А.А ШИШКОВ
С.Д. ПАНИН
Б.В. РУМЯНЦЕВ
Рабочие процессы
В ракетных двигателях
Твердого топлива
Справочник
Москва
Машиностроение 1989
ББК 39.65-01я2
Ш65
УДК [621.453/.457.001.57:519.673] (035)
Рецензент д-р техн. наук А.П. Тишин
Шишков А.А. и др.
Ш65 Рабочие процессы в ракетных двигателях твердого топлива: Справочник. – М.: Машиностроение, 1988. – 240 с.: ил.
ISBN 5-217-00410-X
Содержит систематизированное изложение физических и математических моделей рабочих процессов в ракетных двигателях и газогенераторах на твердом топливе.
Для инженеров и конструкторов, занимающихся расчетом, проектированием и испытанием ракетной техники.
Ш
ББК
39.65-01я2
ISBN
5-217-00410-X
Издательство
«Машиностроение», 1989
ПРЕДИСЛОВИЕ
На основе достижений технической химии, механики управляемого полета, теории и конструкции ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ) созданы твердотопливные ракеты различного назначения. В РДТТ используются конструктивные и технологические решения, практически не имеющие аналогов в других областях техники.
Воспламенение и горение заряда твердого топлива, течение продуктов сгорания, их взаимодействие с материалами газового тракта – основные рабочие процессы в РДТТ. Для расчета значений показателей этих процессов используются различные математические модели, аналитические и численные методы (метод малых возмущений, методы решения систем нелинейных алгебраических уровней, метод характеристик, разностные методы, разнообразные схемы расчета многообразных течений и др.). Для расчета конструктивных элементов РДТТ применяются алгоритмы и реализующие их программы, ориентированные, в том числе, на различные этапы технологии автоматизированного проектирования.
При изучении рабочих процессов в РДТТ используются физические модели: установка с каналами, имеющими проницаемые стенки; дифференциальная установка для сравнительных испытаний сопловых блоков; установки с многокомпонентными газогенераторами (ГГ) для испытаний покрытий, топлив и сопловых блоков и др. Кроме того, при разработке РДТТ проводятся агрегатные испытания основных узлов двигателей (воспламенительного устройства, сопловых блоков и узла отсечки тяги). Такие экспериментальные установки можно рассматривать как аналоговые вычислительные машины для решения уравнений Навье-Стокса в конкретных условиях. Необходимым этапом создания РДТТ являются огневые стендовые испытания, в том числе испытания с имитацией высотных условий. Применение всего комплекса теоретических и экспериментальных методов определения и уточнения рабочих характеристик РДТТ необходимо для создания двигателей с высокой надежностью.
В справочнике систематизировано изложены методы и результаты исследования рабочих процессов РДТТ с единой точки зрения – исходя из принципов теории ракетных двигателей.
В качестве введения к моделированию рабочих процессов приводятся сведения об областях применения твердотопливных ракет топлив (ТРТ), основных конструктивных узлах РДТТ и применяемых материалах.
Далее рассмотрен один из главных рабочих процессов – горение заряда твердого топлива: зависимости горения твердого топлива от различных факторов, состав продуктов сгорания твердого топлива, изменение давления в РДТТ (в том числе при неустойчивой работе, при вращении вокруг оси, аномальных исходах испытаний, а также при работе стартового заряда в камере дожигания ракетно-прямоточного двигателя и при регулировании горения заряда в двигателе).
Методы расчеты и физического моделирования установившихся одно-, двух- и трехмерных дозвуковых течений газа и переходных процессов при выходе на рабочий режим и отсечки тяги РДТТ представлены с учетом местных сопротивлений и эрозионного горения топлива, а также разбросов характеристик. Особенности транс- и сверхзвуковых течений продуктов сгорания ТРТ в соплах и устройствах создания управляющих усилий рассмотрены при расчете газодинамических характеристик сопловых блоков (потерь тяги, коэффициента расхода, эксцентриситета реактивной силы, боковой управляющей силы, изменения тяги при отрыве потока от стенок).
Взаимодействие продуктов сгорания со стенками на различных участках газового тракта включает конвективный и радиационный теплообмен с учетом специфических особенностей материалов, применяемых в РДТТ, разрушение поверхностного слоя материалов в кинетическом и диффузионном режимах, а также высокоскоростную эрозию при выпадении конденсированной фазы. Для оценки работоспособности стенок газового тракта при этом взаимодействии необходимы приведенные в справочнике характеристики материалов (теплопроводность, теплоемкость, показатели пиролиза, кинетические константы, степень черноты, шероховатость). Проверка и уточнение проектных результатов осуществляется огневыми стендовыми испытаниями РДТТ в условиях, приближенных к натурным.
Приведенные в справочнике математические и физические модели являются типичными для ракетных двигателей твердого топлива и ориентированны на применении на различных этапах проектирования РДТТ. Авторы глубоко благодарны рецензенту д-ру техн. наук А.П. Тишину за ценные рекомендации, способствовавшие улучшению рукописи.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
a – скорость звука; коэффициент температуропроводности
a
- коксовое
число материала
-
коэффициент
теплообмена; коэффициент линейного
расширения
h – постоянная планка
H – энтальпия
B – параметр вдува газа в пограничный слой
b=
- темп нагрева
- волновое
число; расходный комплекс
v – скорость потока
W – свободный объем двигателя
D – коэффициент диффузии; диаметр
- толщина
- потери
дельного импульса
z – доля частиц в двухфазной смеси массовая
I – импульс тяги
k – постоянная в длине пути смешения; показатель адиабаты
k
- спектральный
коэффициент поглощения
- степень
термодеструкции
Q – тепловой эффект фазового перехода вещества
- коэффициент
теплопроводности; длина волны; приведенная
скорость
- коэффициент
расхода; коэффициент динамической
вязкости
- фактор
ассиметрии рассеяния
- показатель
степени в законе горения твердого
топлива; частота; коэффициент Пуассона;
коэффициент кинематической вязкости
П – периметр
Р – тяга
р – давление
р
–плотность
- постоянная
Стефана-Больцмана
- предел
прочности на изгиб
- предел
прочности
- коэффициент
рассеяния
- транспортный
коэффициент ослабления
- угол
ориентации слоев наполнителя материала
тепловому потоку; угол контура сопла
T – температура
t – время
u, v – проекции скорости на оси x (или z) и y (или R)
- массовая
доля компонента в композиционном
материале
c
- коэффициент
трения
с
-коэффициент
теплоемкости при постоянном давлении
с
-скорость
света в вакууме
L – дальность полета
M – молярная масса; момент
M – число Маха
–расход газа
m – массовая скорость уноса материалов; масса
n=c/c
- показатель
преломления среды
- интегральная
степень черноты
R – газовая постоянная; радиус
S – площадь поверхности
- коэффициент
тепловых потерь; доля механического
уноса
F – площадь поперечного сечения канала
ИНДЕКСЫ
в – воспламенитель
вн – внутренний
в.р – выход на режим
вх – вход
г.р – газовый руль
д – дно
дв – двигатель
з – заряд
зад – задержка
к – конструкция
кан – канал
м – миделево сечение
н – неравномерность
нач – начальное
нар – наружный
ном – номинальное
отс – отсечка
п – пустотный; пороговый
п.н – полезная нагрузка
поз – позиционный
пр – предельный, прочие
п.т – передний торец
р – рассеяние
сж – сжатие
сл – случайный
сп – спад
ср – среднее
т – топливо; тяга; турбулентный
тор – торец
тр – трение
у – удельный
ус – усиление
ун – унос материалов
ут – утопленность
ш – шарнирный
э – экран
* - критический
- ядро потока
ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
БРСД – баллистическая ракета средней дальности
ВУ – воспламенительное устройства
ГГ – газогенератор
ДРП – дымный ружейный порох
ДУ – двигательная установка
ДУГЧ – двигательная установка головной части
КЗДП – крупнозернистый дымный порох
КМ – композиционный материал
ОТР – оперативно-тактическая ракета
ППП – пакет прикладных программ
РДТТ – ракетный двигатель твердого топлива
РН – ракета-носитель
РПД – ракетно-прямоточный двигатель
РСЗО – ракетная система залпового огня
САПР – система автоматизированного проектирования
ТРТ – твердое ракетное топливо
УР – управляемые ракеты
УУКМ – углерод-углеродный композиционный материал