Материал: Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

факторов, главными из которых являются:

1.Вид применяемого топлива; физико-химические свойства его

ивысокая температура сгорания в большей или меньшей мере агрессивно действуют на конструкционные материалы двигателя, определяя их срок службы (в совокупности с другими факторами). Особенно агрессивны к большинству конструкционных материа­ лов такие окислители, как азотная кислота, фтор и их производные. Фтор и его производные к тому же сгорают при сравнительно высо­ ких температурах.

2.Способ распыла компонентов топлива; качество смесеобразо­

вания в камере сгорания влияет на характер теплообмена, терми­

ческие и вибрационные нагрузки двигателя, а следовательно, на

ресурс его работы.

3.Давление в камере сгорания; при увеличении давления повы­ шается температура продуктов сгорания данного топлива, что спо­ собствует химической и механической агрессивности этих продук­ тов к конструкционным материалам двигателя (ускоряется вымы­

вание потоком газов материала внутренней оболочки камеры).

охлаждения камеры сгорания и сопла, что при определенных усло­ виях может вызвать пульсационное сгорание топлива, перегрев и прогар внутренней оболочки камеры. Поэтому изменять режим ра­ боты двигателя практически следует в строго определенных преде­ лах, установленных заводом-изготовителем.

5.Конструкция камеры двигателя; в хорошо отработанной кон­ струкции статические, термические и вибрационные нагрузки могут быть сведены до минимума, что увеличит ресурс работы двигателя.

6.Качество изготовления двигателя; в случае производственных дефектов (недоброкачественного изготовления или монтажа его отдельных элементов) возможны чрезмерный перегрев внутренней оболочки камеры, отказ в работе автоматики и другие последствия,

которые могут уменьшить установленный ресурс работы двигателя

идаже вызвать его взрыв.

Реальность осуществления двигателя с повышенной удельной тягой и значительным ресурсом работы во многом зависит от того, насколько удачна будет система охлаждения камеры.

Ресурс работы охлаждаемых ЖРД невелик и обычно измеряется минутами, десятками минут и самое большее часами.

По условиям одноразового применения снарядов требования к ресурсу работы двигателя оказываются весьма ограниченными.

При этом ресурс двигателя должен быть равен потребному времени работы его на активном участке траектории полета снаряда. Хотя это весьма облегчает достижение потребного ресурса, однако не нужно забывать, что теплоемкость горячих частей двигателя и ин­ тенсивность тепловых потоков в нем таковы, что тепловой режим

Глава 13

ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ДОВОДОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЖРД

Проектирование и расчет являются весьма важным этапом в соз­ дании новой конструкции ЖРД. Основные проблемы, которые не­ обходимо решать при этом, состоят в преодолении физических пре­

пятствий, задерживающих развитие ЖРД (работа двигателя при высоких температурах, борьба с неустойчивостью его работы, за­ щита огневой оболочки камеры от перегрева, освоение новых топ­ лив, использование атомной энергии).

В настоящей главе приведены краткие сведения об этапах про­

ектирования ЖРД в целом и основных видах его доводочных стен­ довых испытаний, а также об испытательных станциях и применяе­ мых при испытаниях приборах и измерительной аппаратуре.

§ 1. Этапы проектирования ЖРД

Проектирование и расчет ЖРД обычно производят на основе конкретных технических условий (ТУ), в которых определены наз­ начение и программа работы двигателя, его номинальная, макси­ мальная и минимальная тяги, вид применяемого топлива, требо­ вания к экономичности, удельному весу, стойкости при длительном хранении и др.

Весьма важным при проектировании ЖРД является выбор ком­ понентов топлива, основных рабочих параметров, типа и принци­

пиальной схемы двигателя, конструкционных материалов и компо­ новка элементов двигателя.

Тип и конструкция двигателя, его характеристики и вид исполь­ зуемого в нем топлива в основном обусловливают конструкцию, га­

баритные размеры, вес и летные характеристики летательного ап­ парата. Поэтому весьма важно спроектировать для аппарата задан­ ного назначения такой двигатель, который был бы надежным, эко­ номичным в работе и при прочих равных условиях обеспечивал ап­ парату наилучшие характеристики.

Спроектировать двигатель заданного назначения — это значит:

1) целесообразно выбрать для разработки и обосновать конст­ руктивную схему двигателя и необходимые для него конструкцион­ ные материалы;

2)установить для будущего двигателя оптимальные рабочие и конструктивные параметры;

3)правильно произвести необходимые расчеты геометрических

иэксплуатационных характеристик;

4)установить конструктивные схемы отдельных элементов дви­ гателя, рассчитать их на прочность, произвести необходимую ком­ поновку и решить ряд других вопросов, связанных с его конструк­

тивным оформлением.

Единого метода выбора типа двигателя не существует. В каж­

дом отдельном случае могут быть те или иные главные факторы,

определяющие преимущества того или иного варианта двигателя.

Задача конструктора заключается в том, чтобы правильно оценить все эти факторы, проанализировать влияние их на тот или иной ва­ риант двигателя и на основе этого анализа выбрать такую схему, которая имела бы преимущества по основным данным перед дру­ гими вариантами.

Рациональный выбор конструктивной схемы двигателя и его ав­ томатики необходимо производить на основе имеющихся теоре­ тических и экспериментальных материалов и данных статистики, с учетом того, какие схемы и элементы конструкции двигателя и при каких рабочих параметрах могут обеспечить высокую удельную

тягу, надежность его работы и чаилучшие весовые и летные харак­ теристики аппарата. Для аппаратов различного назначения необ­ ходимо применять вполне определенные в каждом конкретном слу­ чае наиболее рациональные схемы двигателей и типы приборов для них, так как с изменением назначения аппарата изменяются и тре­ бования к двигателю.

При выборе схемы двигателя одним из основных критериев яв­ ляется технологичность конструкции, так как лучшей будет та, ко­ торую можно строить массово при наименьших производственных

затратах.

Конструкция двигателя должна иметь наименьшее число дета­ лей. Там, где это возможно, необходимо использовать полностью доведенные и проверенные в эксплуатации детали.

Дублирование систем и деталей для повышения надежности ра­

боты двигателя должно выполняться с учетом тех недостатков, ко­

торые оно вносит (например увеличение веса и габаритов).

Выбор материалов зависит от требований, предъявляемых к ним, от типа конструкции двигателя, назначения отдельных агрегатов, их деталей и условий работы. Номенклатуру материалов желатель­

но свести к минимуму, особенно для деталей, изготовленных из де­

фицитного сырья. Необходимо стремиться к использованию более дешевых, недефицитных материалов, позволяющих применить бо­ лее дешевые массовые методы обработки.

630 Гл. 13. Этапы проектирования и доводочных испытаний ЖРД

Вес и прочность элементов конструкции тесно связаны между собой, и поэтому при сравнении материалов по характеристикам нужно учитывать одновременно оба эти фактора. Для облегчения

такого сравнения введено понятие о коэффициенте удельной проч­ ности материала, под которым подразумевается отношение проч­ ностной характеристики материала к его удельному весу. В зависи­ мости от характера нагрузки и деформации детали этот коэффи­

циент меняется.

При изготовлении ЖРД применяют легированные, углероди­ стые стали и легкие сплавы.

Излишний вес двигателя может быть вызван применением не­

соответствующих материалов, неполным использованием прочност­ ных качеств материала и нецелесообразной конструкцией отдель­ ных его элементов.

Значительного улучшения ЖРД нельзя достигнуть только вне­ дрением различных технологических мероприятий без отработки

конструкции двигателя в целом. Под конструктивной отработкой двигателя понимают такое его конструктивное оформление, которое при минимальных размерах и весе двигателя, а также затратах на материалы обеспечивает выполнение им заданных функций в тече­ ние установленного срока службы.

Конструкция двигателя и ее технологичность должны иметь по­ дробное экономическое обоснование на основе анализа технико-эко­ номических показателей (по производительности, стоимости, исполь­ зованию основных фондов и другим факторам).

Поскольку для массового производства двигателей необходимы материалы, оборудование, рабочая сила, время, то при проектиро­ вании нового образца двигателя конструктор, кроме ТУ, всегда

обязан учитывать производственно-экономические требования. Основными производственно-экономическими требованиями,

предъявляемыми к проектируемому двигателю, являются:

1)использование отечественного сырья;

2)недефицитность и дешевизна исходных материалов;

3)простота конструкции и технологичность ее деталей;

4)унификация и нормализация конструктивных элементов (де­ талей, узлов);

5)дешевизна продукции в целом.

Стоимость готовой продукции обычно определяют с учетом стоимости материалов, рабочей силы, оборудования, накладных и других расходов, связанных с данным производством. Расценки и нормы расходов по статьям устанавливаются соответствующими и ведомственными нормативами.

Можно рекомендовать следующий примерный порядок проек­

тирования и разработки двигателя.

1. Эскизный проект двигателя:

а) выбор наиболее простого варианта принципиальной схемы и

основных рабочих и конструктивных параметров двигателя;