324 |
Гл. 7. Проектирование и расчет камер ЖРД |
1)высокой жаропрочностью, так как внутренняя оболочка ра ботает при высоких температурах, несмотря на применяемые меры для ее снижения;
2)высокой теплопроводностью и большой лучеотражательной
способностью, так как при этом будет меньше температура газо вой поверхности оболочки и больше ее прочность;
3)легкой обрабатываемостью в процессе изготовления, а если конструкция камеры сварная, то и хорошей свариваемостью;
4)высокой коррозионной стойкостью при использовании агрес сивных к металлу компонентов топлива, что особенно важно для двигателей многократного действия с большим числом запусков;
5)способностью противостоять механическому и химическому воздействиям газов, омывающих оболочку с большими скоростями;
6)малым коэффициентом термического расширения, что значи тельно упрощает конструкцию наружной оболочки камеры;
7)хорошей сопротивляемостью ударным, вибрационным и теп ловым нагрузкам, возникающим во время запуска, работы и оста новки двигателя;
8)возможно меньшим удельным весом, так как отношение
предела прочности материала к его удельному весу ум опреде ляет удельную прочность материала; чем больше величина сп,/ум, тем материал лучше и общий вес камеры меньше.
Кроме того, материал должен быть дешевым и широко доступ ным.
В настоящее время нет ни одного материала, который полно стью удовлетворял бы всем перечисленным выше противоречивым требованиям. Например, требования высокой прочности и тепло проводности материала при значительных температурах не сочета ются в одном каком-либо материале, так как материалы, облада ющие хорошей прочностью, обычно имеют низкую теплопровод ность, и наоборот.
Материалы, способные выдерживать значительные напряжения
при высоких температурах (нержавеющие и жаропрочные стали),
целесообразно использовать для изготовления оболочки небольшой толщины, при которой обеспечивается удовлетворительная тепло передача от газов к охлаждающей жидкости. Использовать же эти материалы для изготовления оболочек камеры сгорания больших размеров не всегда возможно, так как при этом по условиям тепло
передачи толщина оболочки должна быть столь небольшой, |
что |
по устойчивости она может оказаться непригодной даже для |
ка |
мер, работающих при малых нагрузках.
Теплопроводность применяемых в ЖРД материалов бывает высокой, средней и низкой.
К материалам высокой теплопроводности относятся медь и алю миний, а также сплавы их с другими материалами. Эти материалы имеют низкие по сравнению со сталями допускаемые напряжения, а также малую жаропрочность. Алюминиевые сплавы хорошо
£ 11. |
Требования к материалам камеры двигателя |
325 |
обрабатываются. |
Медь обладает более высокой теплопроводно |
|
стью, но так же, как и алюминий, может применяться в таких кон
струкциях камер двигателей, в которых оболочка искусственно
разгружена от механических нагрузок.
К материалам средней теплопроводности относятся малоугле родистые стали, обладающие коэффициентом теплопроводности около 40—50 ккал/м час °C.
Эти стали хорошо штампуются и свариваются. По сравнению
с медными и алюминиевыми сплавами они имеют большую жаро прочность и вследствие этого меньшую теплопроводность, удовлет ворительную удельную прочность, относительно дешевы и недефи цитны. Эти стали являются основными материалами для изготов ления камер ЖРД, несмотря на такие их недостатки, как легкая окисляемость и малая эрозионная стойкость.
Малоуглеродистые стали наиболее подходят для изготовления камер двигателей многократного действия, работающих на неагрес сивных компонентах топлива, и для двигателей однократного дей ствия, работающих на агрессивных компонентах топлива. Вну тренние оболочки большинства выполненных ЖРД изготовлены из этих сталей.
К материалам низкой теплопроводности относятся высоколеги рованные и жаропрочные стали. Эти стали хорошо работают при высоких температурах и устойчивы против эрозии. Однако, как пра
вило, они плохо штампуются и свариваются. К тому же они дороги и дефицитны. Применяют их для камер двигателей, работающих на агрессивных компонентах топлива.
При выборе материала для внутренней оболочки камеры необ ходимо иметь в виду требования, предъявляемые к охлаждению двигателя, а также учитывать получающиеся в том или ином ва
рианте изменения удельных характеристик двигателя, с одной сто роны, и производственные и экономические соображения, — с дру гой.
Рабочая температура газовой поверхности оболочки современ ных двигателей обычно находится в пределах 425—925° С (в сред
нем около 650° С). При этих температурах многие имеющиеся ма териалы обладают удовлетворительной прочностью при условии нормального охлаждения двигателя. Однако необходимость увели чения удельной тяги двигателя за счет применения топлив повы шенной теплотворности с высокой температурой сгорания застав ляет изыскивать материалы для внутренней оболочки камеры, допускающие безопасное нагревание их до более высокой темпера
туры.
Развитие ЖРД потребовало разработки жаростойких материа лов: пластмасс, легких сплавов алюминия и титана, специальных
жаростойких сплавов на железной и никелевой основе, тугоплавких металлов (молибдена, вольфрама) с защитными покрытиями, огне
328 |
Гл. 7. Проектирование и расчет камер ЖРД |
|
|
|
|||||||||
Тб = ^б/^т—удельный |
вес |
топливных |
баков, |
зависящий |
|||||||||
|
в основном от тяги |
и |
продолжительности работы |
||||||||||
|
двигателя; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
<7 = Сраб.тел/^т—удельный |
вес |
вспомогательных |
рабочих |
тел |
|||||||||
|
системы |
топливоподачи |
(сжатый |
газ, |
парогаз |
||||||||
|
и т. п.). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Относя условный вес двигателя к стартовому весу снаряда |
Go, |
||||||||||||
получим выражение для относительного веса двигателя: |
|
|
|||||||||||
~ = |
+ |
+ |
|
или |
|
(7Дв = ^дв + (тБ + ^ + 1)а, |
|
||||||
Go |
&0 |
|
^0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п GJB — ^7дв |
|
|
|
|
(7.17) |
|||||
|
|
|
|
ТБ + <7 + 1 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Член в |
скобках |
формулы (7. 15) |
для |
VK0H |
введен |
для учета |
|||||||
влияния на скорость силы веса снаряда при |
подъеме |
в |
высоту. |
||||||||||
|
|
|
|
Влияние на величину VK0H сопротив |
|||||||||
|
|
|
|
ления |
|
воздуха при полете |
снаряда |
||||||
|
|
|
|
этой |
формулой не учитывается, |
так |
|||||||
|
|
|
|
как оно в большой мере зависит от |
|||||||||
|
|
|
|
режима работы двигателя, траекто |
|||||||||
|
|
|
|
рии полета и аэродинамических |
ха |
||||||||
|
|
|
|
рактеристик |
снаряда |
и |
поэтому |
в |
|||||
|
|
|
|
данном случае не может быть выра |
|||||||||
|
|
|
|
жено аналитически. В случае срав |
|||||||||
|
|
|
|
нительной оценки различных систем |
|||||||||
|
|
|
|
топливоподачи это не вносит в рас |
|||||||||
|
|
|
|
четы существенной погрешности. |
|
||||||||
|
|
|
|
Выбрав для данного типа снаря |
|||||||||
|
|
|
|
да величину Ь, задавшись рядом зна |
|||||||||
|
|
|
|
чений рк (например 20, |
30, |
40, |
50, |
||||||
|
|
|
|
60 ата и т. д.) |
и вычисляя для |
за- |
|||||||
Фиг. 7. 16. К |
определению опти |
данной |
тяги |
и |
продолжительности |
||||||||
работы |
двигателя соответствующие |
||||||||||||
мального давления газов в камере |
|||||||||||||
сгорания двигателя. |
|
значения РуД и <7ДВ, можно найти ма |
|||||||||||
|
|
|
|
ксимум скорости Vkohmax, |
КОТОРОМУ И |
||||||||
будет отвечать оптимальное значение давления рк.Опт (фиг. 7. 16). Практическое решение этой задачи сопряжено с большими трудностями, так как при этом требуется правильная предвари тельная оценка ряда величин при выборе их в качестве исходных для расчета. В данном случае наиболее трудно предварительно
определить сухой вес проектируемого двигателя.
Расчеты показывают, что в случае применения вытеснительных систем топливоподачи величина конечной скорости полета Ркоп существенно меняется по давлению в камере сгорания двигателя рк