6.3. ОПТИМИЗАЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

На основе имеющихся данных о влиянии таких параметров, как скорость горения, отношение внешнего диаметра заряда к внутреннему и показатель степени в законе скорости горения, на свойства топлив с пониженной дымностью и металлосодержащих ТРТ можно прогнозировать характеристики ракет. Табл. И содержит данные для ускорителя диаметром с номинальной длиной 1,15 см, снаряженного топливом с пониженной дымностью (базовый вариант). Такой ускоритель в бессопловом варианте, снаряженный топливом с вдвое большей скоростью горения, повышенной на 3% скоростью истечения продуктов сгорания и средним удельным импульсом, составляющим 83% импульса, создаваемого ускорителем с сопловым блоком, был бы легче на

Разработка бессоплового ускорителя с улучшенными характеристиками по сравнению с базовым сопловым вариантом

Рис. 75. Влияние начальной температуры на максимальное давление в камере

зависит от возможности модификации ТРТ. Например, существующий прототип топлива со скоростью горения, превышающей в 2,5 раза скорость горения базового ТРТ, позволяет увеличить удельный импульс почти на 5,5% по сравнению с значением для базового двигателя с соплом. Далее, принимая во внимание тот факт, что предел прочности модифицированного топлива на 25% выше, чем у базового, диаметр внутреннего канала можно уменьшить, доведя отношение внешнего диаметра заряда к внутреннему до 3,5. Это позволило бы разместить в камере дополнительного топлива и тем самым увеличить полный импульс РДТТ на 12,4%. Замена ТРТ и увеличение свода горения вместе позволяют снизить максимальное рабочее давление до уровня, соответствующего давлению в базовом двигателе, а единственным недостатком было бы увеличение полного веса РДТТ приблизительно на 2%. В табл. 11 подытожены результаты расчетов таких вариантов и, кроме того, приведены данные, иллюстрирующие влияние длины РДТТ на удельный импульс. При уменьшении показателя степени в законе скорости горения топлива с 0,5 до 0,4 приращение скорости ракеты с бессопловым двигателем было бы на 13% больше, чем для соответствующего двигателя с соплом.

Как обсуждалось выше, к числу параметров РДТТ, влияющих на характеристики его экономичности, относятся длина двигателя и форма канала заряда. В отсутствие каких-либо проектных ограничений на геометрию камеры сгорания вместо оптимизации формы заряда путем уменьшения его диаметра и

Таблица 11. (см. скан) Расчетное сравнение параметров ускорителя диаметром 0,178 м [141]

длины можно изменять скорость горения и плотность заряжания, имея в виду, что для двигателей с большими значениями требуется меньшая скорость горения, удельный импульс почти линейно зависит от среднего давления, а изменение любого проектного параметра неизбежно требует изменения других параметров для обеспечения оптимальных характеристик РДТТ.

Как следует из табл. 11, двигатели большей длины с большими позволяют обеспечить более высокие рабочие давления и удельный импульс. Увеличение длины бессоплового РДТТ на 25 см по сравнению с базовым вариантом обеспечивает на 8% большее приращение скорости полета. Это свидетельствует о том, что отношение длины двигателя к диаметру в базовом варианте, равное 6,5, намного меньше оптимального для бессоплового РДТТ. Последующая модификация ТРТ с целью изменения скорости горения и утолщение свода горения позволили бы увеличить приращение скорости до 13% по сравнению с бессопловым РДТТ базовой длины,

Таблица 12. (см. скан) Расчетное сравнение параметров ускорителей с металлосодержащим ТРТ [141]

но на практике такие проектные параметры, как максимальное рабочее давление, минимальное время горения и т. п. несколько снижают полный выигрыш в эффективности. Экстраполируя данные, представленные на рис. 72, можно показать, что относительный удельный импульс бессоплового РДТТ, превышающий 89,5%, может быть достигнут лишь при средних рабочих давлениях порядка Поскольку на практике такие давления близки к пределу прочности конструкций ускорителей, любое дальнейшее увеличение удельного импульса потребовало бы значительного изменения показателя степени в законе скорости горения. Последние две строки в табл. 11 иллюстрируют недостатки двигателей с меньшими отношениями Бессопловый двигатель, длина которого на 25 см меньше длины базового РДТТ, уступает по характеристикам двигателю с соплом, если не повысить значительно скорость горения.

Из рис. ,72 видно, что удельный импульс бессоплового ускорителя, снаряженного металлосодержащим топливом, определяется не средним рабочим давлением в камере сгорания, а некоторым другим параметром. В табл. 12 указаны варианты твердотопливных ускорителей разных размеров, снаряженных металлосодержащим ТРТ типа позволяющие проводить сравнительный анализ характеристик по отношению к базовому ускорителю диаметром и длиной 2 м. В первых трех строках таблицы с базовым РДТТ сравниваются бессопловые варианты, снаряженные ТРТ с присадками алюминия и циркония, причем роль контрольного параметра отводится относительному приращению скорости полета ракеты.

Приведенные данные показывают, что бессопловые двигатели обеспечивают сравнимые характеристики экономичности ценой большей стартовой массы. Данные более короткого и тяжелого ускорителя, снаряженного топливом с добавкой циркония, подтверждает предположение о том, что использование высокоплотного ТРТ позволяет уменьшить габариты двигателя.

В последних трех строках таблицы сравниваются три варианта с большей, но одинаковой длиной. Видно, что при увеличенной полной массе, учитывающей отличие в массе инертных элементов (порядка 19,0%), приращение скорости ракеты с бессопловым двигателем, снаряженным топливом с добавкой циркония, на 8,4% выше, чем для случая двигателя с соплом. Это свидетельствует о том, что более короткий двигатель с топливом, содержащим цирконий, имел бы характеристики экономичности, сравнимые с характеристиками базового соплового варианта, при превышении по массе на Далее, из таблицы видно, что при больших отношениях бессопловый вариант действительно становится более эффективным, и при его относительный удельный импульс превышает 90%. Здесь рассматривались конфигурации РДТТ применительно к ракетно-прямоточным ускорителям с конусными соплами внутреннего расположения. Конфигурации РПД, которые допускают применение выступающих сопел с диаметром среза, превышающим диаметр корпуса РДТТ, позволяют размещать в камере дополнительное топливо и увеличивать кинетическую энергию выхлопной струи. Можно ожидать, что характеристики таких систем на 10—15% будут превышать характеристики обычного РДТТ с сопловым блоком, в котором имеющийся объем используется с меньшей эффективностью.