Жидкостные ракетные двигатели (стр. 19 из 36)

Анализ действующих напряжений в обечайках несущих баков показывает, что в зависимости от соотношения величин внутреннего избыточного давления Р_изб и внешних нагрузок, действующих на корпус летательного аппарата (изгибающего момента М_изг, продольных Nxи поперечных Ny), обечайки несущих топливных баков могут испытывать растяжение и сжатие, а при определенном сочетании этих нагрузок напряжения в обечайках баков могут полностью отсутствовать, либо быть очень небольшими. Поэтому все несущие баки можно разделить на нагруженные и разгруженные.

К нагруженным бакам относятся баки ЖРДУ с вытеснительными системами подачи, так как высокое избыточное давление в этих баках создает растягивающие напряжения в обечайках, являющиеся определяющими расчете баков на прочность. К разгруженным бакам относятся обычно баки ЖРДУ с насосными системами подачи при невысоком избыточном давлении наддува и ограниченных внешних нагрузках. В этом случае избыточное давление в растягивающее обечайки баков, уменьшает суммарные напряжения в обечайке бака до минимальных (разгружает бак).

Однако если сжимающие напряжения, создаваемые внешними нагрузками, существенно больше растягивающих напряжений от избыточного давления (характерно для высокоманевренных летательных аппаратов) такие топливные баки относятся к нагруженным.

Формы топливных баков, применяемых на летательных аппаратов разнообразны, рис.50. При выборе форм баков учитываются функциональное назначение летательного аппарата, условия их оптимальной компоновки, возможность обеспечения минимальной массы баков, а также получения требуемых удобств при эксплуатации. Наибольшее распространение на летательных аппаратах получили баки цилиндрической формы, рис.50 а, имеющие при заданном объеме наименьшее поперечное сечение и обеспечивающее плотную компоновку летательного аппарата.

Вопрос выбора взаимного расположения баков горючего и окислителя в топливном отсеке должен решаться исходя из требований по центровке ЛА и заданных эксплуатационных условий (например, требований по заправке баков компонентами топлива). При выборе порядка размещения баков следует учитывать, что плотность окислителей, применяемых в ЖРД двухкомпонентных топлив, обычно значительно больше плотности горючих. Поэтому взаимная перестановка баков горючего и окислителя позволяет существенно изменять положение центра масс летательного аппарата.

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:

Т_г, Т_охл, Т_СТ1, Т_ст2 - температуры газового потока, охладителя в зару-оашечном пространстве и поверхностей внутренней стенки, соответственно, К;

W_rи W₀_XJI- скорости теплового потока и охладителя, соответственно, м/с.

qx- суммарная плотность газового потока, воздействующая на внутреннюю стенку камеры сгорания, Вт/м²;

a_r- 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 (Т_ст1, Т_ст2) рассматриваемого процесса (при неизменных режимных параметрах теплообмена qi, T_rи Т_охл).

Суммарная плотность теплового потока, воспринимаемая внутренней стенкой камеры ЖРД, может быть определена следующим образом:

где: q_Kи q_л - плотности теплового потока, воспринимаемые внутренней стенкой камеры ЖРД, обусловленные явлениями конвекции и лучистого теплообмена, соответственно.

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

- температурой газа

;

- скоростью газового потока W_r;

- плотностью газа

;

- площадью поперечного сечения камеры F.

Величина конвективной составляющей плотности теплового потока q_Kв основном определяется массовой скоростью рабочего тела (W_rp_r) и величиной площади поперечного сечения (F):

Величина лучистой составляющей плотности теплового потока зависит от температуры газового потока Т_г: