Топлива ракетных двигателей

Оценка эффективности ракетного двигателя

Очевидно, что эффективность РД можно оценивать только с позиций ЛА, т.е. критерии качества РД должны вытекать из целей ЛА как объекта высшего уровня иерархии. Из курса ОУЛА известно, что критерием эффективности УБР является конечная скорость ступени или Л А в момент окончания активного участка: чем больше значение, тем больше будет дальность полета при фиксированной полезной нагрузке. Идеальное значение конечной скорости в конце активного участка полета (действует только сила тяги ДУ, нет атмосферы и поля тяготения Земли) определяет формула К.Э.Циолковского:

, (3.1)
где - массовое число;

- конечная масса в момент окончания АУТ;

- соответственно массы топлива, конструкции ракеты и полезной нагрузки;

- эффективная скорость истечения рабочего тела.

Отсюда ясно, что необходимо увеличивать значение удельного импульса

(), увеличивать мaccу топлива на борту и снижать массу конструкции двигательной установки. Создавать двигатели сложно, но сущест-вует экзогенность целей, т.е. их наперед ясность разработчикам.

Из (3.1) следует, что конечная скорость линейно зависит от удельного импульса при постоянном массовом числе. Неизбежные потери скорости на преодоление силы тяжести, сопротивление атмосферы и противодавление атмосферы (уменьшение удельного импульса) при вариации удельного импульса в связи с рассмотрением различных топлив меняются по разному в зависимости от ограничений по нагрузке на тягу, массу топлива, и собственно тягу. Влияние удельного импульса возрастает с увеличением дальности полета. Для УБР с дальностью 12 000 км и удельным импульсом в пустоте 2500 м/с увеличение на 1% приводит к росту дальности на 600 км. Для УБР средней дальности (L=2500 км) с тем же значением удельного импульса увеличение на 1% приводит к росту дальности всего на 70 км.

Степень влияния массы конструкции двигательной установки на конечную скорость ЛА зависит от того, на какой ступени он установлен. Для первой ступени масса ракеты существенно больше массы конструкции ДУ и поэтому влияние изменения массы конструкции ДУ на конечную скорость последней ступени незначительно. А масса конструкции двигателя последней ступени вносит свой вклад в значения и оказывает существенное влияние на конечную скорость ЛА.

Под топливом РД будем понимать вещество или совокупность веществ, способных к химическим реакциям с выделением энергии и к образованию высокотемпературных продуктов для создания тяги. Таких веществ известно немало и всякий раз возникает вопрос о выборе топлива двигателей конкретной ракеты.

К топливам предъявляется широкий спектр требований, который можно разделить на два класса:

1. Баллистические требования - обеспечение наибольшей дальности полета ракеты или наибольшей массы полезной нагрузки.

2. Эксплуатационные требования - обеспечение условий эксплуатации ракеты в процессе транспортировки, заправки ракеты (жидкие топлива), хранения, воздействие продуктов сгорания на окружающую среду, наличие промышленной базы для изготовления серии ракет и др.

Ясно, что в первую очередь рассматриваются топлива с наибольшей баллистической эффективностью для выполнения целевого назначения ракеты, а эксплуатационные требования выступают как ограничения в процессе поиска лучших решений по баллистической эффективности.

Критерий эффективности топлива ракетного двигателя в составе ракеты.

Критерием качества ступени ракеты является конечная скорость (3.1).

Для достижения ее максимума следует применять топлива с наибольшим значением удельного импульса и с максимально возможной плотностью (большая плотность топлива приводит к меньшей массе конструкции двигателя и баков жидкостных ракет). Для идеальной конечной скорости ЛА характерно выражение

, (3.2)
где - относительное содержание топлива на борту или коэффициент заполнения топливом. Изменение коэффициента с от величины показано на рис. 3.1 - с ростом значения коэффициента заполнения влияние плотности топлива на коэффициент с падает. Для первых ступеней ракет характерны малые значения - влияние плотности соизмеримо с влиянием удельного импульса.

В общем случае критерием баллистической эффективности топлива в составе ДУ ступени УБР служит показатель, вытекающий из (3.2) и из условия максимума конечной скорости

. (3.3)

Значения величины «с» необходимо определять для каждой ступени ракеты в ходе баллистического анализа проектируемой УБР. В общем случае можно рекомендовать следующее:

- влияние плотности топлива на баллистическую эффективность существенно для одноступенчатых ракет и первых ступеней составных ракет – с = 0,6...0,75;

- влияние плотности топлива для верхних ступеней менее существенно и с = 0,15...35.

В общем случае на разных стадиях выполнения сложной программы активного полета рационально использовать топлива с различным сочетанием удельного импульса и плотности. Первые ступени ракетно-космических систем работают на недорогом топливе с повышенной плотностью (кислород + керосин), а последующие ступени на высокоимпульсном дорогом топливе с малой плотностью (кислород + водород).

В ряде случаев целесообразно даже применение топлив переменного состава (с разной плотностью) в пределах одной ступени.

Дата добавления: 2014-01-11