Дипломная работа: Проектирование двигательной установки и элементов конструкции второй ступени баллистической ракеты

Введение

Жидкостным ракетным двигателем называют реактивный двигатель использующий для своей работы энергию и массу, запасенные на борту аппарата. Основными, характерными особенностями ракетных двигателей являются:

- автономность от окружающей среды, т. е. ЖРД способен работать без использования окружающей среды, но, тем не менее, выходные параметры зависят от окружающего давления (противодавления).

- независимость тяги от скорости движения аппарата, так как тяга создается в нем за счет расхода запасов рабочего тела и энергии, имеющихся на этом аппарате.

- высокая концентрация подводимой энергии на единицу массы рабочего тела и, как следствие, большая энергонапряженность рабочего процесса и малая удельная масса двигателя, приходящаяся на единицу развиваемой тяги.

На сегодняшний день ЖРД, использующие химическую энергию топлива, являются единственными двигателями способными выводить полезные грузы на околоземную орбиту и за ее пределы.

В данном дипломном проекте произведен расчет ЖРД с заданными техническими характеристиками, используемого на второй ступени баллистической ракеты, с применением упрощенных методик. Во время выполнения дипломного проекта необходимо провести различные расчеты для определения основных конструктивных параметров проектируемого ЖРД, обеспечивающие надежную работу на всех рабочих режимах по заданным проектным параметрам. Произвести прочностные расчеты элементов конструкции самой ракеты.

1. Выбор основных параметров проектируемого ЖРД

1.1 Выбор схемы двигателя и системы подачи топлива

По типу агрегата, создающего давление подачи, различают газовытеснительную и турбонасосную подачу топлива.

Отличительной особенностью вытеснительной системы подачи топлива является то, что баки с компонентами топлива находятся под большим давлением, значительно превышающим давление в КС. По этой причине топливные баки приходится делать толстостенными и, как следствие, большой массы.

Применение вытеснительной системы подачи топлива целесообразно при давлениях в КС не больше . Газовытеснительные системы подачи топлива находят в основном применение в двигателях небольшой тяги, рассчитанных на малое время _еботы, с малым удельным импульсом тяги.

При насосной системе подачи топлива нет необходимости поддерживать в баках высокое давление. Небольшое давление воздушной подушки в баках , создаётся для обеспечения бескавитационной работы насосов. Насосная система подачи топлива значительно сложнее вытеснительной, но для двигателей средних и больших тяг она предпочтительнее, т. к. вес всей системы питания ЖРД, включая баки с топливом, будет меньше.

Системы питания ЖРД с насосной подачей топлива бывают:

- с автономной (независимой) турбиной (схема “без дожигания”);

- с предкамерной турбиной (схема “с дожиганием”).

Системы ЖРД с автономной турбиной применяются для маршевых двигателей средней тяги (максимальное значение давления в КС ). Следует учитывать то, что автономные турбины являются высокоперепадными и малорасходными, а также то, что они снижают удельный импульс тяги двигателя на 2-6 % из-за выброса “мятого” газа за борт ракеты.

Системы ЖРД с предкамерной турбиной используются в двигателях большой тяги с высоким давлением в КС . Предкамерные турбины являются высокорасходными и низкоперепадными. Двигатели данной схемы более экономичны, так как в них исключаются потери удельного импульса тяги из-за расходования топлива на питание турбин.

Так как проектируемый двигатель является двигателем средней тяги с давлением в КС , то выбираем насосную систему подачи топлива без дожигания генераторного газа (рис. 1).

Рис.1.1 Схема ЖРД с автономной турбиной: 1- насос горючего, 2- насос окислителя, 3- камера сгорания, 4-газогенератор, 5-турбина, 6-выхлопной патрубок.

1.2 Выбор давления в камере сгорания и на срезе сопла

Величина давления в камере сгорания влияет на удельный импульс, габариты и массу ДУ. Увеличение давления в КС ведет к росту удельного импульса двигателя, уменьшению линейных размеров КС и соответственно, к уменьшению массы двигателя.

Уменьшение площади критического сечения ведет к уменьшению расхода топлива. Но для подачи топлива в КС насосы должны создавать большие давления подачи, что требует повышения мощности турбины и расхода топлива на нее.

Уменьшение размеров КС вызывает трудности с размещением форсунок на форсуночной головке, а также может вызвать проблему охлаждения двигателя, так как растет теплонапряженность.

Выбирая давление в камере сгорания, необходимо учитывать, что выигрыш в увеличении удельного импульса, уменьшения габаритов и массы ДУ может быть потерян из-за увеличения расхода топлива на турбину и увеличения массы ТНА. В зависимости от схемы ЖРД и системы подачи топлива, существуют рекомендации на величину давления в камере сгорания:

- Для вытеснительной системы подачи топлива .

- Для насосной системы подачи топлива без дожигания генераторного газа (с автономной турбиной) .

- Для насосной системы подачи топлива с дожиганием генераторного газа с предкамерной турбиной работающей по схеме «газ-жидкость» .