РД1 Лекции жрд 2017

2.6Двигатели ориентации создают усилия и моменты для изменения или стабилизации положения КЛА на пассивном участке траектории;

2.7Двигатели стыковки обеспечивают сближение и причаливание одного КЛА к другому.

По величине тяги РД и РДУ условно делят на двигатели: 1 – малой тяги от 0,1 до 1600 Н; 2 – средней тяги от 1,6 до 103 кН; 3 – большой тяги от 1 до 10 МН.

По числу включений: одно и многократного включения.

По кратности использования: одно и многоразовые.

По числу режимов в полете: одно и многорежимное.

На современном уровне развития техники в РДУ может использоваться в ядерную, электрическую, тепловую и химическую энергии.

Двигатели, использующие не химические виды энергии составляют класс нехимических РДУ.

Большинство применяемых РДУ используют химическую энергию

2.1 Химические ракетные двигатели и двигательные установки.

В химических двигательных установках источником первичной энергии является химическое топливо. Они могут быть классифицированы следующим образом (см. рисунок 2.1).

Химическое топливо (Х.Т.) – это вещества, которые при вступлении в химическую реакцию выделяют тепло и образуют, в основном, газообразные продукты реакции с высокой температурой.

По агрегатному состоянию топлива, химические ракетные двигатели разделяют на ЖРД, РДТТ, ГРД. ГРДгибридные ракетные двигатели, где окислитель присутствует в жидком состоянии, а горючее в твердом.

1. ЖРД и ЖРДУ

Наиболее развитый и обширный класс ХРД. Данный класс имеет следующие преимущества:

11

1)Жидкие топлива имеют наибольший удельный импульс и минимальный расход рабочего тела.

2)Легко управляются по величине тяги и направлению.

3)Легко организовать многократность запусков.

Имеют следующие недостатки:

1)Конструктивная сложность.

2)Меньшая надежность по сравнению с другими типами. ?

Рисунок 2.1. Классификация химических РДУ

2 РДТТ

Топливо находится в твердом состоянии.

Данный класс имеет следующие преимущества:

1)Простота конструкции (отсутствие двигающихся частей конструкции).

2)Высокая степень надежности.?

3)Высокая готовность к применению.

4)Высокая плотность топлива 1700-1800 кг/м3.

12

5) Меньшие затраты средств и времени на разработку. ?

Перечислим следующие недостатки:

1)Уступает ЖРД по экономичности. (низкий удельный импульс тяги)

2)Сложность регулирования тяги.

3)Сильная зависимость скорости горения от температуры топлива.

4)Трудность повторного включения.

5)Большая стоимость топлива.

6)Меньшее время работы по сравнению с ЖРД.

3. Гибридный ракетный двигатель (ГРД)

Жидкий окислитель подается в камеру сгорания, где размещено горючее. Данный класс имеет следующие преимущества:

1)По сравнению с РДТТ имеет больший удельный импульс тяги.

2)Возможность многократного запуска и изменения тяги.

3)Охлаждений сопла жидким компонентом.

Перечислим следующие недостатки:

1)Плотность топлива меньше, чем у РДТТ.

2)Конструкция сложнее, чем у РДТТ.

В настоящее время не находят широкого применения.

Область применения ХРДУ

1)РД используется в качестве силовых установок в ракетах военного назначения. Чаще всего РДТТ (в СССР в стратегических ракетах использовались ЖРД и РДТТ).

2)В качестве ДУ ракетоносителей. Чаще всего применяют ЖРД, а РДТТ

как ускорители больших тяг (Шатл, Ариан 5, Титан 2D, Титан 3D и т. д.).

3)Оснащение КЛА как вспомогательными РДУ.

4)Как ДУ ракет народно – хозяйственного назначения (В СССР

использовались для уничтожения града).

___________________________________________________________________

Лекция 2

2.2.Ракетные топлива

Всовременных ХРД для получения энергии используют химические реакции окисления и разложения молекул топлива. Применяют ракетные топлива, имеющие различные физические состояния и различное число компонентов.

13

2) Высокая плотность топлива, что в свою очередь уменьшает габариты и массу конструкции.

3)Химическая и физическая стабильность топлива.

4)Простота получения, хранения и эксплуатации.

5)Малая стоимость.

6)Экологичность топлива.

2.2.2Компоненты топлива

Под компонентом ракетного топлива понимают жидкое, газообразное или

порошкообразное вещество, находящееся в отдельном баке и подаваемое по отдельной магистрали.

Компонентом может быть и твердое вещество, размещенное в камере двигателя.

По составу компонент топлива представляет собой одно химическое вещество или смесь этих веществ.

Однокомпонентные топлива.

Обладают способностью при определенных условиях ( в присутствии катализатора или при других условиях) разлагаться на газообразные вещества с выделением тепла в результате химической реакции разложения или окисления.

15

Применение такого топлива в ЖРД упрощает конструкцию, но имеет невысокие энергетические характеристики. Поэтому его обычно применяют для вспомогательных целей (для турбин и т.д.). К ним относится перекись водорода H2O2 и гидрозин N2H4.

Перекись водорода разлагается в присутствии катализатора (перманганата калия KMnO4 или никеля) с выделением тепла с температурой до 1250 [K ] ( в зависимости от концентрации H2O2).

Удельный импульс тяги Jу=1500 [Нс/кг].

Гидразин разлагается при нагреве до 750 [K ] и образует смесь газов NH3

и NH2 с температурой до 1500 [K ] и Jу=1900 [Нс/кг].

Жидкие двухкомпонентные топлива

Классификацию можно представить в виде схемы представленной ниже. Они состоят из горючего - компонент ракетного топлива, который

окисляется в процессе горения.

В общем случае горючее может содержать окислительные элементы, но в недостаточном количестве (например этиловый спирт С2Н5OН).

Окислитель - компонент, который окисляет горючее в процессе горения

Рисунок 2.3. Классификация двухкомпонентных топлив

16

(например азотная кислота HNO3).

По интервалу температуры, в котором сохраняются жидкие топлива

они разделяются на:

Высококипящие (tкип› 25°C ) – имеют температуру кипения больше, чем максимальную температуру эксплуатации (их можно долго хранить в герметичном баке без потерь).

Низкокипящие топлива (tкип‹25°C )- имеют температуру кипения меньше, чем максимальную температуру эксплуатации (при хранении в баке нужно устанавливать предохранительный клапан для стравливания пара при избыточном давлении).

Криогенные топлива (tкип‹120 К) - имеют температуру кипения меньше, чем температуру эксплуатации (баки желательно теплоизолировать).

По способу воспламенения

двухкомпонентные топлива могут быть самовоспламеняющиеся и

несамовоспламеняющиеся.

Самовоспламеняющиеся те, которые воспламеняются при контакте в камере сгорания, в жидком состоянии с малой задержкой.

Для воспламенения несамовоспламеняющихся топлив необходима система зажигания.

Приведем в таблице основные компоненты жидкостных ракетных топлив

Таблица компонентов горючего

17

ПДКпредельно допустимая концентрация для человека.

Основные характеристики компонентов жидкого топлива

Окислители

1) Жидкий кислород O2 (ж); tкип = -183 °C ; ρ = 1140 кг/м3. Низкокипящий криогенный компонент топлива.

Не агрессивен к конструкционным материалам. Используются конструкционные, пластичные нержавеющие стали и алюминиевые сплавы. Необходима высокая степень обезжиривания контактирующих с ним поверхностей (с масломвзрывоопасен). В газообразном кислороде почти все металлы горят.

Его переохлаждают до -193°C (очень энергоемкий процесс) для повышения плотности и энергетических свойств.

Достоинства: большие окислительные свойства; не агрессивен к конструкционным материалам; экологически чистый компонент.

Недостатки: низкая температура кипения; сложно храниться.

2) Азотная кислота HNO3 - высококипящий компонент топлива.

Достоинства: можно длительное время хранить в баках концентрированную 98% кислоту; высокая плотность.

Недостатки: теплопроизводительность ниже, чем у жидкого кислорода; высокая коррозионная активность (кроме золота и свинца), однако можно подобрать ингибиторы; хранят в баках из алюминиевых сплавов и нержавеющей стали.

3) Азотный тетроксид N2O4 или 4-х окись азота - низкокипящая жидкость. Однако подобраны стабилизаторы, обеспечивающие хранение в баках ракеты при температуре t › 60°C .

Свойства:

18

1. Более эффективный, чем HNO3 (выделяется больше тепла при реакции с горючем).

2.Менее агрессивен к металлам, чем HNO3 .

3.Как и HNO3 токсичен для человека.

4.Не экологичен.

4)Перекись водорода H2O2

Свойсва:

1. Высококипящий компонент топлива 23O Ñ P tXÐÀÍ P 35O C .

2. Имеет узкий диапазон хранения при высокой концентрации (60…90%). Вне диапазона устойчивости разлагается с выделением тепла:

2H2O2=2H2O+O2+↑Q

3.Взаимодействует со многими металлами. Ni- катализатор разложения, хранится в алюминиевых баках.

4.Токсичен.

5)Жидкий фтор F2ж. Свойства:

1.Самый активный окислитель с большим выделением тепла и высоким Jу.

2.Очень активен с металлами.

3.Очень токсичен (продукты тоже).

Внастоящие время не применяется.

Горючие компоненты.

1) Жидкий водород Н2 Ж- криогенный компонент топлива. Свойства:

1. Обеспечивает самый высокий удельный импульс с любыми окислителями.

Чаще всего используют с окислителем O2 ж.

2H2+O2=2H2O+↑↑Q

2.Не токсичен.

3.Экологичен.

Недостатки:

19

1.Низкая tкип – требует теплоизоляции баков.

2.Низкая плотность ρP 100 кг/м3.

3.Смесь паров H2+O2- взрывоопасная.

4.Высокие требования к герметичности.

5.Нарушает кристаллическую решетку металлов (наводораживание).

6.Большие потери при транспортировке.

Найдены соответствующие покрытия для металлов.

2) Углеводородные горючие компоненты Cn Hm - керосины

Высококипящий компонент. Получают при перегонке нефти при t = 200…300°C . Имеют достаточно высокую плотность по сравнению с бензином.

Ракетные керосины должны содержать минимум серы, т.к. сера оседает на стенках металлов (вызывает их коррозию и низкую теплопередачу).

Малотоксичен и экологичен. Но синтетические керосины (синтин)

дороже и токсичнее.

3) Азотоводородные горючие.

CH3 — N2 H2 — CH3 - С2-N2H8. -гептил. - несимметричный демитилгидрозин.

N2 H4 - гидразин.

1.Гидразин - высококипящий компонент JГЕПТИЛ ≥JКЕРОСИН.

2.Токсичен (опасно хранить на открытом воздухе).

2.2.3Жидкие двухкомпонентные ракетные топлива

На основе окислителя и горючего получают двухкомпонентные жидкие топлива.

Соотношения компонентов

Доля окислителя и горючего в топливе определяются величиной массового соотношения компонентов

m& Km = m&о

г

20