Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования
Покупка
Тематика:
Космический транспорт
Под ред.:
Ягодников Дмитрий Алексеевич
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 472
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7038-4145-7
Артикул: 065829.05.99
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти
Изложены основы проектирования жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Даются основные положения теории, методы расчета и описание узлов и агрегатов двигательных установок с ЖРД. Рассмотрены процессы расширения газов в соплах, смесеобразования и теплообмена, а также методы профилирования сопел, расчета форсунок, определения форм и объема камеры сгорания. Приведены системы подачи с турбонасосными агрегатами и вытеснительные системы подачи с газовым, пороховым и жидкостным аккумуляторами давления. Изложены методики и примеры расчетов элементов конструкции и ЖРД в целом.
Третье издание учебника (1-е — 1968 г., 2-е — 2005 г.) дополнено параметрами отечественных и зарубежных ЖРД конца XX в.
Соответствует курсам лекций, читаемых в МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Для студентов и магистрантов высших технических учебных заведений. Может быть полезен также инженерам и аспирантам, специализирующимся в области ракетной техники.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 24.03.01: Ракетные комплексы и космонавтика
- ВО - Специалитет
- 24.05.01: Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов
- 24.05.02: Проектирование авиационных и ракетных двигателей
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Техническая физика и энергомашиностроение К 150-летию Научно-учебного комплекса «Энергомашиностроение»
Редакционный совет А. А. Александров (председатель), д-р техн. наук А. А. Жердев (зам. председателя), д-р техн. наук В. Л. Бондаренко, д-р техн. наук А. Ю. Вараксин, д-р физ.-мат. наук, член-корреспондент РАН К. Е. Демихов, д-р техн. наук Ю. Г. Драгунов, д-р техн. наук, член-корреспондент РАН Н. А. Иващенко, д-р техн. наук В. И. Крылов, канд. техн. наук М. К. Марахтанов, д-р техн. наук С. Е. Семенов, канд. техн. наук В. И. Хвесюк, д-р техн. наук Д. А. Ягодников, д-р техн. наук
М. В. Добровольский Жидкостные ракетные двигатели Основы проектирования 3-е издание, дополненное Под редакцией Д.А. Ягодникова Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской федерации по университетскому политехническому образованию в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров «Ракетные комплексы и космонавтика», специальности «Проектирование авиационных и ракетных двигателей» направления подготовки дипломированных специалистов «Двигатели летательных аппаратов»
УДК 629.7(075.8) ББК 39.65 Д56 Рецензенты: д-р техн. наук, профессор А. А. Козлов; д-р техн. наук, профессор Б. А. Соколов Д56 Добровольский, М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования : учебник для высших учебных заведений / М. В. Добровольский ; под ред. Д. А. Ягод- никова — 3-е изд., доп. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баума- на, 2016. — 461, [3] с. : ил. ISBN 978-5-7038-4145-7 Изложены основы проектирования жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Даются основные положения теории, методы расчета и описание узлов и агре- гатов двигательных установок с ЖРД. Рассмотрены процессы расширения газов в соплах, смесеобразования и теплообмена, а также методы профилирования со- пел, расчета форсунок, определения форм и объема камеры сгорания. Приведены системы подачи с турбонасосными агрегатами и вытеснительные системы по- дачи с газовым, пороховым и жидкостным аккумуляторами давления. Изложены методики и примеры расчетов элементов конструкции и ЖРД в целом. Третье издание учебника (1-е — 1968 г., 2-е — 2005 г.) дополнено параме- трами отечественных и зарубежных ЖРД конца XX в. Соответствует курсам лекций, читаемых в МГТУ им. Н. Э. Баумана. Для студентов и магистрантов высших технических учебных заведений. Может быть полезен также инженерам и аспирантам, специализирующимся в области ракетной техники. УДК 629.7(075.8) ББК 39.65 ISBN 978-5-7038-4145-7 © Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, 2016 © Оформление. Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016
Предисловие председателя редакционного совета Кафедра «Ракетные двигатели» Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана — один из опорных коллективов московской научно-педагогической школы подготовки специалистов с высшим образованием в области ракетных двигателей. Школа сформировалась в Московском высшем техническом училище им. Н.Э. Баумана в 1940–1950-х годах как творческое содружество с родственными кафедрами Московского авиационного института, научными и промышленными предприятиями и организациями ракетно-кос- мического профиля, работающими в Московском регионе. Сохраняя и развивая традиции теплотехнической школы МВТУ им. Н.Э. Баумана, московская школа ракетного двигателестроения при- держивается системного подхода к ракетному двигателю как тепловой машине. Истоком школы стала кафедра «Двигатели внутреннего сгорания», возглавляемая в те годы крупным ученым с мировым именем, доктором технических наук, профессором А.С. Орлиным. В составе кафедры было организовано подразделение, занимавшееся исследованием ракетных дви- гателей. Формирование школы проходило в тесной взаимосвязи со школой подготовки инженеров-ракетчиков, возглавляемой крупным ученым, академи- ком, доктором технических наук, профессором В.И. Феодосьевым. Основные достижения школы ракетного двигателестроения МГТУ им. Н.Э. Бау- мана нашли отражение в издаваемых учебниках. Среди них — написанный основателями школы Г.Б. Синярёвым и М.В. Добровольским, выдержавший два издания и переведенный на несколько иностранных языков учебник для средних специальных учебных заведений «Жидкостные ракетные двигатели», ставший базовым и для многих вузов. Наиболее полно опыт подготовки инженеров-двигателистов на кафедре «Ракетные двигатели» отражен в выдержавшем четыре издания и отмеченном Государственной премией учебнике «Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей». Редактор и один из авторов учебника — ученый, стоявший у истоков московской школы ракетного двигателестроения, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор В.М. Кудрявцев, возглавлявший кафедру более 30 лет, являющийся также основателем ведущей научной школы России «Горение порошкообразных металлов в смесевых конденсированных и дисперсных системах». Среди авто- ров — основатели кафедры А.П. Васильев, заслуженный деятель науки и техники России, доктор технических наук, профессор В.М. Поляев, сформировавший в России научную школу «Исследования процессов гидромеханики и теплообмена при течении жидкости и газов в структурно сложных средах». Дальнейшее развитие московской научно-педагогической школы отражено в таких трудах, как «Применение ЭВМ для термодинамических расчетов металлургических процессов» (в составе авторского коллектива — профессора МГТУ им. Н.Э. Баумана Г.Б. Синярёв и Б.Г. Трусов); «Ракетные двигатели на
твердом топливе» профессора кафедры А.М. Виницкого, а также написанная А.М. Виницким в соавторстве с учеником, выпускником Университета, ныне академиком РАРАН доктором технических наук, профессором В.Т. Волковым монография «Конструкция и отработка РДТТ». Среди более поздних работ — два издания учебника «Теория регулирования ракетных двигателей». В XXI веке традиции научно-педагогической школы продолжили профессора Д.А. Ягодников и А.А. Дорофеев, доктор технических наук В.Г. Це- гельский, опубликовавшие несколько содержательных учебников, учебных пособий и монографий, среди которых необходимо отметить «Основы теории тепловых ракетных двигателей» (учебник выдержал три издания), «Ядерные ракетные двигатели и энергетические установки», «Воспламенение и горение порошкообразных металлов», «Двухфазные струйные аппараты», «Конструкция и проектирование комбинированных ракетных двигателей на твердом топливе», «Технология производства ракетных двигателей твердого топлива» и третье издание учебника М.В. Добровольского под редакцией Д.А. Ягодникова «Жидкостные ракетные двигатели», выходящее в канун 150-летнего юбилея факультета «Энергомашиностроение» и 70-летия кафедры «Ракетные двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана. Ректор МГТУ им. Н.Э. Баумана доктор технических наук, профессор А.А. Александров
Из предисловия к первому изданию Важнейшим элементом ракетно-космических систем являются двигатель- ные установки с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД), которые обе- спечили не только полеты с недостижимой ранее скоростью в пределах земной атмосферы, но и возможность полета в космическое пространство. Несмотря на кажущуюся простоту ЖРД создание таких двигателей потре- бовало знаний и опыта, соответствующих современному уровню науки и тех- ники, широкого внедрения методов гидродинамики, газовой динамики и тео- рии теплообмена в инженерные расчеты. Современная двигательная установка с ЖРД представляет собой сложную систему, работа узлов и агрегатов которой взаимосвязана. Поэтому проектирование того или иного агрегата нельзя вести изолированно, без учета конструкции и работы остальных элементов установ- ки, что создает определенные трудности и при изложении соответствующего материала. В настоящем учебнике делается попытка систематического изложения основ проектирования камер двигателя и двигательной установки в целом. По содержанию книгу можно разделить на две части: главы 1–5, в которых из- лагаются основные вопросы проектирования камер двигателя, и главы 6–9, в которых рассматриваются основные вопросы проектирования двигательной установки в целом. Предполагается, что студенты, изучающие настоящий курс, знакомы с ос- новами ракетной техники и теорией рабочих процессов в ЖРД. Однако для большего удобства работы над книгой в первой главе кратко изложены основ- ные понятия, которые используются при рассмотрении тех или иных вопро- сов проектирования ЖРД. Для лучшего понимания рабочих процессов и осо- бенностей расчета элементов ЖРД основные методы расчета иллюстрируются примерами. Ввиду ограниченного объема книги некоторые вопросы (турбонасосные агрегаты, регулирование и др.), рассматриваемые в специальных учебниках или пособиях, излагаются в сжатой форме. При этом даются только основные положения, необходимые для правильного подхода к проектированию уста- новки в целом. Автор стремился избегать математических выкладок в случаях, когда они не могут быть использованы для непосредственных расчетов тех или иных элементов двигательной установки. При написании учебника автором были систематизированы сведения, опубликованные в периодической печати и книгах, а также использованы ранее опубликованные работы автора. Автор выражает глубокую благодарность профессорам С. Д. Гришину, Ф. Л. Якайтису и доценту Ю. В. Крылову за ценные замечания и рекоменда- ции, сделанные при рецензировании книги, а также профессору Г. Б. Синяреву за ценные советы, данные при совместном обсуждении книги. М.В. Добровольский
Предисловие ко второму изданию Тридцать пять лет отделяют нас от момента выхода первого издания учеб- ника М. В. Добровольского «Жидкостные ракетные двигатели». Достигнутые успехи в использовании ракетно-космической техники для лунных экспеди- ций, долговременных орбитальных станций, многоразовых космических кора- блей, стратегических межконтинентальных ракет и высокоточного ракетного оружия стали возможными благодаря постоянному развитию и совершенство- ванию конструкций и схем жидкостных ракетных двигательных установок, ко- торые осуществляются несколькими поколениями ракетчиков-двигателистов. Преемственность конструкторов и научных сотрудников обеспечивается с кон- ца 40-х годов XX в. подготовкой инженеров по специальности «Ракетные дви- гатели», в которой активно и плодотворно участвует все большее количество государств. Среди обширной учебной литературы по ракетным двигателям можно вы- делить несколько учебников и монографий, которые признаны специалистами классическими. К их числу, несомненно, относится учебник Мстислава Влади- мировича Добровольского «Жидкостные ракетные двигатели» [1]. Вышедший тиражом 13 тыс. экземпляров, он давно стал библиографической редкостью. Несмотря на появление новых учебников различных авторских коллективов [2, 3], эта книга до сих пор остается одной из самых востребованных у сту- дентов и аспирантов, а также у обучающихся в бакалавриате и магистратуре. Успех учебника М. В. Добровольского объясняется блестящим методическим исполнением, доступной формой представления материала, четкостью опреде- лений, наличием примеров схем двигательных установок и расчетов основных элементов конструкции ЖРД, оптимальным применением математического ап- парата для расчета характеристик теплофизических, химических, а также тер- модинамических процессов в ЖРД. Все это делает учебник незаменимым для получения базовых знаний будущими ракетчиками-двигателистами, готовящи- мися участвовать в разработке ЖРД нового поколения. При подготовке второго издания была проведена большая работа по пере- воду физических величин в систему СИ и замене устаревшей терминологии жидкостного ракетного двигателестроения в соответствии с ГОСТ 17655–89 «Двигатели ракетные жидкостные. Термины и определения». Кроме того, не- которые схемы двигательных установок, которые не используются в настоя- щее время, были заменены, во-первых, на более современные и, во-вторых, на являющиеся наиболее интересными с точки зрения достигнутых тактико- технических показателей и реализованных конструкторских решений. Следует отметить, что желание сохранить структуру и стиль изложения книги М. В. До- бровольского наложило определенные ограничения на более широкое пред- ставление опубликованного в печати материала по отечественным и зарубеж- ным ракетным двигательным установкам, оставляя это другим изданиям.
Начиная работу над вторым изданием, коллектив кафедры «Ракетные дви- гатели» МГТУ им. Н. Э. Баумана считал главной целью удовлетворение потреб- ности в этом учебнике преподавателей, студентов и всех занимающихся разра- боткой или интересующихся ракетно-космической техникой. Кроме того, выход в свет второго издания является данью памяти одного из основателей учебного процесса по специальности «Ракетные двигатели» — М. В. Добровольского. В заключение выражаем признательность рецензентам – профессорам А. А. Козлову и Б. А. Соколову – за поддержку второго издания книги, а также помогавшему в подготовке рукописи доценту В. А. Буркальцеву и оформляв- шим текстовой материал ко второму изданию Е. А. Устиновой и И. С. Аверькову. Д. А. Ягодников
Г л а в а 1 Общие сведения о ЖРД В настоящей главе приведены основные понятия и соотношения между параметрами, которые необходимо знать для изучения основ проектирования ЖРД. При этом предполагается, что читатель знаком с основами ракетной тех- ники и теорией рабочих процессов, протекающих в камере ЖРД, вследствие чего приводимые ниже понятия и соотношения даются конспективно, без вы- водов. Более подробно с выводом и анализом приводимых соотношений мож- но познакомиться в работах [2], [3]. 1.1. Классификация ЖРД. Топлива Жидкостным ракетным двигателем называется ракетный двигатель, ра- ботающий на жидком ракетном топливе. Жидкое горючее и жидкий окислитель подаются из баков в камеру дви- гателя, где в результате сгорания топлива образуются газообразные продукты высокой температуры Тк (рис. 1.1). В сопле они расширяются от давления в ка- мере pк до давления на срезе сопла pа и вытекают в окружающую среду с боль- шой скоростью wa. Истечение газов из сопла является причиной возникнове- ния реактивной силы двигателя. Классификация ЖРД Тип ЖРД принято определять по какому-либо характерному признаку (ис- пользуемому топливу, схеме установки, способу подачи топлива, назначению и т. д.). На рис. 1.2 приведена схема классификации ЖРД по основным характер- ным признакам. Работа жидкостных ракетных двигателей, имеющих различные схемы, способы подачи, конструктивные элементы, условия эксплуатации, а так- же основные свойства и типы применяемых топлив, изучена в последующих гла- вах книги. Поэтому здесь мы рассмотрим только области применения ЖРД. p p p p a a a a a a a б a Рис. 1.1. Схема и цикл жидкостного ракетного двигателя
К покупке доступен более свежий выпуск
Перейти