книги / Оптимизация параметров РДТТ и топливных зарядов при автоматизированном проектировании летательных аппаратов

Описанная выше связь давления с массой РДТТ носит проти­ воречивый характер, что и обусловливает возможность оптимиза­ ции давления. Степень расширения сопла также влияет, с одной стороны, на величину удельного импульса тяги двигателя:, и мас­ су топлива, а с другой стороны, на размеры и массу соплового блока РДТТ. Кроме того, связанная через удельный импульс тя­ ги с площадью критического сечения сопла степень расширения сопла оказывает некоторое, правда не очень существенное, влия­ ние на параметры газового потока в каналах зарядов РДТТ, а следовательно, и на условия заряжания.

Все это позволяет оптимизировать степень расширения сопла. Наконец,форма (тип) топливного заряда обусловливает при

прочих равных условиях определенный коэффициент поперечного заполнения камеры, условия заряжания и особенности теплоизо­ ляции конструкции РДТТ, что также отражается на массе РДТТ и делает возможной и целесообразной оптимизацию типа топлив­ ного заряда (выбор рациональной формы ) совместно с двумя указанными выше параметрами.

Заметим, что выбор рациональной (оптимальной) формы топ­ ливного заряда возможен лишь методом сравнения альтернатив­ ных вариантов, два других параметра могут в принципе оптими­ зироваться разными методами. Однако, учитывая малое число варьируемых параметров, учебную направленность рассматривае­ мых методов, в описываемых ниже программах оптимизации ис­ пользуется метод перебора варьируемых параметров с шагом и в диапазоне, задаваемом пользователем. Этот метод позволяет проследить влияние каждого параметра в отдельности, а также оставляет за проектировщиком право выбора рационального ва­ рианта, который может быть и не оптимален с точки зрения выбранного критерия минимальной массы РДТТ, но целесообра­ зен, например, с эксплуатационной или технологической точек зрения, которые не учитываются в критерии в связи со сложно­ стью их формализации.

Укрупненная схема оптимизации РДТТ. Укрупненные блоксхемы оптимизации 'Однокамерных двигателей приведены на рис. 2 .1 и 2 .4 . Как видно из этих схем, алгоритмы оптимиза­ ции основаны на вложенных друг в друга циклах перебора варьи­ руемых параметров. Внешними циклами являются циклы перебо­ ра типов и вариантов топливных зарядов: для однорежимного РДТТ такой цикл один, для двух режимного однокамерного РДТТ таких циклов два - для стартового и маршевого зарядов. Сле-*

* Во всех приводимых в настоящем пособии блок-схемах про­ грамм показаны лишь основные операторы.

дующим вложенным циклом является цикл перебора рабочего давления в камере РДТТ и, наконец, внутренним циклом явля­ ется цикл перебора значений степени расширения сопла РДТТ. Внутри циклов для каждого сочетания варьируемых параметров производится газодинамический расчет двигателя, расчет топлив­ ных зарядов и условий заряжения в камере РД ТТ, а также рас­ чет размеров и массы двигателя. В процессе оптимизации с по­ мощью операторов печати или специальных подпрограмм выводит­ ся информация о результатах расчета для каждого рассчитывае­ мого варианта.

При работе программ оптимизации РДТТ для некоторых соче­ таний варьируемых параметров реализация двигателя или топлив­ ного заряда может оказаться невозможной. В этом случае на печать выводится краткое сообщение об этом и расчет продолжа­ ется для других значений варьируемых параметров. В процессе перебора варьируемых параметров реализуемые варианты сравни­ ваются между собой по массе и в качестве оптимального после­ довательно принимается очередной вариант, если он по массе меньше предыдущего, а также запоминаются значения варьируе­ мых параметров этого варианта. Для всех реализуемых вариан­ тов с целью облегчения чтения результатов расчета и их анали­ за выводится лишь сокращенная информация, позволяющая срав­ нивать их по основным характеристикам (относительная масса РДТТ, абсолютная масса РДТТ с топливом и некоторые другие). Полная информация о параметрах РДТТ и- топливных зарядов, рассчитываемых в программах оптимизации, выводится для каж­ дого варианта зарядов лишь при оптимальных значениях давления в двигателе и степени расширения сопла, для чего после оконча­ ния перебора значений этих параметров расчет повторяется для их оптимальных значений с выводом полной информации с помо­ щью специальной подпрограммы.

В целях увеличения эффективности, сокращения времени опти­ мизации и исключения аварийных остановов вычислительной си­ стемы ход вычислений может корректироваться в блоках анали­ за и коррекции результатов газодинамического расчета РДТТ или в блоке анализа и коррекции результатов расчета топливных зарядов. Коррекция осуществляется для того, чтобы исключить расчеты с явно неоптимальными параметрами, или в тех случаях, когда при заданном сочетании параметров двигатель или топ­ ливные' заряды не могут быть реализованы и в вычислительной системе происходит прерывание расчетов. В этом случае инфор­ мация о причине прерывания выводится на печать и программа ив^метро^ РасчетУ варианта с другим сочетанием варьируемых

12

В программе оптимизации двухкамерных РДТТ каждая камера оптимизируется отдельно по схеме оптимизации однокамерного двигателя с учетом конструктивных особенностей двухкамерных двигателей.

В программах оптимизации двигателей для проектирования любого из типовых зарядов используется СиП Z A R J J J Эта подпрограмма, по существу, объединяет обращение к СпП расче­ та всех типовых зарядов и позволяет осуществлять расчет с по­ мощью любой из них. Расчет массы конструкции РДТТ при их

оптимизации осуществляется с помощью специальных подпрограмм, рассматриваемых в главе 1 .

Для вывода на печать полной информации о результатах рисчета в программах используются специальные подпрограммы

P R I N J ,P R I N 2 и P R IN 2 K соответственно в прюгр)аммах оптимизации однокамерных, двухрэежимных однокамерных и двух­ камерных РДТТ.

Поскольку модули расчета РДТТ и типовых топливных заря­ дов рассмотрены в [ 4 ] , прежде чем более подробно описывать программы оптимизации различных типов РДТТ, рассмотрим схемы и прюграммы (модули) расчета массовых характеристик РДТТ, которые используются в этих прюграммах.

Г л а в а 1 .	РАСЧЕТ МАССЫ РДТТ
М асса РДТТ состоит	из массы топливных зарядов и конст­
рукции РДТТ. Поскольку	масса топливных зарядов определяется

при газодинамическом расчете РДТТ в соответствующих СпП, в настоящей главе рассматриваются схемы и специальные под­ программы расчета массы конструкции различных типов РДТТ.

В основе методики расчета массы конструкции РДТТ в прин­ ципе лежат те же соотношения, которые используются в модулях расчета относительной массы РДТТ в С А П Р -602 [б ]. Вместе с тем прэи оптимизации РДТТ в рассматриваемых ниже подпро­ граммах, расчет абсолютной массы РДТТ производится при за­ данном его диаметра после газодинамического расчета двигате­ ля и расчета зарядов, что позволяет делать расчет массы бо­ лее точно.

Расчет массы основных элементов конструкции РДТТ,- таких, как обечайка, днища, газоводы, сопла, теплоизоляция, ведется по объемной массе этих элементов, для чего в соответствующие СпП в качестве входных величин вводятся основные линейные

размеры двигателя и плотности материалов, из которых эти элементы выполнены.

Однако поскольку на рассматриваемом этапе проектирования ЛА и РДТТ подробная конструктивная проработка двигателя еще не делается, масса указанных выше основных элементов конструк­ ции РДТТ включает в себя лишь конструкционный материал, не­ обходимый для обеспечения прочности и работосйособности РДТТ.

М асса	же стыковых элементов, внутренних, крепежных деталей
и т.д.,	а также имеющаяся на реальном двигателе некоторая

излишняя "технологическая" масса учитываются приближенно с ис­

пользованием статистики, так же как и в СпП	ARD 1 расчета
относительной массы РДТТ [5_].
1 .1 . Схема расчета массы конструкц ии	РДТТ

Масса конструкции РДТТ складывается из массы обечайки, днищ, сопл, газободов (если они есть), внутренних конструктив­ ных элементов (диафрагмы, опорные решетки и др.), дополнитель­ ных элементов (таких, как теплоизоляция, бронировка топливных зарядов, адгезионное покрытие стенок камеры), не учтенных при расчете стенок камеры конструктивных элементов (стыковые и крепежные узлы и детали, корпус воспламенителя и т.п .). Таким образом, масса РДТТ без топливных зарядов может быть пред­ ставлена в виде

къ	SB	пт + т + т + п г				+ tn	+ т	+	га$	( 1. 1 )
		ов	ан	с	доп	вн. эл	неччт
	Рассмотрим отдельные составляющие, входящие в эту формулу.
Обечайка. Масса обечайки определяется ее объемом и плот­
ностью		материала;		для	цилиндрической обечайки				без	учета сты -
кбвых и дополнительных конструктивных Деталей
			т0Б ~ ^			^ОБ ^об	f o e			(1 -2 )
Диаметр камеры				сгорания J)Kc задается в				исходных		данных
(определяется при общем проектировании ЛА). Он может быть
равным диаметру ЛА"или быть меньше							его;	для двухкамерных

РДТТ диаметры разных камер могут быть неодинаковыми, напри­

мердля телескопической	конструктивной схемы (рис. 0 .1 ) .
Длина обечайки принимается равной длине камеры сгорания
РДТТ и рассчитывается	по формуле
Z	= I	= - 1 + 1	(1 .3 )
Л *	ОБ	3	д н

где	- длина топливного заряда, определяемая при расчете за­
рядов в	специальных подпрограммах	(см. с. 6 , 7 ) . Для однока­
мерного двухрежимного РДТТ под I^		понимается суммарная

длина обоих зарядов; для двухкамерного двигателя длина обечай­ ки каждой камеры рассчитывается отдельно по этой формуле.

Длина обечайки внутренней камеры телескопической схемы всегда принимается равной длине заряда этой камеры. Если дли­ на внешней камеры при этом превышает длину обечайки внутрен­ ней камеры, то часть обечайки внутренней камеры, выступающая за ее габариты и являющаяся,по существу/внутренней обечайкой

внешней камеры	РД ТТ, рассмативается как внутренний газовод
последней; 1^н	- длина	обечайки в области днищ РД ТТ*;	для
однокамерных двигателей		она принимается равной 0 ,5 Dkc	;

для двухкамерных РДТТ телескопической схемы она принимается равной нулю для внутренней камеры и половине разности диамет­ ров для внешней камеры; для двухкамерных РДТТ с последова­

тельным расположением		камер 1 ^	принимается	равной 0 ,5 Внс
для маршевой камеры	и 0 ,2 5 В Кс		для другой камеры.
Толщина обечайки	с	в СпП расчета массы		РДТТ	является

входной величиной; она рассчитывается с учетом конструктивно­

технологических и прочностных соображений:
	1 z	Р	V .
SОБ= m a x	'у4	Kjк triQx	^ kc	■ if,Пи,?t	(1 .4 )
	\^рА	26.
		ОБ				ис-
где f p - коэффициент безопасности			для	РДТТ (задается	в
ходных данных);	Рк ^П1ах -	максимальное		рабочее давление	в	ка-

мере РДТТ при максимальной эксплуатационной температуре за­ ряда; рассчитывается в СпП газодинамического расчета РДТТ;

об - предел прочности материала обечайки при наибольшей температуре ее нагрева в процессе работы РДТТ (задается вместе с допустимой температурой нагрева в исходных данных);

^min, ~ минимально допустимая из конструктивно-технологичес­ ких и эксплуатационных соображений толщина обечайки; задается в исходных данных.

Днища. Масса днищ рассчитывается по формуле
		уг	27.
	*лн Г,6		КС	J°AH	(1 .5 )
			4 .
где	ьл н - число днищ;	1 ,6	- коэффициент, учитывающий		выпук­
лость	днищ при принятой	их	форме (см.*	сноску •);	- тол­

щина днищ, определяемая одновременно с толщиной обечайки из прочностных,, жесткостных, конструктивных и эксплуатационных соображений по формуле

Х При расчете размеров камеры РДТТ и массы днищ форма последних считается эллиптической с отношением полуосей 1 :2 .

15

	fAH= *»«x [ г , 2		8о б ; 8A H m in }		(1 .6 )
где	“ минимальная толщина дншц из соображений				жесто­
кости; для днищ с центральным			соплом	8^н rnin, = 0 ,0 0 6
для	днищ с боковыми	соплами	$ n iirT	0 ,0 0 8 DKC ; для	бес-
СОПЛОВЫХ ДНИЩ		= 1 ,2	<гр е т £П .

При расчете массы днищ двухкамерных двигателей считается, что для телескопической схемы масса днищ внешней камеры эквивалентна массе дншц однокамерного двигателя с параметра­ ми внешней камеры, а для схемы с последовательным располо­ жением камер масса днищ каждой камеры рассчитывается от­ дельно по формуле ( 1 .5 ) , причем масса промежуточного днища (поскольку оно одно) относится к маршевой камере, для кото­ рой это днище является сопловым.

Сопла. Масса сопловых блоков зависит от их конструкции, размеров, материалов и т.п. Здесь она рассчитывается по фор­ муле

	^ e = ( f a - FKP ' Fr ^	W		* / si*	fie + F*P В >	( 1 . 7 )
где	- площадь среза	сопла;		FKp	- площадь критического се­
чения сопла; Ffc - поперечная				площадь центрального		тела сопла,
диаметр которого d TC должен			задаваться в исходных			данных хо­
тя	бы приближенно*; (8 р )*		-	произведение средней		толщины

соплового раструба на плотность материала раструба; ориентиро­

вочные значения этой величины 2 9 ...4 0	для	стальных и 1 1 ...
...2 2 для стеклопластиковых раструбов;	В -	коэффициент, учи­

тывающий массу сопловой втулки и центрального тела сопла;

ориентировочные значения В = 3 0 0 ...60Q			для	сопл со сменны­
ми вкладышами;	В - 8 0 0 ...1 0 0 0 для сопл		с	центральным те­
лом; fic - угол полураствора сопла.
Длина сопла рассчитывается		по формуле
		f> ,		(1 -8 )
где ^а, и	соответственно	диаметр среза		и критического
сечения сопла.

Дополнительные элементы. Состав и масса дополнительных элементов РДТТопределяются типом топливного заряда и спо­ собом снаряжения. В общем случае

tn	-	SP	+ rrj	CL&r	f HI	(1 .9 )
АОП					43

Для двухкамерных РДТТ с внутренним газоводом (УСХ=2)Лтс

вычисляется в программе оптимизации как наибольшая из трех

величин: диаметра среза маршевого сопла, диаметра газовода, ;зассчитываемых в программе, или диаметра центрального тела,

задаваемого в исходных данных.

Бронировкой покрывают негоряпше поверхности топливного заряда, которые могут соприкасаться с продуктами горения топ­ лива. Вкладные топливные заряды внутреннего горения - сигарет­ ные, щелевые, со звездообразным каналом, телескопические ти­ па ТНС и ТСН - бронируются по наружной поверхности; кроме того, у сигаретных зарядов бронируется один торец, а у теле­ скопических и со звездообразными каналами оба торца заряда.

У трубчатых зарядов двустороннего горения типа ТНН и TZN бронируются только торцы заряда. Заливные топливные заряды, плотно скрепленные с корпусом не бронируются, но в этом слу­ чае между наружной поверхностью заряда и корпусом размещает­ ся эластичней адгезионная прослойка; при заливке сигаретного заряда адгезионный слой наносится также на переднее днище РДТТ.

Теплоизоляционное покрытие наносится на стенки камеры РД ТТ, подверженные воздействию продуктов горения топлива. Схема размещения и толщина теплоизоляции зависят от типа

топливного заряда, характеристик теплоизоляционного материала, допустимой температуры стенок камеры, температуры газов, времени, обдува стенок и др. Поскольку на рассматриваемом этапе проектирования конструкция РДТТ подробно не проработа­ на, расчет массы теплоизоляции производится при следующих до­ пущениях. Теплоизоляция покрывает сопловое днище камеры, а также обечайку и другое днище, если последние не защищены от воздействия горячих газов топливным зарядом. При этом толщи­ на изоляции соплового днища принимается в 1 ,5 раза больше, чем расчетная толщина изоляции обечайки и другого днища, по­ скольку сопловое днище подвергается более интенсивному обду­ ву горячими газами.

Таким образом,при установке трубчатых зарядов типа ТНН и TZN с наружными горящими поверхностями обечайка покрыва­ ется теплоизоляцией одинаковой толщины по всей длине камеры; камеры с сигаретными зарядами имеют теплоизоляцию обечайки

переменной толщины, линейно-изменяющуюся от максимальной у сопловой части камеры до нуля у другого конца заряда. При уста­ новке щелевых зарядов обечайка изолируется лишь в области ще­ левых пропилов теплоизоляцией постоянной толщины. Второе дни­ ще изолируется при установке всех типов зарядов, кроме сига­ ретных. С учетом вышеприведенных соображений масса дополни­ тельных элементов однокамерных РДТТ рассчитывается по фор­ мулам, приведенным в табл. 1 .1 .

ZV, THC, TCH

SI6, SZD, SZC

SIG

Все типы,кроме SIS

			Расчетная			формула
	( * - * е р h + W * 1 c l ) SSP f t p
™SP= * * CP l 3			S6P	f s p
» * * * > - (*		DCP	l 3+°>5 *		K		£ P ft P
tf*	= 0 ,5	7Г Д * Л		8	p		БР
SP	*		CP	6P J
-----------------------			, ,	- --------------------

	Тип	заряда	Способ
			снаряжения
	SI&		Вкладной заряд
	SZD, SZC		V
			u
	ZV, THC, TCH
	T H H ,	T Z K	Заливной заряд

*8		II									—
maAr =			J CP l3 + 0 , 4 * JJCp )					8адг			Заливной заряд
^ адг ~ ^			*cP	^3	^адг	fafi,r					/ /
	~ {0 ,5		T Ucp l 3 * t ,5				0,4 ЧС J7cp)		8из р нз	SI&	Любой
	- M			(*„3+ e ) +			2 , W	* 4 r ] i s f„ 3		5 ZD , SZC	/ / _
			P
m ^ Z ,5 - 0 ,t i				IT J c2p		8H3 f H3				ZV, THC, TCH	W
т,	из	= Г JL	JO	L + 2 ,5 ‘О.Ьтг U * \ 8					p	T H H , TZhi
		L	CP	3	9	9	CP * из J U3
		П р и м е ч			а	н и е. При написании				этих формул учитывалась	эллиптическая форма

днищ с отношением полуосей 1 :2 .

Толщина и плотность бронировки и адгезионного покрытия за­ даются в исходных данных. Ориентировочные значенияэтих ве­

личин:	Ssp = 0 ,0 0 2 5 ... 0 ,0 0 3			м; р в =	1 7 0 0 кг/м3;	=
= 0 ,0 0 1 ...0 ,0 0 1 5		м;	=	1 3 0 0 м.
Длин$ заряда 1^ ,. щелевых				пропилов	, коэффициент попе­
речного заполнения		камеры	J	определяются при расчете		заря­
дов в	специальных	подпрограммах; свод горения е рассчитыва­

ется в подпрограммах газодинамического расчета РДТТ. Толщина изоляции обечайки рассчитывается в программе опти­

мизации РДТТ	по формуле [б ]
из	Лцз ‘ т# ве	1л	(		Тк - £ 0&	\		(1. 1 0 )
	806 -JюОБ - сОБ	* \4		к	mctx	/)
где время работы двигателя			коэффициент теплопроводности
теплоизоляции	Лнз » теплоемкость		материала			обечайки	сов	, тем­
пература продуктов горения Тк		» максимальная температура						обе­
чайки tQB и максимальная температура эксплуатации							РДТТ £^ах
задаются в исходных данных, а 8				вычисляется в программе

оптимизации РДТТ.

Средний диаметр оболочки РДТТ Л Ср принимается равным Я с г ” 0 ,5 • ьИ хв) , где внутренний диаметр каме­

ры РДТТ, в пределах которого размещается топливо, рассчитыва­ ется по формулам:

J J	* Л	- 2	& вр)		“ для вкладных зарядов внут-
* в	Ке					реннего горения;
J7 _	» Л	- 2	+ <5V	_)	-	для	заливных зарядов;
Л	ж JJ	- 2 ( 8	+	)	-	Для	зарядов типа ТНН и TZN.

Расчет массы дополнительных элементов для двухкамерных РДТТ производится для каждой камеры по рассмотренной выше схеме. Расчет массы дополнительных элементов для двухрежим­ ных одокамерных РДТТ в основном также проводится по этой же схеме для частей камеры со стартовым и маршевым зарядами отдельно и результат суммируется*, однако расчет массы тепло­ изоляции в этом случае имеет некоторые особенности. Во-первых, так как время воздействия горячих газов на стенки камеры в общем случае равно суммарному времени маршевого и стартово­ го режимов работы РДТТ, то в формуле (1 .1 0 ) 7 ^ * + , где *?' и тйа - соответственно стартовое и маршевое время работы;уво-вторых, при расчете изоляции части камеры, в кото­ рой размещается стартовый заряд, следует иметь в виду, что на стартовом режиме заряд внутреннего горения изолирует обечайку

этой части камеры. Поэтому для зарядов типа ZV , ТНС и ТСН масса изоляции стартовой части камеры рассчитывается по фор­ муле

ш и3= (р ~ЯСР			&3	+ 2 , 6 - О, 1) ЗГ -Dcp < У Р и з ’
где & '	= 8И,	Г .	/ ( г ' +	г	)	а для зарядов типа S2D
и SZC -	по формуле
		Я СР [ 1 3~ ( ^ е ) ]				$'3 ри3* [я* Лер	( £щ + е)+
		+ 2 ,5 -О,Ъ зг UCp ]				8ИЗ р нз .
Внутренние		конструктивные			элементы. Масса		внутренних эле­

ментов принимается пропорциональной кубу диаметра двигателя.

Для камер с		зарядами, опирающимися на обечайку ( SI& >SZD ,
SZ&	, ZV	), диафрагмы и опорные решетки не нужны и масса
внутренних элементов принимается				m = 3 0	D 3 , для детальных
типов	зарядов			вн“	КС
			=60 D 3
		вн			(1.11)
				КС

Неучтенные элементы. Масса неучтенных элементов ориенти­ ровочно считается пропорциональной квадрату диаметра РДТТ:

		=25 J)*		( 1 . 1 2 )
	неычт		кс
Газовод. Масса газовода		складывается из суммы масс его
обечайки,	теплоизоляции и стыковых		узлов:	__ = ^ ЛЖГ/- + ^ « }г +
+ Ш стг	Масса элементов,	составляющих -газовод, зависит от

его размеров и конструкции. В рассматриваемых в настоящем по­ собии конструктивных схемах РДТТ встречаются как внешние, так и внутренние (проходящие внутри камеры РДТТ) газоводы (см. рис. 0 .1 ) . В частности, обечайка внутренней камеры двух­

камерного двигателя телескопической схемы может рассматривать­ ся, например, с точки зрения теплоизоляции ее наружной поверх­ ности как внутренний газовод. В рамках настоящего пособия дли­ на внешнего газовода Lr считается заданной в исходных данных,

а длина внутреннего газовода Lr3 принимается равной длине той камеры,_в которой проходит газовод. Относительный диаметр га­ зовода d r и плотность материала его задаются в исходных данных, толщина обечайки газовода принимается равной толщине обечайки камеры РДТТ, но не менее 0 ,0 0 2 м. Толщина внутрен­ ней изоляции газовода с учетом интенсивного обдува горячими газами принимается равной толщине изоляции соплового днища камеры РДТТ. Толщина наружной изоляции внутреннего га­ зовода принимается равной толщине изоляции той камеры, в ко­ торой проходит газовод. Если 'внутренний газовод предохраняет—