Материал: Основы проектирования РН Куренков

Алгоритм определения длины цилиндрического бака

1. Определяется объём компонента топлива WКТ с поправкой на объёмы арматуры, магистралей и др. по формуле WКТ kамWОк i или

WКТ kамWГ i , где kам 1,03...1,05 - поправочный коэффициент.

2. Определяется высота сферической части днища h. Формулу для расчёта можно получить из геометрических соображений:

h R OA R R cos R 1 cos .

следующих равносильных формул, известных из геометрии:

226

Следует заметить, что из объема компонента топлива WКТ вычитается объем только одного днища (части сферы) Wсф , так как при

предварительных расчетах можно принять, что он топливом не заполнен и используется для организации наддува бака.

5. Находится длина цилиндрической части бака по формуле

Расчёты удобно проводить с помощью системы Excel. В качестве примера в табл. 10.2 представлены результаты расчета масс и объёмов компонентов топлива для ракетных блоков (РБ), а в табл. 10.3 – результаты расчёта геометрических размеров баков цилиндрической формы.

Таблица 10.2. Массы и объемы топлива

Если форма баков сложная, то расчет габаритов можно проводить методом последовательных приближений, задаваясь размерами бака и вычисляя его объем.

227

10.3.5. Особенности компоновки твердотопливных отсеков

Твердотопливные отсеки РН представляют собой, по сути, камеры сгорания больших габаритов, в которых располагаются твердотопливные заряды. Корпуса твердотопливных отсеков, в отличие от топливных отсеков с жидкими компонентами топлива, должны выдерживать большие внутренние давления и значительные тепловые потоки. Основные требования, предъявляемые к твердотопливным зарядам (не считая рассмотренных ранее: высокого удельного импульса, высокой плотности, малой стоимости и других требований, которые были рассмотрены в разделе 7), следующие.

1.Обеспечение заданной силы тяги двигателя (достигается за счет горения определенной площади поверхности заряда).

2.Небольшое изменение тяги в процессе работы двигателя (достигается за счет малого изменения общей площади горения твердотопливных зарядов).

3.Малая зависимость силы тяги (скорости горения) от начальной температуры твёрдотопливного заряда.

4.Малое воздействие высоких температур на силовой корпус двигателя.

5.Малая склонность к трещинообразованию в процессе длительного хранения и горения заряда.

6.Простота технологии изготовления и монтажа заряда.

Форма заряда в значительной степени влияет на значение силы тяги двигателя и изменение её в процессе горения заряда. Основная причина связана с изменением площади горения, как это схематично показано на рис. 10.18 для трех форм заряда.

Постоянство площади горения (требование 2) обеспечивается только при использовании схемы а). Однако она неприемлема из-за низкой тяги (не удовлетворяет требованию 1).

Из многочисленных возможных форм зарядов лишь немногие по своим характеристикам подходят для ракетных двигателей твердого топлива ракет-носителей.

На рис. 10.19 показаны формы заряда, при использовании которых обеспечивается большая площадь горения и тяга двигателя изменяется незначительно по времени.

228

Рис. 10.18. Влияние формы заряда на изменение силы тяги двигателя по времени

а

б

в

Рис. 10.19. Формы зарядов твердого топлива:

азаряд телескопической формы; б заряд с продольными щелями;

взаряд со звездообразным каналом

229

Чтобы исключить прямое воздействие горячих газов на стенку корпуса твердотопливного двигателя, его внутренние поверхности покрываются инертной бронировкой. В этом случае корпус можно делать из неметаллических материалов. Изготовление таких корпусов может быть обеспечено намоткой стекловолокна, пропитанного эпоксидной смолой, непосредственно на внешнюю поверхность топливного заряда [15].

При изготовлении твердотопливных ракетных блоков больших габаритов их корпуса, как правило, делают многосекционными, как это показано на рис. 10.20. На этом рисунке введены следующие обозначения: 1 - днище с воспламенителем; 2 - секция РДТТ; 3 - бронировка зарядов.

Рис. 10.20. Компоновочная схема многосекционного твердотопливного двигателя

Многосекционные корпуса твердотопливных ракетных блоков используются на боковых ускорителях Спейс Шаттл.

В процессе создания РН «Энергия» рассматривался вариант с твёрдотопливными боковыми ускорителями, которые имели следующие характеристики [47]:

-максимальный габаритный диаметр - 3,6 м;

-длина - 44,92 м;

-степень расширения сопла - 2,8;

-масса конструкции - 60 т;

-масса топлива - 460 т;

-масса снаряженного двигателя - 520 т;

-время работы на установившемся режиме полета - 124 с;

-полное время работы - 138 с;

-максимальное давление в камере сгорания – 6,8 МПа;

-удельный импульс - 2630 м/с;

230