Файл: Шишков А.А. Газодинамика пороховых ракетных двигателей. Инженерные методы расчета.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.07.2024
Просмотров: 179
Скачиваний: 0
А А ШИШКОВ
ГАЗОДИНАМИКА
ПОРОХОВЫХ
РАКЕТНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ
У
#
Щ " '
*
у •
*
К |
è |
* |
|
||
it |
|
|
' |
... |
..M' ' |
Т.Ч-. |
*fe |
Ч'..- |
|
|
|
|
|
к „ ’’ *. |
|
|
'!&•' .. |
V
V'
I
А. А. ШИШКОВ
ГАЗОДИНАМИКА ПОРОХОВЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА
Издание второе, переработанное и дополненное
Москва «МАШИНОСТРОЕНИЕ»
19 7 4
for. p*.’o ti‘”!ная
нау^н'
? 0иб.
Ш65 УДК 629.7.036.54.001
г - -
Шишков А. А. Газодинамика пороховых ракетных двигателей. М„ «Машиностроение», 1974, 156 с.
В книге даны соотношения для расчета основных газодинамиче ских характеристик пороховых ракетных двигателей: распределения скоростей газа по длине и поперечным сечениям камеры; неоднород ностей полного и статического давления; коэффициента расхода соп ла; тяги двигателя; эксцентриситета реактивной силы; боковой уп равляющей силы газодинамических органов управления вектором тяги; давления запуска и габаритов выхлопного диффузора; измене ний давления при неустановившемся истечении из двигателя; пере пада давления в застойной зоне; площади проходного сечения соеди нительного газопровода.
Приведенные соотношения получены на основе методов приклад ной газовой динамики и охватывают всю практическую область из менения конструктивных параметров и режимов работы ракетных двигателей па твердом топливе. Отдельно рассмотрены методы экс периментальной газодинамики РДТТ.
Книга предназначена для исследователей и конструкторов, рабо тающих в области ракетной техники, и может быть полезна студен там и аспирантам соответствующих специальностей.
Табл. 38, ил. 57, список лит. 97 назв.
Рецензент докт. техн. наук, проф. М. Е. Серебряков
Научный редактор инж. М. А. Колосов
© Издательство «Машиностроение», 1974.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Интенсивное развитие ракетных двигателей на твердом топ ливе и новые исследования газодинамических процессов и раз личных типов газовых течений в РДТТ вызывают необходимость значительного дополнения и переработки материалов, изложен ных в первом издании настоящей книги.
Во втором издании, как и в предыдущем, инженерные мето ды газодинамического расчета РДТТ излагаются с единой топ ки зрения, исходя из принципов прикладной газовой динамики. Это позволяет систематизировать сведения об одно-, двух- и трех мерных, отрывных и двухфазных течениях в РДТТ, получить ряд новых результатов и существенно упростить решения многих задач. Именно этим решениям в книге уделяется основное вни мание.
Первая глава, имеющая вводный характер, дополнена рас смотрением кусочно однородной модели струйных течений в ка налах (§ 1.8), изложением основных результатов двухмерной теории газовых течений в канале заряда твердого топлива (*§ 1.9 вместо гл. V первого издания) и кратким обзором экспе риментальных методов газодинамики РДТТ (§ 1. 10). Эти методы при всей своей практической значимости недостаточно освещены: в литературе.
Доработаны все параграфы гл. II; к основным дополнениям относятся: оценка влияния сжимаемости на потери в местах со противления (§ 2. 1), уточнение картины течения в предсопловом объеме (■§, 2. 2), расчет течения в широко распространенных дви гателях с зарядами всестороннего горения при частичном пере крытии диафрагмой площади свободного проходного сечения
(§2.4).'
Сопловые аппараты РДТТ характеризуются не только рас ходом и полным импульсом газового потока в выходном сеченищ но и эксцентриситетом реактивной силы и уровнем боковых уп равляющих сил. Систематизация сведений об асимметричных возмущениях газового потока в соплах (§ 3. 8—8. 11) составляет существенное дополнение гл. Ill, получившей новое название «Характеристики сопел и органов управления вектором тяги».
3734
Четвертая глава дополнена задачами о релаксации газового объема при постепенном воспламенении поверхности заряда (§ 4. 1), о волновых движениях газа в канале заряда (§ 4.3) и
вгазоходе (§ 4.7).
Вприменяемой терминологии использованы рекомендации
ГОСТ 17655—72 «Двигатели ракетные жидкостные»; в качестве ■системы единиц физических величин принята Международная -система единиц — (СИ).
Автор приносит глубокую благодарность рецензенту, д-ру техн. наук, проф. М. Е. Серебрякову за ценные рекомендации, способствовавшие улучшению книги.
Г л а в а I
УРАВНЕНИЯ ГАЗОДИНАМИКИ РДТТ
1. 1. ВВЕДЕНИЕ
Среди реактивных двигателей ракетные двигатели, работа ющие на твердом топливе (РДТТ), выделяются простотой кон струкции: РДТТ состоит из корпуса, заряда твердого топлива и соплового блока (рис. 1). Необходимыми элементами двига
тельной установки (ДУ) |
управляемой ракеты на твердом топли |
||||||
ве являются также органы управле |
|
|
|
|
|||
ния вектором тяги и устройство вы |
|
|
|
|
|||
ключения тяги. |
В ряде |
случаев |
|
|
|
|
|
(связка сообщающихся двигателей, |
|
|
|
|
|||
удлинительная |
труба) |
элементом |
|
|
|
|
|
ДУ является газопровод. |
|
|
|
|
|
|
|
В РДТТ имеют место: |
|
|
|
|
|
|
|
— течение газа с притоком мас |
|
|
|
|
|||
сы от поверхности канала заряда |
|
|
|
|
|||
твердого топлива; |
|
потока |
Рис. |
1. |
Ракетный |
двигатель |
|
— местная деформация |
|||||||
в предсопловом объеме; |
|
|
на твердом топливе (вари |
||||
|
|
ант |
с |
зарядом, |
прочно |
— сверхзвуковое |
течение в |
соп |
скрепленным с корпусом): |
|
лах; |
|
|
1—воспламенитель; 2—сопла от |
|
— отрыв струи от стенок сопла |
сечки тяги; 3—корпус; |
4—сопло |
||
впрыска жидкости; |
5—сопло; |
|||
при нерасчетных |
режимах |
ра |
6—заряд |
|
боты;
— неустановившееся движение газа при воспламенении за ряда и отсечке тяги.
Поток газов в камере РДТТ образуется в результате горения заряда твердого топлива. Скорость горения топлива в направ лении нормали к горящей поверхности зависит от давления га за р, температуры заряда Т3 и скорости потока газа ѵ, омываю щего поверхность горения:
tl = U{p, Гд, ѵ). |
(1) |
По результатам испытаний пороховых образцов зависимость скорости горения от перечисленных факторов (1) можно упро стить и аппроксимировать аналитической формулой. Широкое
5
распространение получила степенная зависимость скорости го
рения твердого топлива * |
(табл.1) |
|
|
|
||||||
|
|
|
ч = |
и г {Т я) р ' ^ { ѵ , Р)- |
|
|
(2) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Топливо |
|
|
|
Параметр |
|
|
|
|
НМ-2 |
JPN |
Смесевое |
||
|
|
|
|
|
|
|
с 10% А1 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[9] |
Зависимость |
скорости |
горения и— |
0,7/7°’6 |
0.89/70’69* |
|
|||||
= г/ірѵ в мм/с [р в ІО5 Па] |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Приведенная |
сила |
топлива |
/ 0 |
|
840 |
|
980 |
1260 |
||
в кДж/кг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Удельный импульс |
11 |
в |
м/с |
при |
2200 |
2380 |
2540** |
|||
/7—10 МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Температура |
горения |
7'0 |
в К |
при |
2250 |
3125 |
3290 |
|||
/7=10 МПа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Газовая постоянная R |
в ДжДкг |
К) |
373 |
|
316 |
382 |
||||
Отношение теплоемкостей k |
|
|
1,25 |
1,22 |
1,25 |
|||||
Критическая скорость звука в про |
980 |
1040 |
1190 |
|||||||
дуктах сгорания акр в м/с |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Коэффициент истечения Д в с/м |
|
0,71-Ю -з |
0,66-10-3 |
|
||||||
Нижняя граница полного |
сгорания |
|
СО |
1 |
1,4 |
|||||
|
4^ |
р* в МПа
*При температуре топлива 15° С.
**С учетом потерь из-за конденсации А Ь03 при температуре Tt).
Зависимость скорости горения от скорости потока называют р а з д у в а н и е м или э р о з и о н н ы м г о р е н и е м , а функцию Фі(ѵ, р) — к о э ф ф и ц и е н т о м р а з д у в а н и я или э р о з и о н н о г о г о р е н и я пороха.
Функцию фі(о, р) в ряде случаев можно рассматривать как функцию только скорости потока:
Фі (■ »)= {
или
I
1 |
при V •< ѵ а |
I |
|
1 |
- \ - K w ( v — V„) при ‘U>T»n, ! |
(3) |
|
|
при Х < Х П |
1 |
|
1 |
1 |
|
|
1+ЛГх(Х — Х„) при Х > Х П, |
] |
|
где ѵп — пороговая скорость потока; \ = ѵ/акр; Хп = — .
а кр
* Зависимость скорости горения (2), очевидно, не охватывает процесса нестационарного горения порохов [75].
6
Зависимость скорости горения (2) является эмпирической и при различных значениях эмпирических постоянных ѵ, ѵп, k-tV справедлива для различных гомогенных (баллиститных) и смесевых топлив. На скорость горения твердого топлива оказывают также влияние особенности технологии изготовления заряда, де формация топлива и поле ускорения вблизи горящей поверхно сти [65, 79].
В большинстве задач газодинамики РДТТ с достаточной сте пенью точности можно предполагать, что продукты сгорания ' твердого топлива подчиняются уравнению состояния идеального газа [62, 69]:
|
pV=RT или pW=af, |
(4) |
||
а их внутренняя энергия пропорциональна температуре |
(газ в |
|||
этом случае называется политропическим): |
|
|||
|
Е — СѵТѵ, |
|
(5) |
|
где |
V — удельный объем газа; |
и температура |
горения |
|
сѵ и Тѵ — удельная теплоемкость |
||||
|
топлива при постоянном объеме; |
|
||
W — свободный объем камеры; |
|
|||
со — масса заряда; |
|
|
|
|
f=RTy |
— «сила» топлива. |
|
|
|
Для политропических газов справедливы следующие соотно |
||||
шения: |
|
|
|
|
|
/?= A(s)q*; |
|
(6) |
|
|
а- --- др;д§ = |
kA (s) q*-1 = kRT; |
(7) |
|
|
s _ S i = c |
ln-^----- |
Pi |
(8) |
|
|
T\ |
|
где s —/энтропия;
б— плотность продуктов сгорания;
а— скорость звука;
k = Cp/cv — отношение теплоемкостей продуктов сгорания твердых топлив.
Продукты сгорания металлизированных топлив в большинст ве случаев содержат значительное количество частиц конденси рованных компонентов, например, окислов алюминия. Особенно сти неравновесных двухфазных течений в РДТТ изучаются спе циальными методами [26, 33] (см. также гл. III).
1.2. УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ГАЗА
Течение газов в основных элементах РДТТ является преиму щественно одномерным (или сводится к нему), т. е. все газоди намические параметры зависят от одной единственной геометри ческой координаты и от времени. Предположение об одномер-
7