![]() |
|
|
Проектирование ракетного двигателя первой ступени двухступенчатой баллистической ракетыp align="left">Давление в камере сгорания является наиважнейшим параметром РДТТ, определяющим устойчивость его работы и основные характеристики, связанные с эффективностью ЛА. Как показывает статистика, рациональные значения давления лежат в диапазоне 4 … 15 МПа. Увеличение давления в камере сгорания при постоянном давлении на срезе сопла ведет к увеличению тяги и удельного импульса. Масса конструкции РДТТ также зависит от давления в камере сгорания - чем выше давление , тем больше масса конструкции двигателя. Минимальное давление, гарантирующее устойчивое горение топлива, составляет и задается характеристиками топлива. Согласно рекомендациям давление в камере сгорания: - для первой ступени; - для второй ступени; - для третьей ступени. Окончательно принимаем для первой ступени баллистической ракеты . При полете ракеты с работающим двигателем высота полета сильно изменяется и, следовательно, в широких пределах изменяется атмосферное давление. Правильный выбор давления на срезе сопла заключается в том, чтобы при этом давлении ракета получила наибольшую скорость в конце активного участка траектории и, следовательно, максимальную дальность при всех равных прочих условиях. Согласно рекомендациям давление на срезе сопла: - для первой ступени; - для второй ступени; - для третьей ступени. Окончательно принимаем: . 2. Расчет РДТТ 2.1 Проектирование сопла Сопло является очень важным элементом любого ракетного двигателя. Оно во многом определяет все характеристики ракеты, поскольку именно в нем потенциальная энергия горячих газов превращается в кинетическую энергию истекающей струи газов, которая и создает тягу. Исходные данные: Давление в камере ; Давление на срезе сопла ; Длина образующих конических участков сопла; Угол раскрытия сопла; Угол на срезе сопла; Время работы РДТТ; Тяга РДТТ; Удельный импульс топлива; Потери удельного импульса; Газовая постоянная; Температура горения топлива; Показатель адиабаты продуктов сгорания. Порядок расчета: Безразмерная скорость газа на срезе идеального сопла , где коэффициент межфазового энергообмена продуктов сгорания при их движении по сопловому тракту ; показатель изоэнтропы расширения для смесевого топлива с металлическими добавками ; отношение температуры твердых частиц к статической температуре продуктов сгорания. Принимаем ; коэффициент, учитывающий потери на трение, . Принимаем ; отношение скорости частиц твердой фазы к скорости газа, принимаем ; отношение расхода частиц конденсированной фазы к расходу газовой среды, принимаем ; относительная удельная теплоемкость продуктов сгорания, принимаем . Коэффициент истечения , где ускорение свободного падения. Площадь критического сечения сопла , где приход газов ; масса заряда РДТТ ; переводной коэффициент; коэффициент тепловых потерь. Для РДТТ с термоизоляцией . Принимаем . Диаметр критического сечения сопла . Коэффициент реактивного идеального сопла . Коэффициент реактивности реального сопла , где коэффициент, учитывающий потери энергии от диссипативных сил. Принимаем ; коэффициент, учитывающий потери от радиального расширения газа в сопле. Принимаем . Безразмерная скорость потока на срезе сопла . Безразмерная скорость потока в критическом сечении сопла . Потребное уширение сопла , где . Площадь выходного сечения сопла . Диаметр выходного сечения сопла . Длина диффузора соплового тракта . Параметры для построения сверхзвуковой части сопла . . . . Длина сверхзвуковой части сопла . Рис.4. Расчетная схема сопла РДТТ. Рис.5. Схема сопла 2.2 Расчет оптимального давления в камере сгорания Давление в камере сгорания , где ; ; ; ; . коэффициент использования камеры сгорания. 2.3 Расчет щелевого заряда РДТТ Заряд щелевого типа имеет цилиндрическую форму, внутренний канал диаметром , четыре щели (пропила) шириной , высотой , расположенные в сопловой части заряда. По длине заряд делится на три части, а именно: цилиндрическую (), переходную () и щелевую (). Исходные данные: Число щелей ; Вид топлива смесевое; Плотность топлива ; Скорость горения топлива Скорость горения топлива зависит от состава топлива, давления в КС, начальной температуры заряда. , где степенной закон для определения скорости. Определяется в зависимости от топлива. Для применяемого типа смесевого топлива степенной закон имеет следующий вид: в этой формуле давление берется в атм.; температурный коэффициент. Для смесевых топлив . Принимаем ; при , при , начальная температура заряда. Принимаем . . Принимаем . Удельный импульс тяги с учетом потерь . Порядок расчета: Относительная толщина свода заряда . Принимаем . Толщина свода заряда . Наружный диаметр заряда . Диаметр канала . Ширина щелей . Масса топлива РДТТ . Объем топлива . Средняя поверхность горения . Диаметр камеры сгорания , где плотность заряжания. Принимаем ; . Принимаем . Длина переходного участка РДТТ . Длина цилиндрического участка РДТТ . Общая длина заряда , где коэффициент, учитывающий наличие щелей. Длина щелевой части заряда . Площадь поверхности внутреннего канала . Площадь поверхности торца заряда . Площадь поверхности переходной части заряда . Периметр щелевой части заряда . Размеры щелей. Высота щели . Размер перемычки . Запас на ТЗП, ЗКС и обечайку . условие выполняется. 2.4 Расчет характеристик прогрессивности щелевого заряда Процесс газообразования в камере ракетного двигателя определяется скоростью горения твердого топлива, зависящей от его состава, и поверхностью горения заряда, определяемой его геометрическими параметрами. При горении твердого топлива данного состава давление в камере двигателя определяется в основном отношением поверхности горения топлива к площади критического сечения сопла, а при неизменном критическом сечении - площадью горящей поверхности заряда. Если горящая поверхность возрастает, то горение называется прогрессивным (прогрессивная форма заряда). Характеристикой поверхности заряда называется отношение горящей поверхности заряда к начальной величине этой поверхности . Выбор формы заряда должен обеспечивать характер изменения давления, а следовательно, и тяги во времени в соответствии с требуемыми характеристиками ЛА. Исходные данные: Наружный радиус заряда ; Радиус канала ; Полная длина заряда ; Длина щелевой части ; Половина ширины щели . Порядок расчета: Углы и в начальный момент горения ; . Рис. 8. Сектор щелевого заряда Полная начальная площадь горения заряда . Начальный объем заряда . Граничное значение параметра , при котором исчезает дуговая часть периметра канала щелевой части . Максимальное значение параметра . Поскольку , то по окончании горения дуговая часть периметра канала щелевой части не исчезнет и всегда . Текущая площадь поверхности горения ; Текущий объем заряда где ; ; . Вычисляем характеристики прогрессивности заряда и для значений и , при условии, что , где ; ; ; . Данные расчета сведем в таблицу 1.
2.5 Расчет звездчатого заряда Звездчатые заряды нашли очень широкое применении в современных двигателях твердого топлива, благодаря отработанной технологии изготовления и высокому коэффициенту внутреннего заполнения, однако, звездчатые заряды имеют дегрессивные остатки топлива, которые можно устранить профилированием внутренней поверхности камеры сгорания и применением вкладышей из легких материалов. Также по сравнению с щелевыми зарядами они дают меньшее время работы, а также наличие участков с повышенной концентрацией напряжений. Исходные данные: Тяга двигателя ; Ускорение свободного падения ; Время работы двигателя ; Диаметр заряда ; Марка топлива ПАЛ-18/7; Плотность топлива ; Температура горения топлива ; Скорость горения топлива ; Масса топлива ; Удельный импульс тяги с учетом потерь ; Газовая постоянная ; Давление в камере сгорания . Порядок расчета: Величина скорости горения, которую можно допустить в канале заряда, исходя из условия отсутствия эрозионного горения , где удельный вес топлива; приведенная сила топлива. Площадь канала при отсутствии эрозионного горения , где вес топлива; коэффициент тепловых потерь. Потребный коэффициент заполнения поперечного сечения КС , где площадь КС. Потребное значение относительной толщины свода заряда . По графику зависимости подбираем число лучей и тип заряда, обеспечивающий потребный коэффициент заполнения. Выбираем звездчатый заряд со скругленными углами и . По графикам и определяем характеристику прогрессивности горения заряда и коэффициент дегрессивно догорающих остатков . . Длина заряда . Угол раскрытия лучей . Радиус скругления . Принимаем . По таблице определяем значения углов ; , из конструктивных соображений принимаем Толщина свода заряда . Относительная длина заряда . Рис.9. Звездообразный заряд со скругленными углами. 2.6 Расчет на прочность корпуса РДТТ Расчет позволяет определить толщину элементов корпуса, находящихся под давлением газов в камере сгорания. Необходимо, чтобы корпус был прочным и имел минимальную массу и стоимость. Исходные данные: Давление в камере сгорания ; Внутренний диаметр камеры ; Материал обечайки камеры 28ХСНМВФА (СП-28); Предел прочности ; Модуль упругости . Порядок расчета: Толщина металлической обечайки корпуса , где коэффициент запаса прочности; временное сопротивление материала обечайки с учетом нагрева. . коэффициент, учитывающий снижение прочности при нагреве (принимаем, что температура обечайки не превышает ), . Принимаем . максимально возможное давление в КС РДТТ при максимальной температуре эксплуатации заряда . максимальное расчетное давление в КС РДТТ; коэффициент, учитывающий разброс по давлению и скорости горения заряда, . Принимаем . Расчет силовой оболочки сопловой крышки Толщина сопловой крышки РДТТ , где запас прочности сопловой крышки; коэффициент, определяющий высоту днища по отношению к диаметру; предел прочности материала сопловой крышки. Для сопловой крышки принимаем тот же материал, что и для обечайки. Принимаем . Расчет переднего днища Исходные данные: Внутренний диаметр камеры ; Диаметр заряда ; Материал днища 28ХСНМВФА (СП-28); Предел прочности ; Диаметр отверстия под фланец . Порядок расчета: Толщина днища , где коэффициент, учитывающий снижение прочности днища от отверстия под воспламенитель, . Наиболее нагруженными являются точки стыка цилиндрической обечайки корпуса РДТТ и днища, а также днища и воспламенителя. Главные радиусы кривизны и для выбранных расчетных точек (рис.10) Рис.10. Расчетная схема. Точка 1. Угол в точке 1 , где текущий радиус; радиус отверстия под воспламенитель; большая полуось эллиптического днища ; малая полуось эллиптического днища . Главные радиусы кривизны в точке 1 ; . Толщина днища в точке 1 . Принимаем . Точка 2. Угол в точке 2, когда , . Главные радиусы кривизны в точке 2 ; . Толщина днища в точке 2 . Принимаем . 3. Расчет теплозащитных покрытий РДТТ, выполненного по схеме «кокон» 3.1. Расчет тепловых потоков в элементах РДТТ Исходные данные: Диаметр камеры сгорания ; Диаметр входа в сопло ; Диаметр критики сопла ; Температура продуктов сгорания в камере ; Расход газа через сопло . Расчет теплового потока у переднего днища Коэффициент конвективной теплопередачи , где коэффициент тепловодности продуктов сгорания; коэффициент вязкости продуктов сгорания. В первом приближении принимаем ; коэффициент объемного расширения продуктов сгорания. Для смесевых топлив . Принимаем ; температура поверхности теплообмена. Принимаем ; ускорение полета летательного аппарата. В первом приближении принимаем . Суммарный коэффициент теплопередачи , где коэффициент теплопередачи излучением. Суммарный тепловой поток от газа к поверхности переднего днища . Расчет теплового потока в стенку камеры сгорания и сопловой крышки Коэффициент конвективной теплопередачи , где теплоемкость продуктов сгорания. , . Принимаем . Суммарный коэффициент теплопередачи . Суммарный тепловой поток от газа в стенку камеры сгорания и сопловой крышки . Расчет тепловых потоков в стенку сопла Коэффициент теплопередачи по сечениям сопла Сечение на входе в сопло , Сечение в критике сопла , Сечение сверхзвуковой части сопла , Сечение сверхзвуковой части сопла , Суммарный коэффициент теплопередачи Для сечения на входе в сопло . Для сечения в критике сопла . Для сечения . Для сечения . Суммарный тепловой поток от газа в стенку сопла Для дозвуковой части сопла . Для критики сопла , где температура газа в критическом сечении сопла. Для критики расчет проводится с помощью таблиц газодинамических функций. В первом приближении можно принять . Для сверхзвуковой части сопла ; , где температура газа в соответствующих сечениях сопла (1, 2). также определяется расчетом с помощью таблиц газодинамических функций. В первом приближении можно принять ; . 3.2 Расчет теплозащитного покрытия двигателя Исходные данные: Время работы РДТТ ; Температура продуктов сгорания ; Начальная температура материала ; Толщина стенки: переднего днища ; корпуса обечайки ; сопловой крышки ; Коэффициент теплопередачи: переднее днище ; обечайка корпуса и сопловая крышка ; Материал переднего днища, сопловой крышки и обечайки корпуса 28ХСНМВФА (СП-28); Плотность ; Удельная теплоемкость ; Допустимая температура нагрева ; Расчет толщины теплозащитного покрытия переднего днища Для переднего днища, работающего в условиях высоких температур, но небольших скоростей движения газов (), применяем фенольно-каучуковый материал БК - 31 - эластичное резиноподобное покрытие. Теплофизические характеристики БК - 31: Плотность ; Удельная теплоемкость ; Коэффициент теплопроводности . , где ; коэффициенты аппроксимации; константа аппроксимации; относительный параметр, ; коэффициент аппроксимации, ; температурный симплекс (безразмерная температура), . Принимаем толщину ТЗП переднего днища . Расчет толщины ТЗП обечайки корпуса и сопловой крышки Для обечайки корпуса и сопловой крышки, работающих в условиях высоких температур и скоростей движения газов (W до 300 м/с), применим слоистый материал на основе стекловолокна АГ - 4В, имеющий следующие теплофизические свойства: Плотность ; Удельная теплоемкость ; Коэффициент теплопроводности . , где относительный параметр, ; коэффициент аппроксимации ТЗП, ; температурный симплекс (безразмерная температура), . Принимаем толщину ТЗП оболочки корпуса и сопловой крышки . Расчет длины теплоизолируемой части камеры сгорания , где длина цилиндрической части заряда (рис.7); коэффициент заполнения цилиндрической части камеры сгорания ; для скрепленного заряда; ; относительная толщина свода заряда. Расчет теплозащитного покрытия сопла Исходные данные: Толщина стенки: входного раструба сопла ; выходного раструба сопла ; Коэффициент теплопередачи: воротника сопла ; сопловой вкладыш в критике ; сверхзвуковой раструб сопла ; ; Материал входного раструба сопла 28ХСНМВФА (СП-28); плотность ; удельная теплоемкость ; допустимая температура нагрева ; Материал выходного раструба сопла 30ХГСА; плотность ; удельная теплоемкость ; допустимая температура нагрева ; Расчет толщины теплозащитного покрытия воротника Для воротника применяем слоистый материал на основе стекловолокна АГ - 4В: Плотность ; Удельная теплоемкость ; Коэффициент теплопроводности . Расчет толщины ТЗП воротника проводим аналогично расчету толщины ТЗП камеры РДТТ. Считаем, что материал воротника работает как пассивное ТЗП. , где ; коэффициенты аппроксимации; константа аппроксимации; относительный параметр, ; коэффициент аппроксимации ТЗП, ; температурный симплекс (безразмерная температура), . Принимаем толщину ТЗП воротника (в радиальном направлении). Расчет теплозащитного покрытия вкладыша сопла Для вкладыша сопла применяем материал повышенной жаропрочности и жаростойкости, высокой эрозионной стойкости: пирографит, имеющий следующие теплофизические свойства: Плотность ; Удельная теплоемкость ; Коэффициент теплопроводности . , где ; ; , температура газа в критическом сечении. Принимаем толщину ТЗП воротника . Расчет толщины теплозащитного покрытия выходного раструба сопла Для выходного раструба сопла применяем слоистый материал на основе стекловолокна АГ - 4В: Плотность ; Удельная теплоемкость ; Коэффициент теплопроводности . Для сечения сопла , где ; , температура газа в сечении сопла . Для сечения сопла , где , температура газа в сечении сопла . Принимаем толщину ТЗП выходного раструба сопла ; . Литература 1. Гречух Л.И., Гречух И.Н. Проектирование РДТТ. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. Омск, 2003. 2. Гречух Л.И., Гречух И.Н. Конструкция и проектирование РДТТ. Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. Омск, 2003. 3. Алиев А.М., Липанов А.М. Проектирование ракетных двигателей твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1995. 400с. 4. Ерохин Б.Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирование РДТТ. - М.: Машиностроение, 1991. 560с. 5. Голубев И.С., Самарин А.В. Проектирование конструкций летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1991. 512с. 6. Расчет теплозащитных покрытий РДТТ. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине «Ракетные двигатели». Омск, 2004. 27с. Страницы: 1, 2 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
![]() |
|
Рефераты бесплатно, реферат бесплатно, сочинения, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, рефераты на тему, курсовые, дипломы, научные работы и многое другое. |
||
При использовании материалов - ссылка на сайт обязательна. |