Принцип роботи ракетних двигунів

При всій своїй багатообразності всі ракетні двигуни діють за одним принципом. Ракетний двигун перетворює хімічну енергію згорання палива в кінетичну енергію газового (реактивного) струменя, який створює реактивну силу. Ця реактивна сила прикладена безпосередньо до корпуса ракетного двигуна і викликає переміщення двигуна разом з ЛА в бік, протилежний напрямку течії газового струменя.

Основним елементом кожного ракетного двигуна є камера згорання з геометричним соплом (соплом Лаваля) (Мал.3), які, як правило, називаються камерою двигуна.

Мал.3. Камера ракетного двигуна.

В камері ракетного двигуна протікає процес горіння палива. В результаті цього там утворюються гази, що мають високу температуру Т₀ і тиск р₀. Гази витікають з камери через сопло; під час течії газів їх швидкість збільшується до дуже великих значень. При цьому змінюється в бік зменшення їх тиск (Мал.4).

	Ро
	Wо

Мал.4 Зміна тиску і швидкості руху газів вздовж камери.

Вздовж циліндричної частини камери тиск не змінюється і має величину р₀. В сопловій частині камери швидкість руху газів зростає, що викликає зменшення їх тиску. Це пов’язано з перетворенням потенціальної енергії продуктів згорання в кінетичну. В критичному січені швидкість газів дорівнює місцевій швидкості звука, а тиск р_кр складає біля половини тиску в камері. І, наприкінці, на виході з сопла швидкість досягає найбільшого значення Wа (швидкість витікання), а тиск газів р_а – найменшим по всій внутрішній поверхні камери.

Таким чином, при роботі двигуна на внутрішню поверхню камери діє тиск газів, який поступово зменшується від головки до виходу з сопла. Так як внутрішня ємність камери являє собою напівзамкнену систему, то рівнодіюча сил тиску по внутрішній поверхні R не дорівнює нулю. З малюнка видно, що ця рівнодіюча буде діяти на вісі камери і спрямована в бік головки і в зворотному, від течії газів, напрямку.

Так як R – це рівнодіюча сил тиску на внутрішню поверхню камери ракетного двигуна і викликана вона відкиданням від двигуна частини маси (течією продуктів горіння – газовим струменем), вона і є реактивною силою.

За таким принципом працюють всі ракетні двигуни. Різниця в тому, яке паливо в них використовується (рідке чи тверде), яким чином воно подається в камеру згорання та в інших конструктивних особливостях, що стосуються утримання роботи двигунів в необхідних параметрах.

Реактивна сила.

Реактивна сила, як було сказано вище, це сила реакції прямої дії, що впливає на апарат внаслідок відкидання від нього частини маси. Тобто, це сила, що приводить апарат до руху. Вона виникає в середині самого апарату. Реактивною силою називають рівнодіючу сил тиску на внутрішню поверхню камери згорання, що спрямована в бік, протилежний напрямку течії газів. Позначимо її R.

Мал.5. Реактивна сила.

Реактивну силу можна було б знайти шляхом інтегрування усіх елементарних сил тиску Р_і на внутрішню поверхню камери згорання. За умови, що потік газів симетричний осі і радіальні складові сил тиску врівноважені реактивна сила

R= ,

де, S_вн– повна внутрішня поверхня камери;

Р_х - проекція сил тиску газів на вісь.

Однак, таким шляхом знайти реактивну силу фактично дуже важко, так як виміряти або визначити значення тиску газів на кожен елемент поверхні камери, в особливості на криві поверхні сопла практично неможливо. Для цього треба знати закон зміни тиску по поверхні для кожного виду камер.

Простіше встановити величину реактивної сили з використанням до камери одного з важливіших законів механіки – теореми про зміну кількості руху.

На Мал.5 показана камера згорання двигуна, в якій виділено три ділянки: циліндрична частина (0 – 1), ділянка вхідної частини сопла (1- К_р) і ділянка вихідної частини сопла (К_р – а).

Рівнодіюча сила тиску газів, що заповнюють камеру (вона і є реактивною силою) R є сумою трьох сил:

R₁ – ті, що діють на передню стінку камери;

R₂ – ті, що діють на вхідну ділянку сопла;

R₃ – ті, що діють на вихідну ділянку сопла.

R= R₁-R₂ +R₃ (1.0)

Так, як ми вже сказали, що складові сили R= R₁-R₂ +R₃ знайти практично неможливо, розглянемо не дію сили газів на стінки камери, а навпаки, дію стінок камери на газовий потік.

Згідно закону рівняння дії і протидії, сила, що діє збоку газів на стінки двигуна (R) дорівнює по величині і зворотня по напрямку силі, що діє збоку стінок на газовий потік (R^*). Тобто, таким чином на газовий потік збоку стінок камери буде діяти сила, абсолютна величина якої

R^*= R₁^*-R₂ ^*+R₃^* (1.1)

а напрямок – в напрямку течії газів із сопла (додатній).

Сила R₁^*, що діє збоку передньої стінки на газовий потік

R₁^*=р₀F_0, (1.2)

де р₀ – тиск передньої стінки на газ (постійний, так як стінка плоска);

F₀ – площа передньої стінки.

На об’єм газу, що міститься між січеннями О-О і Кр-Кр діють сили р₀F₀, р_крF_кр і сила реакції стінок R₂ ^*.

Згідно теореми про зміну кількості руху – імпульс сили (добуток сили на час її дії), що виникає в замкнутій системі під час прискорення маси, що відкидається, дорівнює зміні її кількості руху (кількість руху Q=mw).

mw_kp-mw₀=p₀F₀-р_крF_кр-R₂ ^*, де

m – масова секундна витрата;

w – швидкість газового потока в січенях, що розглядаються.

З урахуванням того, що швидкість газового потока у головки камери w₀=0, сила R₂, що діє на газовий потік збоку вхідної частини сопла

-R₂ ^*=mw_kp-p₀F₀+ р_крF_кр (1.3)

Аналогічно для газового потоку на ділянці вихідного конуса сопла

mw_а - mw_kp=р_крF_кр – р_аF_а + R₃^* ,

звідки сила, що діє на газовий потік збоку стінок вихідної частини сопла

R₃^*= mw_а - mw_kp - р_крF_кр + р_аF_а (1.4)

У відповідності до (1.1) склавши рівняння (1.2), (1.3), (1.4) отримаємо

R^*= R₁^*-R₂ ^*+R₃^*=mw_а +р_аF_а (1.5)

Так як, права частина цього рівняння є величина завжди додатня, то можна стверджувати, що результуюча сила дії стінок камери на газовий потік завжди співпадає з напрямком газового потоку.

В такому випадку результуюча сила, що діє збоку газів на стінки камери R (1.0), кількісно дорівнює сумі (1.5) і спрямована в протилежний бік - в напрямку зворотному течії газового потоку.

Отже, реактивна сила

R=mw_а +р_аF_а (1.6)

Ця сила, як видно з формули, не залежить від умов зовнішнього середовища, а цілком визначається процесами, що протікають всередині камери. Тому реактивну силу ще називають внутрішньою складовою сили тяги ракетного двигуна.

Так як масова витрата палива

m= , (1.7)

де G – секундна вагова витрата палива (кг/сек);

g - прискорення вільного падіння (м/сек²),

формулу (1.6) записують у вигляді

R= w_а +р_аF_а (1.8)