- •11. Перспективы применения экологически чистых компонентов (метана и водорода) в энергетических и транспортных системах..79
- •Основная литература
- •Галеев а. Г. Экологическая безопасность при испытаниях и отработке ракетных двигателей. Учебное пособие. М.: Изд-во маи, 2006, 92 с.
- •5. Эксплуатация испытательных стендов ракетно-космических систем / Галеев а.Г., Золотов а.А., Перминов а.Н., Родченко в.В. Монография. Изд-во маи. – 2007. Введение
- •1. Особенности и области применения ракетных двигателей
- •1.1. Принципы устройства тепловых двигателей
- •Ракетные
- •Химическая энергия.
- •Ядерная энергия.
- •Электрическая энергия.
- •1.2. Общие особенности жрд
- •1.3. Области применения ракетных двигателей
- •2. Основные параметры жрд
- •3. Требования к двигательным установкам
- •4. Топлива тепловых двигателей
- •4.1. Факторы, определяющие требования к топливам
- •4.2. Общие требования к топливам как термодинамической системе
- •4.3. Топлива на основе воздуха в качестве окислителя (бензины, дизельное топливо, сжиженные газы, спирты)
- •4.4. Жидкие ракетные топлива
- •5. Оптимизация двигательной установки в составе ла
- •6. Основные узлы и агрегаты жрд
- •7. Регулирование процессов и режимы работы жрд
- •7.1.Основные задачи автоматики жрд и ее состав
- •7.2. Системы управления конечными параметрами траектории движения ла (тяга и соотношение компонентов)
- •7.3. Система управления вектором тяги
- •7.4. Система наддува баков
- •8. Запуск и останов жрд
- •8.1. Основные требования к запуску и останову. Этапы запуска и останова
- •8.2. Системы раскрутки турбонасосного агрегата
- •8.3. Система зажигания и воспламенения топлива
- •9. Схемы жрд с насосной подачей топлива
- •9.1. Основные особенности схем
- •9.2. Двигатели с насосной схемой подачи без дожигания генераторного газа
- •9.3. Двигатели с насосной схемой подачи с дожиганием генераторного газа
- •9.4. Удельные характеристики двигателей различных схем
- •10. Экология испытаний и эксплуатации ла
- •11. Перспективы применения экологически чистых компонентов (метана и водорода) в энергетических и транспортных системах
- •Приложение
- •1. Охрана безопасности жизнедеятельности
- •1.1. Особенности организации защиты населения при авариях на химически опасных объектах
- •1.2. Оказание первой помощи
5. Оптимизация двигательной установки в составе ла
Универсальным параметром для оптимизации ДУ является характеристическая скорость, рассмотренная ранее. В первую очередь выбирают топливо и тип системы подачи.
Тяга ДУ является заданным параметром, но тягу камеры можно выбирать разной в зависимости от числа камер в ДУ. Тяга камеры и давления Рк и Ра в наибольшей степени определяют размеры и массу двигателя.
Выбор давления в камере сгорания зависит от типа подачи, но независимо от этого при увеличении в ней давления Рк возрастают скорости химических реакций, и это без снижения удельного импульса тяги позволяет уменьшить относительную длину камеры сгорания. При увеличении Рк возрастает расходонапряженность камеры сгорания (отношение массового расхода продуктов сгорания к площади поперечного проходного сечения камеры сгорания Fк смесительной головки), что может привести к уменьшению площади Fк.
Тип топлива при заданных значениях тяги, давлений Рк и Ра и при заданной системе подачи влияет на характеристическую скорость значениями удельного импульса тяги и плотности топлива, причем в разной степени, поэтому возникает необходимость в комбинированном оценочном параметре. Таким параметром является выражение , где с - показатель, определяющий влияние плотности топлива на характеристическую скорость (c = 0,7). Максимуму характеристической скорости соответствует максимальное значение выражения ( )max. На первой ступени ракеты желательно применение компонентов топлива с повышенной плотностью. Для последующих ступеней влияние плотности уменьшается, а влияние удельного импульса тяги возрастает. Поэтому для верхних ступеней оптимальным является применение топлива О2+Н2, несмотря на чрезвычайно малую плотность жидкого водорода (r = 71 кг/м3). Кислородно-водородное топливо применено, в частности, на второй и третьей ступенях РН "Сатурн-5" (двигатель J-2), на второй ступени МТКК "Спейс-шаттл" (двигатель SSME), на блоке «Ц» РН "Энергия" (двигатель РД-0120), а также на основной ступени РН "Ариан-5" (двигатель “Вулкан”).
Однако, применение указанных компонентов топлива в ДУ КА, предназначенных для длительных полетов, затрудняется из-за их быстрой испаряемости (требуется эффективная теплоизоляции баков); поэтому в указанных ДУ используют хорошо освоенные, но токсичные и достаточно дорогие компоненты топлива, например N2O4+ ММГ.
На основе выбранных значений тяги и давления в камере сгорания проводят оптимизацию давления в выходном сечении сопла Ра. По мере снижения давления Ра при неизменном давлении Рк возрастает как удельный импульс камеры, так и ее масса (вследствие увеличения значения ). Однако, начиная с некоторого значения при уменьшении Ра (следовательно, при увеличении ) масса сопла возрастает в большей степени, чем увеличивается удельный импульс тяги, так что характеристическая скорость ЛА уменьшается.
Влияние изменения удельного импульса и массы двигателя на характеристическую скорость удобно оценивать массовым эквивалентом удельного импульса. Если обозначить отношение начальной и конечной масс ЛА через μк, то уравнение массового эквивалента удельного импульса, которое выводится из уравнения Циолковского, имеет вид
(5.1)
Например, для ЖРД SSМЕ повышение удельного импульса тяги на 1 м/с эквивалентно увеличению массы полезного груза, выводимого на орбиту, на 45,4кг.