3 Выбор ракетного топлива

Выбор топлива при проектировании РКН имеет большое значение, так как физико-химические свойства компонентов и условия их эксплуатации практически полностью определяют тип ДУ, систему проектных параметров, массу, габаритные размеры и баллистические возможности РКН.

В настоящее время известно большое количество жидких и твердых топлив. По существу, при выборе топлива задача проектанта сводится к подбору оптимального топлива из ряда наиболее распространенных с учетом требований ТТЗ к РКК.

Для сравнения различных топлив с использованием критерия «массовая отдача РКН» воспользуемся соотношениями из теории реактивного движения.

Рассмотрим формулу К.Э. Циолковского для конечной скорости одноступенчатой ракеты [ 12,36 ]:

, (1)

где с – эффективная скорость истечения продуктов сгорания в пустоте,

(2)

_где - относительная конечная масса ракеты;

m_к – конечная масса ракеты;

m₀ – стартовая масса ракеты.

Скорость истечения продуктов сгорания на срезе сопла w_а зависит от параметров продуктов сгорания рассматриваемых ракетных топлив:

w, (3)

где к – показатель адиабаты;

R – газовая постоянная;

Т_{к .с} – температура в камере сгорания;

р_а – давление на срезе сопла;

р_к.с – давление в камере сгорания.

Будем предполагать, что рассматриваемая одноступенчатая ракета должна иметь определенное значение характеристической скорости V_х. Воспользуемся формулой для относительной конечной массы одноступенчатой ракеты

, (4)

где а_Т.О = m_Т.О/m_Т – относительная масса топливного отсека;

m_Т.О –топливного отсека;

m_Т – рабочий запас топлива;

γ_ДУ = g₀m_ДУ/Р_п – относительная масса ДУ;

m_ДУ –масса ДУ;

n_o = Р_п /g₀m₀ – стартовая перегрузка;

а_δ= m_δ(m₀- m_КГЧ) – относительная масса прочих элементов;

m_δ - масса прочих элементов;

(m₀- m_КГЧ) – стартовая масса РБ;

m_КГЧ – масса КГЧ;

m_КГЧ /m₀ - относительная масса КГЧ, или массовая отдача РКН.

Из формулы (1) найдем

(5)

Из формулы (3) с учетом формулы (4) найдем массовую отдачу ркн

, (6)

где с – может быть выражено через удельную пустотную тягу:

(7)

Относительная масса топливного отсека а_Т.О может быть найдена как функция плотности топлива ρ_Т ; ρ_Т зависит от плотности окислителя ρ_ок, горючего ρ_Г и соотношения массовых секундных расходов окислителя и горючего:

(8)

Рассмотрим соотношение

(9)

где V_T – объем топлива.

Предположим, что соотношение а*_Т.О=m_T.O/V_T не зависит от ρ_Т, тогда из соотношения (9) имеем зависимость

(10)

Рассмотрим соотношение для плотности топлива

, (11)

где ,- рабочие запасы окислителя и горючего;

, - соответствующие объемы окислителя и горючего;

; .

Из соотношения (11) с учетом соотношений для объемов

, (12)

где при постоянных массовых секундных расходах окислителя и горючего.

С использованием выражения (12) можно исследовать влияние на массовую отдачу параметров ρ_ок, ρ_Г, К_m.

Формулы (2) и (3) позволяют исследовать влияние на массовую отдачу РКН параметров продуктов сгорания: к, R, T_к.с, ρ_к.с, ρ_а.

Кроме описанных выше расчетов значений критерия «массовая отдача РКН», пи выборе топлива должны учитываться: характеристики механической прочности для твердых топлив; данные по стоимости компонентов топлива; эксплуатационные характеристики; возможности использования компонентов топлива для охлаждения камер сгорания и наддува топливных баков; условия производства, транспортировки, хранения и т.п.

1. Практическая часть

1) Исследовать влияние параметров ракетного топлива ρ_ок, ρ_г , k_m на массовую отдачу РКН согласно таблицы 1:

Таблица 1

КРТ	НДМГ+АТ				Керосин + О2
Параметры КРТ	ρок, кг/м^3	ρг, кг/м^3	mок *10^3кг	mг *10^3кг	ρок, кг/м^3	ρг, кг/м^3	mок *10^3кг	mг *10^3кг
Варианты
1	1450	785	100	28,46	800	1142	100	43,5
2	1451	780	110	42,3	801	1140	110	47,8
3	1452	781	120	46,15	802	1141	120	52,17
4	1453	782	130	50	803	1142	130	56,5
5	1454	783	140	53,8	804	1143	140	60,86
6	1455	784	150	57,7	805	1144	150	65,2
7	1450	785	160	61,5	806	1145	160	69,6
8	1451	780	170	63,4	807	1140	170	73,9
9	1452	781	180	69,2	808	1141	180	78,3
10	1453	782	190	73	809	1142	190	82,6
11	1454	783	200	76,9	810	1143	200	86,95
12	1455	784	210	80,7	811	1144	100	43,47
13	1450	785	220	84,6	812	1145	110	47,8
14	1451	780	230	88,46	813	1140	120	52,17
15	1452	781	240	92,3	814	1141	130	56,52
16	1453	782	250	96,15	815	1142	140	60,86
17	1454	783	260	100	816	1143	150	65,2
18	1454	784	270	103,8	817	1144	160	69,6
19	1455	785	280	107,7	818	1145	180	78,3
20	1450	780	300	115,4	819	1140	200	86,95

Продолжение таблицы 1

КРТ	Керосин + Н2				НДМГ + F2
Параметры КРТ	ρок, кг/м^3	ρг. кг/м^3	mок *10^3кг	mг *10^3кг	ρок, кг/м^3	ρг, кг/м^3	mок *10^3кг	mг *10^3кг
Варианты
1	820	71	76	30,4	1503	785	130	21,7
2	821	70,9	77	30,8	1500	781	132	22
3	823	70,91	78	31,2	1501	782	133	22,16
4	824	70,92	79	31,6	1502	783	134	22,3
5	825	70,93	80	32	1503	784	135	22,5
6	827	70,94	81	32,4	1500	785	136	22,7
7	829	70,94	82	32,8	1501	780	137	22,8
8	830	70,95	83	33,2	1502	781	138	23
9	832	70,96	84	33,6	1503	782	139	23,17
10	834	70,97	85	34	1500	783	140	23,3
11	835	70,98	86	34,4	1501	784	141	23,5
12	837	70,99	87	34,8	1502	785	142	23,66
13	839	71,1	88	35,2	1503	786	143	23,8
14	840	71,2	89	35,6	1500	787	144	24
15	842	71,2	90	36	1501	788	145	24,17
16	843	71,3	91	36,4	1502	789	146	24,3
17	845	71,4	92	36,8	1503	790	147	24,5
18	847	71,4	93	37,2	1500	789	148	24,7
19	848	71,5	95	38	1501	788	149	24,83
20	850	71,6	100	40	1502	787	150	25

Анализируя соотношения (1) - (12) п.2, выбрать из имеющихся четырех вариантов топлива, имеющие наибольший разгон ступени ракеты до конечной скорости и наибольшую массовую отдачу μ_пн РКН, анализ представить в отчете.