8.2. ЭКОНОМИЧНОСТЬ

Верхний предел удельного импульса определяется условиями химического равновесия адиабатического обратимого процесса расширения продуктов химических реакций горения в одномерном сопле (идеальный удельный импульс /уд, ид) и характеризует термодинамический потенциал топлива при заданных соотношении компонентов, давлении в камере, геометрической степени расширения сопла и давлении окружающей среды. Реально достижимый удельный импульс определяется потерями. Некоторые из них изначально присущи ЖРД и исключить их невозможно. К ним относятся потери на непараллельность истечения (геометрические потери), потери в пограничном слое, потери на запаздывание и кинетические (из-за химической неравновесности) потери. Другими можно управлять путем

Таблица 15. (см. скан) Факторы, влияющие на экономичность, устойчивость и работоспособность ЖРД [168]

выбора тех или иных конструктивных решений и в некоторых случаях свести их к нулю. К ним относятся тепловые потери, потери полноты сгорания и потери из-за неравномерности распределения компонентов по смесительной головке.

Относительная важность тех иэти иных механизмов потерь зависит от условий работы ЖРД: в двигателях с низким внутрикамерным давлением особенно заметны кинетические потери, а для ЖРД с очень малой тягой начинают преобладать потери в пограничном слое. В случае несовершенной смесительной головки или очень короткой камеры сгорания определяющими могут стать термодинамические потери в камере.

На рис. 87 видно, что, хотя обычно удельный импульс можно повысить увеличением степени расширения сопла, процент потерь выше для больших степеней расширения (за счет кинетических потерь и потерь в пограничном слое). Существует и взаимозависимость отдельных видов потерь. На рис. 88 показано влияние уровня полноты сгорания на процесс расширения в сопле. Еще одним примером является изменение кинетических потерь при неравномерном распределении соотношения компонентов топлива по площади головки. Из рис. 89 следует, что в

(кликните для просмотра скана)

Рис. 89. Влияние соотношения компонентов на кинетические потери [168].

ЖРД, соотношение компонентов которого равномерно по поперечному сечению камеры и соответствует точке кинетические потери будут меньше, чем для двигателя, половина расхода топлива в котором сгорает при а половина — при хотя оба двигателя имеют одинаковый средний коэффициент соотношения компонентов.

На каждый из упомянутых выше механизмов потерь оказывают влияние свойства топлива и конструкция камеры сгорания. Хотя теоретический удельный импульс системы определяют термодинамические и кинетические характеристики, степень его достижения обусловливается и газодинамическими эффектами. Дробление и испарение капель в основном определяют полноту сгорания и оказывают лишь второстепенное влияние на кинетические потери и потери в пограничном слое. Распыливание топлива определяется конструкцией форсунок и смесительной головки, тогда как скорости испарения зависят от конструкции камеры сгорания и свойств компонентов топлива. С точки зрения экономичности оптимальной является смесительная головка, обеспечивающая такое распыление компонентов топлива, при котором они испаряются с одинаковой скоростью, а испарение завершается в одном поперечном сечении камеры сгорания. Камера при этом должна обеспечить достаточно большую относительную скорость между газом и каплями, чтобы полностью испарить последние на располагаемой длине. Характер изменения по длине камеры определяется в значительной степени коэффициентом сужения камеры сгорания Другими факторами, влияющими на распыление топлива, являются перепад давления на форсунках, начальный размер капель, устойчивость внутрикамерного процесса, характер соударения струй, свойства топлива, самовоспламеняемость и турбулентность газов в камере. Распределение топлива в факеле распыла определяет влияние качества смешения компонентов на удельный импульс.

Таблица 16. (см. скан) Процессы и потери в ЖРД [168]

Желательно, чтобы конструкция смесительной головки обеспечивала оптимальное распределение и смешение компонентов. Важное значение имеют также гидравлические параметры, такие, как перепад давления в коллекторе, отношение длины I и диаметра форсуночных отверстий, характеристики поверхности этих каналов и угол, под которым сталкиваются струи.

Предложена программа расчета ЖРД с газообразными продуктами сгорания для установившегося режима работы и обычного сверхзвукового сопла [134]. В табл. 16 указаны учитываемые программой процессы и диапазоны свойственных им потерь. Расчеты базируются на двух подпрограммах — анализе двумерного течения в сопле с учетом кинетики химических реакций и анализе турбулентного пограничного слоя По первой рассчитывается удельный импульс для невязкого газа с конечными скоростями химических реакций. Подпрограмма позволяет учитывать две зоны с разным соотношением компонентов, а также неполное выделение энергии. Во второй рассчитывается влияние вязкости и теплопередачи в стенку камеры. Расчет носит итерационный характер в последовательности и завершается определением удельного импульса (рис. 90). На рис. 91 графически представлены учитываемые виды потерь (интересно сравнить этот метод с аналогичной процедурой расчета удельного импульса РДТТ, которую иллюстрирует рис. 57). Эта программа пригодна для топлив, состоящих из следующих химических элементов: углерод, водород, азот, кислород, фтор и хлор. Разработан метод расчета взаимосвязи полноты сгорания в камере с потерями в сопле.