8.1. Дроссельные характеристики жрд

Дроссельными характеристиками (ДХ) ЖРД называются зависимости тяги R и удельного импульса I_у от массового расхода продуктов сгорания М_т при постоянных соотношении компонентов ракетного топлива К_М (Т_к = const, k = const, R = const), давлении окружающей среды (высоты, р_н = const) и фиксированных размерах сопла (F_кр = const, F_c = const).

ДХ ЖРД также называют расходной или регулировочной, так как она отражает возможности регулирования величины тяги.

Дросселирование (снижение тяги) ЖРД осуществляется уменьшением секундного массового расхода топлива М_т, подаваемого в КС. Величина М_т при его неизменной плотности (ρ_т = const) зависит от суммарной площади проходных сечений форсунок ΣF_ф и перепада давлений на форсунках Δр_ф, то есть М_т = f(Δр_ф, ΣF_ф). Обычно при дросселировании уменьшают Δр_ф. Это приводит к снижению давления в КС , следовательно, снижению полной степени расширения в РСпри. Если ДХ строятся на высотах от нулевой до расчетной (), то при дросселировании углубляется режим перерасширения, следовательно, будет уменьшаться величина удельного импульсаI_у. Одновременное уменьшение М_т и I_у обуславливает снижение тяги R = f(М_т, I_у).

Так как

, (8.1)

то есть М_т = f(), а значение легче замерить, то ДХ можно представить в виде: R (); I_у ().

Тягу в вакууме (пустоте) можно определить по формуле

R_п = М_тс_с + р_сF_c (8.2)

Подставив в зависимость 8.2 значение М_т из формулы 5.10

, (8.3)

получим

(8.4)

Так как =const, =const,с_с ==const, = const, то можно записать

R_п = В, (8.5)

где

(8.6)

Таким образом ДХ R_п = Впредставляет собой линейную зависимость (рис. 8.1). Причем при росте величинF_кр и угол наклона прямой увеличится, то есть тяга РД будет сильней зависеть от величины.

П

Рис. 8.1. Зависимость тяги РД

от давления в КС

ри наличии давления окружающей среды (р_н > 0) тяга РД

R = R_п – р_нF_c (8.7)

пройдет параллельно зависимости R_п() не через начало координат (см. рис. 8.1). Причем снижение тяги РД, по сравнению сR_п, тем значительней, чем меньше высота полета (↑р_н). Зависимость R() сохраняет линейность на режимах недорасширения и неглубокого перерасширения. При глубоком перерасширении темп сниженияR при уменьшении замедляется за счет скачка уплотнения в сопле (см. рис. 7.4) и при любых условияхR остается положительной.

Для получения зависимости I_у.п() подставим в уравнение

I_у.п = R /М_т = с_с + р_сF_c/М_т (8.8)

значение М_т из выражения 8.3 и получим

I_у.п = с_с + (8.9)

Так как при заданных в определении ДХ условиях =const, то видно, что с_с = const, следовательно, удельный импульс в вакууме I_п = const и от не зависит (рис. 8.2).

При работе РД в атмосфере (р_н > 0)

I

Рис. 8.2. Зависимость удельного импульса от давления в КС

_у = I_у.п – , (8.10)

зависимость I_у() представляет собой гиперболу (см. рис. 8.2), причем при→ 0,I_у → – ∞, при условии безотрывного течения в сопле. Фактически при глубоком перерасширении из-за образования скачка в сопле (зона 2) I_у сохраняет положительное значение. В сопле с большим значением темп снижения удельного импульса при уменьшениивозрастает.

Т

Рис. 8.3. Дроссельные

характеристики ЖРД

ак как междуиМ_т существует однозначная связь (8.3), близкая к линейной зависимости, ДХ часто изображают в координатах R – М_т; I_у – М_т (рис. 8.3). При работе ЖРД в вакууме р_с.п → ∞ и РС работает при постоянном недорасширении, следовательно, удельный импульс I_у.п = const, а R_п снижается пропорционально уменьшению М_т. Режим М_т.min () обычно обусловлен порогом устойчивой работы КС при малых расходах топлива (глубокое дросселирование), режимМ_т.max () является предельно допустимым режимом, на который рассчитаны прочность и жаростойкость камеры ЖРД. Пунктиром (см. рис. 8.3) показано протекание ДХ при гипотетическом безотрывном течении в РС.

ДХ можно получить расчетным способом и экспериментально при стендовом испытании. Сопоставление результатов расчета и экспериментального определения ДХ показано на рис. 8.4. Удобно представить ДХ в виде зависимостей и, где,,– отношения текущих значений параметров к их значениям на максимальном режиме работы ЖРД:;;. Видно, что при значительном уменьшении расхода топлива результаты эксперимента (сплошные линии) и расчета (пунктирные линии) все больше расходятся. Объясняется это тем, что при значительном уменьшении Δр_ф ухудшаются процессы распыления и перемешивания топлива, и, следовательно, растут потери полного давления в КС.

С

Рис. 8.4. Сравнение расчетных и экспериментальных ДХ

ледует отметить, что экспериментальные и расчетные значения тягиR в зависимости от совпадают во всем диапазоне режимов работы ЖРД. Причина в том, что ухудшение качества процессов в КС при малых расходах топлива одинаково сказываются наиR.

ДХ камер с кольцевыми соплами и соплами Лаваля на режимах недорасширения идентичны. На режимах глубокого перерасширения ДХ камер с кольцевыми соплами более благоприятны в связи с возможностью саморегулирования.