CC BY
102
Секция ««ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯЛА И КА»
УДК 621.45.01
Г. М. Попов, Д. А. Колмакова Научный руководитель - О. В. Батурин Самарский государственный аэрокосмический университет
имени академика С. П. Королева (Национальный исследовательский университет), Самара
ЭСКИЗНЫЙ ПРОЕКТ МАЛОРАЗМЕРНОГО ГТД ДЛЯ БПЛА С ВЗЛЕТНОЙ ТЯГОЙ 400 Н
В ходе выполнения работы был спроектирован ГТД с взлетной тягой 400Н, предназначенный для установки на беспилотные летательные аппараты.
Для двигателя был проведен проектный термогазодинамический расчет, спроектированы компрессор, турбина, разработана конструкция и создана 3D CAD модель, проведены прочностные расчеты.
Спроектированный двигатель представляет одно-вальный ТРД. Полный ресурс двигателя 100часов. В качестве топлива используется керосин. При запуске, для упрощения розжига применяется природный газ.
Компрессор одноступенчатый центробежный.
Камера сгорания кольцевая противоточная с испарительными форсунками. Подвод топлива внутрь испарительных трубок осуществляется через топливный коллектор, который расположен между внутренним корпусом и передней частью жаровой трубы.
Турбина газогенератора одноступенчатая, неох-лаждаемая. Лопатки РК неохлаждаемые, безбандажные выполнены как единое целое с диском.
Эскизный проект ГТД для БПЛА с взлетной тягой 400 Н
© Попов Г. М., Колмакова Д. А., 2012
УДК 621.454.034
В. Н. Рыбакова, А. С. Мехтиев Научный руководитель - К. Ф. Голиковская Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЖРД НА ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ КОМПОНЕНТАХ ТОПЛИВА
Рассматривается термодинамический расчет, в данной работе приведен анализ двухкомпонентного экологически чистого ракетного топлива.
Ракетные двигатели за сравнительно короткий срок достигли значительного совершенства и весьма высоких, близких к пределу параметров, превысить
которые можно только применяя принципиально новые схемы энергопреобразования, материалы и технологии. Надежность и экологическая безопасность
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
стали основными показателями качества проектируемых двигателей. Из схемных решений предпочтение отдается тем, в которых минимизируется число потенциально опасных агрегатов и увеличивается доля хорошо отработанных и показавших на практике высокую надежность технических решений с ориентацией на современные материалы и технологии. В настоящее время продолжается развитие и совершенствование ракетных двигателей в направлении увеличения надежности, удельного импульса, уменьшения удельной массы, снижения стоимости, снижения или устранения вредного экологического воздействия на окружающую среду. Одним из направлений совершенствования является разработка новых компонентов топлива.
К компонентам ракетных топлив предъявляются весьма разнообразные, многочисленные и порой противоречивые требования. Они не могут быть удовлетворены одновременно ни одним из известных химических веществ или их смесей. Но определяющим показателем при выборе ракетных топлив является их эффективность, основным показателем которой является удельный импульс [1].
Природный газ как горючее с начала космической эры привлекал к себе внимание двигателистов. Сжиженный природный газ (СПГ) на 90 % и более состоит из метана. Метан- бесцветный газ, без запаха. Малорастворим в воде, легче воздуха. Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека. Накапливаясь в закрытом помещении, метан взрывоопасен. В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и кальция) или безводного гидроксида натрия с ледяной уксусной кислотой. Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1 м3. С воздухом образует взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 5 до 15 процентов. Плотность: газ (0 °С, 1013 гПа) 0,72 кг/м3; жидкость (-161,6 °С) 0,42 г/см3. Керосин - прозрачная, слегка маслянистая на ощупь, горючая жидкость, получаемая путем перегонки или ректификации нефти. Плотность 0,78-0,85 г/смз (при 20 °С), вязкость 1,2-4,5 мм2/с (при 20 °С), температура вспышки 28-72 °С, теплота сгорания ок. 43 МДж/кг. Жидкий кислород-это прозрачная голубоватая жидкость. В качестве окислителя жидкий кислород применяется в сочетании с углеводородными горючими, жидким водородом в большинстве современных РН среднего и тяжелого класса. Жидкий кислород - нетоксичный продукт, но при работе с ним должны использоваться защитные средства, предохраняющие от обморожения. Сравнивая метан и керосин можно сделать вывод, что по плотности метан почти в два раза легче керосина, но он не ядовит и коррозионно пассивен. Энергетическая ценность его выше, чем у керосина. По стоимости получения СПГ он сопоставим с керосином и даже дешевле его. Поэтому разработка ЖРД на экологически
чистых компонентах топлива: метан в паре с жидким кислородом отвечает тенденциям развития современных рекет-носителей. При замене керосина сжиженным природным газом (метаном) некоторое преимущество в удельном импульсе дает возможность получить выигрыш в массе полезного груза. Для многоразовых носителей метановое топливо выгодно и из-за своей относительно малой удельной стоимости. Кроме того, в отличие от керосина (и его современных токсичных синтетических производных типа «синти-на»), пятна пролива жидкого природного газа быстро испаряются, не нанося вреда окружающей среде.
По мнению отечественных специалистов, использование сжиженного природного газа (метана) позволяет:
- обеспечить безопасность окружающей среды даже при аварийном сливе компонентов топлива;
- повысить удельный импульс тяги и улучшить энерго-массовые характеристики РН;
- повысить эффективность охлаждения камеры сгорания;
- упростить межпусковую обработку топливных трактов;
- снизить стоимость горючего;
- обеспечить длительность использования сырьевой базы при наличии больших природных запасов горючего;
- обеспечить доступность природного газа для любых национальных программ;
- облегчить создание двигателя любой принципиальной схемы (с окислительным или восстановительным газогенератором);
- использовать материалы, технологии и оборудование, присущие криогенной технике.
Задачей работы является исследование эффективности двухкомпонентных экологически чистых топлив при идентичных условиях: Рк = 12 МПа, Рн = 0,01 МПа, Ра = 0,02 МПа, Р = 80 кН.
При сравнительном анализе топлива а «жидкий метан + жидкий кислород» и «керосин + жидкий кислород» было выявлено: массы окислителя, горючего и топлив в целом, а также построенный профиль сопла для них сопоставимы [2]. Следовательно, целесообразнее использовать в качестве горючего жидкий метан вместо керосина, так как максимальное значение удельного импульса в этом случае выше.
Библиографические ссылки
1. Горностаев В. И. Термодинамический расчет двигателя. САА. Красноярск, 1994.
2. Дорофеев А. А. Основы теории тепловых ракетных двигателей. Теория, расчет и проектирование: учебник для авиа- и ракетостроительных специальностей вузов. М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. 463 с.
© Рыбакова В. Н., Мехтиев А. С., 2012
