Лекция 1
1. знакомство.
2. название дисциплины «расчет и проектирование РД».
3. на тему отводиться 32 часа лекций; 12-лекций ; 4-семенаров.
4. цель: изучение основных и специальных вопросов теории и расчете ракетных двигателей на твердом топливе.
5. задача: научить правилам выбора и расчета параметров, проектированию и разработке конструкций РДТТ.
После изучения курса студентам приобретаются знания:
-особенностей схем РДТТ, расчеты и проектирование;
- основы теории, принципов организации рабочего процесса;
-основы теории неустойчивости РДТТ;
-основы расчета нестационарных режимов РДТТ.
После изучения приобретаются знания:
- проводить выбор облика РДТТ и рассчитывать хар-ки;
-выбирать форму заряда и рассчитывать его выгорание;
-проводить газодинамический расчет проточной части;
-вести обработку экспериментальных данных.
Краткая история РДТТ.
РДТТ – ракетный двигатель на твердом топливе.
1. известен давно – в Китае ….
2. В Первую Мировую войну – использовался в виде снарядов.
3. Вторая Мировая война «Катюша» - стрельба по площадям.
4. После 2 –ой Мировой войны – гонка вооружений –Фон Браун. Позже сбежал в Америку. Королев – Фон Браун. Стрельба по целям. Нужна точность. Необходимо создать способы доставки ЯБГ а) самолеты (Хиросима) б) ракеты.
5. базирование : шахты, поверхности, подвижные платформы – трайдент, МХ и т.д.
Тема 1
Схема РДТТ , их достоинства , недостатки и область применения
- особенности рабочего процесса в РДТТ.
- основные характеристики РДТТ.
- достоинства и недостатки РДТТ.
-область применения РДТТ.
1 Ракетой называются специальные устройства, предназначено для быстрого перемещения полезного груза в заданную точку З.Ш. с целью поражения окрестной области, либо физического уничтожения объектов и личного состава.
2 полезный груз (ПГ) называется ядерная боеголовка.
3 для военных целей применяют чаще ракеты на РДТТ ,но можно ЖРД, ЯРД, ГПВРД.
4 Ракетный двигатель комплектует ракету, поэтому РДТТ.
5 носитель - это аппараты для доставки полезного груза (аппаратуры, спутников, людей) на орбиту – основаны на ЖРД. (КА) – космические аппараты доставляют в космос для работы (телескопы, радиосвязь)
6 РДТТ- это двигатель, работающий на химической энергии твердых компонентов. Горючее и окислитель вместе.
7 любой двигатель на химическом топливе состоит из камеры сгорания и сопла.
8 камера сгорания
– это устройство, предназначенное для
превращения химической энергии сгорания
потенциальную энергию высоко –
энтальпийных газов.
9 сопло – это
устройство ,где потенциальная энергия
высокотемпературных (высогоэнтальпийных)
газов превращается в кинетическую
энергию высокоэнтальпийных продуктов
сгорания
-
полное давление;
-
статическое давление;
и
- плотность и скорость.
Достоинства и недостатки РДТТ .
Достоинства :
1 простота конструкции.
2 время подготовки ракеты к запуску мало.
3 длительность хранения
накопления арсепаля.
4 малочисленность обслуживающего персонала.
5 боеготовность и неуязвимость.
6 простота эксплуатации.
7 надежность, мало агрегатов в составе РДТТ.
Недостатки:
1 более низкие, чем в ЖРД характеристики. Например удельный импульс тяги:
2 ограниченное время работы:
3 Зависимость скорости горения твердых топлив от начальной температуры .
4 сложность регулирования тяги по времени и направлению (сложные ступенчатые заряды) (рули, клапаны и т.п.)
5 одноразовость использования.
При проектировании
РДТТ необходимо знать для малого класса
ЛА и ЭУ он предназначен. Конструкция
может зависеть от этих нюансов. При этом
различны ее сложности, удельная масса
,выбора материала, топлив и др.
Области применения РДТТ.
Применяются РДТТ практически во всех отраслях народного хозяйства: ракетное вооружение, космос, авиация, нефтедобыча, агротехника и др.
Классификация РДТТ по назначению.
По назначению РДТТ можно разделить на три класса:
1 маршевые
2 специального назначения
3 прочие (вспомогательные)
1) маршевые РДТТ предназначены для доставки полезного груза с одной точки земного шара до другой (З-З, В-В, В-П………).
Маршевые двигатели могут устанавливаться на подводных лодках (трайденд), на железнодорожных платформах (МХ), в шахтах, на самолетах, на кораблях и т.д.
Маршевые РДТТ в составе ракет:
- тактического и оперативного тактич. поражения;
- средней дальности;
-межконтинентальных;
- разгонных для крылатых ракет;
- ракета - носителей космических кораблей;
- разгонных блоков;
- зенитных ракет;
- антиракет;
- торпед;
- бустеров для ЖРД;
- индивидуальные ракеты для передвижения человека над поверхностью земли и в космосе.
2) РДТТ специального назначения
- рулевые РТДД;
- ускорители разделяющих ступеней;
- отделения полезной нагрузки;
- тортиозные , обеспечивающие возврат с орбиты и т.п.
- РДТТ систем ориентации и стабилизации;
- до выведения – уменьшения засорения космоса.
3) Прочие РДТТ – народного хозяйстваназначения, градобойные, противолавинные, для бурения сив., для повышения нефтедобычи, пожаротушения и т.д.
Схема РДТТ
1 . маршевый двигатель:
1- корпус; 2 – заряд твердого топлива; 3 – ТЗП; 4 – сопловой блок; 5 – запальное устройство, пиропатрон; 6 – вкладыш критического сечения; 7 – сопловой насадок.
Корпус – предназначен для размещения в нем заряда ТТ организации процесса горения и обеспечения прочности из-за высокого давления.
Заряд – обеспечивает поступление продуктов сгорания в камеру в процессе выгорания.
ТЗП- теплозащитное покрытие обеспечивает тепловое состояние камеры, предохраняет от прогаров.
Сопловой блок (сопло) – инструмент для разгона продуктов сгорания, также обеспечивает прочность и теплостойкость.
Запольное устройство – воспламеняет основной заряд, назначая уровень давления и температуры до необходимой величины.
Вкладыш – критического сечения сопла – обеспечивает стойкость и неизменность размера критического сечения, либо его программированное увеличение.
Сопловой насадок–
устройство для повышения степени
расширения сопла
и
поднятия величины удельного импульса
тяги.
Сопло, как правило, утопленное для более плотного заполнения зарядом.
2. схема двигателя специального назначения.
Особенности:
- многообразие конфигураций;
- устанавливается в удобных для компоновки местах;
- энергомассовые характеристики таких двигателей второстепенны;
- важны эксплуатационные, функциональные характеристики;
- материалы простые , дешевые и тяжелые.
1 – металлический корпус; 2 – вкладной заряд; 3- легкое алюминивое сопло; 4- простой стандартный пиропатрон; 5- стеклопластиковая диафрагма.
3 прочие (вспомогательные) РДТТ.
1. также отличаются многообразием и замысловатостью конструкции.
2. используется простые подручные материалы для корпусов.
3. топлива низко-нало….. и дешевые.
Пример, для нефтеразжижения используются продукты обыкновенной селитры. Организуется непрерывный процесс. К.с.становится нетрадиционной.
Особенности рабочего процесса.
1 В отличии от ЖРД сгорание происходит на поверхности топлива. Продукты сгорания отходит в виде энтальпийных газов в полость камеры и далее в сопло.
2 Топливо содержит внутри себя тщательно перемешанный состав в виде горючего-связки и окислителя. Для энергетики добавляют металлические частицы в основном Al.
3 Продукты сгорания маршевых РДТТ , в основном двухфазные, т.е.в газе содержится большое количество жидких и твердых частиц Аl2O3.
4 Возгорание ТТ осуществляется с применением быстрогорящих порохов,………………………………….. при помощи распаленной нихромовой спирали.
5 В процессе работы РДТТ его конструкция сильно прогревается, раздувается, и эрозионно- уносится.
6 Параметры современных маршевых РДТТ:
Давление в камере сгорания Рк=до 100 атм(10МПа).
Температура сгорания Тк=3800 К.
Процентное содержание н-фазы в продуктах сгорания по массе z=до 40%
Коэффициент адиабаты ПС – ае = 1,16.
Размеры критического сечения Dкр до 500мм.
Размеры камеры сгорания Dк=2,5 м Lк=6 м.
Основные характеристики РДТТ.
1. Расход продуктов сгорания
- изменение массы по времени. [ кг/с]
2. давление , температуры, плотность П.С.
Рк, Тк,
.-
результаты термодинамических расчетов.
3. тяга – это реактивная сила, создаваемая камерой сгорания и соплом, под воздействием на их поверхности давления продуктов сгорания. Эта результирующая газодинамических сил.
Заменим сумму интегралов сил давления:
Вывод: Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей. МАИ 1985г.
Опускаем интегрирование , получаем:
-тяга
[Н];
-
расход;
- скорость на срезе [м\с]; Fа-
площадь среза; Рн- давление окружающей
среды; Ра- давление на срезе сопла; Рк –
давление в камере сгорания.
Характерные случаи:
1 тяга в пустоте Рн=0 (космос)
2 расчетный случай сопла Ра=Рн;
Расчетный случай – самый оптимальный с энерго массовой точки зрения.
а) Расчетный режим: Ра=Рн
скачек сидит на срезе сопла. Поток
развернулся до расчетного случая.Энергия
топлива сработала полностью.
б) режим недорасширения:
Ра
Рн
Поток дорасширяется после сопла. энергетика срабатывает не вся – теряется тяга.
в) режим перерасширения:
Ра
Рн
Поток не доходит до стенок сопла. Тяга не реализуется. Часть потока замещается внешней средой. Струя продуктов сгорания теряет степень расширения– сужается. Теряется тяга (удельный импульс).
4 удельный импульс тяги.
-
характеризует энергетику твердого
топлива. Сколько тяги снимается с одной
единицы расхода. Имеет весьма важное
значение и характеризует внутренние
свойства процессов (топлива, сопла,
камеру, продукты сгорания).
Формально – это отношения для расчетного режима можно записать.
5 расходный комплекс
Из соотношения для расходов (без выводов)
принимаем:
Важный термодинамический параметр, характеризующий энергетику камеры сгорания. Легко определяется из эксперимента: Fкр – измеряется Ш\Ц
Рк – измеряется манометром в пр.раб.
G- измеряется расходомером.
6 суммарный импульс.
Суммарный импульс характеризует энерго массовое совершенство РДТТ.
Используем предыдущие определения:
В РДТТ рассматривается и другие характеристики , такие как КПД, мощность, коэффициент тяги, характеристическая скорость и др.
В нашем курсе к ним мы будем обращаться по мере надобности.
Лекция 2
Тема 2 . «основные виды топлив применяемых в рдтт».
Тема предполагает изучение следующих подразделов:
- особенности приготовления, хранения и использование топлив РДТТ;
-основные характеристики топлив РДТТ;
-перспективные топлива РДТТ.
1. топливо в РДТТ выполняет две функции :
- является источником рабочего тела – ПС;
- является источником тепла при горении.
2. основные требования к ТТ следуют из формулы Циолковского:
,где
-максимальная
скорость ракеты;
-
удельный импульс тяги;
-
масса заряда ТТ;
-
масса конструкции ракеты, включая
полезный груз.
3. если объем, занимаемый
топливом соизмерим с объемом ракеты
,то можно определив условную плотность
конструкции записать:
и тогда
.
4. следствия: (1) Rуд должен быть повыше;
-плотность
топлива д/б повыше;
-материалы конструкции д/б легче.
5. в настоящее время
Rуд
2500….3000
м\с
6. постоянно параметры
улучшаются Rуд и
.
Требования к твердым топливам.
1 кроме высокого удельного импульса тяги топлива должно обладать следующими свойствами (основные характеристики топлива РДТТ)
2 Баллистические свойства:
а) большая плотность
для уменьшения габаритов двигателя и
ракеты;
б) низкий показатель
горения
в законе горения ;
-
для устойчивого горения;
в) низкая чувствительность к изменениям температуры заряда колебания температуры влияют на значения давления в камере
-скорость
горения мм/с.
г) хорошая воспроизводимость характеристики разброски в спор.горения min.
д) надежная воспламеняемость. НМФ-2-Т9БК-8.
3 Механические свойства:
- твердое ракетное
топливо должно иметь достаточную
механическую прочность
в широком диапазоне температур;
- высокая трещино-стойкость при транспортировке, в полете и в условиях изменяющейся температуры;
- стойкость и перегрузкости;
- приемлемая
деформативность
– для облегчения нагруженной работы ,
связанной с обеспечением прочности
соединения заряда с корпусом.
4 общие св-ва.
- высокая физическая и химическая стабильность;
-низкая склонность к взрыву и детонациям;
- низкая токсичность, ………;
- технологичность и простота изготовления зарядов;
- доступность сырья для производства компонентов.
Противоречивые условия если ……………………………………..
Классы топлив.
1 По физической структуре твердые ракетные топлива делятся на два основных класса.
- гомогенные или двухосновные;
-гетерогенные или смесевые;
2 В гомогенном топливе горючее и окислитель содержатся в одной и той же молекуле.
3 Классическим примером гомогенных топлив является смесь нитроцеллюлозы и нитроглицерина – это пороха.
4 нитроглицерин условная формула: С3Н5(NО3)3
5 нитроцеллюлоза:{C6H10-xO5-x(NO3)x}g
Примем х
3
. При х =3 содержание азота в пороховой
массе 14,14 % (для РДТТ 13,25%).
Нитроцеллюлоза обеднена кислородом по отношению к стехиометрическому комплексу.
6 нитроцеллюлоза – имеет белый цвет и волокнистое строение.
7 нитроглицерин – масляная жидкость.
8 Для получения требуемых свойств топлив на их основе используют пластификаторы.
9 Гомогенные ( баллиститные ) топлива широко использовались до 1960 годов из-за схожести с составом ружейного пороха и хорошими баллистическими характеристиками.
10 Зависимость скорости горения баллиститного топлива jPN от давления. Она растет.
11 Зависимость скорости горения от величины удельного импульса тяги.
12 Зависимость Rуд от температуры горения боллиститного топлива.
13 Гетерогенные топлива (смесевые)
14 Современные смесевые твердые топлива СТТ являются гетерогенными и содержат три основных компонента:
- органический полимер, который выполняет роль связующего и одновременно является горючим (горючее-связка), газифицирующимся при горении.
- твердый окислитель, который также дает газообразование.
- добавка горючего
металлического порошка, основное
значение которое сводиться к увеличению
энергетических показателей
(Тк=2200К
Тк=3700К)
и повышению плотности топлива.
.
15 с точки зрения энергетического потенциала наилучшими являются:
1 углеводороды типа поли бутадиена;
(но могут быть : тяжелые нефте продукты, асфальты, битумы, полимеры типа полиэфирных, фекальных, эпоксидных смол)
Пластмасса – полихлорвинил, полиуретан,…
Каучуки типа - полисульфидий, полиуретановый, поли изобутиленовый, бутадиен спиральный.
Применение каучуков началось с поли сульфидного (тиокол).
16 Бутадиеновый каучук – это сополимер полибутадиена и акриловой кислоты. ПБДК
-(-СН2-СН=СН-СН2-)-
2. Наилучшими наполнителями являются неорганические оксиды типа перхлората аммония ПХА: эффективность окислителя определяется соед О2. NH4ClO4
В ПХА содержится наибольшее количество кислорода=55% (перхлорат лития 60 %)
(окислителем явл.также аммиачная селитра).
2) Другим важным фактором является теплота образования, при увеличении которой снижается тепло производительность топлива.
Важно иметь окислитель с большим содержанием кислорода и низкой теплотой образования.
3 наилучшей металлической прокладкой является Алюминий Al.
Ранее при исследованиях рассматривались Бор, Магний, Барий, цирконий.
Перспективным является Бериллий НО! Бериллий экологически опасен.
Применение металлических добавок увеличивает температуру горения топлива на 1000 С.
Недостатки: поток становиться двухфазовым Al2O3 и прочие ,что приводит к потерям удельного импульса тяги и доп.эрозии сопла.
К топливу дополняется и другие присадки для улучшения технологичности и ……… свойств.
Пример : топливо «10»
Условная формула : Н37,7605О22,1368Cl5,51058 N5,518P0,0028Al8?8924 Si0,0058 Fe0,0053C7,8767
ПХА -64,77%
Энтальпия образования : Н=428,76
Бутил натрия -10,3 %
Алюминий АДС -1 – 24 %
Эпоксидная смола 0,4%
Летицин-0,22%
Хиполовий эфир – 0,15 %
Ортотреббутилпаракрезол -0,06 %
Рерроцен-0,1%
Аэросил- 0,035%
Перспективные топлива РДТТ
1. Перспективными считаются топлива, имеющие высокие значения удельного импульса тяги Rуд, технологичные, эксплуатационно надежные, нетаксичные, высоко плотные, с чистыми продуктами сгорания.
2. из термодинамики известно:
- удельная газовая постоянная
- молекулярная масса
к- показатель адиобаты
Тк - температура в камере.
Поэтому
перспективное топливо с
3. сейчас разрабатываются топлива с повышенной температурой в камере сгорания – это современная тенденция. Тк 4500К
4. Последние разработки - …………………………………………
1)ДФ-2;
фуразено
– 1,2,3,4-тетразин-1,3;
2)Тяга;
=1000
;N6O3-?
3)CL-20;
;C4N8O6
2,4,6,8,10,12-
На основе этих окислителей просматриваются новые составы:
Норалы: ДР-2-66%
ОН-15%
Оl=19%
=2860м/с
Т 3900…4000К
1,78
АТАТ – 85: Cl-20-80%
Al-2%
Неактивн.связ.20%
=2860….2900м/с
Т 4000К
1,89
Другие топлива: НИКА-Н; ОПАЛЫ; ТТФы и др.в качестве добавки используется гидраз.Al AlH3.
Особенности приготовления, хранения и использования топлив РДТТ.
Все этапы производства ТТ строго контролируются.
Технология изготовления топлив:
Полученное ……… горючего и твёрдых присадок
Предварительная обработка
Получение ингредиентов связующего
Плотн. ………. субсмесь трёх вершинн. ф-я распр.
преминс
Получение окислителя
Измельчение и смешение
Смешивание компонентов ТРТ
Контроль качества
Получение инертных материалов
Нанесение изолирующих слоев в камере сгорания
отливка
Приготовление стержней внутр. каналов
отверждение
окончательная сборка
огневые испытания
3)Изготовление топлив и в последующем зарядов из них производится согласно генеральной технологии – постепенно.
Жидкий состав перемешивается в так называемых «пьяных бочках». Объем такой бочки V=5
Если заряд небольшой, то достаточно ………….. меньше. В этом случае свойства заряда будут равномерные по объему и составу.
Специально изготавливаются опытные образцы, которые испытываются на свойства и соответствие ТЗ. Мех.использования.
Известно по крайней мере два способа формования зарядов: свободное литье ; технология насыщения.
Свободное литье предусматривает ….., распрессовку и удаление формирующих деталей из камеры.
Технология насыщения
- формируется гранулированное топливо
-его трясут на вибростендах.
-подают пластификатор.
- и далее заливают в объем камеры.
В этом случае получается более однородное структура состава хорошее свойство.
Хранение топлив осуществляется в специальных хранилищах.
Каждый из зарядов ТТ помещается в контейнер. Перенос небольших зарядов осуществляется в контейнере.
Использование топлив РДТТ.
1. топлива используют для формирования твердо-топливных зарядов РДТТ;
2 . топлива исп.для исследований и разработки перспективных составов;
3. применяют в ракетной технике, артиллерии, народном хозяйстве и в различных комбинациях других видов двигателей - гибридные ракетные двигатели.
Лекция 3
Процессы горения в РДТТ. (2 часа)
основные закономерности горения баллиститных топлив;
влияние давления, температуры и скорости газа на горение баллиститных топлив;
определение скорости горения;
особенности горения смесевых и металлизированных топлив РДТТ.