В РД используются ядерная, электрическая, тепловая и химическая энергии.
В настоящее время в РД наиболее широко используется химическая энергия топлива, которая преобразуется в камере сгорания в тепловую энергию продуктов сгорания. В сопле тепловая энергия переходит в кинетическую энергию вытекающих продуктов сгорания, в результате чего образуется реактивная сила (тяга).
В химических РД исходное топливо является одновременно источником химической энергии и источником рабочего тела (масса, отбрасываемая двигателем в процессе его работы). Химические РД в зависимости от агрегатного состояния топлива до использования в двигателе делятся на жидкостные ракетные двигатели ЖРД; ракетные двигатели, работающие на твердом топливе, комбинированные ракетные двигатели, использующие топливо смешанного агрегатного состояния (твердые и жидкие компоненты).
Тяга и удельная тяга являются важными параметрами РД. Как известно, при работе сопла на нерасчетном режиме тяга определяется по формуле:
, (24.2)
где m – секундный расход рабочего тела; pa – давление газов на срезе сопла; po – давление окружающей среды; с – скорость рабочего тела на срезе сопла; f – площадь среза сопла.
При работе двигателя в космических условиях (давление окружающей среды составляет 10-2 – 10-3 Па) можно считать, что po»0, тогда выражение (24.2) запишется в виде: , (24.3)
Если давление газа на срезе сопла равно давлению окружающей среды pa – po = 0 (расчетный режим работы сопла), формула (24.3) имеет вид:
, (24.4)
В зависимости от соотношения давлений pa и po член f(pa – po) может принимать как положительное, так и отрицательное значения. Численно его величина составляет 7 – 12% величины mc, т.е. выражение mc в формуле тяги является основным и единственным членом, за счет которого создается тяга двигателя. Однако расчетный режим для РД не характерен, т.к. в отличие от самолетов ракета не проектируется для полета на определенной расчетной высоте. Поэтому понятие о расчетном режиме работы сопла и о расчетной тяге Rрасч. в теории РД используется условно и только для анализа работы двигателя.
Удельная тяга – это тяга, отнесенная к секундному расходу рабочего тела:
, (24.5)
Удельная тяга является одним из основных параметров РД, поскольку этот параметр характеризует его экономичность (степень совершенства рабочего процесса и энергетику применяемого топливу). Для современных ЖРД Pуд.=2500 – 4000 .
Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) – двигатели, работающие на жидком горючем и окислителе. Принципиальная схема ЖРД показана на рис. 24.4
Такой двигатель состоит их баков, системы подачи компонентов топлива, камеры сгорания с соплом, системы запуска, регулирования и отключения. Подача топлива в камеру сгорания может осуществляться при помощи вытеснительной системы питания или с помощью насосов. Система запуска, регулирования и отключения двигателя, состоит из ряда агрегатов (кранов, регуляторов,
редукторов, клапанов и т.д.), которые срабаты-
Рис.24.4 вают в заданной последовательности. Если открыт клапан 5, то сжатый газ из баллона 6 через газовый редуктор 4 поступает в топливные баки 3 и 7. Давление в баках поддерживается постоянным при помощи газового редуктора. Жидкие компоненты топлива из баков через отсекающие клапаны 2 и 8 поступают в камеру сгорания 1.
На рис. 24.5 приведена принципиальная схема камеры сгорания ЖРД, работающего на двухкомпонентном топливе.
Основной частью двигателя является камера сгорания 6 с соплом 7. Камера сгорания имеет смесительную головку 4, на которой устанавливается форсунки 3 и 5. Стенки камеры сгорания двойные для создания
зазора между внутренней стенкой
Рис.24.5 2 и наружной силовой рубашкой 1. Компонент топлива протекает по зазору между стенками и охлаждает камеру сгорания. Жидкое горючее и окислитель впрыскиваются под давлением в камеру сгорания через форсунки 3 и 5, распыливаются на мелкие капли, перемешиваются, испаряются и воспламеняются. Воспламенение топлива осуществляется химическими, пиротехническими и электрическими средствами. Часто компоненты топлива являются самовоспламеняющимися. При установившемся режиме работы двигателя новая смесь воспламеняется при соприкосновении с горячими продуктами сгорания. В камере сгорания топливо сгорает при постоянном давлении. Продукты сгорания истекают из камеры сгорания через сопло.
Скорость истечения на выходе из сопла 8 современных ЖРД составляет 2200 – 4500 м/с. При изучении идеального цикла такого двигателя принимаются следующие предположения: объем жидкого топлива пренебрежимо мал по сравнению с объемом продуктов сгорания; работа сжатия жидких компонентов топлива отсутствует; циклы считаются обратимыми – процесс горения отождествляется с подводом к рабочему телу эквивалентного количества теплоты q1 при p = const, а процесс выброса газов в окружающую среду – с отводом от него эквивалентного количества теплоты q2 также при p = const; рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью. Так как жидкие компоненты топлива в интервале давлений от p1 до p2 практически несжимаемы, то их сжатие можно считать изохорным. Причем изохора 1-2 будет практически совпадать с осью ординат (рис. 24.6).
1-2 – процесс сжатия и нагнетания жидких компонентов топлива в камеру сгорания; жидкие горючее и окислитель подаются в камеру сгорания под давлением p2; 2-3 – изобарный подвод теплоты в камере сгорания; 3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания в сопловом аппарате; 4-6 – изохорный процесс отвода теплоты; 6-1 – изобарный отвод теплоты.
При работе РД на так называемом расчетном режиме
Рис. 24.6 давление газа на срезе равно давлению окружающей среды (p1 = p4 = p0). Однако такой режим работы двигателя не характерен, обычно они работают на нерасчетном режиме. При этом параметрами рабочего цикла являются: d = р4/р3 – степень расширения
продуктов сгорания в сопле; e = р0/р3 – степень возможного расширения продуктов сгорания в сопле. Предполагается также, что для компонентов топлива v1 = v2 T2 = T1.
Термический К.П.Д. цикла определяется по формуле: , (24.6)
При работе сопла в нерасчетном режиме теплота q2 от рабочего тела в идеальном цикле ЖРД отводится в двух процессах по изохоре 4-6 и по изобаре 6-1 (рис. 24.6).
, (24.7)
Так как T6 >> T1, то: , (24.8)
Теплота q1 , подводимая к рабочему телу в процессе 2-3, определяется по формуле: , (24.9)
Температура T3 >> T2, поэтому: , (24.10)
Выразим в уравнении (24.8) температуры Т4, Т6 через температуру Т3.
Тогда:; , (24.11)
С учетом уравнений (24.8), (24.10) и полученных соотношений (24.11) уравнение (24.6) примет вид: , (24.12)
Из выражения (24.12) видно, что ht ЖРД зависит от трех параметров: степени расширения продуктов сгорания в сопле d, степени их возможного расширения e и показателя адиабаты продуктов сгорания k. При работе сопла в расчетном режиме давление на срезе сопла р4 равно давлению окружающей среды р0, т.е. р4 = ро, и степень возможного расширения e равна степени расширения в сопле, т.е. d = e, и выражение (24.12) имеет вид: , (24.13)
ЖРД имеют ряд достоинств: малая удельная масса (масса двигательной установки на 1кг тяги); независимость тяги от скорости полета; возможность полета в безвоздушном пространстве. Основные недостатки: низкая экономичность; ограниченное время работы.
Термический К.П.Д. идеального цикла ЖРД может быть подсчитан следующим образом (на рис. 24.6). Подводимая в изобарном процессе 2-3 теплота q1 определяется как: , (24.14)
Следует подчеркнуть, что в данном случае мы по-прежнему считаем газообразные продукты сгорания идеальным газом с постоянной теплоёмкостью; однако количество теплоты q1 не может быть подсчитано по уравнению (24.9): q1 = cp(T3 – T2), поскольку компоненты горючей смеси поступают в камеру при температуре Т2 в жидком виде, затем испаряется и вступает в химическую реакцию. Таким образом, на изобаре 2-3 имеет место фазовый переход рабочего тела, и поэтому для подсчета q1 мы должны воспользоваться вместо уравнения (24.9) более общим уравнением (24.14), учитывающим любые превращения вещества на данной изобаре.
Величина q2 может быть представлена в виде: , (24.15)
Откуда: , (24.16)
или,чтотожесамое: , (24.17)
Разность энтальпий h2 – h1 эквивалентна работе, затрачиваемой насосами на повышение давления жидких компонентов горючей смеси (топливо и окислитель) в изохорном процессе 1-2.
Поскольку удельные объемы жидкого горючего и окислителя весьма малы, работа, затрачиваемая на их сжатие, пренебрежимо мала по сравнению с количеством теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. Поэтому величиной h2 – h1 в уравнении (24.17) можно пренебречь. С учетом этого получаем из (24.17) для ht цикла ЖРД: , (24.18)
Поскольку разность энтальпий h3– h5 превращается в кинетическую энергию продуктов сгорания в процессе их истечения из сопла, в соответствии с уравнением [h1 – h2 = /2], пренебрегая скоростью продуктов сгорания на входе в сопло, можно записать: h3 – h5 = c2/2 , (24.19)
где с – скорость истечения продуктов сгорания из сопла ЖРД.
С учетом этого соотношения уравнение (24.18) для ht ЖРД может быть записано следующим образом: , (24.20)