РД1 Лекции жрд 2017
.pdf8. Конструкция РДТТ
1.Преимущества и недостатки РДТТ, область применения.
РДТТ самые древние из реактивных двигателей. Они были известны уже в 10 веке (почти 1000 лет назад). Сейчас это самые распространенные реактивные двигатели.
РДТТ по сравнению с ЖРД имеют некоторые преимущества:
1)Простота конструкции и эксплуатации.
2)Высокая надежность действия.
3)Постоянная готовность к пуску (боеготовность).
4)Более низкая стоимость разработки и изготовления.
Простота объясняется отсутствием в РДТТ системы подачи топлива и громоздкого заправочного оборудования. Стоимость обслуживания ракет «Минитмен» в 10 раз меньше, чем ракет «Атлас», «Титан» с ЖРД.
Высокая надежность является следствием первого преимущества, объясняется меньшим числом деталей, особенно подвижных.
Высокая боеготовность связано с тем, что двигатель постоянно находится в заправленном состоянии и готов к использованию.
Более низкая стоимость разработки объясняется меньшими затратами на доводку (меньшим числом пусков), т.к. конструкция двигателя проще (отработку горения твердого топлива можно провести в лабораторных условиях). Однако при разработке принципиально новых РДТТ это преимущество не проявляется.
РДТТ также имеют недостатки по сравнению с ЖРД:
1)Относительно низкий Iу (до 2700 Нс/кг). В ЖРД до 3900 Нс/кг на земле.)
2)Малое время работы (τд=90…150с)
3)Зависимость характеристик двигателя от условий окружающей среды (температуры, влажности).
4)Сложность управления величиной тяги двигателя, выключения и повторного включения двигателя.
Области применения РДТТ:
Восновном в ракетах военного назначения. Диапазон применения очень широк: от противотанковых ракет, до баллистических снарядов.
Применяются и при исследовании космоса: ускорители «Шаттл», вспомогательные двигатели космических аппаратов: тормозные, посадочные, двигатели аварийного спасения и т.п.
2 .Особенности горения ТРТ и некоторые параметры РДТТ.
Первая особенность связана с тем, что твердое ракетное топливо (ТРТ) имеет коэффициент избытка окислителя менее 1 (α<1). Вследствие этого продукты сгорания топлива представляют собой восстановительную среду, в которой металлические детали не окисляются, а органические материалы не горят. При высокой температуре без кислорода с ними происходит пиролиз – разложение и обугливание. Этот процесс относительно медленный. Поэтому в РДТТ в качестве конструкционных материалов широко применяются пластики,
91
могут использоваться элементы из дерева (старинные ракеты имели корпуса из картона).
Вторая особенность связана с тем, что твердое топливо горит параллельными слоями. Те поверхности заряда, по которым горение не предусмотрено, покрываются специальным покрытием, которое называется бронировкой (рис.1). Это покрытие состоит из полимерного материала, который выгорает вместе с зарядом, но не позволяет гореть по предусмотренным поверхностям.
Рис.1: 1- бронировка, 2 – заряд.
Рис.2. Законы изменения тяги по времени.
Рис.3. Шашка, дающая регрессивный закон горения
92
Рис.4. Заряд торцевого горения и цилиндрический заряд, горящий одновременно по наружной и внутренней поверхности.
В приведенном на рис.1 заряде горение происходит только по внутреннему каналу. При этом скорость горения V = 2...15 мм/с. Легко
подсчитать расход ТРТ и газа через сопло m& = V F ρT
где F – текущее значение поверхности горения. В данном случае:
F = 2πr l
Общее время горения заряда определяется как:
τ = Vd
где d – толщина свода заряда.
Как видно, с течением времени r увеличивается, соответственно расчету F и m& , а, следовательно, и тяга двигателя. Такой закон горения называется прогрессивным. Выбором геометрии заряда и бронировкой его поверхностей можно получить различные законы изменения тяги по времени (рис.2).
На рис.3 показана шашка, дающая регрессивный закон горения (рис.2.б). Часто надо получить постоянную по времени тягу. Такую тягу может обеспечить заряд торцевого горения или цилиндрический заряд, горящий
одновременно по наружной и внутренней поверхности (рис.4).
Основные параметры РДТТ те же, что и для ЖРД. Дополнительно используются:
Коэффициент массового совершенства двигателя – отношение массы
конструкции к массе топлива:
dk = mk mT
Величина αk характеризует конструктивное совершенство двигателя и для современных двигателей αk = 0,05...0,15.
Коэффициент заполнения камеры, представляющий отношение объема топливного заряда к объему камеры сгорания:
ε = VT
Vкс
93
Для торцевого горения может быть ε = 1, но такой заряд редко применяется, т.к. мала площадь горения F. Обычно ε = 0,6...0,8
3.Конструктивные схемы РДТТ.
Конструктивная схема РДТТ определяется способом крепления заряда в камере и делением ее на конструктивно-технологические сборочные единицы.
Различают камеры с вкладным и скрепленным зарядом.
В камере с вкладным зарядом (рис.5) заряд в виде одной или нескольких шашек вкладывается в камеру при сборке РДТТ. Для крепления заряда часто используются решетки, поддерживающие заряд за торцы, которые бронируются.
Преимуществом такой схемы является возможность применения ТРТ с невысокими (легко достигаемыми) механическими свойствами. Во время работы двигателя заряд со всех сторон нагружен давлением газа (нагружение «гидростатическим давлением»). Такое нагружение все сплошные тела переносят хорошо. Разницу в термических расширениях заряда и корпуса просто компенсировать установкой упругих элементов на решетках.
Основным недостатком этой схемы является то, что горячие продукты сгорания (Tk = 2500 − 3000K ) омывают стенку, которая быстро прогревается и теряет прочность. Поэтому требуется теплоизоляция стенки камеры, затруднительно применять стенку из композиционных материалов.
Этот недостаток ведет к увеличению коэффициента массового совершенства до α = 0,15..0,2 и позволяет получить только ε = 0,5...0,7 .
Рис.5. Схема двигателя с вкладным зарядом: 1 – корпус; 2 - теплоизоляция; 3 – заряд; 4 – передняя решетка; 5 – сопловая
решетка.
В камере со скрепленным зарядом (рис.6) заряд плотно прилегает к стенке. Это достигается заливкой заряда в корпус или же установкой его в корпус и заливкой зазора между зарядом и корпусом специальным клеящим составом. В обоих случаях отслаивание заряда от корпуса в эксплуатации недопустимо.
Преимуществом скрепленного заряда является то, что заряд защищает стенку от горячих газов. Поэтому теплоизоляция может быть тоньше или вообще не нужна (широко используются корпуса из композиционных материалов (стеклопластика)). При этом достигается α = 0,05..0,1, ε = 0,7...0,8.Так
94
выполнены двигатели баллистических ракет «Минитмен», «Полярис», «Трайдент» и др.
Рис.6. Схема двигателя со скрепленным зарядом: 1 – корпус; 2 – заряд
Недостатком является необходимость иметь топливо с высокими стабильными механическими свойствами. При нагружении внутренним давлением поверхность канала внутри заряда растягивается, вследствие разности термических расширений корпуса и заряда в последнем возникают термические напряжения.
В то же время появление трещин на поверхности заряда недопустимо, т.к. ведет к появлению непредусмотренных поверхностей горения и к взрыву.
Камера РДТТ делится на корпус и сопловой блок. Последний в большинстве случаев крепится с помощью разъемного соединения к корпусу. Посадочные поверхности этого соединения должны быть точно закоординированы, так чтобы вектор тяги соплового блока проходил через центр масс летательного аппарата.
4. Конструкция корпуса.
Корпус составляет основную часть массы конструкции двигателя (70%). Расчетная схема: сосуд, нагруженный внутренним давлением и температурой. Применяют высокопрочные материалы – стали (закаленные или состаренные), титаны. Однако современные двигатели имеют часто корпуса из композиционных материалов: стеклопластиков, в связи с малой плотностью (2г/см3) – удельная прочность материала выше, чем у металлов.
Вообще РДТТ – это двигатели, где наиболее широко применяются неметаллы – различные пластики.
Сопловой блок.
Сопловой блок состоит из одного или нескольких сопел. Сопловой блок является самым напряженным в тепловом отношении узлом РДТТ. Внутренняя поверхность сопла подвержена эрозии.
Основная проблема, которую приходится решать при создании соплового блока – его теплозащита. Именно возможности теплозащиты сопла ограничивают время работы двигателя.
95
Сопловой блок состоит из несущей конструкции и теплозащиты. Несущая конструкция воспринимает все нагрузки и передает их равнодействующую на корпус камеры.
В связи с наличием теплозащиты доля соплового блока в общей массе конструкции РДТТ составляет 30-50%. Поэтому стремятся всячески снизить массу соплового блока.
Неподвижные и поворотные сопла. Неподвижные сопла.
Простые сопла применяются при времени работы 3-5с.
При времени работы 10-15с необходима местная теплозащита критического сечения, иначе вследствие эрозии площадь критического сечения существенно увеличится. Считается допустимым разгар этой области не более 5%. Местная теплозащита – в виде вкладышей из тугоплавкого материала.
Условия работы – высокотемпературный поток газов, несущих твердые частицы. Из механических нагрузок – термические напряжения, которые вызывают растрескивание и разрушения. Тепловой удар – особый случай термических напряжений для вкладышей из материала с низкой теплопроводностью.
Материалы вкладышей: различные формы графиты и жаропрочные металлы (вольфрам, молибден).
Рис.7. Конструкция простого сопла.
Графит работоспособен до температуры сублимации 3770К. Однако при высокой температуре сильно подвержен эрозии. Требуется очень высококачественный графит.
Для вольфрама допустимая температура 3480К, а температура плавления 3640К. Более, чем графит, стоек к тепловому удару и эрозии.
В случае времени работы более 15с требуется не только местная, но и общая теплозащита сопла. Обеспечивается она с помощью обляционных покрытий. Дело в том, что изменение размеров входной и выходной части сопла допускается в больших пределах, чем критического сечения.
96
а)
б)
Рис.8. Конструкция составных сопел: а) местная теплозащита, б) общая теплозащита; 1 – вкладыш; 2 – теплоизоляция.
Обляционные покрытия выполняются из асбестовых кварцевых тканей, пропитанных фенольными смолами. При высокой температуре и отсутствии кислорода фенольные смолы коксуются – образуют достаточно прочный, пористый кокс. Этот кокс упрочнен тканями. Из более глубоких слоев покрытия через поры кокса поступаю газообразные продукты разложения смолы. Они образуют слой газа с низкой температурой вдоль поверхности сопла.
При достаточной толщине покрытия удается обеспечить время работы до 90-150с.
Качающиеся и поворотные сопла.
Служат для управления направлением вектора тяги. Требования - малое трение в шарнире и герметичность подвижного соединения.
97
Список использованных источников
1)Конструкция и проектирование двигателей летательных аппаратов. Учебное пособие / Д.Ф. Пичугин; Куйбышев. Авиационный институт, Куйбышев, 1990г, 224с
2)Теория ракетных двигателей. Учебник для студентов вузов / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин; Под редакцией В.П. Глушко. – М.: Машиностроение, 1989г. – 464с (Есть еще 1969г под редакцией В.Е. Асмасова – 547с)
3)Конструкция и проектирование ЖРД. Учебник для вузов / Г.Г. Гахун, В.И. Баулин, В.А. Володин и др. Под общей редакцией проф. Г.Г. Гахуна – М.: Машиностроение, 1989, - 424с
4)Основы теории и расчета ЖРД. Учебник для вузов. Издательство 2С переработано и дополнено/ А.П. Васильев, В.М. Кудрявцев, В.А. Кузнецов и др.
Под редакцией В.М. Кудрявцева. М.: “ Высшая школа” 1975г, 656с
Дополнительная литература
5)Силовые установки и двигатели летательных аппаратов; Учебное пособие / Е.А. Панин, Д.Ф. Пичугин; КуАИ, Куйбышев, 1988г, 88с
6)Двигатели и силовые установки летательных аппаратов; Учебное пособие / В.А. Борисов, Д.Ф. Пичугин, В.П. Ржевский; КуАИ, Куйбышев, 1987г, 87с
7)Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива; Учебное пособие / Борисов В.А.; - Куйбышев, КуАИ, 1982, 72с
8)Авиационные двигатели; Учебное пособие / Паравай Ф.В., Пичугин Д.Ф.; СГАУ, Самара, - 1995г, 84с.
98