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

216 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД

женных ионов истекающие из двигателя ионы нейтрализуются при помощи электронов, выделяющихся на катоде ионизирующей уста­ новки.

Для ионизации рабочей жидкости и ускорения плазмы можно также использовать электроэнергию, получаемую от гальваниче­ ских батарей или в результате преобразования солнечной энергии.

Трудности создания атомно-ионных ракетных двигателей свя­ заны со сложностью превращения атомной энергии в кинетическую энергию рабочей жидкости в виде плазмы ионов.

Огромным недостатком этих двигателей, как и отмеченных нами солнечных и электрических ионных двигателей, является то, что для создания ими значительной тяги требуется огромная за­ трата электрической энергии весьма высокого напряжения для раз­

гона ионизированных частиц рабочего тела до необходимой ско­ рости истечения. Подсчеты показывают, что для получения скоро­

сти истечения электрически заряженных частиц рабочего тела из сопла камеры двигателя порядка 100 км/сек необходима мощность установки в 500 Мгвт на 1 т тяги, т. е. на снаряде необходимо иметь силовую установку, по мощности соответствующую обычным теп­ ловым электростанциям, весом в несколько тысяч тонн.

По-видимому, атомная энергия может быть эффективно исполь­

низмы. Принципы непосредственного использования атомной энер­ гии в электрическую описаны в литературе.

В электроатомных ракетных двигателях весьма серьезной про­ блемой является удаление из ядерного реактора той части тепла, которая в силу несовершенства процесса не может быть переве­ дена в электрическую энергию.

Основными препятствиями на пути внедрения этих двигателей в авиацию и наземный транспорт являются большие габариты и вес экранирования двигателя, высокая стоимость атомного горю­ чего, сложность управления.

Глава 6

РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В КАМЕРАХ ЖРД

Качественные и количественные данные о механизме рабочегопроцесса в камере сгорания и сопле ЖРД дают возможность обос­ нованно выбрать оптимальные параметры, форму и размеры ка­ меры и решить другие вопросы проектирования и построения дви­ гателя.

Расчет кинетики явлений, происходящих в камере сгорания и сопле, совместно с тепловым и иногда газодинамическими расче­ тами позволяют установить картину распределения температуры,

давления и скорости газового потока в характерных сечениях ка­ меры двигателя и вычислить его основные параметры (удельную

ЖРД, и дать им количественную оценку. При расчете процессов сгорания топлива в двигателе приходится задаваться (на основа­ нии пока весьма ограниченных данных статистики и эксперимен­

тов) значениями некоторых характеристик рабочего процесса, как,

например, коэффициентами избытка окислителя в топливе и физи­ ческой полноты сгорания, показателем политропы расширения га­

зов в сопле и др.

В настоящей главе рассмотрены основные факторы, влияющие на характер протекания рабочих процессов в камере ЖРД, приве­ дена методика определения основных параметров, характеризую­ щих качество этих процессов, и даны ориентировочные пределы их численных значений.

Одновременно приведены численные примерные расчеты по определению температуры и состава продуктов сгорания топлива в камере сгорания и в выходном сечении сопла двигателя и дру­ гих термодинамических параметров. Приведены также таблицы и графики, необходимые для расчетов процесса сгорания топ­

лива.

218 Гл. 6. Рабочие процессы в камерах ЖРД

§ 1. Процессы подготовки и сгорания топлива в камере

двигателя

Сгорание топлива в камере двигателя является чрезвычайно сложным физико-химическим процессом, состоящим из перекрываю­ щих друг друга процессов подготовки, воспламенения и сгорания топливной смеси. От совершенства этих процессов зависят характе­

ристики двигателя.

Кпроцессам подготовки топлива для сгорания относятся:

I)распыл компонентов топлива, подаваемых в камеру сгорания,

3) перемешивание между со-

Процесс испарения, скорость которого определяется парамет­ рами окружающей среды (температурой и давлением) и физико-

химическими характеристиками топлива, может быть завершен до

того, как капля попадет в зону высоких температур. Тогда горение будет происходить в среде, состоящей из мелких объемов пара го­ рючего и окислителя, перемешанных между собой. Если же до на­ чала горения капля не успеет испариться, то будет иметь место ге­ терогенная реакция на поверхности отдельных жидких частиц го­

рючего или окислителя в зависимости от того, какой из компонентов легче испаряется.

Процессы подогрева и испарения компонентов топлива, посту­ пивших в камеру сгорания, осуществляются за счет лучистой энер­ гии очага горения, тепла нагретых стенок камеры и конвективных обратных газовых токов к головке камеры сгорания вследствие не­ которого отдува от нее газовой среды струями впрыскиваемого топ­ лива (фиг. 6. 1).

Обратные токи газов всегда существуют в камере сгорания, осо­ бенно в области конусов и между конусами распыла компонентов,

а также вдоль стенок камеры, и играют большую роль в процессе сгорания топлива. Их интенсивность зависит от конструкции фор­ сунок и схемы расположения последних на головке камеры. Для заданной конструкции головки интенсивность обратных токов мо­ жет считаться постоянной, если отвлечься от неизбежных случай­ ных колебаний.

При движении жидких капель компонентов топлива в потоке го­ рячего газа происходят их подогрев и частичное испарение. Ско­ рость этого процесса возрастает с увеличением температурного пе­ репада между каплями и продуктами сгорания. Мелкие капли испа­ ряются быстрее крупных.

Можно предполагать, что в том сечении камеры сгорания, до

которого испаряется примерно 5—10% топлива, обратные токи уже полностью исчезают. Дальнейший подогрев и испарение капель обеспечиваются теплом за счет сгорания, идущего одновременно с испарением. При испарении и сгорании около 10—25% топлива средняя скорость газа становится равной средней скорости капель; в следующих сечениях камеры сгорания газ обгоняет капли. На по­ догрев и испарение жидких компонентов топлива требуется около

10—15% тепла, выделяемого при сгорании топлива.

В существующих двигателях компонент топлива, используемый для охлаждения камеры двигателя, получает от поверхности оболоч­

ки камеры около 10—25% тепла, потребного для его нагревания и

испарения; при давлении в камере сгорания 35—40 ата это тепло может достигать 50—60%.

К процессам, сгорания топливной смеси относятся взаимопере-

крывающиеся процессы кинетического и диффузионного сгорания топлива, в результате которых в конце камеры устанавливается хи­ мически и энергетически равновесное состояние получаемых при этом газов соответственно их давлению и температуре. По мере вы­ горания горючей смеси температура в камере повышается и к концу камеры сгорания достигает максимального значения. В жидкой

фазе не происходит сколько-нибудь значительной реакции между окислителем и горючим.

Скорость (время) протекания процесса сгорания топлива в ки­

нетической области не зависит от гидродинамических и диффузион­ ных факторов (от скорости потока, размеров и формы камеры сгорания, конструкции ее головки) и в основном обусловли­

вается:

1)свойствами компонентов топлива (энергией их активации);

2)температурой и давлением в камере сгорания,

3)концентрацией реагентов в зоне горения.

Скорость протекания процесса сгорания топлива в области тур­ булентной диффузии почти не зависит от кинетических факторов, если не считать слабой зависимости от температуры некоторых фи­ зических констант, и определяется в основном факторами гидроди­ намического характера, как то:

1)характером движения потока в камере сгорания (время сме­ шения компонентов топлива мало зависит от скорости движения потока);

2)распределением скоростей, концентрацией компонентов топ­ лива и температур в этом потоке;