АННОТАЦИЯ 3
Введение 6
1. Методика расчёта характеристик рабочих процессов в камере
сгорания РДТТ при изменении площади критического сечения сопла 8
2. Методика расчёта течения газа в сопле Лаваля 14
3. Программа для расчёта характеристик рабочего процесса 17
3.1. Используемый алгоритм и разработка программы расчета .... 17
3.2. Примеры тестовых расчётов 22
3.2.1. Тестовые расчёты для случая торцевого заряда ТТ 24
3.2.2. Тестовые расчёты для случая цилиндрического заряда ТТ 31
Заключение 48
Список использованной литературы 49
Ракетный двигатель на твёрдом топливе (РДТТ) - автономный реактивный двигатель, работающий на бортовых ресурсах массы и энергии. Твёрдое ракетное топливо (ТРТ) помещается в камере сгорания в виде одного или нескольких блоков, называемых зарядами. Масса образующихся при горении продуктов сгорания зависит от плотности топлива, площади поверхности и скорости горения [1].
Долгое время РДТТ считались неподдающимися регулированию. Разработка систем управления РДТТ была сопряжена с решением серьёзных конструктивно-технологических трудностей, таких как возможность влиять на процесс горения ракетного топлива или на процесс истечения продуктов сгорания через сопло двигателя. Но из-за более простой конструкции, низкой стоимости, высокой надёжности и лучших динамических характеристик РДТТ по сравнению с двигателями на жидком топливе и другими видами ракетных двигателей, интерес к решению проблем управления РДТТ не угасает [1,2].
Рост надежности, стабильности и эффективности работы твёрдотопливных двигательных установок способствует тому, что замена регулируемых жидкостных ракетных двигателей твердотопливными является тенденцией последних лет. Отсутствие систем подачи топлива, простота конструкции, постоянная готовность к запуску, а также возможность длительного хранения и компактность размещения привлекают внимание научно-исследовательских и опытно-конструкторских организаций к регулируемым РДТТ, как более перспективному, по сравнению с ЖРД, типу энергосиловых установок, обеспечивающих различные режимы управления движением [3]. Современные ракетные двигатели на твёрдом топливе представляют собой динамическую систему взаимосвязанных звеньев, обеспечивающих получение заданных основных рабочих характеристик [4]
Изменение тяги двигателя ракеты с целью получения оптимальных характеристик её полёта является одной из важнейших задач в ракетостроении. Существует несколько схем регулирования РДТТ [5]:
• Изменение площади критического сечения сопла;
• Изменение поверхности горения твёрдого топлива;
• Изменение скорости горения твёрдого топлива;
• Введение в камеру дополнительного жидкого или газообразного компонента.
Имеется значительное количество патентов, в которых описываются способы управления РДТТ. Сильной стороной всех этих способов является возможность получения регулирования тяги. Недостатком этих схемных решений является конструктивная сложность механизмов управления и техническое исполнение, а также невысокие массовые характеристики двигателя.
Но не все схемы реализуемы на практике достаточно успешно. Введение дополнительных компонентов для регулирования двигателя может быть невыгодным из-за необходимости иметь запас искомого компонента, что ведёт к общему утяжелению конструкции ракеты. Влияние же на поверхность и скорость горения топлива в процессе работы ракетного двигателя в настоящее время представляется проблематичным и трудноосуществимым. Поэтому с технической точки зрения наиболее выгодным способом влияния на тягу в ракетном двигателе на твёрдом топливе является изменение площади критического сечения.
Поскольку проведение экспериментов для прогнозирования поведения тяги не всегда представляется возможным по причине высокой стоимости необходимого оборудования, в разработке и проектировании ракетных двигателей невозможно обойтись без возможностей математического моделирования. С помощью методов математического моделирования по известным параметрам топлива и камеры сгорания возможно достаточно точно описать переходные процессы в камере сгорания ракетного двигателя и визуализировать их для удобства их анализа. Аналогично, методами математического моделирования можно описать параметры течения газа в сопле ракетного двигателя.
Цель работы: разработка методики для математического моделирования и расчёта переходных процессов в камере сгорания ракетного двигателя на твёрдом топливе в случае малых отклонений параметров.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Разработать методику расчёта характеристик рабочего процесса в камере сгорания РДТТ при изменении площади минимального сечения сопла.
2) Провести анализ систем управления регулирования тяги двигателя за счёт изменения площади критического сечения
3) Реализовать методику расчёта параметров течения продуктов сгорания в сопле Лаваля;
4) Реализовать методику на практике - разработать программу расчёта переходных процессов в камере сгорания РДТТ с графическим интерфейсом.
В ходе выполнения работы получены следующие результаты:
1. Разработана методика расчёта характеристик рабочего процесса в камере сгорания РДТТ при изменении площади минимального сечения сопла.
2. Проведен анализ систем управления регулирования тяги двигателя за счёт изменения площади критического сечения для малого отклонения параметров.
3. Разработана программа расчёта характеристик рабочего процесса в камере сгорания РДТТ с графическим интерфейсом.
4. Проведены расчеты для двух типов зарядов ТТ (торцевого и цилиндрического) для трёх различных марок твёрдого топлива. Получены характеристики переходных процессов при мгновенном изменении площади минимального сечения.
5. Анализ полученных результатов расчетов показал, что в случае для цилиндрического заряда, возможны два варианта развития процесса в зависимости от свойств продуктов сгорания (показатель степени в законе скорости горения) и постоянной времени камеры сгорания.
6. Результаты расчётов подтверждают, что регулирование тяги путём изменения площади критического сечения наиболее эффективно для быстрогорящих топлив (топлив с более высоким показателем степени у), что согласуется с известными теоретическими данными.
7. Полученные результаты качественно полностью соответствуют известным решениям для типового апериодического (инерционного усилительного) звена.
