формы зарядов с внешни­ ми боковыми поверхностями горения (в трех слу­ чаях также и внутренней поверхности горения)

Для большинства ракетных двигателей в настоящее время применяются топливные заряды с поверхностью горения, образо­ ванной внутренними каналами различной формы.

На фиг. 5.15 приведены примеры топливных зарядов с раз­ личной формой поверхности горения. Жирными линиями обозна­ чены бронированные поверхности. При разработке формы по­

133

верхностей горения играет роль и величина абсолютной тяги двигателя; если эта величина имеет определяющее значение, тог­ да поверхность горения должна быть развита в наибольшей мере. Если длина заряда ограничена по тем или иным соображениям (прочность, технологичность, компоновка ракеты и др.), тогда развитие поверхности горения при прочих равных условиях сокра­ щает продолжительность процесса горения. На фиг. 5.15 пред­ ставлены схемы, в которых поверхностью горения служит пре­ имущественно внешняя поверхность заряда.

Фиг. 5.16. Некоторые формы зарядов с внутрен­ ними поверхностями горения

На фиг. 5.16 приведены примеры топливных цилиндрических зарядов, бронированных по внешней поверхности и имеющих раз­ личной формы внутренние поверхности горения.

Назначая форму заряда и поверхности горения, можно полу­ чить любой заданный закон изменения тяги двигателя по вре­ мени.

В ряде случаев бронирование зарядов производится не по всей длине поверхности, а по части длины. Комбинируя по-раз­ личному участки бронированные и небронированные, можно так­ же влиять на закон выгорания топлива и, следовательно, на за­ висимость тяги двигателя от времени.

Большое значение при выборе формы заряда и его внутрен­ них каналов имеет доля топлива, остающаяся в конце и поэтому не участвующая в горении и создании тяги. Чем больше этот оста­ ток, тем меньше суммарный импульс. На фиг. 5.17 для двух ци­ линдрических зарядов с внутренней поверхностью горения в виде звезды и в виде колеса показано последовательно положение по­ верхности горения и заштрихованы остатки. В силу сильного уменьшения поверхности горения в конце давление падает ниже допустимого, и горение прекращается. В некоторых случаях, оп­ ределяемых формой заряда и каналов, происходит разрушение остаточного заряда и выброс осколков через сопло.

О доле несгорающих остатков топлива судят по так назы мому коэффициенту остатка, который при горении с внутренней поверхности представляет отношение площади поперечного сече­

134

ния заряда после выгорания на глубину /шщ (фиг. 5.17) к попереч­ ному сечению камеры. Чем меньше этот коэффициент, тем выше полезная весовая отдача РДТТ.

Если обратиться к фиг. 5.17 и обозначить через / ост попе­ речное сечение единичного остатка, а через i — число остатков, зависящее от конфигурации внутреннего канала, то коэффициент остатка для таких схем будет

(5.18)

где F K— поперечное сечение камеры.

Величина Лост в хорошо выполненных зарядах должна быть 0,05 и меньше. На практике остатки составляют 1—10%, в зави­ симости от формы заряда и типа топлива.

Фиг. 5.17. Схема, поясняющая образование остатков топлива

В случае цилиндрического кольцевого заряда со сгоранием по внешней и внутренней поверхности (фиг. 5.14) по мере сгора­ ния толщина стенки топлива уменьшается и в некоторый момент стенка разрушается, а осколки вылетают через сопло; в таком за­ ряде остаточные потери относительно велики.

При заданных диаметре и длине камеры сгорания наиболь­ шее количество топлива в двигателе будет, конечно, при сплош­ ном цилиндрическом заряде, горящем по торцевой или по внеш­ ней цилиндрической поверхности. Во всех остальных случаях форм зарядов количество топлива будет меньше или, как говорят, будет меньше плотность заряжания снаряда или ракеты.

• На фиг. 5.18 показано влияние формы поверхности горения заряда на относительное изменение тяги двигателя и на продол­ жительность работы двигателя. Во всех случаях топливо одно и то же, размеры двигателя неизменны, начальное давление в ка­ мере одинаковое. Заряды 8 и 9 дают регрессивное горение с наи­ большей продолжительностью работы. Заряды формы 1, 2, 3 и .4 дают пример резко прогрессивного горения с сокращенным пе­

135

риодом. Заряды 6 и 7 обеспечивают получение постоянной тяги (нейтральное горение), а заряд 5 вначале рост тяги, затем сни­ жение и постоянство тяги, а к концу — прогрессивное горение.

Количество GT топлива (или его объем 17г) , которое нужно иметь в двигателе, зависит от продолжительности тгор работы топ­ лива, от требуемого закона Р — f{ т ) и от коэффициента остатка ^осг*

Фиг. 5.18. Влияние формы заряда на изменение тяги по времени и на продол­ жительность работы двигателя

При данном топливе и его заданной начальной температуре скорость горения wrop зависит от давления р к* в камере и от ско­ рости V газов, параллельно поверхности горения; поверхность го­ рения Ftop изменяется во времени в зависимости от конструкции заряда и скорости горения гютор; удельная тяга зависит от свойств газов, от перепада давления в сопле и от противодавле­ ния в сопле (т: е. от эффективной скорости газов). Поэтому в об­ щем случае, если h — требуемый суммарный импульс двига­ теля, тр

оо

Весовая плотность ут топлива всегда может быть вынесена

136

вательно, среднее интегральное значение Руд ■Тогда по формуле, аналогичной (2.42), находи+ся объем топливного заряда

Т т ^ у д ( 1 ^ ^ост)

В частном случае, когда горение происходит с торцевой по­ верхности, то w TOp= пост., FT0V==• пост, и Р уд= пост.; поэтому

=7т ® гор Prop Р у д хгор ■

Определив необходимый объем VT топлива по соображениям конструктивным (для двигателя или ракеты), прочностным и технологическим,' можно установить его внешний диаметр D или длину LT заряда.

§ 5.8. РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЯГИ. РЕВЕРС

РДТТ значительно уступают Ж РД с точки зрения возможно­ сти регулирования тяги. В Ж РД можно уменьшать расход компо­ нентов и, следовательно, тягу двигателя. Имеются образцы ино­ странных однокамерных ЖРД, в которых соотношение макси­ мальной и минимальной тяги по расходной характеристике до­ ходит до 10:1. В этом отношении РДТТ нуждаются в специаль­ ных приемах конструирования и регулирования, так как топливо полностью заложено в двигатель.

Регулирование тяги до известной степени может быть осуще­ ствлено путем открытия небольших дополнительных сопловых от­ верстий. В этом случае увеличивается суммарное критическое се­

давления в камере снижает скорость горения [см., например, фор­ мулу (5.14)], что, в свою очередь, приводит к падению /?к*итяги. Через некоторое время после открытия дополнительных отвер­ стий. давление в камере и тяга примут новое установившееся значение.

Регулирование тяги можно осуществить также путем измене­ ния площади критического сечения основного сопла. Этот метод обладает тем недостатком, что в неохлаакдаемой конструкции, ка­ кой является весь РДТТ и его сопло, регулирование критическо­ го сечения сопла при высокой температуре газов представляет сложную задачу; поэтому применение такого метода регулирова­ ния ограничивается пока двигателями, предназначенными для кратковременной работы.

Вторым методом регулирования тяги является использование в одной камере двух типов топлив, одно из которых обладает большей скоростью горения. Схем подобного типа регулирования имеется много; компоновка определяется желательным законом изменения тяги по времени.

137

На фиг. 5.19 приведена схема простейшей компоновки двух типов цилиндрических зарядов с горением по торцу; выходное со­ пло одно с постоянным критическим сечением. В такой схеме, как показывает-опыт, путем подбора подходящих зарядов можно по­ лучить стартовую тягу до 10 раз большую, чем тяга на втором заряде, осуществляющем маршевый полет снаряда. Такой тип двигателя выполнен, например, фирмой Филлипс Петролеум (США) под маркой 4/480-NS-150/50 для управляемой мишени ХКДТ-1 фирмы Темко.

Фиг. 5.19. Схема однокамерного РДТТ с двумя топливами

^-стартовое топливо; 2-маршевое топливо; 3 - сопло-труба; ■/ -воспламенитель

Часто для двух типов топлив используется не одна общая камера, а две камеры со своими отдельными соплами, но скомпо­ нованные в виде одной конструкции, что приводит к уменьшению веса. На фиг. 5.20 приведены две схемы двухкамерных многосоп­ ловых РДТТ, в камерах которых имеются топливные заряды раз­ личного типа. Двухкамерные конструкции позволяют получить практически любое соотношение величин тяги.

Фиг. 5.20. Две схемы двухкамерных многосспловых РДТТ с двумя топливами

В отличие от ЖРД, где регулирование величины тяги может быть плавным, в РДТТ изменение тяги носит ступенчатый характер. Двигатели, изготовленные отдельно, проще двухкамерных. При отдельном изготовлении стартовый двигатель может быть.

138

сброшен после сгорания его заряда. При выборе схемы необходи­ мо учитывать также стабильность положения центра тяжести двигателя.

В современных мощных РДТТ представляется более прием­ лемой схема концентрического расположения двух топливных за­ рядов, имеющих различные характеристики. Комбинируя форму поверхности горения и свойства топлива, можно получить жела­ тельный закон изменения тяги по времени.

Фиг. 5.21. Двигатель с двойным топливом

На фиг. 5.21 приведен'пример однокамерного РДТТ, в кото­ ром внутреннее топливо имеет сложную форму поверхности горе­ ния; само топливо обладает меньшей скоростью горения, чем второе, которое залито раньше в камеру в виде полого цилиндра. Благодаря этим особенностям формы поверхностей горения и то­ плив получается своеобразная зависимость тяги от времени с большими импульсами в начале и в конце всего процесса горе­

регулирования тяги, применяется выключение тяги и реверс тяги. Выключение и реверс позволяют корректировать суммарный им­ пульс и величину скорости в конце активного участка.

Выключение тяги по достижении нужной скорости, при еще неизрасходованном полностью топливе, достигается путем быст­ рого открытия дополнительных больших отверстий. Вследствие этого резко падает давление; волна разрежения сильно расши­ ряет первую и вторую зоны разложения и подготовки топлива, резко сокращается приток тепла на поверхность топлива и горе­ ние прекращается.

Реверс тяги используется в тех случаях, когда скорость раке­ ты в конце активного участка превышает требуемую; в этом слу­ чае с помощью реверсирования тяги можно повысить точность

боковые отверстия, закрытые заглушками. Эти заглушки отделе­ ны от горячих газов теплоизоляционным материалом. Боковые

13Э

отверстия направлены под некоторым углом в сторону, противо­ положную основному соплу. В нужный момент специальные за­ ряды с отдельной электросистемой управления освобождают за­ глушки; благодаря этому газы направляются в реверсивные сопла полностью (если основное сопло закрыто) или частично. Газы из реверсивный сопел не должны оказывать вредного влияния на ракету и тем более на оставшийся топливный заряд двигателя. На первых экземплярах ракеты Поларис применялся метод кор­ ректировки полета реверсированием тяги, представленный вто­ рой, нижней схемой.

Фиг. 5.22. Две схемы реверсирования тяги: .

/ —основное сопло; 2—дополнительное сопло для реверса; 5—заглуш­ ка; ‘/ —теплоизоляция; J —отрывной заряд

Мы здесь не останавливаемся на методах управления векто­ ром тяги (рули, поворотные насадки различного типа, поворотные сопла, качающиеся двигатели, верньерные двигатели), так как эти задачи общие для РДТТ и ЖРД, хотя конструктивное реше­ ние (например, поворотные сопла) в случае РДТТ может иметь

.свои особенности.

§ 5.9. НЕНОРМАЛЬНОСТИ В РАБОТЕ ДВИГАТЕЛЯ

Ненормальности в процессе РДТТ могут быть при воспламе­ нении, в ходе нормального горения и при выключении двигателя.

Ненормальность при воспламенении может быть вызвана как недостаточной энергией, так и чрезмерной энергией воспламени­ теля.. При малой энергии воспламенителя процесс может заглох­ нуть в самом начале, не дойдя до стационарного. Следовательно, воспламенитель должен обладать достаточной тепловой мощно­

140