Файл: Аксентьев С.Т. Сопла ракетных двигателей учеб. пособие.pdf

УДл 621Л55;62-225 (075;8)

Учебное пособие "Сопла ракетных двигателей" предназн но для слушателей высших военвьос учебных заведений. В не жены вопросы теории и расчета сопел ракетных двигателей.

тельное взимание уделено процессам, характеристикам и конс тивным особенности сопел,

Пособке написано по данн&м открытой отечественной и рубежной печати.

Гос. публ^мая 1 сибг.иотр.ча •" CP „» ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА j

ПРЕДИСЛОВИЕ

Увеличение дальности полета, скорости и точности навед ния ракет привело в существенному повышению родя сопла как одного из основных эдеиенхов ракетного двигателя.' Назначени сопла состоит в том, чтобы с минимальными потерями преобразо вывать тепловую энергию продуктов сгорания, образующихся в мере двигателя, в кинетическую энергию истечения их в виде зовой струи.

Сопло современного ракетного двигателя долгно удовлет рять целому ряду подчас довольно противоречивых требований:

-иметь максимальную эффективность на всех режимах ра •двигателя;

-обеспечивать требуемую тягу на всех режимах полета;

-предусматривать возможность регулирования величины •

направления вектора тяги в соответствии с программой полета;

-длительное время устойчиво работать при высоких тем ратурах вытекающегодосопла газового потока;

-овть конструктивно простым при малом весе и габари

-иметь высокое качество сопряжения сопла с камерой р ного двигателя и с корпусом летательного аппарата*

Выполнение всех вышеперечисленных требований представ­ ляет довольно сложную конструктивную задачу» Этим и объясняе тот факт, что вот уже несколько десятилетий ведутся самые сивные исследования различных типов и схем ракетных сопел.

При выборе схема оопда для проектируемого ракетного гателя учитывают следующее:

-располагаешь перепал давлений в камере р* и в окру

щей среде |эн и диапазон его изменения в процессе работы двигателя в шлете;

-располагаемый диапазон чисел Мп полета летательного аппарата;

-требование всережимности работы, обеспечиваемое спо­ собен регулирования сопла, а также целый ряд дополнительны специфических факторов, характерных для конкретного типа двигателя.

В настоящем пособии в доступной форме излагаются осно теории, расчета и конструктивного выбора схем попел ракетн двигателей.

При изложении материала автор без выводов и пояснени использовал основные сведения ив курсов физики и аэрогазо-

динамини, исходя из того, что они должны быть известны чи ля, а также новые данные в исследовании различных схем соп ракетных двигателей, опубликованные в последние годы в отк той отечественной и зарубежной печати,

Таблицы и графики,приведенные в книге, отражают общие закономерности и могут быть использованы в курсовом и дипл ном проектировании при расчете элементов сопла.

ГЛАВА I

ТЕЧЕНИЕ ГАЗА В ИДЕАЛЬНОМ СОПЛЕ

В ракетных двигателях разгон газового потока до треб скорости осуществляется в специальных устройствах, называемы соплами. Если раэгон потока ве должен превосходить критич значения местной скорости звука, то внутренний канал сопл полняют сужающиеся (рис.

I

Рис. I . I .

Если скорость газового потока на выходе из сопла д превосходить местную скорость звука, то внутренний канал соп ла должен быть сначала сужающимся, а после достижения кри ческой скорости иметь расширяющуюся форму. Самая узкая час сопла, в которой М - 1 , называется гордом сопла. Сужающерасширявщиеся сопла называются соплами Лаваля по жмени шв ского инженера Лаваля, в 1889 году впервые предложивиего та сопло.

В общем случае охема сопла Лаваля имеет вид( p i c . 1 .

_ 6 -

Тс

Рс

Рис. 1.2.

Так как простыв сужающиеся сопла не позволяю! без боль­ шое похерь получать скорость истечения, значительно превосхо щую местную скорость звука» в современных ракетных двигателях применяются исключительно сверхзвуковые сопла. Их в дальнейш

•будем рассматривать.

§I . I . Параметры истечения газа из идеального

сопла Даваля

Полагав течение газа внутри сопла изоэнтропнйным, оп делен основные параметры., характеризующие истечение из идеального сопла Лаваля.

Полная степень расширения газа в сопле

Важнейшим параметром, характеризующим работу сопла, является полная степень расширена газа # л , представляю­ щая собой отношение давления торможения гага на входе в с

Геометрический характер протекания этой зависимости им вед: (рис. 1оЗ).

Как видно иа рва. 1.3, с ростом числа Мп полета ан

ние Яр увеличивается, и для сопел современных ракетных

телей величина &п при полете в пределах ьтносферы может достигать 50 • 70 и более.

Степень расширения rasa в сопле

Другой важной характеристикой сопла является степень ширения гава в сопле 0 с » которая представляет собой от •евие давления торможения гава на входе в сопло рк к статическому давлению на срезе сопла рс }

- 8 -

(1.2)

Й8 уравнена» ( I . I ) и (1.2) можно сделать вывод, что $n-=S5t» если на срезе сопла устанавливается давление, равное давлен окружающей среда, то есть £>с — рн . Такой режим работы соп ла называет расчетным. Об э-эы более подробно оудет сказано в следующих параграфах*

Используя введенные понятия, определим еще два очень важных .параметра, характеризующие газовый поток в сопле: ско­ рость истечения VVc из сопла и расход газа G c черев со

Скорость истечения газа из сопла

Скорость истечения газа из сопла может быть определе аз уравнения энергии полностью заторможенного потока £ i j :

- 9 -

поэтому (I«Л) мохет быть преобразовано:

Чтобы получить окончательную формулу для определения скорости газового потока, истекающего ив сопла, перепишем нение (1;5) с учетом, что Ср~ A R й ]э7 - <j£

Воспользовавшись теперь уравнением для критического з чения местной скорости звука

получим формулу, удобную для вычисления коэффициента скорос газового потока на выходе из сопла:

или

10 -

Как видно из (1.5) и ( 1 . 8 ) , скорость газового потока

-молекулярным весов газа

п.- j u

-доказателен изоэнтроды

Рассмотрим кратко влияние каждого из этих параметров величину скорости истечения.

I . Характер изменения относительной скорости истечени

ол

Ш 01 . 3D Рис. 1.4.

-п

Как видно И8 приведенного графика (рас.1.4), прк увели чении Яс сначала наблюдается быстрый рост скороств истеч нияв однако при достижении * р£4f>& 2$ дальнейший рост скорости истечения замедляется и, как показывают исследовани при достижении 31с ~ 50 дальнейший рост давления в каме двигателя не приводит к заметному увеличению скорости исте ния газов из сопла.

Такая зависимость скорости истечения от величины давл в камере ракетного двигателя объясняется качеством протекан термохимических процессов сгорания топлива*

Установленная нами зависимость скорости истечения газо гз сопла от степени расширения позволяет сделать очень ва для практики выгод о том, что увеличение давленая в камер двл>аталя рационально только до некоторого определенного пр дела, поэтому, если позволяют условия эффективного сгорания понентов топлива в камере двигателя, желательно выбирать у ренные значения &с в пределах от 25 до 50. Это оправданно и с конструктивной точки зреш"я,так накроет давления в каме требует применения более прочных материалов, увеличения тол ны стенок камеры исопла, что приводит к увеличению веса конструкции.

В данном случав исключение составляют ракетные двигат предназначенные для работы на очень больших высотах и в

космосе.

в

Для таких двигателей 8fc может достигать величины 80 «• 100 к более.