ГБОУ Гимназия №1505 «Московская городская педагогическая гимназиялаборатория» Реферат Принципы работы, конструкционные основы и перспективы твердотопливных и жидкостных ракетных двигателей. автор: ученик 9 класса «Б» Шандалов Дмитрий Руководитель: Наумов А.Л. Москва 2014 1 СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение …………………………………………….………………………3 2. Глава 1.Импульс. Закон сохранения импульса. Реактивный двигатель. Удельный импульс. .…………………………………………………………4 3. Глава 2.Твердотельные и жидкостные ракетные двигатели.…………….8 4. Заключение .………………………………………………………………...13 5. Список Источников .……………………………………………………….14 2 ВВЕДЕНИЕ Несмотря на окончание холодной войны, и некоторую паузу в освоении космоса, ракеты как играли, так и продолжают играть существенную роль в развитии человечества, как в позитивном направлении, так и в негативном. Уже не одно десятилетие не утихают споры об идеальной конструкции ракетного двигателя. Исторически, Россия отдала предпочтение жидкостным двигателям, тогда как США вкладывались в развитие твердого топлива. Тем не менее современные отечественные разработки включают,как ракеты на жидком топливе, так и на твердом, что лишний раз доказывает, что спор между различными типами двигателей еще далек от завершения. Цель данной работы ответить на вопрос: в чем существенное отличие жидкостных двигателей от твердотопливных. Для этого мы рассмотрим основные принципы, которые лежат в основе ракетостроения, а так же познакомимся с разными типами двигателей. В соответствии с целью, работа разделена на две части. Задачи: в первой главе будут рассмотрены такие понятия, как импульс, закон сохранения импульса, реактивное движение, а так же удельный импульс. Данный материал поможет нам в дальнейшем в сравнении двигателей разного типа. Соответственно, во второй главе мы изучим и сравним ЖРД и РДТТ ,а так же 1 2 рассмотрим их применение в ракетах “Булава” и “Синева”. Работа будет предназначена для широкого круга читателей, так как в ней будут описаны,как принципы работы химических ракетных двигателей, так и физические понятия связанные с данной темой. 1 ЖРД жидкостной ракетный двигатель. 2 РДТТракетный двигатель твердого топлива. 3 ГЛАВА 1 Импульс. Закон сохранения импульса. Реактивный двигатель.Удельный импульс. В этой главе вы узнаете что такое импульс,удельный импульс, закон сохранения импульса,принцип реактивного движения, а также, что такое ракетный двигатель. 1.1 Импульс “Импульс, механический, мера механического движения; представляет собой векторную величину, равную для материальной точки произведению массы m этой точки на её скорость v и направленную так же, как вектор скорости: p = mv; то же, что Количество движения.” 3 Следовательно, тело, имеющее наибольшую скорость и массу, будет имеет наибольший импульс. 1.2 Закон сохранения импульса Закон сохранения импульса звучит следующим образом: Если векторная сумма внешних сил, действующих на систему, равна нулю, то импульс системы сохраняется, то есть не меняется со временем. При этом, закон сохранения импульса возможен только в замкнутой системе тел. Замкнутой называется система тел, взаимодействующих только друг с другом и не взаимодействующих с другими телами. Рассмотрим пример из жизни, два бильярдных шарика сталкиваются, их суммарный импульс ( остается неизменным). Каждый знает, что выстрел из пушки сопровождается отдачей(см. рис.1). Если бы масса ядра равнялась массе пушки , они бы разлетелись с одинаковой скоростью. Отдача происходит потому, что отбрасываемая масса ядра создаёт реактивную силу, благодаря которой может быть обеспечено движение как в воздухе, так и в безвоздушном пространстве. И чем больше масса и скорость вылетающего ядра, тем больше сила отдачи, чем сильнее реакция пушки, тем больше реактивная сила. Согласно формуле ниже: масса пушки равна m1 а масса ядра равна m2. Начальная скорость пушки равна V1, а конечная скорость пушки равна V1’, начальная скорость ядра равна V2 , конечная скорость ядра равна V2’. 3 [1] 4 Получается, что сумма конечных импульсов ядра и пушки равна сумме начальных импульсов ядра и пушки. 1.3 Реактивное движение Теперь рассмотрим, что такое реактивное движение. Реактивный двигатель это двигатель, преобразующий химическую энергию топлива в кинетическую энергию газовой струи, при этом двигатель приобретает скорость в обратном направлении. На каких же принципах и физических законах основывается его действие? Типичный пример реактивного движения это движение кальмара в воде.Что бы двигаться кальмар выбрасывает из своего тела струи воды, что рождает отдачу, которая и позволяет ему двигаться. 1.4 Удельный импульс и сила тяги Теперь рассмотрим, что такое удельный импульс. “Удельный импульс ракетного двигателя, — отношение тяги ракетного двигателя к секундному массовому расходу рабочего тела (производная от импульса тяги по расходуемой массе в данном интервале времени). Выражается в Н(∙)с/кг = м/с. На расчётном режиме работы двигателя совпадает со скоростью реактивной струи. Энергетический показатель эффективности двигателя.” 4 Нам нужен способ описания эффективности ракеты. Удельный импульс и есть этот способ.Удельный импульс количество времени, за которое 1кг топлива способен поддержать 9.8 Н тяги. Тяга сила, возникающая в результате взаимодействия двигательной установки с истекающей из сопла струёй расширяющейся жидкости или газа, обладающей кинетической 4 [1] 5 энергией . В основу возникновения реактивной тяги положен закон сохранения импульса. Реактивная тяга обычно рассматривается как сила реакции отделяющихся частиц. Точкой приложения её считают центр истечения — центр среза сопла двигателя, а направление — противоположное вектору скорости истечения продуктов сгорания (или рабочего тела, в случае не химического двигателя). Если у нас есть 2 ракеты, у одной из которых удельный импульс равен 3с, а у второй 300с. Какая из них эффективнее?Одна из ракет может поддержать тягу в 9.8Н в течение 3с , а другая поддерживает эту же тягу в течение 300с. Как можно использовать удельный импульс в формулах? Fthrust = (Δm/Δt)(Isp*9.8) Сила тяги равна произведению отношения массы топлива,расходуемого ракетой, и времени, за которое оно расходуется, на удельный импульс. Если у нас есть ракета,расходующая 100 кг топлива в секунду,с удельным импульсом 200 с,то сила тяги этой ракеты равна 20кН. 1.5 Формула Циолковского “Основное уравнение движения ракеты; впервые опубликовано К. Э. Циолковским.По Ц. ф. определяется максимальная скорость, которую может получить одноступенчатая ракета в идеальном случае, когда её полёт происходит не только вне пределов атмосферы, но и вне пределов поля тяготения Земли. Циолковский считает начальную скорость ракеты равной нулю. Ц. ф. часто записывается в виде: где u — скорость истечения продуктов сгорания из сопла ракетного двигателя; M0 — начальная (стартовая) масса ракеты; Mk — масса ракеты без топлива (в конце работы двигателя на активном участке траектории полёта ракеты); Мт — масса выгоревшего топлива. Отношение Мт /Мк — называется числом Циолковского. Ц. ф. можно пользоваться для приближённых оценок динамических характеристик полёта ракет и в тех случаях, когда 6 силы аэродинамического сопротивления и тяжести невелики по сравнению с реактивной силой. Циолковский обобщил формулу и для случая движения ракеты в однородном поле силы тяжести”. 5 Пусть отношение начальной массы (веса) ракеты к массе (весу) в конце горения равно 10 и пусть относительная скорость отбрасываемых частиц равна 3000 метров в секунду, тогда максимальная скорость ракеты будет равна Vmax=2,3*3000*1=6900м/с “Ц. ф. даёт только верхнюю границу скорости ракеты. Действительная (реальная) конечная скорость всегда будет меньше вследствие неизбежных потерь на преодоление силы тяготения при подъёме ракеты на высоту, сил аэродинамического сопротивления и др. Ц. ф. можно использовать для анализа лётных характеристик многоступенчатых ракет.” 6 5 [1] 6 [1] 7 ГЛАВА 2 Твердотельные и жидкостные ракетные двигатели. В этой главе будет рассказано о конструкциях твердотельных и жидкостных ракетных двигателях, об их сходствах и различиях, о плюсах и минусах. 2.1 конструкция РДТТ Конструкция РДТТ проста, он состоит из корпуса (камеры сгорания) и реактивного сопла. Камера сгорания является основным несущим элементом двигателя и ракеты в целом. Материалом для его изготовления обычно служит сталь. Сопло предназначено для разгона газов до определенной скорости и придания потоку требуемого направления. В корпусе находится топливо. Корпус двигателя обычно изготавливают из стали.Часть сопла, которая испытывает наибольшее напряжение, делается из графита, тугоплавких металлов и их сплавов, остальная часть — из стали, пластмасс, графита. (рис.2) Горючее в виде топливных зарядов помещается в камеру сгорания(см.рис.2). После старта горение продолжается до полного выгорания горючего, тяга изменяется по законам, обусловленным горением топлива, и практически не регулируется. Изменение тяги достигается использованием топлива с различными скоростями горения и выбором подходящей конфигурации заряда. При помощи воспламенителя компоненты топлива разогреваются, между ними начинается химическая реакция окислениявосстановления, и топливо постепенно сгорает. 8 При этом образуется газ с высоким давлением и температурой. Давление раскаленных газов при помощи сопла превращается в реактивную тягу, которая по своей величине пропорциональна массе продуктов сгорания и скорости их вылета из сопла двигателя. В современных твердотопливных двигателях большой мощности чаще всего применяют смесь перхлората аммония с алюминием и полиуретаном. Алюминий является основным источником тепловой энергии благодаря высокой теплотворности реакции окисления. Однако ввиду высокой температуры кипения оксид алюминия не может быть газом в ракетном двигателе и не может совершать работы при расширении в сопле. Поэтому основным источником газообразных продуктов является полимерное связующее. Удельный импульс такого топлива около 250 секунд. В военных применениях вместо перхлората аммония зачастую применяется динитрамид аммония, дающий больший удельный импульс. Однако он гораздо дороже и труднее в применении. Энергетика твердого ракетного топлива для боевых баллистических ракет повышается добавкой октогена в топливо, это несколько ухудшает эксплуатационные свойства, но позволяет достичь требуемых характеристик при существенно меньшей стартовой массе ракеты Твердые ракеты могут обеспечить высокую тягу при сравнительно низких затратах. По этой причине , РДТТ были использованы в качестве начальных(разгонных)этапов ракет(классический примерШаттл ) , а менее массивное водородное топливо использовалось на более поздних ступенях . Кроме того, твердые ракеты имеют долгую историю как финальный ускоритель для спутников изза их простоты, надежности и компактности. 2.2 Преимущества и недостатки РДТТ Преимущества твердотопливных ракетных двигателей: простота конструкции и обслуживания,которая достигается отсутствием баков с окислителем и горючим.Топливо,используемое в РДТТ, не токсично.Так же это топливотопливо длительного строения, что полезно в военных отрослях. 9 К недостаткам можно отнести низкий удельный импульс по сравнению ЖРД (270с),невозможность остановки работы двигателя после запуска и невозможность повторного запуска. 2.3 конструкция ЖРД “ ЖРД состоит из камеры сгорания с соплом, систем подачи компонентов топлива (горючего и окислителя) органов регулирования, зажигания и вспомогательных агрегатов (теплообменников, смесителей и др.). Подача топлива в ЖРД может быть НПТ или ВПТ . 7 8 Большинство камер сгорания охлаждается одним из компонентов топлива. Удельный импульс ЖРД с турбонасосным агрегатом достигает 335с для топлива кислород керосин и 428с для топлива кислород водород. Созданы ЖРД с тягой от долей Н (микроракетные двигатели) до неск. микроракетные двигатели (двигатели РН). Масса от неск. сотен г до 10 т. ЖРД осн. двигатель совр. космонавтики. Их применяют в качестве основных (маршевых), корректирующих,тормозных, рулевых. Жидкостные ракетные микродвигатели могут быть стабилизирующими, ориентационными, индивидуальными.” (См. рис.3) 9 (рис.3) 2.4 преимущества и недостатки ЖРД К преимуществам ЖРД можно отнести следующие:самый высокий удельный импульс в классе химических ракетных двигателей (свыше 4500 м/с для пары кислород — водород, для керосин — кислород — 3500 м/с). 7 Насосная подача топлива — подача топлива с помощью насосов, приводимых обычно газовой турбиной. 8 Вытеснительная подача топлива — подача его вытеснением из. б |
Скачать 22.75 Kb.