Л.К. ГУСАЧЕНКО, С.П. ИВАНИЯ
РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ:
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2009
УДК 621.454.3(075.8)
Г 961
Рецензенты:
канд. техн. наук К.Е. Милевский,
нач. отдела испытаний ОАО Ин-та прикладной физики <...> А.А. Полиновский
Работа выполнена на кафедре
газодинамических импульсных устройств
Г 961
Гусаченко Л.К. <...> Ракетные двигатели : основы теории горения ракетных топлив : учеб. пособие / Л.К. Гусаченко, С.П. Ивания. <...> Приведены
также сведения по истории создания и использованию жидкостных
ракетных двигателей. <...> Может
быть множество технических решений (включающих состав топлива и
конструкцию ракеты), удовлетворяющих исходному тактикотехническому заданию (ТТЗ). <...> Основная часть пособия (раздел I) посвящена двигателям на твердом топливе. <...> Ракетный двигатель –
5
частный случай (разновидность) реактивного двигателя, который также создает количество движения (импульс) ускорением и выбрасыванием рабочего тела, но при этом часть этого рабочего тела может брать
из окружающей среды. <...> Простейший ракетный двигатель, наблюдаемый в бытовых условиях, –
это надутый резиновый воздушный шарик, из которого выходит воздух. <...> История создания ракет
Первые ракеты «на химическом топливе» появились и распространились по Азии и Европе сразу после изобретения черного пороха
(предположительно в Китае около 1000 лет назад). <...> Черный порох представляет собой смесь мелких частиц угля (играет роль горючего и придает черный цвет), калийной селитры KNO3
(играет роль окислителя) и серы (играет роль горючего и связующего). <...> В каждой крупинке черного пороха матрица из пластичной серы наполнена твердыми частицами селитры и угля (сажи). <...> Продукты сгорания
черного пороха примерно наполовину (по массе) состоят их мельчайших жидких (и твердеющих при остывании) частиц K2О и K2S, поэтому этот порох называют еще дымным. <...> В 1930-х годах в СССР уже действовал Ракетный научноисследовательский <...>
Ракетные_двигатели_основы_теории_горения_ракетных_топлив.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
__________________________________________________________________________
Л.К. ГУСАЧЕНКО, С.П. ИВАНИЯ
РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ:
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2009
Стр.1
УДК 621.454.3(075.8)
Г 961
Рецензенты:
канд. техн. наук К.Е. Милевский,
нач. отдела испытаний ОАО Ин-та прикладной физики
А.А. Полиновский
Работа выполнена на кафедре
газодинамических импульсных устройств
Гусаченко Л.К.
Г 961
Ракетные двигатели : основы теории горения ракетных топлив
: учеб. пособие / Л.К. Гусаченко, С.П. Ивания. – Новосибирск
: Изд-во НГТУ, 2009. – 80 с.
ISBN 978-5-7782-1106-3
Рассмотрены актуальные вопросы теории процессов, происходящих
в твердотопливных ракетных двигателях, в применении к курсу
«Основы проектирования двигателей». После каждого раздела теории
даны задания для самостоятельной работы студентов. Приведены
также сведения по истории создания и использованию жидкостных
ракетных двигателей.
Предназначено для студентов 4-го курса ФЛА, обучающихся по
специальности 170103 «Средства поражения и боеприпасы».
УДК 621.454.3(075.8)
ISBN 978-5-7782-1106-3
© Гусаченко Л.К., Ивания С.П., 2009
© Новосибирский государственный
технический университет, 2009
Стр.2
Содержание
Введение ..................................................................................................................5
Раздел I. Двигатели на твердом топливе ..........................................................5
Глава 1. Что известно о ракетах.............................................................................5
1.1. Определения ..............................................................................................5
1.2. История создания ракет ............................................................................6
Глава 2. Скорость ракеты .......................................................................................8
2.1. Формула Циолковского ............................................................................9
2.2. Многоступенчатые ракеты .....................................................................11
Глава 3. Типичные составы твердых ракетных топлив .....................................12
Глава 4. Тяга (реактивная сила) и единичный импульс ....................................15
4.1. Выражения для тяги и единичного импульса .......................................15
4.2. Сопло Лаваля: теплообмен, массовый расход, скорость и давление
на срезе ..............................................................................................17
4.3. От чего зависит единичный импульс?...................................................21
Глава 5. Температура и давление в ракетной камере ........................................22
5.1. Температура в ракетной камере .............................................................22
5.2. Давление в ракетной камере...................................................................24
Глава 6. Роль показателя в зависимости скорости горения от давления ........25
6.1. Оценка разброса давления, значения показателя ..............................25
6.2. Величина : требование устойчивости ..................................................26
Глава 7. Эмпирический закон горения ................................................................27
7.1. Зависимость от давления ........................................................................29
7.2. Зависимость от начальной температуры ...............................................30
7.3. Зависимость от обдува ............................................................................30
7.4. Влияние перегрузок ................................................................................32
Глава 8. Процессы в волне горения .....................................................................33
8.1. Характеристики волны горения .............................................................33
8.1.1. Температурные профили ..............................................................33
8.1.2. Уравнение для стационарного температурного профиля,
распределение Михельсона ..........................................................33
8.2. Новые представления о механизме горения гомогенных ТРТ, неустойчивость
и «собственная турбулентность» ..................................35
Глава 9. Форма заряда ..........................................................................................37
9.1. Торцевой заряд ........................................................................................38
9.2. Заряды из канальных цилиндрических шашек .....................................38
3
Стр.3
9.3. Рулонный заряд .......................................................................................39
9.4. Форма крупногабаритных зарядов ........................................................40
9.5. Принцип Гюйгенса ..................................................................................42
Глава 10. Нестационарные явления в двигателях ..............................................44
10.1. Нормальный выход на рабочий режим ...............................................44
10.2. Истечение после конца горения ...........................................................44
10.3. Выход на стационарный режим после быстрого изменения давления
или критического сечения .........................................................46
10.3.1. Грубая оценка ..............................................................................46
10.3.2. Более точная «нульмерная» оценка ...........................................47
10.4. Чисто гидродинамическая неустойчивость ........................................49
10.4.1. Вихри ............................................................................................50
10.4.2. Энтропийные волны ....................................................................52
10.5. «Акустическая» неустойчивость..........................................................53
10.6. Неустойчивость по Зельдовичу–Новожилову ....................................55
10.7. Неустойчивость, связанная с недогоранием .......................................57
Глава 11. Регулируемые РДТТ.............................................................................58
11.1. Регулирование критическим сечением................................................58
11.2. Тепловой нож.........................................................................................59
11.3. Ракетные двигатели на твердом топливе с электродуговым фитилем
......................................................................................................61
Раздел II. Другие виды ракетных двигателей ...............................................62
Глава 1. История создания и использования жидкостных ракетных двигателей
.....................................................................................................62
Глава 2. Жидкостный ракетный двигатель на однокомпонентном топливе
..........................................................................................................64
Глава 3. Двухкомпонентные ЖРД .......................................................................67
Глава 4. Топлива для жидкостных ракетных двигателей ..................................75
Глава 5. Космические ракетные двигатели.........................................................78
Литература .............................................................................................................79
4
Стр.4