Баррер М., Жомотт А., Вебек Б.Ф., Ванденкеркхове Ж. - Ракетные двигатели [1962, DjVu]

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к русскому изданию ... 5
Предисловие к английскому изданию ... 11
Введение ... 14
Условные обозначения ... 16
Глава 1. Общие сведения о реактивных двигателях (А. Жомотт) ... 23
1.1. Введение ... 23
1.1.1. Классификация реактивных двигательных систем ... 23
1.1.2. Классификация ракетных двигателей. Области применения ... 23
1.1.3. Основные особенности ракет с РДТТ ... 25
1.1.4. Основные особенности ракет с ЖРД ... 32
1.1.5. Обоснование энергетического подхода к проблеме реактивного движения ... 45
1.2. Тяга и полезная мощность ракеты ... 46
1.2.1. Тяга ... 46
1.2.2. Полезная мощность ... 48
1.2.3. Баланс энергии ... 49
1.3. Располагаемая мощность и полетный коэффициент полезного действия ... 51
1.3.1. Располагаемая мощность ... 51
1.3. 2. Полетный коэффициент полезного действия ... 51
1.4. Удельные величины и безразмерные параметры ... 54
1.5. Максимальная (мощность незамкнутой движущейся системы и энергетические коэффициенты полезного действия ... 55
1.5.1. Системы в состоянии покоя ... 55
1.5.2. Незамкнутые системы в движении ... 58
1.6. Источники энергии для ракетных двигателей ... 60
1.6.1. Химические топлива ... 60
1.6.2. Свободные радикалы ... 63
1.6.3. Ионные топлива ... 65
1.6.4. Ядерная энергия ... 66
1.6.5. Заключение ... 72
Литература ... 74
Глава 2. Теория сопла и характеристические параметры (А. Жомотт и Ж. Ванденкеркхове) ... 76
2.1. Введение ... 76
2.2. Теория изоэнтропного сверхзвукового сопла ... 76
2.2.1. Допущения и основные уравнения ... 76
2.2.2. Аэродинамический кризис течения в сопле ... 78
2.2.3. Массовый секундный расход через сопло ... 80
2.2.4. Скорость истечения газа из сопла ... 81
2.2.5. Степень уширения сопла fa/fKp ... 85
2.2.б. Профиль сверхзвукового сопла ... 88
2.2.7. Нерасчетный режим работы сопла. Критерий Соммерфильда ... 92
2.2.8. Другие уравнения теории сопла ... 98
2.2.9. Квазистационарные течения ... 100
2.3. Неадиабатические течения ... 100
2.3.1. Неадиабатические сопла ... 100
2.3.2. Течение в канале постоянного поперечного сечения ... 102
2.3.3. Изотермическое сопло ... 105
2.4. Тяга и коэффициент тяги ... 106
2.4.1. Тяга ... 106
2.4.2. Коэффициент тяги ... 107
2.4.3. Максимальная тяга ... 108
2.4.4. Изменение тяги в зависимости от высоты полета ... 111
2.4.5. Взаимодействие реактивной струи и внешнего потока ... 113
2.5. Характеристические параметры и коэффициенты качества ... 116
2.5.1. Введение ... 116
2.5.2. Характеристическая скорость ... 116
2.5.3. Коэффициент секундного массового расхода ... 118
2.5.4. Удельный расход топлива ... 118
2.5.5. Удельная тяга ... 118
2.5.6. Суммарный импульс ... 119
2.5.7. Эффективная скорость истечения ... 119
2.5.8. Связь между характеристическими параметрами ... 119
2.5.9. Коэффициенты качества ... 120
2.6. Гетерогенные потоки ... 121
2.6.1. Обобщение теории сопла ... 121
2.6.2. Пример ... 126
2.7. Переменная тяга ... 127
2.7.1. Дроссельное регулирование тяги ... 127
2.7.2. Регулирование тяги изменением направления вектора тяги ... 131
2.8. Графическое изображение параметров ... 133
2.8.1. Введение ... 133
2.8.2. Отношение площадей поперечных сечений сопла fкр/f ... 134
2.8.3. Секундный массовый расход через сопло ... 135
2.8.4. Тяга и коэффициент тяги ... 135
2.8.5. Характеристические параметры ... 136
2.9. Пример: жидкостный ракетный двигатель ... 136
2.10. Давления в камере сгорания жидкостного ракетного двигателя ... 138
2.11. Пример: исследование сопла ... 140
Литература ... 143
Глава 3. Химическая газо- и термодинамика продуктов сгорания (М. Баррер) ... 145
3.1. Формула топлива и весовое соотношение компонентов ... 145
3.2. Диссоциация ... 149
3.2.1. Гомогенная газовая фаза ... 149
3.2.2. Конденсированные фазы (гетерогенные системы — газ, жидкость, твердая среда) ... 151
3.2.3. Ионизация ... 153
3.3. Равновесный состав продуктов сгорания ... 153
3.3.1. Первый метод ... 154
3.3.2. Второй метод ... 156
3.3.3. Третий метод ... 162
3.3.4. Система, содержащая конденсированные фазы ... 165
3.3.5. Система, содержащая ионизированные частицы ... 167
3.4. Параметры в конце процесса сгорания ... 168
3.4.1. Адиабатическая температура сгорания ... 168
3.4.2. Примеры ... 173
3.4.3. Температура в камере в конце процесса сгорания ... 177
3.5. Процесс расширения продуктов сгорания в сопле ... 180
3.5.1. Введение ... 180
3.5.2. Изоэнтропное расширение при предельно неравновесном («замороженном») истечении ... 181
3.5.3. Изоэнтропное расширение при равновесном истечении (газовая фаза) ... 184
3.5.4. Изоэнтропное расширение (газовая+конденсированная фазы) ... 189
3.5.5. Действительный процесс расширения ... 189
3.6. Характеристические параметры ... 192
Литература ... 198
Глава 4. Твердые ракетные топлива (Ж. Ванденкеркхове) ... 200
4.1. Характеристики ракетных двигателей, работающих на твердом топливе ... 200
4.1.1. Введение ... 200
4.1.2. Закон изменения тяги ... 203
4.2. Горение твердых топлив ... 204
4.2.1. Скорость горения ... 204
4.2.2. Температурная (термическая) чувствительность ... 208
4.2.3. Эрозионное горение ... 210
4.3. Общие характеристики твердых топлив ... 211
4.3.1. Энергетические свойства ... 211
4.3.2. Баллистические свойства ... 213
4.3.3. Другие свойства ... 213
4.3.4. Технология изготовления ... 214
4.4. Гомогенные многоосновные топлива ... 215
4.4.1. Химический состав ... 215
4.4.2. Технология изготовления ... 219
4.4.3. Механизм горения ... 219
4.5. Смесевые топлива ... 222
4.5.1. Соотношение компонентов ... 222
4.5.2. Окислители ... 224
4.5.3. Горючее-связующее ... 227
4.5.4. Технология изготовления ... 231
4.5.5. Механизм горения ... 234
4.6. Воспламенение ... 237
4.7. Ингибиторы ... 242
Литература ... 243
Глава 5. Внутренняя баллистика ракетных двигателей, работающих на твердом топливе (Ж. Ванденкеркхове) ... 245
5.1. Введение ... 245
5.2. Основные уравнения внутренней баллистики ... 245
5.2.1. Уравнение неразрывности в общем виде ... 245
5.2.2. Равновесное давление ... 247
5.2.3. Неустановившиеся процессы ... 250
5.3. Заряды, горящие по торцу ... 252
5.4. Пример: проектирование двигателя с горящим по торцу зарядом 255
5.5. Заряды, горящие по боковым поверхностям ... 258
5.5.1. Общие характеристики и допущения ... 258
5.5.2. Зависимости, связывающие давления pi, р2 и рк ... 260
5.5.3. Равновесное давление ... 263
5.5.4. Многоканальные заряды ... 264
5.5.5. Переменная свободная площадь поперечного сечения ... 265
5.5.6. Замечание относительно эрозии ... 265
5.6. Пример: проектирование трубчатого заряда ... 268
5.7. Механические свойства зарядов ... 275
5.7.1. Введение ... 275
5.7.2. Деформация опертого по торцу небронированного заряда ... 279
5.7.3. Напряжения в цилиндрическом заряде ... 283
5.7.4. Термические напряжения ... 287
5.7.5. Концентрация напряжений в зарядах ... 292
Литература ... 295
Глава 6. Проектирование ракетных двигателей, работающих на твердом топливе (Ж. Ванденкеркхове) ... 297
6.1. Правило подобия двигателей ... 297
6.2. Проектирование зарядов ... 297
6.2.1. Классификация ... 297
6.2.2. Основные свойства ... 303
6.2.3. Горящие изнутри заряды со звездообразным поперечным сечением ... 306
6.2.4. Выбор топлива ... 316
6.3. Элементы конструкции двигателя ... 318
6.3.1. Описание элементов конструкции ... 318
6.3.2. Удлинительные газоводные трубы ... 323
6.4. Выбор оптимальных параметров РДТТ ... 327
6.4.1. Введение ... 327
6.4.2. Оптимальные размеры двигателя ... 327
6.4.3. Камера сгорания с неоптимальными размерами ... 334
6.4.4. Оптимальное давление в камере ... 336
6.5. Пример ... 338
6.6. Сообщение ракетному снаряду требуемой скорости ... 344
6.6.1. Выбор оптимальных параметров двигательной установки ... 344
6.6.2. Максимально достижимая конечная скорость снаряда заданного калибра ... 346
6.7. Двигатели с двумя ступенями тяги ... 347
6.8. Аномальное, или резонансное, горение ... 352
6.9. Огневая связь РДТТ ... 356
6.10. Вспомогательное назначение твердых топлив ... 359
6.10.1. Основные характеристики ... 359
6.10.2. Создание давления в вытеснительной системе подачи ЖРД ... 361
6.10.3. Пример ... 363
6.10.4. Газогенераторы ... 365
6.11. Двигатели, работающие на жидко-твердых топливах, или гибридные двигатели ... 365
Литература ... 369
Глава 7. Жидкостные ракетные двигатели (М. Баррер) ... 372
7.1. Форсунка ... 372
7.1.1. Распределитель ... 372
7.1.2. Головка камеры сгорания ... 373
7.2. Камера сгорания ... 396
7.2.1. Характеристические времена ... 396
7.2.2. Объем камеры сгорания ... 398
7.2.3. Характеристическая длина ... 401
7.2.4. Теоретическое исследование процессов сгорания в камере ... 403
7.2.5. Геометрия камеры сгорания ... 411
7.3. Сопло ... 413
7.4. Система охлаждения ... 419
7.4.1. Теплообмен ... 419
7.4.2. Неохлаждаемые камеры сгорания ... 434
7.4.3. Неохлаждаемые камеры сгорания с теплоизолирующими покрытиями ... 439
7.4.4. Регенеративное охлаждение ... 442
7.4.5. Пленочное охлаждение и испарительное охлаждение ... 457
7.5. Подобие жидкостных ракетных двигателей ... 461
7.6. Системы подачи топлива ... 468
7.6.1. Вытеснительная система подачи топлива ... 469
7.6.2. Турбонасосная система подачи топлива ... 474
7.7. Баки ... 512
7.7.1. Определение минимального объема баков ... 512
7.7.2. Условия устойчивости жидкости в баке ... 516
7.7.3. Технология производства баков ... 517
Литература ... 519
Глава 8. Оборудование для испытаний ракетных двигателей (М. Барpep) ... 523
8.1. Испытательный стенд ... 523
8.1.1. Стенд для подвески двигателя ... 527
8.1.2. Помещение для топливных баков ... 529
8.1.3. Помещение для обслуживающего персонала ... 530
8.1.4. Вспомогательное оборудование ... 531
8.1.5. Меры, обеспечивающие безопасность работы на стенде ... 531
8.1.6. Замечания ... 532
8.2. Измерительная аппаратура ... 532
8.2.1. Измерение тяги ... 534
8.2.2. Измерение давлений ... 539
8.2.3. Измерение расходов ... 545
8.2.4. Измерение температур ... 552
8.2.5. Измерение скоростей ... 561
8.2.6. Химический состав газов в камере сгорания ... 563
8.2.7. Методы регистрации измеряемых параметров ... 563
8.3. Организация испытаний и оценка их результатов ... 565
8.3.1. Координирование различных этапов программы проведения испытаний ... 565
8.3.2. Оценка результатов испытаний ... 568
8.3.3. Надежность ракетных двигателей ... 569
Литература ... 572
Глава 9. Жидкие топлива (М. Баррер) ... 575
9.1. Введение ... 575
9.2. Энергетические свойства топлива ... 577
9.2.1. Сравнительная оценка различных химических элементов ... 580
9.2.2. Характеристики различных топлив ... 586
9.2.3. Сравнительная оценка различных топлив ... 592
9.2.4. Анализ экспериментальных данных ... 598
9.3. Кинетические свойства топлива ... 600
9.3.1. Воспламенение топлива при запуске ... 600
9.3.2. Кинетические свойства топлива в условиях установившегося процесса ... 609
9.3.3. Неустойчивое горение ... 617
9.3.4. Стабильность характеристик топлива ... 618
9.4. Эксплуатационные качества топлива ... 618
9.4.1. Использование топлива в качестве охладителя ... 618
9.4.2. Давление паров топлива ... 619
9.4.3. Вязкость ... 619
9.4.4. Условия хранения топлива ... 619
9.4.5. Твердые отложения ... 620
9.4.6. Токсичность топлива ... 621
9.4.7. Стоимость топлива ... 621
Литература ... 625
Глава 10. Неустойчивость горения в ЖРД (М. Баррер) ... 628
10.1. Общие замечания ... 628
10.2. Низкочастотная неустойчивость ... 630
10.2.1. Описание наблюдаемых явлений ... 630
10.2.2. Экспериментальные данные ... 634
10.2.3. Теоретическое исследование низкочастотной неустойчивости ... 638
10.3. Высокочастотная неустойчивость ... 660
10.3.1. Описание наблюдаемых явлений ... 660
10.3.2. Экспериментальные данные ... 664
10.3.3. Теоретическое исследование высокочастотной неустойчивости ... 674
10.4. Влияние размеров (масштаба) на неустойчивость горения ... 684
10.4.1. Низкочастотная неустойчивость ... 684
10.4.2. Высокочастотная неустойчивость ... 685
Литература ... 686
Глава 11. Простейшие проблемы полета ракеты (Б. Ф. Вебек) ... 688
11.1. Введение ... 688
11.2. Приращение идеальной скорости ... 688
11.3. Гравитационные потери ... 689
11.4. Классификация орбит, описываемых относительно центра притяжения ... 691
11.5. Элементарная задача о баллистической дальности ... 696
11.6. Простейшие задачи, связанные с запуском спутника ... 700
11.7. Оценка конструктивно-весового совершенства ракеты (весовой анализ) ... 707
11.8. Размер двигателя и гравитационные потери ... 708
11.9. Оптимальные соотношения масс в многоступенчатых ракетах ... 713
11.9.1. Распределение масс по ступеням ракеты без учета гравитационных потерь ... 714
11.9.2. Распределение масс по ступеням ракеты с учетом гравитационных потерь ... 721
11.9.3. Многоступенчатые ракеты с параллельным соединением ступеней ... 729
11.9.4. Многоступенчатые ракеты с параллельным соединением ступеней (случай непрерывного деления) ... 732
11.10. Интегрирование вертикальных траекторий ... 736
11.11. Траектории с нулевым углом атаки ... 737
11.12. Влияние момента инерции на разворот ракеты при ее установившемся движении по траектории ... 740
11.13. Уравнение движения ракеты с учетом вращения Земли ... 741
Литература ... 745
Глава 12. Вариационные методы, применяемые при определении оптимальных характеристик ракеты (Б. Ф. Вебек) ... 746
12.1. Управляемые переменные и их программирование ... 746
12.2. Вертикальный полет многоступенчатой ракеты непрерывного деления с максимальным относительным полезным грузом ... 748
12.2.1. Тождество между уравнениями Эйлера ... 751
12.2.2. Угловые условия Вейерштрасса—Эрдманна ... 751
12.2.3. Дуга постоянной тяги ... 752
12.2.4. Дуга постоянного ускорения ... 752
12.2.5. Разрывные решения ... 753
12.2.6. Стационарные траектории ... 755
12.2.7. Интегрирование вдоль стационарных траекторий ... 757
12.2.8. Уравнения для расчета простой траектории постоянной тяги ... 758
12.2.9. Уравнения для расчета траектории, состоящей из участков дуг: постоянная тяга — постоянное ускорение ... 759
12.3. Вертикальный полет многоступенчатой ракеты непрерывного деления при минимальных значениях других параметров ... 761
12.4. Применение сильного вариационного критерия Вейерштрасса ... 764
12.5. Задача программирования тяги вдоль криволинейной траектории ... 766
12.5.1. Период полета с маршевым двигателем ... 768
12.5.2. Дуга максимальной тяги ... 770
12.5.3. Дуга нулевой тяги ... 770
12.5.4. Дополнительная функция Вейерштрасса ... 770
12.5.5. Минимальные траектории ... 771
12.5.6. Участки полета с работающим ускорителем ... 773
12.6. Программирование тяги вдоль вертикальной траектории ... 775
12.7. Случай, когда траектория заранее задана ... 777
12.8. Программирование тяги для достижения максимальной дальности полета ... 779
Литература ... 782
Предметный указатель ... 784