CC BY
52УДК 621.454.2
АНАЛИЗ МЕТОДИК ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Д. В. Остапенко, М. А. Зайцев, М. И. Толстопятов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: dmitriy.ostapenko.94@mail.ru
Рассматривается анализ методик термодинамического расчета жидкостных ракетных двигателей при равновесном и замороженном режиме. Полученные значения сравниваются с параметрами реальных ЖРД.
Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель, удельный импульс в пустоте, стехиометрическое соотношение компонентов, действительное соотношение компонентов, коэффициент избытка окислителя, равновесный режим, замороженный режим.
ANALYSIS OF THE METHODS OF THERMODYNAMIC CALCULATION OF LIQUID ROCKET ENGINES
D. V. Ostapenko, M. A. Zaycev, M. I. Tolstopyatov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: dmitriy.ostapenko.94@mail.ru
The paper deals with the analysis of the methods of thermodynamic calculation of liquid rocket engines at the equilibrium and frozen regime. The comparative of obtained values with the parameters of real liquid rocket engines.
Keywords: liquid rocket engine, specific impulse in vacuum, stoichiometric ratio of components, actual component ratio, ratio of an excess oxidizer, equilibrium regime, frozen regime.
Важнейшим элементом ракетно-космической техники является жидкостный ракетный двигатель. Проектирование ЖРД достаточно трудоемкий процесс, в ходе которого необходимо определить основные параметры и характеристики двигателя на основе термодинамического расчета.
В настоящее время термодинамические расчеты можно выполнять с помощью персональных компьютеров в специализированных программных комплексах, где расчет проводится в равновесном и замороженном режимах, что существенно облегчает задачу. Однако при этом не учитываются различные виды потерь, влияющие на такие характеристики двигателя, как удельный импульс. Величина удельного импульса напрямую зависит от различного вида потерь, кото-
рые были заложены конструктором при проектировании, и состава продуктов сгорания полученного в ходе термодинамического расчета. Однако при испытаниях ЖРД полученные значения удельного импульса будут отличаться от расчетных [1].
По этой причине с целью сравнения методик [2; 3] был проведен термодинамический расчет ЖРД в равновесном и замороженном режиме по известным параметрам двигателей С5.92 [4] и РД-107 [5]. Выбор данных двигателей обусловлен тем, что применяемые топливные пары наиболее распространены в отечественном двигателестроении, также у них различные эксплуатационные характеристики
Термодинамический расчет проводился по параметрам, представленным в таблице.
Параметры РД 107 С5.92
Рк, МПа 5,85 9,6
Da, м 0,72 0,4576
D^, м 0,1658 0,0369
Da/D^ 4,34 12,4
1у.п, м/c 3080 3204,6
Кд 2,47 1,95
Ко 3,408 3,062
а 0,725 0,636
Окислитель О2 (жидкий кислород) N2O4 (АТ)
Горючее СН1,956 (керосин) C2H8N2 (НДМГ)
Jo, кДж/кг -398 -212
1г, кДж/кг -1948 824
Исходные данные для термодинамического расчета
Проектирование, производство и испытания двигателей летательных аппаратов
1у.п(о)
Тд 107
0.50 0.60 0.70 0.725
■К .иОач! 5) -•—РД 107 -*-1у.п(Ай1га)
0.80 0.90 1.00
■1у.п(а'с1_5)зам * 1у.п(Аз£га)зам
Рис. 1. Зависимость удельного импульса в пустоте от коэффициента избытка окислителя в равновесном и замороженном режимах при параметрах РД-107
1у.п(а)
3600 3500 3400 3300 3200 3100 3000 2900
-__
.С5.92
0.50 -1у.п(эс1_5)
0.60 0.636
1у.п(щ'с1_5)зам
0.70 0.80 0.90 1.00
1у.п(Ай1га| —•—1у. п(АйЬ"а)з ам • С5.92
Рис. 2. Зависимость удельного импульса в пустоте от коэффициента избытка окислителя в равновесном и замороженном режимах при параметрах С5.92
В результате расчета были построены графические зависимости удельного импульса в пустоте от коэффициента избытка окислителя, а также состав продуктов сгорания для двух двигателей рис. 1, 2.
Как видно из графиков (рис. 1, 2), полученных по методикам [2; 3], значения удельного импульса в пус-
тоте от коэффициента избытка окислителя практически полностью совпадают при равновесном режиме, но отличаются при замороженном. Данное расхождение можно объяснить тем, что существует различие в продуктах сгорания. При этом значение удельного импульса в замороженном режиме достаточно близко
к параметрам реальных двигателей, что говорит о верной реализации методик [2; 3] даже без учета потерь, имеющихся в ЖРД.
Библиографические ссылки
1. Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 484 с.
2. Горностаев В. И. Термодинамический расчет двигателя : учеб. пособие / Сиб. аэрокосмич. акад. Красноярск, 1994. 39 с.
3. Трусов Б. Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах. М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1991. 40 с.
4. Двигатели С5.92 И С5.221. Разгонный блок «ФРЕГАТ» [Электронный ресурс]. URL: http://www./ main.php?id=53 (дата обращения: 18.08.2018).
5. ЖРД РД-107 и РД-108 и их модификации [Электронный ресурс]. URL: http://www.lpre.de/ energomash/ RD-107/index.htm (дата обращения: 21.08.2018).
References
1. Dobrovol'skiy M. V. Zhidkostnyye raketnyye dvi-gateli [Liquid-propellant rocket engines]. Moscow, BMSTU., Publ., 2005. 484 p.
2. Gornostayev V. I. Termodinamicheskiy raschet dvigatelya [Thermodynamic calculation of the engine]. Uchebnoe posobie. Krasnoyarsk, SAA Publ., 1994. 39 p.
3. Trusov B. G. Modelirovaniye khimicheskikh i fazovykh ravnovesiy pri vysokikh temperaturakh. [Modeling of chemical and phase equilibria at high temperatures]. Moscow, BMSTU., Publ., 1991. 40 p.
4. DVIGATELI S5.92 I S5.221. RAZGONNYY BLOK "FREGAT". [ENGINES C5.92 and C5.221. "FRIGATE" SPACE TUG] (In Russ.). Available at: http://www./main.php?id = 53 (accessed: 18.08.2018).
5. ZHRD RD-107 i RD-108 i ikh modifikatsii. [LRE RD-107 and RD-108 and their modifications] (In Russ.). Available at: http://www.lpre.de/energomash/RD-107/ (accessed: 21.08.2018).
© Остапенко Д. В., Зайцев М. А., Толстопятов М. И., 2018
