Электрическая энергия

Химическая энергия.

Реактивные двигатели, использующие химическую энергию, являются тепловыми двигателями, где происходит превращение:

химическая энергия Þ тепловая энергия Þ кинетическая энергия.

Превращение химической энергии топлива может осуществляться путем:

- горения;

- разложения (на основе закона Гесса при разложении выделится столько же тепла, сколько тратится на образование вещества);

- рекомбинации (восстановления атомов или радикалов). Этот процесс сопровождается выделением тепла. Н+Н=Н₂ (при взаимодействии образуется молекула и сопровождается выделением тепла). Однако, способов получения и сохранения свободных атомов и радикалов пока не найдено.

2. Ядерная энергия.

Ядерную энергию также можно использовать. Возможны различные схемы:

а) ядерная энергия Þ тепловая энергия Þ кинетическая энергия.

Тепловая энергия здесь затрачивается на нагрев промежуточного рабочего тела, которая необходима для увеличения массы (m) рабочего тела, т.к. масса вещества, получившаяся при ядерном распаде, мала.

б) без промежуточного рабочего тела.

Эта схема пригодна в случае движения без сопротивления, для поддержания движения только.

1) Электрическая энергия Þ тепловая энергия Þ кинетическая энергия.

В мощном электрическом разряде выделяется много тепла и, если подогреть рабочее тело, то можно использовать эту схему.

2) Если получить мощный электрический поток и управлять им при помощи магнитного поля.

Среди ракетных двигателей, использующих химическую энергию, различают:

1. ЖРД (жидкостный ракетный двигатель);

2. РДТТ (ракетный двигатель твердого топлива);

3. ГРД (гибридные ракетные двигатели), у которых один из компонентов находится в жидком состоянии (чаще окислитель), а другой – в твердом.

ЖРД чаще всего использует двухкомпонентное топливо: один компонент – горючее, а другой – окислитель.

Т.е. ЖРД в отличие от ВРД окислитель использует не из атмосферы, а из баков ракеты. Поэтому ЖРД не зависит от окружающей среды и может работать в космическом пространстве. В качестве окислителя в ЖРД могут рассматриваться не только кислородные соединения (HNO₃, N₂O₄, H₂O₂, O₂), но также и фтористые соединения (NF₃, ClF₃, F₂). По активности идут фтор (F), кислород, (O), хлор (Cl).

Но фтор не нашел применения в ракетной технике из-за очень высокой активности и высокой токсичности.

Большинство двухкомпонентных топлив являются несамовоспламеняющимися и нужно иметь источник для начального зажигания. Поэтому применяют различные виды зажигания: химическое, электрическое, пиротехническое и др.

Анилин и азотная кислота – при соприкосновении самовоспламеняются.

Если используется реакция разложения, то топливо используемое является однокомпонентным, например, H₂O₂ – перекись водорода; N₂H₄ – гидразин.

Среди ЖРД выделяют два типа, которые отличаются системой подачи компонентов топлива.

1) ЖРД с вытеснительной системой подачи топлива

Рис.1.2

Камера двигателя, где происходит горение и превращение химической энергии в тепловую. Головка камеры – это система форсунок для распыливания и смешения окислителя и горючего.

Сечение к-к – конец камеры, начало реактивного сопла.

Сечение а-а – выходное сечение сопла.

Сечение Кр-Кр – критическое сечение камеры.

Следовательно, камера ЖРД состоит из головки, камеры сгорания и сопла (реактивного).

В ЖРД с вытеснительной системой подачи топлива происходит вытеснение горючего и окислителя сжатым газом. Аккумулятор давления (АД) это простейший баллон со сжатым газом. Нужно регулировать давление подачи.

Камера плюс система подачи топлива и система регулирования представляют собой двигатель. Двигатель плюс топливные баки представляют собой двигательную установку.

Газогенераторы – это аккумуляторы давления, которые вырабатывают газ и представляют собой миниатюрную камеру ЖРД или РДТТ. Но здесь ограничена температура, т.к. сжатый газ идет на вытеснение топлива. В этом случае на стенки баков воздействуют повышенное давление и поэтому они являются толстостенными.

Система тяжелая, имеет большую массу. Применяется при относительно небольших тягах и при кратковременном использовании.

Преимущества: в простоте и надежности. С применением новых высокопрочных композиционных материалов с малой плотностью указанная схема с вытеснительной системой подачи компонентов топлива становится перспективной.

2) ЖРД с насосной системой подачи топлива

Рис.1.3

Насосы нужно приводить во вращение, мощность для привода большая, порядка сотен, тысяч л. с. (квт).

Для привода насосов используют газовую турбину, которая приводится газом, выработанным в газогенераторе. Насосы подачи горючего (НГ) и окислителя (НО) и газовая турбина (Т) образуют турбонасосный агрегат (ТНА).

Газогенератор (ГГ) работает обычно на вспомогательном топливе, который тоже нужно подать, например, вытеснением газом из аккумулятора давления.

Схема получается намного сложнее, но давления в баках при этом намного ниже и масса баковой системы ДУ получается меньше. При этом продолжительность работы может быть гораздо больше.

Рис.1.4. Схема ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ)

Твердое ракетное топливо в своем составе содержит окислительные и горючие элементы.

Весь топливный запас твердого топлива находится в камере сгорания и объем увеличивается.

Понятие камеры и двигателя здесь фактически одно и тоже.

1.2. Общие особенности ЖРД

1. Независимость от окружающей среды.

Рис. 1.5

Высотная характеристика R=f(H) у ракетного двигателя (РД) по высоте немного растет, а у поршневого (ПД) и воздушно-реактивного (ВРД) двигателей падает. Следовательно, ракетный двигатель является высотным.

Рис. 1. 6

2) Скоростная характеристика у ракетного двигателя R=f(v) = const. двигатели позволяют, следовательно, получить безграничные скорости полета.

Активная или конечная скорость, которая может быть достигнута в момент окончания работы двигателя, определяется формулой, полученной К. Э. Циолковским:

(1.1)

где W_а – скорость истечения газов из сопла двигателя. Это в случае, если отсутствует сила тяжести и аэродинамическое сопротивление;

m_o – начальная (стартовая) масса ракетного аппарата;

m_кон – масса аппарата в момент окончания работы двигателя.

(1.2)

где - масса топлива в баках ракеты.

Нужно стремиться к увеличению W_а и при минимальной массе аппарата (m_кон) нужно стремиться к увеличению .

Следовательно, ракетные двигатели это двигатели больших скоростей и высот.

Достоинство ракетных двигателей: при небольших габаритах и массе эти двигатели развивают очень большие мощности (например, у двигателя ФАУ-2 мощность равна мощности Днепровской ГЭС, а у ракеты «Восток» - несколько млн. л.с.).

Недостатки:

1. Очень большой удельный расход топлива, например, у газотурбинных двигателей ~ 1 кг топл./кг тяги, а у ракетных двигателей ~ 15…20 кг топл./кг тяги – это за счет окислителя в некоторой степени.

2. Высокие температуры (>3000^оС), высокие давления в камере (>10 МПа) и высокая активность применяемого топлива. Поэтому мал ресурс работы двигателя, который измеряется минутами, иногда часами. Пути повышения ресурса: применение более жаростойких материалов и улучшение охлаждения.

Охлаждение имеет регенеративный характер (идея К. Э. Циолковского). Это не единственная система, есть и другие.

Рис.1.7

1.3. Области применения ракетных двигателей

Ракетные двигатели пока не применяются в аппаратах длительного действия. Находят применение в аппаратах высотных и больших скоростей.

Беспилотные ЛА это среднее между авиацией и артиллерией.

Баллистическая ракета – вертикальный взлет, изменение направления движения, а затем полет как свободно брошенного тела.

Рис. 1.8

Н_max, L_max = f(V_акт). (1.3)

У баллистических ракет дальность полета составляет десятки тыс. км, а скорость в конце активного участка полета V_акт = 20-25 тыс. км/час.

Баллистические ракеты – многоступенчатые.

В баллистических и космических ракетах двигатели могут быть использованы как маршевые, вспомогательные, разгонные, тормозные.

РД могут быть использованы для технологических и экспериментальных целей (выработка рабочего тела для современных аэродинамических труб и т.д.).

Ракетные двигатели могут применяться не только в воздухе и космическом пространстве, но и в воде, в подводных снарядах.

РД может также использоваться для термического бурения горных пород.

Дата добавления: 2013-12-13