Определение удельного импульса тяги проектируемого двигателя

Удельный импульс тяги проектируемого двигателя любой ступени ракеты при выбранных давлениях в камере сгорания и на срезе сопла на расчетном режиме работы двигателя вычисляют по эмпирической формуле

 

где – удельный импульс тяги двигателя i-й ступени на расчетном режиме работы, м/с;

– степень расширения газов в сопле двигателя i-й ступени ракеты;

– давление в камере двигателя i-й ступени ракеты, МПа;

– давление на срезе сопла двигателя i-й ступени ракеты, МПа;

– расчетный параметр: ;

k – показатель адиабаты.

Удельный импульс тяги двигателя i-й ступени в пустоте вычисляют по формуле

,

где R – газовая постоянная;

– температура горения топлива.

Расчетная зависимость для определения удельного импульса тяги двигателя на любой высоте полета ракеты имеет вид

,

где – давление атмосферы на высоте h от поверхности Земли.

Удельный импульс тяги двигателя первой ступени на Земле вычисляют по формуле

.

 

2.3. Исходные данные для приближенного расчёта
двигательной установки

Исходные данные

Диаметр ракеты

Время работы ДУ

Топливо Марка

Тяга ДУ на Земле

Тяга ДУ в пустоте

Число камер сгорания ДУ

Давление в камере сгорания

Давление на срезе сопла

Таблица 1

Стандартные параметры топлива

Наименование величины	Обозначение	Размерность
Удельный стандартный импульс тяги		м/с
Плотность окислителя
Плотность горючего
Газовая постоянная	R
Температура горения стандартная		К
Показатель адиабаты		–
Весовое соотношение компонентов топлива		–

 

2.4. Порядок расчёта камеры сгорания
проектируемой двигательной установки

Определение удельного импульса тяги КС маршевого двигателя

Температура горения топлива

.

Приведенный стандартный удельный импульс тяги

.

 

Удельный импульс тяги на расчётном режиме

где ; .

Удельный импульс тяги в пустоте

.

Удельный импульс тяги на Земле

.

Плотность топлива

.

 

Расчет геометрических параметров КС маршевого двигателя

Диаметр критического сечения сопла

,

где – расход топлива единичной камеры сгорания проектируемого двигателя ();

– расход горючего единичной камеры сгорания проектируемого двигателя;

– расход окислителя единичной камеры сгорания проектируемого двигателя;

– расчетный коэффициент.

Диаметр среза сопла ,

где

Окончательный выбор параметров двигателя:

Диаметр критического сечения сопла

Диаметр среза сопла

Диаметр камеры сгорания

 

Радиус кривизны раструба сопла

где – угол на срезе сопла;

– угол раскрытия сопла;

– линейные участки контура сопла.

Длины линейных участков можно варьировать: ;

.

Размерность выбираемых величин в формуле R: ; .

Радиус критики, радиус среза равны

; .

Длина сверхзвуковой части сопла

.

Длина входа в сопло

.

Высота форсуночной головки КС

.

Длина цилиндрического участка КС

.

Длина двигателя

.

Длина двигательной установки от среза сопла до узла крепления КС на ракете (только для первых ступеней ракет) приближенно оценивается по формуле

.

 

 

После приближенного расчета выбираем окончательно длину двигательной установки . Соответственно выбранной длине назначаем размер хвостового отсека ракеты. Строим схему двигательной установки (обязательно указать размер области, зарезервированной под турбонасосный агрегат)
(рис. 1).

 

 

ПОСТРОЕНИЕ ПРОФИЛЯ СОПЛА

3.1. Основные требования к конструкции сопла

Основные схемы сопел

Сопла ракетных двигателей бывают коническими и профилированными. В сопле камеры ракетного двигателя происходит расширение и разгон продуктов сгорания. От того, как спроектировано сопло, какую оно имеет форму, зависит коэффициент потерь сопла, скорость истечения продуктов сгорания из сопла и удельный импульс тяги двигателя.

К профилю сопла предъявляются следующие технологические и конструктивные требования:

1. Сопло должно иметь наибольший коэффициент сопла, т. е. наименьшие потери удельного импульса тяги.

2. Площадь поверхности стенок сопла при заданных параметрах критики и среза сопла должна быть наименьшей. Выполнение этого требования облегчает организацию охлаждения сопла, уменьшает его вес и потери тяги.

3. Конструкция и технология сопла должны быть по возможности более простыми.

Как часто бывает в технике, указанные требования являются взаимоисключающими, поэтому на практике при разработке сопла пытаются найти компромиссные решения.

Выбор схемы профилирования сопла

Профилированные сопла применяют для двигателей средних и больших тяг, а также для двигателей с большой степенью расширения сопла. В этих двигателях, в случае применения конического сопла, потери становятся значительными, в результате резко возрастает длина такого сопла. В крупных двигателях выигрыш в весе в случае применения профилированных сопел достигает большой величины, что и обусловило их применение.

Строгое газодинамическое профилирование сопла, при котором образующая сопла совпадает с линией тока, требует высоких технологий и высоких затрат для точного изготовления расчетного профиля такого сопла. Это главный недостаток профилированных сопел. Значительно проще и дешевле изготовить сопло, профиль которого образован прямыми линиями и дугами окружностей. Задача построения такой упрощенной схемы сопла получила название: «Профилирование сопла методом двух дуг».