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

§13. Реальные высотные характеристики ЖРД

Впредыдущем параграфе нами рассмотрено изменение абсолют­ ной и удельной тяг двигателя в зависимости от естественного изме­ нения давления невозмущенного атмосферного воздуха по высоте

полета. В реальных же условиях работы двигателя давление окру­ жающей среды за соплом камеры всегда меньше давления невозмушенного воздуха. Это явление обусловливается разрежением, воз­ никающим за соплом двигателя при его полете с большими скоро­ стями и ускорениями, и влияет на величину тяги двигателя. Поэтому

при точном расчете высотных характеристик двигателя необхо­ димо учитывать конкретные внешние условия его работы.

Вреальных условиях работы абсолютная тяга двигателя зависит

от следующих факторов:

1)высоты, скорости и ускорения полета боевого аппарата;

2)системы наддува топливных баков;

3)системы топливоподачи двигателя;

4)удельного веса и уровня компонентов топлива в баках и др.

Часть этих факторов влияет в сторону увеличения, а часть —

уменьшения абсолютной тяги двигателя. Например, при увеличении высоты и скорости полета боевого аппарата типа А-4 уменьшается давление воздуха вокруг двигателя относительно атмосферного дав­ ления, а при большой скорости полета (свыше числа М = 2,6) об­ разующееся за соплом двигателя разрежение доходит даже до пол­

ного вакуума, в результате чего происходит следующее.

1. Увеличивается степень расширения газов за соплом двигателя

вследствие уменьшения противодавления ра, в связи с чем возраста­ ет тяга двигателя за счет роста статистического члена Р^—

=FB(PB—P*)-

2. Увеличивается степень расширения отработавших газов тур­ бины насосного агрегата при их истечении в окружающую среду,

в связи с чем возрастает доля тяги отработавших газов турбона­

теля и отработавшие в турбине газы при истечении в окружающую

среду дополнительно расширяются и создают тягу).

3. Уменьшается давление бортового газа на выходе из редуктора давления топливной системы двигателя вследствие уменьшения дав­ ления окружающей среды ра на мембрану редуктора, в связи с чем уменьшается подача парогаза в турбину, обороты ее падают, произ­

водительность насосов снижается, что приводит к уменьшению тяги двигателя. Аналогичное влияние на тягу двигателя возможно при наличии других приборов, чувствительных к изменению давления

окружающей среды.

4. Изменяется давление на всасывании топливных насосов дви­ гателя вследствие изменения наддува топливных баков (если ис­ пользуется скоростной наддув или наддув от бортового источника сжатого газа), в связи с чем изменяется секундная подача топлива

в камеру сгорания и, следовательно, тяга двигателя.

5. Увеличивается напор компонентов топлива перед насосами

за счет инерционных сил, возникающих при ускорении боевого аппа­ рата, причем тем больше, чем выше удельный вес и уровень компо­ нентов топлива в баках перед насосами, что аналогично п. 4 изме­ няет тягу двигателя.

6. Уменьшается весовое соотношение компонентов топлива при их подаче в камеру сгорания двигателя под воздействием факторов, упомянутых в пп. 3-—5, в связи с чем изменяются теплоэффективность топлива и, следовательно, тяга двигателя.

Для учета влияния всех перечисленных выше факторов на ве­ личину тяги и построения реальной высотной характеристики необ­

ходимо иметь основные характеристики:

а) камеры сгорания и сопла двигателя — давление газов в ка­ мере и на выходе из сопла, площадь выходного сечения сопла;

б) системы топливоподачи—турбины, насосов, регуляторов дав­ ления и т. п. и

в) боевого аппарата — высоту, скорость, ускорение полета, углы поворота во времени, так как один и тот же двигатель может пока­ зать различные реальные характеристики в зависимости от того снаряда, на котором он установлен.

Практически эта задача сводится к составлению и совместному приближенному решению нескольких уравнений, учитывающих влияние перечисленных выше факторов на работу двигателя.

Главным из этих факторов является давление атмосферного воздуха за соплом двигателя, поэтому его величину при проекти­ ровании ЖРД необходимо оценивать с учетом конкретных условий работы двигателя.

Реальная высотная характеристика двигателя, т. е. с учетом

влияния на работу двигателя всех перечисленных факторов, выра­ жается уравнением

а) влияния изменения давления окружающего воздуха на рабо­ ту редуктора давления, определяющего в свою очередь режимы ра­ боты ПГГ и ТНА (если таковые входят в систему топливоподачи двигателя);

б) влияния на работу насосов переменного скоростного наддува топливных баков; при увеличении высоты полета скоростной наддув уменьшается, а при увеличении скорости полета —увеличивается;

в) влияния изменения уровня компонентов топлива в баках вследствие их расходов;

г) влияния изменения напора компонентов топлива в баках за

счет инерционных сил, возникающих при ускорении боевого аппа­ рата, и других причин.

На фиг. 4. 24 приведены результаты расчета реальной высотной характеристики двигателя А-4, установленного на снаряде дальнего действия.

Очевидно, что один и тот же двигатель может иметь различные реальные высотные характеристики в зависимости от особенностей тех аппаратов, на которых он установлен. Изменение конструкции, емкости топливных баков, скорости и ускорения взлета, величины наддува баков и т. п. неизбежно вызывает изменение давления по­ дачи компонентов топлива в камеру сгорания и, следовательно, тяги двигателя.

Построение реальных высотных характеристик ЖРД для аппа­ ратов тесно связано с расчетом элементов траектории этих аппара­ тов. Поэтому высотная характеристика двигателя и траектория по­ лета аппарата должны определяться совместными расчетами.

Кривые фиг. 4. 24 показывают, что реальная высотная характе­

ристика двигателя незначительно отличается (на 1—3%) от иде­ альной характеристики (пунктирная линия), вычисленной при тех же начальных условиях по упрощенной формуле, учитывающей только за соплом двигателя нормальное давление невозмущенного воздуха по высоте полета. Имея в виду это обстоятельство, можно пользоваться для расчета высотных характеристик упрощенной формулой тяги.

§ 14. Выбор оптимальной высотности сопла камеры двигателя

Одним из основных параметров, непосредственно влияющим на величину абсолютной тяги двигателя, является давление окру­

жающей среды, которое при полете аппарата может изменяться в зависимости от высоты и скорости полета.

Двигатели большинства аппара­ тов с подъемом на высоту работают без изменения давления газов в ка­ мере сгорания, но так как при этом атмосферное давление ра уменьшает­ ся, то возникает необходимость для аппаратов такого типа использовать высотные двигатели, у которых при

работе у земли давление газов в вы­

и обеспечить этим аппарату при прочих равных условиях макси­ мальную дальность полета.

Результаты вычислений и построения высотных характеристик для двигателя А-4 соплами различной высотности при прочих рав­ ных условиях (см. фиг. 4. 27) показывают, что:

1) двигатель небольшой высотности (рв=0,85 ата) при работе у земли развивает относительно большую тягу, чем высотный дви­ гатель (см. кривую рв=0,85 ата), но зато с подъемом на высоту его тяга возрастает менее интенсивно и в результате на большой высоте оказывается относительно небольшой; в силу этого и Руд.ср

будет небольшой;