книги из ГПНТБ / Волков Е.Б. Ракетные двигатели на комбинированном топливе

Е. Б. ВОЛКОВ, Г. Ю. МАЗИНГ, Ю. Н. ШИШКИН

РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ НА КОМБИНИРОВАННОМ ТОПЛИВЕ

Мо с к в а

«М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е »

1 9 7 3

В 67

УДК 629.7.036.54.001.2(02)1 " j j J j J J o T L

іг

Волков Е. Б., Мазинг Г. Ю. и Шишкин Ю. Н. Ракетные дви­ гатели на комбинированном топливе. М., «Машиностроение», 1973, стр. 1-84.

В книге рассматриваются вопросы теории ракетных двига­ телей, работающих на твердо-жидких компонентах топлива, и ракетных двигателей на твердом топливе с зарядами раз­ дельного снаряжения.

Приводятся различные схемы и описываются принципы работы таких двигателей; приводятся данные о топливах.

Излагаются сведения по выбору основных параметров ка­ мер сгорания, теплообмену и горению топлива в камерах.

Отмечаются особенности регулирования и рассматриваются статические характеристики двигателей, работающих на ком­ бинированных топливах.

Книга предназначена для инженеров и научных работни­ ков ракетного двигателестроения. Она будет полезна также студентам и аспирантам высших учебных заведений.

Табл. 18. Ил. 74. Список лит. 69 назв.

Рецензент д-р техн. наук, проф. С. Д. Гришин

3186—205 038(01)—73 205—73

ПРЕДИСЛОВИЕ

В зарубежной научной периодической литературе в послед­ ние годы опубликован ряд материалов по результатам исследо­ ваний и разработки ракетных двигателей на твердо-жидких компонентах топлива (гибридных ракетных двигателей).

ваны до сих пор и стали известными авторам. Значительное вни­ мание в книге уделено процессам, протекающим в камерах ГРД. Так как по особенностям этих процессов много общего с ГРД имеют ракетные двигатели на твердом топливе (РДТТ) с двумя зарядами разного состава, то в книге рассматриваются и неко­ торые вопросы теории РДТТ такого типа.

Основным в настоящей книге является изложение основ тео­ рии двигателей; вопросы их расчета, там где они включены в книгу, излагаются главным образом для того, чтобы проиллю­ стрировать применение теории двигателей для нужд практики.

Формулы и числовые величины, характеризующие двигатели и их топлива, приведены в соответствии с Международной систе­

Авторы выражают благодарность д-ру техн. наук С. Д. Гри­ шину за ценные замечания, сделанные им при рецензировании книги, и заранее признательны читателям за критические заме­ чания как по существу излагаемых вопросов, так и по методике их изложения. Все замечания просим присылать по адресу: Москва, Б-78, 1-й Басманный пер., 3, издательство «Машино­ строение».

ВВЕДЕНИЕ

Все основные успехи в развитии ракетостроения, которые были достигнуты за последние десятилетия, связаны со значи­ тельным прогрессом в улучшении характеристик двигателей, при­ меняемых на боевых и космических ракетах. От степени совер­ шенства ракетного двигателя в сильной степени зависят основ­ ные особенности и показатели качества ракеты или космического аппарата, на которых он применяется. В связи с этим понятно то большое внимание, которое уделяется во всех странах, где создаются ракеты, развитию и совершенствованию ракетных двигателей.

В настоящее время практически на всех (за очень редким исключением) боевых и космических ракетах и на космических аппаратах используют ракетные двигатели, работающие на жид­ ких или твердых топливах ( Ж Р Д и РДТТ).

Применение современных Ж Р Д и РДТТ позволило создать весьма совершенные ракеты и решить ряд сложнейших техни­ ческих задач, однако развитие ракетостроения продолжается и будет продолжаться, и в связи с этим совершенствование двига­ телей остается по-прежнему важной и актуальной задачей.

Направления дальнейшего улучшения характеристик ракет­ ных двигателей определяются из анализа тех основных требова­ ний к ним, которые обычно формулируются в теории ракет и со­ гласно которым необходимо, чтобы:

а) двигатель имел возможно больший удельный импульс; б) двигатель при данной силе тяги или при данном запасе

топлива имел возможно меньшую собственную массу; в) двигатель во всех возможных условиях работы обеспечи­

В зависимости от типа ракеты (летательного аппарата), на которой применяется двигатель, относительная степень важности того или иного требования, конечно, меняется. Так, требования повышения удельного импульса и снижения удельной массы тем более важны, чем больше дальность полета ракеты (и поэтому наиболее важны для космических ракет); требования простоты эксплуатации и малой стоимости, наоборот, — для космических ракет менее важны, чем для ракет массового применения.

Более того, есть требования, которые характерны для двига­ телей ракет лишь какого-то одного вида. Так, например, только для двигателей боевых ракет, как правило, формулируется тре­ бование о том, чтобы двигатель длительное время (годы) хра­ нился в состоянии готовности к пуску и запускался очень быстро (секунды); для двигателей космических аппаратов возникают свои специфические требования возможности запуска в условиях невесомости и вакуума и др.

Большая часть характеристик двигателей, а следовательно, и возможность выполнения соответствующих требований к дви­ гателям зависят от вида и качества топлива, применяемого в дви­ гателе. В связи с этим вопрос выбора топлива приобретает исключительно большое значение. Поясним это некоторыми примерами.

Температура и состав продуктов сгорания в камере РД опре­ деляются главным образом свойствами топлива и, следова­ тельно, этими свойствами определяется и удельный импульс

ряда других элементов двигателя. Чем больше плотность топли­ ва, тем меньше потребные объемы баков и камеры, и тем меньше, следовательно, масса всей ракеты.

Регулирование силы тяги двигателя, выключение и повторное включение его осуществляются главным образом изменением количества топлива, сжигаемого в единицу времени в камере двигателя. Так как для разных видов топлива это изменение можно осуществить с большим или с меньшим трудом, то вид топлива оказывает крайне важное влияние и на такие качества двигателей, как возможность их регулирования и многократ­ ного запуска.

От вида топлива зависит в сильной степени стоимость пуска ракеты — через стоимость самого топлива, через стоимость материалов, применяемых в двигателе, через состав и стоимость агрегатов комплекса, которые меняются в зависимости от вида топлива.

и на твердых топливах, имеют существенные различия. Каждый из двигателей этих типов обладает своими достоинствами и не­ достатками.

Достоинствами Ж Р Д являются:

а) возможность достижения высокого удельного импульса. Это достоинство Ж Р Д связано с тем, что в качестве отдельно

хранимых компонентов топлива для двигателя этого типа можно иметь вещества, которые при смешении и горении дают очень большой выход энергии;

б) относительно низкая собственная масса двигателя — осо­ бенно для длительно работающих двигателей с большой силой тяги;

в) возможность многократного включения и выключения дви­ гателя и регулирования его силы тяги, что обеспечивается отно­ сительно простым управлением подачей каждого из компонентов топлива в камеру;

г) возможность относительно длительной работы двигателя. Практически для Ж Р Д время работы ограничивается только запасом топлива. Термостойкость камеры обеспечивается в те­ чение этого времени охлаждением ее конструкции компонентами

топлива;

д) низкая стоимость самого топлива, особенно в случае использования в качестве его компонентов веществ, производ­ ство которых хорошо освоено промышленностью и имеет широ­ кую сырьевую базу.

параметрами и очень большой силой тяги, затруднена и может потребовать больших затрат средств и времени.

И, наконец, недостатком Ж Р Д является относительно низкая плотность топлив, применяемых в этих двигателях, — особенно в случае использования жидкого водорода в качестве горючего. Низкая плотность топлива ведет к увеличению габаритов ракеты.

К достоинствам двигателей, работающих на твердых топливах (РДТТ), следует отнести:

а) простоту устройства и эксплуатации; возможность упро­ щения (по сравнению с Ж Р Д ) комплекса, используемого для применения ракеты;

а) относительно низкое значение удельного импульса.

Этот недостаток РДТТ объясняется тем, что компоненты топ­ лива, которые могли бы дать большой удельный импульс, в од­ ном твердом веществе трудно совместимы;

б) в РДТТ крайне трудно осуществить регулирование силы тяги по величине и многократное выключение и включение дви­ гателя. Конструктивные усложнения двигателя, которые необ­ ходимы при этом, столь велики, что в подавляющем большин­ стве случаев регулирование силы тяги и многократное включе­

Гибридные ракетные двигатели исследованы значительно менее полно, чем жидкостные двигатели и двигатели, работаю-

ности по отработке регулирования силы тяги, многократного

химических источниках энергии могут рассматриваться и дви­ гатели с двумя раздельными зарядами твердого топлива, один из которых содержит избыток окислителя, а другой — избыток

Глава 1

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ОКОМБИНИРОВАННЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

1.1. РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС КРД

1. 1. 1. Рабочий процесс ГРД

Одна из возможных схем двигателя, работающего на твердожидких компонентах топлива ( Г Р Д ) , приведена на рис. 1.1. Двигатель включает в себя камеру / с зарядом 2 твердого ком­ понента топлива и форсуночной головкой 3; бак 5 с жидким компонентом топлива; баллон 8 со сжатым газом; клапаны 4 и 7; редуктор давления 6. Элементы 4—8 образуют систему хранения и подачи жидкого компонента.

Твердый и жидкий компоненты топлива подбирают так, чтобы один из них содержал в избытке горючие элементы (углерод, водород и т. д.), а другой — окисляющие элементы (кислород, фтор, хлор). Эти компоненты называются соответственно горю­ чим и окислителем.

Заряд твердого компонента может иметь различную форму. На рис. 1. 1 показан заряд, изготовленный в виде одноканальной цилиндрической шашки.

В момент включения ГРД открывается клапан 7 и сжатый газ через редуктор 6 под определенным давлением поступает в бак. После открытия клапана 4 жидкий компонент, вытесняе­

Твердый компонент воспламеняется; газы, образующиеся на его поверхности, смешиваются в канале заряда с жидким компо­ нентом. Смесь горючего и окислителя сгорает, продукты сгора­

Как видно из описания принципа действия ГРД, рабочий процесс и схема этого двигателя имеют некоторые общие черты