2.1. Ракетный двигатель как тепловая машина летательного аппарата

Источник энергии РД - химическая энергия, преобразующаяся в тепловую энергию вследствие превращения (окисления) веществ топлива. Рабочим телом РД являются газообразные продукты сгорания топлива. Характерным для всех РД на химическом топливе является совмещение источника энергии и рабочего тела - при сгорании топлива энергия передается продуктам сгорания (рабочему телу), в чем состоит принципиальное отличие от ЯРД, например.

Ракетные топлива по своей сути используют экзотермическую реакцию горения - взаимодействие окислительных и горючих химических элементов их веществ происходит с выделением теплоты.

РД работает следующим образом: в камере сгорания (корпусе двигателя) при сгорании топлива генерируется рабочее тело с определенным значением энтальпии продуктов сгорания при некотором давлении. При течении рабочего тела по соплу происходит преобразование тепловой энергии в кинетическую энергию рабочего тела, возникает тяга двигателя, являющаяся причиной механического движения ЛА.

Тогда по своей сути РД есть тепловая машина. При наступлении стационарного значения давления после выхода двигателя на режим внутреннюю полость двигателя, содержащую рабочее тело, можно рассматривать как равновесную термодинамическую систему идеального газа, адиабатическую по отношению к окружающей среде и не испытывающую воздействие полей силы тяжести, а также электромагнитных полей. Напомним некоторые положения технической термодинамики:

- идеальный газ - модельное представление реального газа, в котором пренебрегают размерами частиц и их взаимодействием на расстоянии, а учитывают только их упругие столкновения при сохранении энергии движения частиц и их суммарного импульса;

- термодинамические параметры рассматриваемой системы - свойства системы, однозначно определяющие ее состояние:

• механические: давление и удельный объем,

• термические: температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия. Рабочее тело РД как идеальный газ описывается уравнением состояния

- газовая постоянная.

В РД происходит непрерывное преобразование энергии топлива в кинетическую энергию истекающей струи (генерация рабочего тела - истечение), этот процесс по аналогии со всеми тепловыми машинами можно рассматривать циклическим - непрерывное превращение тепловой энергии в работу. В качестве примера рассмотрим идеальный термодинамический цикл ЖРД (рис. 2.1). Объем жидкого топлива пренебрежимо мал по сравнению с объемом продуктов сгорания, так как жидкость практически несжимаема в интервале давлений p₁-p₂. Поэтому объемом подаваемого топлива и работой сжатия пренебрегают. Тогда изохорный процесс 1-2 сжатия и подачи топлива совпадает с осью ординат. В камере сгорания топливо сгорает при постоянном давлении (2-3) и рабочее тело получает теплоту q₁. Газообразные продукты сгорания при движении по соплу расширяются, в соответствии с показателем процесса расширения γ (3-4), до давления р₄, принимаемому равным давлению окружающей двигатель среды. При этом давлении и происходит отдача теплоты q₂ в окружающую среду.

Термический коэффициент полезного действия РД как тепловой машины

Следовательно, необходимо организовать процессы генерации и истечения рабочего тела таким образом, чтобы температура на срезе сопла имела наименьшее значение, а в камере сгорания двигателя - наибольшее. Но с позиций УБР, для разгона которой и создаются РД, роль термического к.п.д. не столь очевидна, как в обычных тепловых двигателях. Для ЛА главным является достижение заданного значения конечной скорости - очень важно знать массовые затраты на конструкцию для достижения высоких энергетических показателей, т.е. цену за разгон рабочего тела. На величину тяги ДУ влияет соотношение давлений потока на срезе сопла и окружающей среды и пр.

Рис.2.1. Термодинамический цикл ЖРД