Специальные требования к ЖРТ [1, 3]

40 

качеством конструкции двигателя (формой форсуночной голов-
ки и камеры сгорания, типом и расположением форсунок в головке 
камеры и т.п.); 

физико-химическими свойствами компонентов топлива (вязко-
стью, плотностью, поверхностным натяжением, испаряемостью и др.); 

кинетическими характеристиками процесса горения топлива, ре-
акционной способностью компонентов топлива. 
Как показано в предыдущем разделе, рабочий процесс в камере 
ЖРД складывается из ряда элементарных процессов. Первые три объе-
диняются в первый этап под общим названием – смесеобразование. 
Смесеобразование – это совокупность процессов ввода, распределения, 
распыления и смешения компонентов топлива. С физико-химической 
точки зрения этот этап сводится к таким характеристикам компонентов 
топлива, как вязкость, поверхностное натяжение, испаряемость. 
Распыление топлива – процесс раздробления большой массы 
жидкого топлива на мелкие капли. Тонкость и однородность распыле-
ния зависят от конструктивного оформления форсунок, давления 
впрыска, от вязкости и поверхностного натяжения топлива. 
Влияние поверхностного натяжения топлива на тонкость распыла 
характеризуется следующей зависимостью: 
(2.1) 
гдеd – средний диаметр капель, 
s – поверхностное натяжение жидкости, 
p – давление распыления, 
k – коэффициент, зависящий от диаметра входного отверстия и 
конструкции форсунки. 
Из (2.1) следует, что с увеличением поверхностного натяжения 
увеличивается средний диаметр капель, а тонкость распыла ухудшает-
ся. Аналогично влияние вязкости на размер капель и тонкость распы-
ления. Чем больше вязкость компонентов топлива, тем больше размер 
капель и хуже тонкость распыления. Вместе эти два показателя физи-
ко-химических свойств топлива определяют энергетические затраты на 
смесеобразование и значимо влияют на массовые характеристики дви-
гателя. 
Наряду с рассмотренными показателями плотность топлива влия-
ет на дальнобойность струи и форму факела. Капли топлива с высокой 
плотностью позволяют получить большую дальнобойность и, соответ-
ственно, удлиненную форму факела. 

41 
За распылением топлива следует процесс испарения, определяю-
щий в значительной степени своевременность образования горючей 
смесии полноту сгорания. На процесс испарения капель топлива ока-
зывают влияние многие факторы массопередачи, теплопередачи, гео-
метрии капли и камеры сгорания. Однако лимитирующим показателем 
является летучесть топлива. Легколетучие компоненты, имеющие вы-
сокое давление насыщенного пара, быстро испаряются, труднолетучие 
– медленно. В таблице 2.1 приведены рассмотренные характеристики 
для распространенных компонентов ЖРТ. 
Таблица 2.1 – Характеристики компонентов ракетного топлива 
Компонент 
топлива 
Т
кип
, 
К 
ρ, кг/м
3
(Т, К) 
μ, МПа

с 
(Т,К) 
c
р
кДж/кг

К 
(Т, К) 
λ Вт/м

К 
(Т, К) 
Скрытая тепло-
та 
парообразова-
ния,КДж/моль 
Горючие 
Водород H
2
20,4 
71
(20,4) 
0,0087
(20) 
9,75
(20) 
0,066
(100) 
0,920 
Керосин 
- 
800
(298) 
1,63
(288) 
2,1
(293) 
0,156
(273) 
- 
Аммиак 
NH
3
239,8 
680
(239,8) 
0,255
(239,8) 
4,4
(213) 
0,050
(273) 
23,4 
Этиловый 
спирт 
351,7 
785
(298) 
1,42
(293) 
2,6
(293) 
0,167
(293) 
38,5 
Гидразин 
386,7 
1011
(288) 
0,97 
(293) 
3,1
(300) 
0,209
(293) 
42,7 
Гептил 
354,0 
808
(288) 
0,50
(293) 
2,7
(293) 
0,209
(298) 
35,2 
Окислители 
Кислород O
2
90,2 
1142
(91) 
0,189
(90) 
1,7
(91) 
0,021
(95) 
6,7 
Озон O
3
162,6 
1571 
(90) 
1,55
(93) 
0,8
(90) 
- 
10,9 
Азотная 
кислота 
359,0 
1520
(288) 
2,0
(269) 
1,75
(293) 
0,274
(283) 
30,4 
Азотный 
тетраоксид 
294,2 
1450
(293) 
0,44
(288) 
1,50
(293) 
- 
38,1 
Перекись 
водорода 
423,7 
1448
(293) 
1,30
(291) 
2,4
(293) 
0,628
(320) 
54,4 
При распылении и испарении в камере сгорания возникают пары 
компонентов, образующие в результате взаимной диффузии и тепло-

42 
обмена горючую смесь. Вследствие неравномерности распыления и 
различной скорости испарения компонентов смесеобразование не за-
канчивается в предпламенной зоне, а продолжается дальше в зоне пла-
мени. 
Горение топлива в камере сгорания ЖРД – сложный физико-
химический процесс. В нем можно выделить начало горения – воспла-
менение топлива и протекание его во времени – кинетика превращения 
топлива. При воспламенении важное значение имеет быстрота реаги-
рования компонентов топлива, приводящая к резкому повышению 
температуры и, соответственно, к ускорению химического превраще-
ния. В этом случае характеристикой топлива является период задержки 
воспламенения (самовоспламенения), длительность которого зависит 
от природы окислителя и горючего. При запуске ЖРД и остановке его 
путем закрытия отсечных клапанов недопустимо скопление избытка 
топлива в камере сгорания. Поэтому чем меньше период задержки вос-
пламенения, тем «мягче» двигатель запускается и останавливается. 
Кинетика превращения топлива отражается на устойчивости го-
рения его в камере сгорания. Для ЖРД всех типов характерно наблю-
даемое в определенных условиях неустойчивое, вибрационное горение. 
Оно проявляется в виде периодических колебаний в камере сгорания. 
При этом различают два типа колебаний: низкочастотные и высокочас-
тотные. Для низкочастотных колебаний для каждого вида топлива су-
ществует область устойчивого режима горения, которая зависит от 
периода задержки воспламенения топлива. Область высокочастотных 
колебаний (10-12·103Гц) зависит от состава и свойств топлива, давле-
ния и тяговой мощности двигателя. 
Таким образом, одним из требований к ЖРТ является минималь-
ная склонность к неустойчивому горению в двигателе, как низкочас-
тотному, так и высокочастотному. 
Организация защиты стенок камеры ЖРД от опасного перегрева 
при незначительных потерях удельного импульса – одна из трудней-
ших задач при создании новых ЖРД. Сложность защиты стенок связа-
на с тем, что продукты сгорания в камере двигателя имеют высокие 
температуры – до 3500-4500 К, давление – 20 МПа и выше и скорости 
движения 1000-3000 м/с. 
Компоненты ЖРТ обеспечивают охлаждение стенок камеры сго-
рания. В конструкциях ЖРД используются два основных способа ох-
лаждения: наружное и внутреннее. При наружном охлаждении обычно 
используют регенеративное охлаждение, при котором тепло передается 
компонентам топлива, протекающим по каналам в стенке камеры дви-
гателя. Для внутреннего завесного и транспирационного охлаждения 

43 
используют один из компонентов топлива, предпочтительно горючее. 
Завесное охлаждение осуществляется путем создания защитного слоя 
жидкости, текущего вдоль стенки камеры (жидкостная завеса). Транс-
пирационное охлаждение достигается путем вдува в пограничный слой 
газа или пара через пористую или перфорированную стенку. Однако, 
любой способ охлаждения или их сочетание должен обеспечить в те-
чение заданного времени необходимое тепловое состояние стенок, 
обуславливаемое требованиями жаростойкости и прочности стенок. 
При наружном способе охлаждения в качестве охладителей ис-
пользуют и горючие и окислители. Применение горючих предпочти-
тельно, так как они не создают агрессивной среды. Восприняв всю теп-
лоту, поступающую в охлаждающий тракт, охладитель не должен на-
греваться выше некоторой, допустимой для данного компонента, тем-
пературы. Для одних компонентов допустимой является температура 
кипения, для других – температура термического разложения. Для уг-
леводородных горючих типа керосина, например, термическое разло-
жение (крекинг) приводит к образованию смол и твердого кокса. По-
добные отложения на стенке, омываемой охладителем, недопустимо 
увеличивают ее термическое сопротивление и могут вызвать прогар 
стенки камеры сгорания. 
Для оценки охлаждающих свойств компонентов ЖРТ используют 
комплекс Кж, объединяющий теплофизические свойства, зависящие 
для выбранной жидкости только от температуры: 

жүктеу/скачать 1.91 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: