Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
“МАТИ” – Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского
_____________________________________________________________________
Кафедра “Двигатели летательных аппаратов и теплотехника”
Утверждено
учебно-методической
комиссией факультета «АККиТ»
Ярославцев Н.Л.
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Москва 2008г
ББК 39.65-02я73
УДК 621.424.2.018(0.75.8)
Ярославцев Н.Л.
Основы конструирования ракетных двигателей/Ярославцев Н.Л. – М.: «МАТИ» - РГТУ им. К.Э.Циолковского,2008.
Проанализированы классификация, характеристики и схемы ракетных двигателей. Рассмотрены основные этапы проектирования ракетных двигателей, критерии совершенства летательных аппаратов и САПР РД. Приведена методика и алгоритм разработки конструктивного оформления основных систем жидкостного ракетного двигателя.
Для студентов высших учебных заведений, специализирующихся в области проектирования ракетных двигателей.
ISBN-5-230-21212-8
Ярославцев Н.Л.
“МАТИ” – Российский
государственный
технологический
университет
им. К.Э. Циолковского
Введение
Степень совершенства теоретических методов проектирования двигателей в значительной мере определяет точность результатов прогнозирования параметров рабочего процесса, энергомассовых геометрических характеристик и надежности создаваемых двигателей. Отсюда понятна необходимость и актуальность постоянного развития, совершенствования и систематизации научно-методического обеспечения проектных работ в области двигателестроения.
Теория проектирования двигателей – комплексное научное направление, базирующееся на многих разделах общей механики. В этом смысле её развитие определяется уровнем развития прежде всего таких научных направлений, как газодинамика, теплофизика, тепломассообмен, прочность и пр. За последнее десятилетие опубликован ряд книг, в которых решаются частные проблемы внутрикамерных процессов, теории горения, внутренней баллистики, теории надежности и др. В то же время в отечественной и зарубежной литературе существует пробел в освещении и решении принципиальных вопросов развития теории проектирования на современном этапе с использованием ЭВМ (машинное проектирование).
Использование быстродействующих ЭВМ позволило применять более сложные математические модели, построенные по комплексному критерию, и автоматизировать процесс поиска нужных решений, переложив на ЭВМ большую часть работы по формированию и сравнению вариантов.
2
Глава 1. Основы проектирования летательных аппаратов (ла)
Общие сведения о двигательных установках и основные этапы их создания
Двигательная установка (ДУ) – это совокупность устройств, обеспечивающих функционирование двигателя на борту ЛА. Она включает в себя устройства входа и выхода, топливную систему, систему регулирования тяги по величине и направлению, узлы крепления и двигатель.
Двигательная установка создается, как правило, для определённого типа ЛА, имеющего заданное индивидуальное целевое назначение, она существенно влияет на облик всего ЛА, т.е. на его конструктивную и аэродинамическую схему. Поэтому процесс создания (проектирования) ДУ неотделим от общего проектирования ЛА, в котором ДУ рассматриваются как часть единого целого – летательного аппарата.
Схема и облик ДУ определяются типом двигателя. По типу двигателя классифицируют и всю ДУ. Согласно такой классификации различают: ДУ с ракетными двигателями, ДУ с воздушно-реактивными двигателями, ДУ с гидрореактивными двигателями.
Рассмотрим основные свойства указанных типов двигателей и области применения ДУ на их основе.
В ракетных двигателях (РД) рабочим телом являются продукты сгорания топлива, состоящего из горючего и окислителя, которые полностью размещаются на борту ЛА. Благодаря этому РД могут создавать силу тяги в любой среде – воздушной, водной, в космосе, что исключается для других типов двигателей. К РД, создающим тягу за счёт химических реакций горения топлива в камере сгорания, относятся РДТТ, ЖРД и гибридные ракетные двигатели, использующие тягу за счёт нехимических форм энергии: это ядерные, плазменные и ионные двигатели. На автоматических ЛА в основном устанавливаются ДУ с РДТТ и ЖРД.
Двигательные установки с РДТТ наиболее распространены. Это объясняется положительными качествами РДТТ: просто конструкции и высокой надёжностью, что объясняется отсутствием топливных баков, систем подачи и регулирования расхода топлива; способностью создавать большой суммарный импульс тяги за короткое время; возможностью длительного срока хранения в снаряжённом виде и, следовательно, постоянной готовностью к пуску при незначительном времени на его подготовку; удобством в эксплуатации; низкой стоимостью по сравнению с другими типами двигателей. По удельному импульсу тяги – основной энергетической характеристике двигателя – они вплотную подошли к ДУ с ЖРД.
3
Главными составными частями двигательной установки РДТТ являются: двигатель, система управления работой двигателя (часто объединённая с системой управления вектором тяги), система запуска, система выключения (отсечки тяги) двигателя.
К недостаткам ДУ с РДТТ относятся: меньший, чем у других двигателей, удельный импульс тяги, более сложное регулирование тяги по величине и направлению; трудность осуществления многократного запуска; значительное влияние внешних условий, особенно начальной температуры заряда, на нормальную работу двигателя.
Двигательные установки с ЖРД по своему назначению и принципам создания тяги мало отличаются от ДУ с РДТТ. Различия касаются преимущественно конструкции установки и, как следствие, её количественных характеристик. Основными положительными качествами двигательных установок с ЖРД являются следующие:
возможность более высоких по сравнению с РДТТ удельных импульсов тяги за счёт применения химически более активных топлив, что положительно сказывается на массе двигательной установки и ЛА в целом, особенно при продолжительном времени работы двигателя;
более широкий диапазон регулирования двигателя, возможность многократного включения и выключения;
более простая компоновка двигательной установки на ЛА, отсутствие газоводов, более простая конструктивная реализация устройств управления вектором тяги.
Недостатки установок с ЖРД обычно связывают с низкой эксплуатационной технологичностью. Из-за агрессивности жидкого топлива ЛА с ЖРД имеют ограниченное время хранения в заправленном состоянии, вследствие чего снижается техническая готовность ЛА, возникает необходимость иметь громоздкую систему наземного обеспечения. Техническое обслуживание ЛА с ЖРД более трудоёмко и связано с ограничениями, налагаемыми агрессивностью химических топлив.
Основными конструктивными элементами двигательной установки с ЖРД являются: камера двигателя; топливная система, включающая в себя баки с арматурой, систему подачи топлива и топливные магистрали; системы управления, запуска и остановки (отсечки тяги) двигателя.
Области применения ДУ с ракетными двигателями весьма широкие. Наиболее распространённую группу составляют основные (маршевые) установки, практически используемые на всех классах ЛА военного и народнохозяйского назначения. Другую группу составляют вспомогательные РД: ускорители, сообщающие ЛА большую начальную скорость при его разгоне; тормозные, управляющие (верньерные) двигатели; двигатели
4
ориентации, стабилизации и коррекции космических ЛА; различные генераторы газа и др.
Двигательные установки с воздушно-реактивными двигателями (ВРД) в отличие от ДУ с ракетными двигателями на борту ЛА имеют сравнительно небольшой запас (порядка 2…6 %) горючего поскольку в качестве основного компонента рабочего тела – окислителя – используется атмосферный воздух. Использование воздуха позволяет уменьшить массу ЛА, повысить его экономичность и топливную эффективность. Наряду с положительным влиянием на эффективность ЛА атмосфера обуславливает ряд негативных явлений: это аэродинамическое сопротивление и нагрев, с одной стороны, и чрезмерное разрежение воздуха на больших высотах, приводящее к ограничениям по подъемной силе, с другой стороны, т.е. возможной для полётов оказывается сравнительно узкая зона высот и скоростей.
ДУ с ВРД включает в себя: двигатель с агрегатами и системами (маслосистема, противообледенительная, охлаждения, контроля работы двигателя и др.); входные и выходные устройства; топливную систему; средства установки и крепления двигателей.
Особенность двигательных установок с ВРД состоит в том, что двигатель конструктивно обособлен от ЛА. Он выполняется в качестве самостоятельного агрегата, часто используемого на нескольких типах ЛА. Согласование характеристик ЛА и двигателя достигается за счёт входных и выходных устройств, топливной системы и системы управления двигателя. Наиболее чувствительным к специфике ЛА устройством являются воздухозаборники, которые можно рассматривать не только как элементы ДУ, но и как часть конструкции планера ЛА.
ВРД разделяются на газотурбинные (компрессорные) и прямоточные (бескомпрессорные) – ГТД и ПВРД. ГТД широко применяют на самых разнообразных атмосферных ЛА; ПВРД предназначаются в основном для сверхзвуковых и гиперзвуковых полётов (зенитные ракеты, самолёты-мишени, системы запуска спутников и др.).
ВРД отдельных типов конструктивно могут быть объединены друг с другом или с ракетными двигателями в единую ДУ. Такие комбинированные ДУ (например, с ракетно - прямоточным двигателем) совмещают в себе положительные качества объединяемых двигателей, позволяя расширить рабочий диапазон ДУ.
В энергетических установках и подводных объектах, работающих в условиях отсутствия атмосферного воздуха, возможно использовать в качестве окислителя окружающую водную среду. Примером таких установок являются гидрореактивные двигатели, в которых вода, протекающая через двигатель, ускоряется в нём с помощью механических или тепловых устройств.
5
Создание ЛА – это сложный, многогранный процесс, в котором участвуют многие коллективы промышленных предприятий, конструкторских бюро и научных организаций. Центральное место в этом процессе занимает этап проектирования. Так же , как и весь процесс создания ЛА, этап проектирования исключительно многоплановый, мало формализуемый и потому кратко определить его суть и изложить её в виде некого стандартного метода, пожалуй, даже невозможно.
Процесс проектирования – это творческий, неформализуемый процесс, который не описывается конкретным алгоритмом действий. Определённа лишь его целевая сторона – создание проекта ЛА, обеспечивающего выполнение заданных требований.
В создании ЛА следует выделить две стадии. Первая стадия - подготовительная, обычно нерекламируемая; она посвящена созданию задела. Вторая стадия – научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР).
Подготовительная стадия – это период фундаментальных, теоретических исследований в области науки и техники, время, в течении которого изыскиваются и теоретически обосновываются пути решения технической проблемы. На этой стадии генерируются технические идеи, обосновывающие возможность создания нового ЛА. Теоретическое решение проблемы может быть результатом целенаправленных фундаментальных поисков, или вытекать из общей теории в данной узкой области науки. Далее следует период осмысливания результатов теоретических исследований и принятия решений о создании новой техники. В этот период экспериментально проверяется практическая ценность научно-технических решений и открытий, уточняются теоретические предпосылки, анализируется реализуемость новых идей.
Длительность подготовительной стадии в ряде случаев достигает 7-10 и более лет. Затраты рабочего времени и средств здесь сравнительно невелики. Они определяются, с одной стороны, потребностью практики, а с другой – уровнем развития технологий, позволяющих реализовать научное достижение. Практическая ценность результатов некоторых теоретических исследований в ряде случаев бывает ясной с первого дня их получения, но реализация их на практике (даже в экспериментальном виде) не всегда может быть осуществлена из-за недостаточно высокого уровня развития производственных сил. Так, практическая ценность реактивных двигателей была ясна с первых дней их теоретического обоснования. Однако для их внедрения необходимо было иметь новые материалы, более высокий уровень производства и т.д., на решение этих вопросов потребовались значительные затраты времени.
Особенно ответственным является этап принятия решения об опытной разработке нового ЛА. Это решение принимается неизбежно в условиях
6
неполной информации. Но ошибки тем не менее не должно быть, поскольку от правильной оценки технического предложения, его реализуемости и потребных капиталовложений зависят качество новой техники и сроки её создания. Опыт показывает, что на проведение прикладных исследований, осуществление экспериментов, подтверждающих техническое предложение, необходимо затратить труда и средств в 2-3 раза больше, чем на проведение фундаментальных исследований.
Стадия НИОКР объединяет этапы формирования технического задания (ТЗ), предэскизного проектирования, эскизного проектирования, рабочего проектирования, изготовления и испытаний опытного образца. ( рис. 1.)
Рис.1. Основные стадии НИОКР
ЛА являются наиболее сложными объектами техники. В их создании используется опыт проектирования и эксплуатации ЛА всех предшествующих поколений, последние достижения научно-технического прогресса, результаты труда многих научных и производственных коллективов. Это придаёт этапу проектирования исключительную ответственность, особенно, если учесть, что этот этап предопределяет практически все следующие затраты.
Важность решаемых задач и высокая стоимость ЛА требуют всесторонней апробации принимаемых решений, что достигается благодаря системному подходу к разработке проектов. Практическая реализация системного подхода состоит в проработке проекта ЛА как минимум на трёх уровнях (рис. 2): на уровне комплексов ЛА, собственно ЛА и подсистем ЛА.
7
Рис.2. Основные этапы создания ЛА
Проектирование комплексов для ЛА является стадией «внешнего» проектирования. Здесь главное – получение исходных количественных данных для формирования технических требований к вновь создаваемым ЛА. Эти данные получают на основе всестороннего исследования целесообразных сфер и способов применения комплексов, возможностей научно-технической и технологической реализации и , что очень важно, затрат на создание парка ЛА и обеспечивающих наземных средств. Центральное место на начальной стадии занимает определение рационального уровня целевой отдачи ЛА, т.е. его эффективности. Здесь разрабатывают и исследуют:
возможные варианты условий применения ЛА и соответствующие им функционально-структурные облики комплекса;
математические модели эффективности комплекса и его элементов, требования к показателям эффективности по стадиям обработки комплекса и ЛА, предварительную количественную оценку показателей эффективности;
оптимальные по критерию «эффективность - стоимость» варианты облика комплекса.
Все эти работы ведутся одновременно заказчиком совместно с разработчиком (опытным конструкторским бюро - ОКБ). Основным результатом исследований являются в основном согласование обеими сторонами тактико-технические требования (ТТТ) к новому ЛА на отраслевом
8
уровне (в ОКБ). Одновременно продолжается исследование комплекса заказчиком, проведение сравнительного анализа различных способов обеспечения эффективности с учётом реально принимаемых технических решений, уточнение показателей эффективности по результатам макетирования ЛА и экспериментальной отработки элементов комплекса и т.д.
В ОКБ начальная стадия проектных изменений состоит в разработке технических предложений. Здесь прорабатываются возможные принципы реализации поставленной цели, условия применения, изготовления, монтажа и эксплуатации ЛА. При этом широко используется информация о достижениях научно-технического прогресса и обобщенные статистические данные по изделиям-прототипам. Выявляются возможные принципиальные схемы, общие виды, компоновки и лётно-технические характеристики ЛА.
Стадия технических предложений – особо ответственный период. Ошибка в выборе схемы ЛА не может быть исправлена на последующих этапах. Поэтому здесь просматриваются по возможности все практически реальные варианты, число которых может достигать нескольких сот. Изыскания ведутся, как правило, с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР) на базе широкого использования вычислительной техники. Результатом изысканий является несколько рациональных вариантов ЛА. Конструкторские, лётно-технические и эксплуатационные характеристики этих вариантов в качестве аванпроекта представляются на рассмотрение компетентных комиссий для принятия решения о целесообразности дальнейшей разработки проекта.
Целью следующего этапа является эскизное проектирование ЛА. На этом этапе уточняются полученные ранее параметры и характеристики , проводятся широкие теоретические и экспериментальные исследования функционирования ЛА. Разрабатываются имитационные модели ЛА и его систем. На базе вычислительной техники с использованием натурных блоков бортовых систем моделируются условия применения, исследуются характеристики устойчивости и управляемости. Продувается в аэродинамических трубах ряд моделей и на основе этих данных уточняется аэродинамическая схема и аэродинамические характеристики. Выбираются и реализуются в конструкторско-технологической документации основные способы обеспечения эффективности ЛА как за счёт конструктивно-технологических и схемных решений, так и за счёт выбора оптимальных способов организации и эксплуатации и применения комплекса.
Параллельно с решением вопросов общего проектирования ЛА ведётся разработка конструкции планера и двигательной установки, т.е. проектирование собственно конструкции ЛА. Для основных агрегатов ЛА разрабатывается комплект рабочих чертежей. Стадия проектирования конструкций, как показывает практика, наиболее трудоёмкая и продолжительная во времени.
9
Выполняемая на этой стадии работа представляет собой совокупность двух групп задач: аналитического проектирования и конструирования.
Аналитическое проектирование конструкция имеет целью обоснование и выбор технического решения или, что одно и тоже, конструктивной схемы. Техническим решением (конструктивной схемой) называют конструктивное описание функциональной структуры проектируемого объекта, включающее информацию о функциональных элементах (блоки. Узлы, детали), во взаимном расположении и взаимосвязи, особенностях конструктивного исполнения геометрической формы, конструкционных материалах и других существенных признаках, в том числе соотношения значений параметров. Технические решения являются как бы материализацией выбранной технической идеи и, как следует из определения, могут отличаться формой функциональных элементов и материалом, из которых они изготовлены, числом элементов, способом их соединения и другими признаками.
Ещё одной задачей аналитического проектирования является определение оптимальных значений параметров выбранного технического решения. К параметрам обычно относят размеры элементов, расстояние между ними, массу, температуру, частоту колебаний, напряжения, надёжность и ряд других показателей. Выбор оптимальных значений параметров – наиболее разработанный класс задач, что объясняется тем, что эти задачи лучше других формализуются и в настоящее время имеют довольно хорошее математическое обеспечение в виде методов линейного, нелинейного, динамического, стохастического программирования, а также различных методов дискретной оптимизации.
Конструирование включает в себя конструктивно-технологическую проработку технического решения, выпуск технической документации и рабочих чертежей.
Формально завершающим этапом проектирования являются рабочее проектирование и подготовка производства. Он повторяет все стадии эскизного проектирования, но характеризуется более детальной проработкой. Основные изыскания на этом этапе связаны с экспериментальной проверкой практически всех нововведений. Здесь уточняется и выпускается вся техническая документация, необходимая для изготовления ЛА.
Фактически завершающим этапом проектирования является стадия опытного производства и испытаний ЛА. Очень важно выявить и устранить все дефекты именно на этой стадии, чтобы исключить доработку ЛА в период эксплуатации. Главное при этом – подтвердить выполнение установленных в технических требованиях заказчика характеристик эффективности.
10
По данным опытного производства и испытаний вносятся изменения в проект, дорабатываются рабочие чертежи и технология изготовления ЛА. По результатам этого этапа принимается решение о запуске ЛА в серийное производство и передаче его в эксплуатацию.
Перечисленные проектные задачи подтверждают, что создание современных ЛА представляет собой многоплановый непрерывно усложняющийся процесс. С информационной точки зрения этот процесс можно интерпретировать в виде спирали (рис. 3), объединяющий как предметные области, так и этапы проектирования. Приведённая схема показывает тесную информационную взаимосвязь между отдельными этапами проектирования, которая состоит в том, что одни и те же задачи проектирования рассматриваются со всё возрастающей степенью детализации, что неизбежно влечёт за собой повышение сложности и точности расчёта.
Рис. 3. Взаимосвязь этапов проектирования ЛА
11
Широкое использование возможностей автоматизированного проектирования здесь сочетается с творческой деятельностью высококвалифицированных специалистов, их опытом, инициативой, талантом конструкторов. Формализированные математические процедуры и экспертные оценки проверяются и дополняются с помощью экспериментов.