Ракетно-прямоточные двигатели на твёрдых и пастообразных топливах. Основы проектирования и экспериментальной отработки
Научное
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Воздушный транспорт
Издательство:
Физматлит
Год издания: 2010
Кол-во страниц: 320
Дополнительно
В книге изложены основы комплексного проектирования и экспериментальной отработки
интегральных ракетно-прямоточных двигателей (РПД) на твёрдых и пастообразных топливах.
Центральное место в книге занимают методы расчёта, проектирования и стендовой отработки
маршевых газогенераторов, узлов регулирования расхода топлива, прямоточных камер сго-
рания и стартовых ракетных двигателей. Приведены конструктивно-компоновочные схемы и
типовые узлы РПД.
Издание предназначено научным работникам и инженерам, занимающимся разработкой,
проектированием и испытаниями высокоскоростных летательных аппаратов и двигательных
установок на основе РПД на твёрдых и пастообразных топливах. Книга будет полезна
аспирантам и студентам старших курсов авиа- и ракетостроительных специальностей высших
технических учебных заведений.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Сорокин В.А. Яновский Л.С. Козлов В.А. Суриков Е.В. и др. Ракетно-прямоточные двигатели на твёрдых и пастообразных топливах МОСКВА ФИЗМАТЛИТ ®
УДК 629.7.036.22.001(024) ББК 68.52 О 75 А в т о р с к и й к о л л е к т и в : С о р о к и н В. А., Я н о в с к и й Л. С., Ко з л о в В. А., Су р и к о в Е. В., Ш а р о в М. С., Ф е л ьд м а н В. Д., Ф р а н цк е в и ч В. П., Ж и в о т о в Н. П., Аб а ш е в В. М., Ч е р в а к о в В. В. Ракетно-прямоточные двигатели на твёрдых и пастообразных топливах. Основы проектирования и экспериментальной отработки. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. — 320 с. — ISBN 978-5-9221-1239-0. В книге изложены основы комплексного проектирования и экспериментальной отработки интегральных ракетно-прямоточных двигателей (РПД) на твёрдых и пастообразных топливах. Центральное место в книге занимают методы расчёта, проектирования и стендовой отработки маршевых газогенераторов, узлов регулирования расхода топлива, прямоточных камер сгорания и стартовых ракетных двигателей. Приведены конструктивно-компоновочные схемы и типовые узлы РПД. Издание предназначено научным работникам и инженерам, занимающимся разработкой, проектированием и испытаниями высокоскоростных летательных аппаратов и двигательных установок на основе РПД на твёрдых и пастообразных топливах. Книга будет полезна аспирантам и студентам старших курсов авиа- и ракетостроительных специальностей высших технических учебных заведений. ISBN 978-5-9221-1239-0 c⃝ ФИЗМАТЛИТ, 2010 c⃝ Коллектив авторов, 2010
ОГЛАВЛЕНИЕ От авторов . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 6 Предисловие . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 8 Г л а в а 1. Конструктивно-компоновочные схемы интегральных ракетнопрямоточных двигателей на твердом и пастообразном топливах . . .. . . 10 1.1. Ракетно-прямоточные двигатели для ракет класса «поверхность–воздух» 15 1.2. Ракетно-прямоточные двигатели для ракет класса «воздух–воздух» и «воздух–поверхность» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3. Ракетно-прямоточные двигатели для артиллерийских снарядов и ракет класса «поверхность–поверхность» . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.4. Проблемы и тенденции развития при создании РПД . .. . . . . . . . . . . . . . . 34 Г л а в а 2. Проектирование стартово-разгонных двигателей на твердых и пастообразных топливах. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.1. Типы стартово-разгонных ступеней . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.2. Расчет и проектирование РД со сбрасываемым соплом . .. . . . . . . . . . . . . . 58 2.3. Расчет и проектирование бессоплового РД. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 75 2.4. Расчет и проектирование воспламенительных устройств, теплозащиты и других систем РД . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 2.4.1. Расчет и проектирование воспламенительных устройств . .. . . . . . . . . . 83 2.4.2. Выбор материалов корпусных узлов и деталей . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . 87 2.4.3. Проектирование теплозащитных покрытий элементов конструкции . .. . 88 2.4.4. Проектирование топливных зарядов . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 2.4.5. Проектирование сопловых блоков . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 99 Г л а в а 3. Проектирование маршевых РПД на твердом и пастообразном топливах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.1. Твердые и пастообразные топлива РПД. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.1.1. Твердые топлива . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.1.2. Пастообразные топлива . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Оглавление 3.2. Расчет и проектирование газогенераторов РПДТ и РПДП . .. . . . . . . . . . . 128 3.2.1. Расчет поверхности горения заряда твердого топлива . . . . . . . . . . . . . 128 3.2.2. Расчет поверхности горения заряда пастообразного топлива . .. . . . . . . 133 3.2.3. Расчет характеристик рабочего процесса в газогенераторе . .. . . . . . . . 139 3.2.4. Расчет горения заряда и характеристик рабочего процесса в газогенераторе с учетом аэронагрева и аэроохлаждения . .. . . . . . . . . . . . . . . .. . . 143 3.2.5. Расчет и проектирование воспламенителя заряда, выбор материалов стенок и теплозащиты газогенератора . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 3.2.6. Проектирование компенсаторов температурных усадок пастообразного топлива . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 154 3.3. Расчет и проектирование регулятора расхода маршевого топлива РПД. .. . 170 3.3.1. Расчет проходных сечений регулятора расхода и определение закона горения топлива . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . 171 3.3.2. Оптимизация характеристик регулятора расхода топлива . .. . . . . . . . . 176 3.3.3. Определение массогабаритных характеристик регулируемого газогенератора . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 3.4. Расчет и проектирование камер сгорания РПД . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 3.4.1. Факторы, влияющие на эффективность рабочего процесса . .. . . . . .. . . 193 3.4.2. Распространение газогенераторных струй в камере сгорания . .. . . .. . . 199 3.4.3. Эффективность смешения и горения в камере сгорания . .. . . . . . . . . . 208 3.4.4. Расчет тягово-экономических характеристик двигателя . .. . . . . . . . . . 238 Г л а в а 4. Экспериментальная отработка РПД на твердых и пастообразных топливах . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 242 4.1. Этапы и виды испытаний. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . 242 4.2. Наземная стендовая отработка РПД . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 250 4.2.1. Исследование горения топлив в модельном газогенераторе РПД . .. . . . 250 4.2.2. Исследование газодинамики и смесеобразования в моделях камер сгорания РПД . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 4.2.3. Исследования по выбору геометрии тракта модельного двигателя и базовых режимов испытаний РПД . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 260 4.3. Огневые стендовые испытания РПД . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 265 4.3.1. Стенд для наземных огневых испытаний . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 265 4.3.2. Методика проведения огневых испытаний и обработки экспериментальных данных . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 268 Приложение. Энергоемкие компоненты твердых и пастообразных топлив . . 275 П.1. Металлы и неметаллы. Общая характеристика . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 П.2. Гидриды металлов. Общая характеристика . .. . . . . . . . . .. . . .. .. . . . . . . . 293 Список основных сокращений . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 Список литературы . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
Посвящается 80-летию Государственного научного центра Российской Федерации ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова» и 65-летию ОАО «Машиностроительное конструкторское бюро «Искра» имени И.И. Картукова»
ОТ АВТОРОВ К числу основных направлений развития тактического ракетного вооружения в настоящее время относится совершенствование двигательных установок на базе ракетно-прямоточных двигателей (РПД) на твердых и пастообразных топливах. Особенностью этих типов двигателей является то, что они создаются в качестве интегрированной с летательным аппаратом системы, что предопределяет методологию их комплексного проектирования и экспериментальной отработки. Точность результатов определения параметров рабочего процесса, геометрических и тягово-экономических характеристик и надежность создаваемых РПД в значительной мере определяются степенью совершенства как теоретических основ и инженерных методов проектирования, так и экспериментальной отработки двигателей. Этот фактор и обусловливает необходимость и актуальность постоянного развития научно-методического и инженерного обеспечения проектно-конструкторских работ в области ракетно-прямоточных двигателей на твердых и пастообразных топливах. Коллективом авторов из ЦИАМ и МКБ «Искра» в 2006 г. была опубликована монография, посвященная разработке основ теории и математических моделей как отдельных узлов, так и прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердых топливах в целом. Настоящая книга посвящена разработке методов комплексного проектирования и экспериментальной стендовой отработки РПД на твердых и пастообразных топливах и является логическим продолжением предшествующей монографии. Книга написана, в основном, по опубликованным материалам авторов, при этом ряд материалов заимствован из отечественных и зарубежных публикаций. Предисловие написано членом-корреспондентом Российской академии наук доктором технических наук профессором О. М. Алифановым, глава 1 — В. А. Сорокиным, Е. В. Суриковым, М. С. Шаровым, Н. П. Животовым, В. М. Абашевым, В. В. Черваковым, Л. С. Яновским, глава 2 — В. А. Сорокиным, В. П. Францкевичем, В. М. Абашевым, В. В. Черваковым, Н. П. Животовым, М. С. Шаровым, глава 3 — В.А. Сорокиным, В. П. Францкевичем, Н. П. Животовым, В. А. Козловым, В. Д. Фельдманом, Л. С. Яновским, глава 4 — Е. В. Суриковым, М. С. Шаровым, В. А. Сорокиным, В. П. Францкевичем. При написании книги авторский коллектив широко практиковал взаимные консультации. Общее редактирование книги осуществлялось членом-корреспондентом Российской академии наук, академиком Российской академии ракетных и артиллерийских наук, доктором технических наук профессором Ю. М. Милехиным и Лауреатом премии правительства РФ в области науки и техники, кандидатом технических наук В. А. Сорокиным.
От авторов 7 Авторы выражают глубокую благодарность коллективу кафедры «Ракетные двигатели» Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана (зав. кафедрой — доктор технических наук профессор Д. А. Ягодников); и заместителю генерального директора — главному конструктору ФГУП «НИИПМ» заслуженному деятелю науки и техники РФ, доктору технических наук профессору Г. Н. Амарантову за большую работу по рецензированию рукописи. Авторы выражают признательность сотруднику ОАО ТМКБ «Союз» кандидату технических наук В. Я. Хилькевичу за помощь в подготовке материалов по расчету и проектированию стартовых и маршевых двигателей, ветерану труда ЦИАМ, старшему научному сотруднику, кандидату технических наук В. К. Верхоломову за помощь в предоставлении методических материалов и консультации, а также сотрудникам ЦИАМ Л. Н. Смирновой и А. А. Булатовой и сотруднику МКБ «Искра» М. А Тихомирову. за помощь в проведении расчетов и подготовке материалов книги к опубликованию.
Предисловие В последние годы в нашей стране и за рубежом возрос интерес к комбинированным двигательным установкам (КДУ) на основе ракетно-прямоточных двигателей (РПД) на твердых и пастообразных топливах для ракет с внутриатмосферной зоной эксплуатации. В этих двигателях благодаря интеграции могут быть наилучшим образом реализованы преимущества ракетных двигателей в стартово-разгонной ступени и высокие экономические показатели РПД в маршевой ступени. Развитие РПД на твердых и пастообразных топливах может быть реализовано путем совершенствования конструктивно-компоновочных схем, топлив, конструкционных и теплозащитных материалов, организации эффективного рабочего процесса в маршевых газогенераторах и камерах сгорания и др. в обеспечение максимальной дальности полета ракет. Многообразие схем и конструктивных элементов РПД, применяемых твердых и пастообразных топлив вызывает необходимость выявления областей их эффективного применения. Сложность задач расчета и проектирования интегральных регулируемых РПД на твердых и пастообразных топливах связана с неполнотой и, в значительной мере, неопределенностью исходных данных, которые предстоит определить и конкретизировать в ходе разработки двигателя в составе ракеты. По этой причине в книге большое внимание уделяется как методам расчета и проектирования отдельных узлов, систем и двигателя в целом, так и методологии их экспериментальной стендовой отработки. Данная книга в значительной мере восполняет существующий в течении ряда десятилетий в отечественной и зарубежной литературе пробел в освещении и решении вопросов конструкции, проектирования и отработки РПД на твердых и пастообразных топливах. Книга является естественным продолжением монографии «Интегральные прямоточные воздушно-реактивные двигатели на твердых топливах», опубликованной в издательстве «Академкнига» в 2006 г. коллективом авторов из ЦИАМ им. П. И. Баранова и МКБ «Искра», которая была посвящена основам теории и расчета интегральных прямоточных воздушно-реактивных двигателей твердотопливных (ИПВРДТ). Книга состоит из четырех глав и приложения. Глава 1 посвящена рассмотрению конструктивно-компоновочных схем РПД на твердых и пастообразных топливах для тактических ракет различных классов. В ней рассматриваются ключевые проблемы и этапы комплексного проектирования РПД. В главе 2 рассматриваются вопросы проектирования стартово-разгонных
Предисловие 9 ракетных двигателей как на твердых, так и на пастообразных топливах. Глава 3 посвящена проектированию маршевых РПД. В ней описаны свойства твердых и пастообразных топлив и методология их выбора, даны методы расчета и проектирования маршевых газогенераторов, регуляторов расхода топлива и прямоточных камер сгорания. Приводится методика расчета тягово-экономических характеристик двигателя. Глава 4 посвящена методологии экспериментальной стендовой отработки интегральных РПД на твердых и пастообразных топливах. Рассматриваются вопросы отработки топлив и рабочих процессов на модельных зарядах, в модельных газогенераторах и двигателях. Дана методика проведения огневых испытаний двигателя и обработки экспериментальных данных. В Приложении приводятся сведения об энергоемких компонентах твердых и пастообразных топлив: металлах, неметаллах, гидридах металлов. Авторский коллектив включает в себя ведущих специалистов ЦИАМ, МКБ «Искра», МАИ и ФЦДТ «Союз», имеющих многолетний опыт в области разработок топлив, исследования рабочего процесса ИРПД, конструкции и проектирования ракетных и ракетно-прямоточных двигателей на твердых и пастообразных топливах; принимавших непосредственное участие в разработке, проектировании, экспериментальной отработке и последующей модернизации ДУ ряда ракет. Материал, изложенный в книге, безусловно, будет полезен как специалистам, так и студентам старших курсов аэрокосмических и ракетноартиллерийских специальностей высших технических учебных заведений. Член-корреспондент Российской академии наук доктор технических наук профессор О. М. Алифанов
Г л а в а 1 КОНСТРУКТИВНО-КОМПОНОВОЧНЫЕ СХЕМЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ РАКЕТНО-ПРЯМОТОЧНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ТВЕРДОМ И ПАСТООБРАЗНОМ ТОПЛИВАХ Опережающее развитие ракетного вооружения является радикальным средством повышения эффективности авиационных боевых комплексов, зенитно-ракетных систем и артиллерийских комплексов, играющих определяющую роль в локальных конфликтах современности. Отсутствие возможности радикального совершенствования ракетного вооружения за счет модернизации широко применяемых ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ), которые практически достигли предела своего совершенствования, привлекает особое внимание к двигательным установкам, энергетические возможности которых могут быть улучшены за счет использования атмосферного воздуха [1.1]. Наиболее перспективными для высокоскоростных летательных аппаратов (ЛА) с внутриатмосферной зоной эксплуатации являются двигательные установки (ДУ) на основе прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), в т.ч. ракетно-прямоточных двигателей на твердом (РПДТ) и пастообразном (РПДП) топливах. При сравнительной простоте РПД имеют высокие значения удельного импульса в широком диапазоне высот и скоростей полета, что позволяет при обеспечении высоких скоростей иметь, при определенных условиях полета, в 1,5–2 раза большую дальность полета по сравнению с использованием РДТТ (рис. 1.1). Рис. 1.1. Баллистические характеристики ракеты (высота H и относительная дальность полета Д): – – – — штатный РДТТ, —— — перспективный РПД