Жидкостные ракетные двигатели. В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные
 Скачать 4.57 Mb.
|
|
Рис.50 Формы баков, применяемых на ЛА: а — цилиндрический; б — шаровые; в - эллипсоидальные; г — тороидальные; д - бак, состоящий из сегментов. Сферические баки, рис.50 б, по сравнению со всеми другими формами баков получаются наиболее легкими. Однако плотность компоновки сферических баков в корпусе летательного аппарата существенно меньше по сравнению с цилиндрическими. Поэтому сферические баки целесообразно применять только тогда, когда их диаметры равны поперечным размерам корпуса летательного аппарата, либо существенно меньше, позволяет создавать более плотную компоновку набором сферических баков внутри корпуса. Эллипсоидальные, рис.50 в, и тороидальные, рис-50 г, баки имеют хорошие прочностные качества и при определенных условиях обеспечивают достаточно плотную компоновку (например, при применении торовых баков, если внутри торов размещается какой-либо поле груз или проходит труба и тд.). Иногда в летательных аппаратах применяются баки более сложной формы. Так, например, для получения формы бака, близкой к прямоугольной его стенки могут быть выполнены из отдельных сегментов, скрепленных между собой стяжками, рис.50 д. Расположение топливных баков на летательном аппарате определяется прежде всего особенностями его конструктивно-компоновочной схемы. Однако на выбор месторасположения баков прежде всего влияют требования по центровке ЛА, от которой зависят продольная устойчивость его движения и динамические характеристики управления. Центровка ЛА по времени зависит от взаимного расположения топливных баков по длине корпуса ЛА, величины и направления действующих продольных и поперечных перегрузок, формы и компоновки топливных баков, рис.51.  Рис.51 Влияние исходного положения топлива в баке на центровку JIA: а—у заднего днища; б - вдоль обечайки; в - у переднего днища; г - наклонно к оси ЛА Таким образом, конструктивные особенности топливных баков определяются как особенностями летательных аппаратов, так и специфическими особенностями пневмогидравлических систем ЖРДУ. Поэтому выбор проектных параметров и конструкции топливных баков должен осуществляться при проведении тщательного анализа как параметров пневмогидравлической системы ЖРДУ, так и конструкции летательного аппарата. 7. Система охлаждения камер ЖРД 7.1. Физическая картина теплообмена в камере ЖРД На рисунке представлено распределение температуры в системе "полоссть камеры сгорания - внутренняя стенка камеры ЖРД - зарубашеч-ное пространство", т.е. рассматривается процесс теплопередачи между газообразной и жидкими средами, разделёнными твёрдой стенкой. Условные обозначения к рис.52: Тг, Тохл, ТСТ1, Тст2 - температуры газового потока, охладителя в зару-оашечном пространстве и поверхностей внутренней стенки, соответственно, К; Wr и W0XJI - скорости теплового потока и охладителя, соответственно, м/с.  qx - суммарная плотность газового потока, воздействующая на внутреннюю стенку камеры сгорания, Вт/м2;  ar - коэффициент теплоотдачи от газа к внутренней стенке камеры ЖРД, Вт/м2К.  Рис.52 Распределение температуры в камере ЖРД В первоначальный момент времени при запуске двигателя температура внутренней стенки со стороны газа и охладителя изменяются с течением времени; причём темп изменения температур может быть неодинаков. Такой тепловой режим называется нестационарным или неустановившимся.  Через некоторый период времени наступает установившийся (стационарный) режим, который характеризуется постоянством параметров (Тст1, Тст2) рассматриваемого процесса (при неизменных режимных параметрах теплообмена qi, Tr и Тохл). Суммарная плотность теплового потока, воспринимаемая внутренней стенкой камеры ЖРД, может быть определена следующим образом:  где: qK и qл - плотности теплового потока, воспринимаемые внутренней стенкой камеры ЖРД, обусловленные явлениями конвекции и лучистого теплообмена, соответственно.  92  где: Сn - приведенный коэффициент лучеиспускания.  7.2. Распределение плотности теплового потока по длине камеры ЖРД Величина плотности теплового потока и её распределение по Длине камеры ЖРД в основном определяется следующими параметрами, рис.53:  Рис.53 Изменение параметров газового потока по длине камеры ЖРД
Величина конвективной составляющей плотности теплового потока qK в основном определяется массовой скоростью рабочего тела (Wr pr) и величиной площади поперечного сечения (F):  Величина конвективной составляющей плотности теплового потока qK в основном определяется массовой скоростью рабочего тела (Wr pr) и величиной площади поперечного сечения (F):  Величина лучистой составляющей плотности теплового потока зависит от температуры газового потока Тг:   Как видно из рис.53 максимальное значение суммарной плотности теплового потока qs; max наблюдается в зоне критического сечения сопла и в некоторых случаях указанная величина может достигать 60 МВт/м2, что определяет необходимость создания эффективной тепловой защиты. 7.3. Классификация систем охлаждения ЖРД. Внешнее охлаждение Проточное охлаждение - это охлаждение элементов, за счет обтекания поверхности нагрева охладителем с внешней стороны. При автономном охлаждении охладитель после отбора тепла с внешней стороны стенки направляется не в камеру сгорания, а отводится к другим элементам или узлам (схема ЖРД с газификацией охладителя в зарубашечном пространстве). При регенеративном охлаждении в качестве охладителя используется один из компонентов топлива, который после прохождения по зарубашечно-му пространству направляется в камеру сгорания. При радиационном охлаждении отвод тепла с внешней стороны элемента осуществляется за счет излучения. На рис.54 представлена классификация систем охлаждения ЖРД.  Рис.54 Классификация систем охлаждения ЖРД 7.4. Требования, предъявляемые к внешнему (наружному) охлаждению Основное требование, обеспечивающее создание эффективного внешнего охлаждения может быть сформулировано следующим образом: 1 охп < T охя.доп , где: Тохг.Тоа.доп - действительная и допустимая температура охладителя, соответственно. Величина Тохл.доп выбирается исходя из следующих условий: 1) Т охл < T кип * где: Tкип, - температура кипения компонента в зарубашечном пространстве камеры ЖРД . В противном случае в зарубашечном пространстве будет наблюдаться увеличение давления, что может привести к нарушению целостности конструкции, а за счет образования паровых пробок - к изменению гидродинамики потока. 2) T охл < T разл  где: Тразл - температура разложения компонента протекающего по заруба-шечному пространству. В противном случае на стенках охлаждающего тракта может начаться процесс смолообразования вещества, что приведет к увеличению термического сопротивления стенки, а, следовательно, к росту величины температурного градиента в ней. Кроме того, образования летучих продуктов при разложении компонента может отрицательно сказаться на работе форсунок смесительной головки камеры ЖРД.3) Скорость течения охладителя WOXJI должна быть равна своему рас четному значению. Невыполнение этого условия может привести к существенному увеличению величины гидравлического сопротивления охлаждающего тракта зарубашечного пространства камеры ЖРД. 4) Компонент должен обладать малыми значениями вязкости корро зионной активности и температуры замерзания. При этом значение теплоем кости, температуры кипения и разложения компонента желательно иметь мак симально большими. Обычно в качестве охладителя используется горючее, однако в некоторых случаях (при недостатке горючего) в качестве охладителя может использоваться окислитель. 7.5. Внутреннее охлаждение При указанной схеме охлаждения охладитель вводится во внутреннюю полость камеры сгорания, создавая при этом простеночный слой газа с пониженной температурой. Охладитель должен обладать повышенными значениями теплоемкости, температуры кипения и диссоциации. Для внутреннего охлаждения обычно используют горючее (водород, монометил, гидрозин). При внутреннем охлаждении подача охладителя в камеру ЖРД может осуществляться следующими способами: 1) через периферийные форсунки, расположенные по внешнему диаметру головки камеры, рис.55. Этот способ охлаждения наиболее прост по своему конструктивному выполнению. Однако, пристеночный слой газа с пониженной температурой отрывается от поверхности внутренней стенки, вследствие интенсивного вихревого движения в камере и пульсации давления в ней. Поэтому для обеспечения эффективного охлаждения внутренней стенки камеры ЖРД могут быть использованы пояса завес.  Рис.55 Охлаждение периферийными форсунками 1) через пояса завес, которые представляют собой ряд мелких (обычно тангенциальных) отверстий, выполненных во внутренней стенке камеры. Указанные отверстия могут иметь форму окружности или кольцевой щели.  Рис.56 Пояса завес Обычно пояса завес выполняются перед наиболее теплонапряженны-ми зонами камер ЖРД. Для ЖРД малых тяг, используемых на высотах до 5км, как правило, достаточно иметь только завесное охлаждение. 3) через пористые вставки (транспирационное охлаждение). Охладитель подается в камеру ЖРД через вставки, выполненные из пористого материала, уставленные во внутренней стенке камеры. В качестве преимущества указанного способа охлаждения необходимо отметить равномерное распределение охладителя по внутренней поверхности камеры. К недостаткам транс-пирационного охлаждения можно отнести высокое гидравлическое сопротивление материала вставок, пониженное значение прочности, сложность закрепления вставки в стенке камеры, а также зашлаковывание пористых вставок в процессе эксплуатации. 7.6.Система теплозащитных покрытий (ТЗП) Использование ТЗП на наиболее теплонапряженных элементах двигательной установки при неизменных внешних тепловых нагрузках позволяет снизить габаритно-массовые характеристики ДУ на 15-20 %, если бы обеспечение нормативно-прочностных характеристик осуществлялось путем увеличения толщины элементов конструкции или постановкой дополнительных ребер жесткости. Различают активные и пассивные ТЗП. К пассивным ТЗП относятся теплоизоляционные и емкостные, а к активным (аблирующим) - сгорающие, коксующиеся и испаряющиеся. Абляция - комплексный процесс разрушения материала, включающий нагрев, плавление, испарение, разрушение и механический унос материалов. Процесс абляции является планируемым, то есть толщина покрытия зависит от условий эксплуатации и может быть рассчитана. Условия работы стенок камеры осложнены тем, что вследствие неравномерности смешения компонентов топлива даже при значениях среднего коэффициента избытка окислителя меньше единицы вблизи стенок могут возникать местные участки с наличием свободного окислителя. При высокой температуре окисление металлов протекает очень быстро и может привести к прогоранию стенок. Высокие скорости газового потока в сопле способствуют эрозии — размыванию материала стенки. Процесс эрозии усиливается при достижении стенками температуры размягчения материала, а также при наличии в потоке твердых частиц (сажа, твердые продукты полного и неполного горения). Эрозия может привести к недопустимому уменьшению толщины стенок камеры и их разрушению. Таким образом, для обеспечения надежной работы стенок камеры требуется защита их от чрезмерного нагрева, окисления (коррозии) и размывания (эрозии). Основным требованием, предъявляемым к системам защиты стенок, является надежное обеспечение необходимого ресурса при минимальном снижении удельной тяги и минимальном увеличении веса камеры. Емкостные ТЗП На аккумуляции тепла стенками камеры в процессе нестационарного теплообмена с газом основан метод так называемого емкостного охлаждения камеры. Очевидно, что время безопасной работы камеры при емкостном охлаждении будет ограничено временем, за которое температура огневой по-верхности достигнет предельно допустимой, которая близка к температуре плавления материала; при этом глубинные слои стенки должны обеспечивать необходимую прочность. Время достижения опасной температуры зависит от уровня температуры плавления или сублимации для данного материала, его теплоемкости и теплопроводности. Чем выше теплоемкость материала, тем большее количество тепла может аккумулироваться в массе стенки, тем медленнее будет расти температура стенки со стороны газа. Увеличение теплопроводности материала позволяет быстрее отводить тепло от огневой поверхности и также замедляет рост Тст.г. Различные материалы имеют различные сочетания значений теплоемкости и теплопроводности, поэтому в одинаковых условиях время безопасной заботы для них различно. Время безопасной работы медной стенки, несмотря на ее более низкую, чем у стали, температуру плавления и примерно одинаковую теплоемкость, существенно больше. Причина в значительно большей теплопроводности меди. В стальной стенке тепло, воспринятое огневой поверхностью, не отводится в глубь стенки с такой же скоростью, как в медной, поэтому температура поверхности возрастает очень быстро, в то время как соседние слои материала относительно холодные. Таким образом, теплоемкость стальной стенки используется лишь частично, а время безопасной работы лимитируется теплопроводностью. Материалы, относящиеся к емкостным ТЗП должны обладать хорошими теплоаккумулирующими способностями при высоких значениях температуры разрушения материала (вольфрам, молибден, медь и т.д.). Теплоизоляционные ТЗП Защита стенок камеры облегчается при использовании материалов, более тугоплавких, чем современные конструкционные металлы. Такими материалами являются карбиды и окислы металлов, различные виды огнеупорной керамики и металлокерамики, графиты, обладающие низкими значениями коэффициента теплопроводности. В связи с более высокой температурой плавления возможно повышение температуры стенки со стороны газа и, следовательно, снижение тепловых потоков в стенку. Некоторые современные керамические материалы хорошо противостоят нагреву, химическому и эрозионному воздействию газового потока, однако имеют и существенные конструктивные и эксплуатационные недос- татки. К ним относятся довольно низкое сопротивление разрыву и изгибу, хрупкость (опасны удары и сотрясения) и недостаточное сопротивление тепловому удару: керамика склонна к растрескиванию при быстром изменении температуры (запуск или остановка двигателя). Тугоплавкие материалы могут применяться для изолядии основного материала стенки со стороны огневой поверхности. Так как тугоплавкие покрытия имеют обычно низкую теплопроводность, то температура основного материала значительно ниже температуры огневой поверхности. Как видно, в этом случае низкая теплопроводность не является недостатком (если температура плавления покрытия достаточно высока). Изменение температуры в основном материале, имеющем большую теплопроводность, менее значительно. Толщина тугоплавких покрытий составляет 0,1— 0,6 мм. Уместно отметить, что аналогичную керамическим покрытиям роль в эксплуатации двигателя выполняют плохо теллопроводящие отложения сажи, кокса и шлака. Тугоплавкие материалы лучше нержавеющей стали по таким показателям, как допустимая температура, удельный вес, теплоемкость, коэффициент линейного расширения. В качестве примера можно назвать покрытую керамикой "Ниафракс А" камеру ЖРД американского управляемого снаряда "Найк", работающую без жидкостного охлаждения 35 сек. (Компоненты топлива - углеводородное горючее с азотной кислотой, Т гор = 2780°С). Экспериментальные сопла, выполненные из "Ниафракса", работали в условиях ЖРД до 60 сек. Аблирующие ТЗП При организации теплозащиты абляцией материал стенок должен обладать высокой теплотой плавления или сублимации и в то же время - низкой теплопроводностью. В этом случае количество тепла, отводимого уносимым материалом, преобладает над количеством тепла, аккумулируемого в сохраняющихся слоях материала стенок. При расчете характеристик ЖРД, сопло которого имеет теплозащиту абляцией, необходимо учитывать изменение площади проходных сечений сопла (прежде всего критического ) по времени. Теплозащитные покрытия, полученные на основе полимерных материалов, являются практически единственными теплозащитными системами, позволяющими наиболее эффективно защищать конструкцию ДУ от воздействия высокотемпературных газовых потоков. Указанное обстоятельство определяется многообразием форм поглощения тепловой энергии полимерными материалами в результате их плавления, сублимации и деструкции. Большинство исследователей при рассмотрении механизма работы полимерных ТЗП указывает на образование при термодеструкции в полимерных покрытиях трёх подвижных зон взаимодействия со средой:
- зона практической незатронутости материала. Теплозащитные свойства полимерных ТЗП складываются из их спо собности поглощать и задерживать тепло (химические факторы абляции) и противостоять механической эрозии газовой струи (механические факторы абляции). Факторы химической абляции. Тепло, подводимое к поверхности ТЗП, первоначально поглощается за счёт большой теплоёмкости полимеров, а скорость продвижения изотермы ограничивается малой теплопроводностью. Однако замедление продвижения тепла вглубь материала приводит к резкому увеличению температуры в поверхностных зонах покрытий, что ускоряет деструкцию материала полимеров. Дальнейшее поглощение части тепловой энергии, подводимой к ТЗП, осуществляется за счёт различных фазовых превращений, претерпеваемых полимерным материалом в процессе прохождения термодеструкции. Выделяющиеся при термодеструкции газообразные продукты, диффундируя в окружающую среду, охлаждают нагретые внешние слои материала, тем самым дополнительно поглощая ещё некоторое количество тепловой энергии. Указанный "термоблокирующий" эффект зависит от количества материала подвергнутого деструкции; скорости абляции материала и энтальпии газового потока. Кроме того, немаловажное значение на величину поглощённого тепла оказывают состав и количество газообразных продуктов деструкции. Наибольший теплрпоглощающей способностью отличаются летучие продукты, содержащие большое количество водорода. Следующий возможный фактор, в результате которого поглощается ещё некоторая часть тепловой энергии - поглощение тепла за счёт излучения нагретой поверхностью. В данном случае тепловое излучение зависит, в основном, от степени нагрева поверхности материала и определяется уравнением Стефана-Больцмана, как функция температуры поверхности в 4-й степени. Отсюда следует, что наибольшей излучательной способностью должны обладать полимерные материалы, у которых процессы абляции сопровождаются более высоким нагревом поверхности (т.е. материалы, содержащие неорганические наполнители, различные обуглероженные материалы и т.п.). Исходя из вышеизложенного, следует, что тепловой баланс на поверхности аблирующего ТЗП состоит из слагаемых поглощения подводимого тепла за счёт:
- выделения летучих продуктов деструкции и излучения. При этом следует отметить, что указанные реакции имеют место только в двух первых подвижных зонах, тогда как третья зона (зона незатронутого материала) несёт на себе функции теплоизоляционного и конструкционного материала. Механические факторы разрушения обусловлены в основном термическими и механическими эффектами. Согласно работам ряда исследователей, разрушение полимерных ТЗП, их эрозионный унос, складывается из разрушения материалов вследствие больших термических напряжений, сублимации, испарения, а также чисто механической эрозии покрытий. Устойчивыми оказались ТЗП, полученные на основе коксующихся полимером, способных образовывать при термодеструкции прочный поверхностный слой, предохраняющий нижележащие слой полимера от интенсивного разрушения. Величина и прочность образованного поверхностного слоя в ряде случаев является единственной определяющей величиной эрозионной стойкости полимерных ТЗП. Одним из наиболее эффективных методов упрочнения поверхностного слоя ТЗП, образованного при термодеструкции коксующихся полимеров, оказалось отложение в порах кокса вторичных продуктов. При термодиструкции подавляющего большинства полимерных ТЗП в струе ЖРД создаются благоприятные термические условия для получения пироуглерода (пиролитического графита), отложение которого на внутренней поверхности стенок пор способствует значительному улучшению физико-механических и теплофизических свойств поверхностного слоя ТЗП. В литературе приводится прямая взаимосвязь между способностью полимеров образовывать пироуглерод и эрозионной стойкостью ТЗП. Наиболее прочный поверхностный слой образуется при термодиструкции полимерных ТЗП, полученных на основе коксующихся полимеров и содержащих в своём составе большое количество атомов углерода. Кроме того, на прочностные характеристики твёрдых продуктов пиролиза существенное влияние оказывает количественное содержание в полимере кислорода, способного вызывать преждевременное окисление образующихся при пиролизе обуглероженных продуктов. На эрозионную стойкость полимерных ТЗП определённое влияние, помимо прочности поверхностных слоев, образующихся при термодиструкции, оказывает величина механической прочности ТЗП в исходном состоянии. Экспериментально доказано, что чем больше прочность полимера (величина его разрывного напряжения), тем дольше период разрушения материала. Однако, исходя из механизма эрозии, представляющего собой процесс разрушения материала за счёт упругих и пластических деформаций, следует ожидать, что указанное равенство справедливо лишь в случае сохранения материалом некоторой эластичности. Положительное влияние эластичности полимеров на их эрозионную стойкость состоит в уменьшении абразивного износа покрытий за счёт срезывающих усилий, имеющих место при проявлении пластической деформации. Таким образом, основными требованиями предъявляемыми к полимерным материалам, предназначенным для создания ТЗП, являются:
Сгорающие ТЗП Они представляют собой твердотопливную систему, состоящую из горючего и окислителя, причем элементов, являющихся горючим существенно больше по сравнению с тем количеством, которое обеспечивало бы эффектив ный процесс горения. Продукты сгорания такого ТЗП имеют существенно меньшую температуру, по сравнению с основным газовым потоком, что определяет возможность создания более холодного пристеночного слоя. В случае использования указанного типа ТЗП необходимо определить оптимум между толщиной покрытия и массовыми характеристиками двигательной установки для обеспечения создания тепловой защиты. Обычно указанный тип используется для бронировки твердотопливных зарядов РДТТ. Коксующиеся ТЗП Они представляют собой матричную систему на основе фенольных смол или каучука. При этом в качестве наполнителя используются асбест, стекло или нейлон. Температура материала, уносимого газовым потоком, существенно ниже по сравнению с температурой самого потока. Коксовый остаток, образовавшийся на поверхности ТЗП, имеет плотную структуру, что определяет постоянство сечений каналов. Коксующие ТЗП могут использоваться вторично при условии их последующей пропитки фенольными смолами. Испаряющиеся ТЗП Они представляют собой сотовую конструкцию. В качестве материала, образующего соты используются пористые вольфрам или молибден, а в качестве наполнителя - медь. |
;
;