ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Расширение газа в сопловой части . Особенности сверхзвукового сопла и режимы его работы из "Основы техники ракетного полета " Основными характерными геометрическими параметрами сопла являются площадь критического и площадь выходного сеченпй. [c.173] Размеры критического сечения выбираются в зависимости от необходимого секундного расхода топлива и от давления в камере. [c.173] Полученное выражение связывает секундный расход с площадью критического сечения и с параметрами газа в камере сгорания. При проектировании двигателя секундный расход определяется по величине необходимой тяги, давлением ро в камере обычно задаются, температура То определяется характеристиками топлива, а размеры критического сечения выбираются так, чтобы удовлетворялось написанное выражение. [c.173] Таким образом, если удельная тяга характеризуется, как мы знаем, свойствами топлива и параметрами двигателя, то расходный комплекс в отличие от Ру зависит только (или почти только) от свойств топлива. И здесь вполне уместно остановиться на довольно курьезном, но поучительном ходе рассуждений. [c.174] Представим себе наивную попытку определить тягу ракетного двигателя (рис. 4.9) как силу, приходящуюся на неском-пенсированную площадь 5кр, т. е. [c.174] Прежде чем говорить о выходном сечении сопла, рассмотрим некоторое произвольно взятое его сечение с площадью 5. [c.176] Изменение параметров газового потока по ллине камеры кислородно-керосинового твигателя. [c.177] Типичный график изменения параметров потока вдоль оси сопла представлен иа рис. 4.10. Изменение параметров по длине камеры сгорания показано пунктиром, поскольку здесь эти зависимости недостаточно ясны и определяются местной полнотой сгорания. [c.177] Если вернуться к выражению (4.23), заменив в нем давление р давлением на выходе ра. [c.178] Это означает, что удельная тяга получена (очевидно, расчетом) при давлении 100 кгс1см в камере и 0,1 кгс см на срезе сопла. [c.178] Заметим попутно, что такая конкретизация выходного давления представляет собой следствие только конструктивных параметров сопла Значит, если обратиться к выражению (4.22), то выходное давле ие ра сказывается лишь на коэффициенте пустотной удельной тяги кр, который как раз и отражает роль сопловой части. Что же касается расходного комплекса р, то для него указывать давление на выходе нз сопла не имеет смысла. Можно лишь указать давление в камере, например, рюо- Да и то такое указание не всегда обязательно, поскольку, как мы уже знаем, р в зависимости от давления р меняется в очень малой степени. [c.178] Выражение (4.25) для Юа дает в наглядной форме также и представление о мере использования начальной энтальпии рабочего тела. При ра = О скорость Ша принимает значение Штгх-Это означает, что при ра = О энтальпия полностью преобразуется в кинетическую энергию потока, а при ра = О — только некоторая ее часть. [c.178] Коэффициент полезного действия всегда привлекает инженера своей числовой наглядностью, и, конечно, хочется узнать, что же дает сопло ракетного двигателя по сравнению с другими преобразователями энергии. Однако с огорчением можно заметить, что написарпюе выражение для термического к. п. д. следует рассматривать скорее как качественную, а не количественную характеристику. В основе всех до сих пор проведенных выкладок лежало предположение об адиабатическом течении газа постоянного состава, откуда и появился неизменно сопровождавший нас до сих пор показатель адиабаты к. Принятое упрощение не вносило сколь-либо существенных искажений в качественную картину течения газа по соплу. Но вот числовое значение термического к. п. д. довольно существенным образом зависит от показателя адиабаты. Если принять, скажем, как для воздуха, =1,4, то при ра/ро = 0.001 термический к. п. д. равен 0,78. При к= , 2 получаем т) = 0,68. [c.179] Число 1,2 представляет собой некоторое ориентировочное и осредненное значение так называемого показателя процесса. Заменяя этим числом показатель адиабаты к, можно в основном учесть подвод тепла, выделяющегося в потоке в результате рекомбинации продуктов сгорания и догорания топлива. Таким образом, порядковая оценка термического к. п. д. становится достаточно ясной. Но дело вовсе не в числах. Важна качественная сторона. Термический к. п. д. возрастает с увеличением сте-петт раситрения потока ро/ра. Поэтому ясно, что при проектировании сопла следует стремиться к увеличению степени расширения в той мере, в какой это позволяют обстоятельства. Однако этот вопрос не такой простой, как кажется на первый взгляд, и на этом необходимо остановиться подробнее. [c.179] Понятно, что степень расширения сопла лимитируется весовыми характеристиками. Увеличение размеров сопла приводит к увеличению веса, а если выигрыш в удельной тяге не перекрывает весовых потерь, то незачем сопло.дальше и увеличивать. В какой-то мере на выборе размеров сопла может сказаться и увеличение поверхности его охлаждения, хотя вблизи выходного сечения от проточного охлаждения можно бывает и вовсе отказаться. Но главное не в этом. До си. пор мы не обращали особого внимания на то, что ракетный двигатель (в данном случае речь идет о двигателе стартовой ступени ракеты-носителя) работает в условиях внешнего атмосферного давления, кстати, переменного по траектории. [c.180] чзвуковое сопло обладает счастливой особенностью. Параметры газа в камере сгорания и в сопловой части не зависят от внешних атмосферных условий. Атмосферные возмущения не могут проникнуть внутрь камеры навстречу потоку, текущему со скоростью большей скорости звука. Но всему бывает предел. В частности, есть предел и этому благополучию. [c.180] Когда сверхзвуковой поток истекающих газов врывается в окружающую атмосферу и затормаживается в ней, возникают ударные волны. Мы знаем, что скорость распространения ударной волны больше скорости звука, и тем больше, чем выше перепад плотности на границе волны. Значит, ударная волна может продвигаться и навстречу сверхзвуковому потоку, был бы для этого достаточен перепад давления и плотности. А такой перепад может образоваться при высоком давлении окружающей среды и относительно низком давлении ра. Ударная волна для сопел большого расширения располагается в более угрожающей близости от выходного сечения, чем для соиел малого расширения, и входит в сопло, если мы неосмотрительно выберем степень расширения сопла сверх определенной меры. Поток при этом будет затормаживаться уже внутри сопла, и все наши усилия, направленные на возможно полное преобразование энтальпии в кинетическую энергию, не будут оправданы. [c.180] Конечно, оппсанный процесс представлен нарочито упрощенно. Образуется в действительности не одна прямая волна, а несколько косых, которые протшают в сопло не прямо, в лоб. [c.180] Именно переход на высокие давления в камере позволил за последние два десятилетия существенно поднять удельную тягу двигателей за счет увеличения коэффициента кр (4.22), не говоря уж о переходе на более высококачественные топлива (расходный комплекс 3). Но здесь все-таки уместно подчерк 1уть и различие между двигателями стартовых ступеней и двигателями последующих ступеней носителя, работающими в верхних слоях атмосферы или вообще за ее пределами. Ясно, что для последних выдерживать достаточно высокое давление на выходе из сопла нет необходимости. В условиях окружающего вакуума поток может беспрепятственно расширяться, и никакого скачка в сопло извне не проникнет. А поскольку давление на выходе ра можно допустить очень низким, то высокая степень расширения потока ро/ра достигается при относительно невысоком давлении в камере ро. Это важное обстоятельство как раз и позволяет для космических ступеней применять вытеснительную подачу, конечно, если это целесообразно по ряду соображений, связанных с многократностью запуска и соображениями надежности. [c.181] Вернуться к основной статье