Интегральные прямоточные воздушно-реактивные двигатели на твердых топливах

В книге изложены теоретические основы проектирования интегральных прямоточных воздушно-реактивных двигателей на твердых топливах (ИПВРДТ), в обобщенной форме сочетающие в себе данные экспериментальных исследований и математического моделирования.

Центральное место в книге занимают методы расчета и проектирования твердотопливных ракетно-прямоточных двигателей и прямоточных ВРД (выбор облика двигателя, твердые топлива и горючие, устойчивость рабочего процесса, системы регулирования расходом твердого топлива, бессопловые стартовые РДТТ, оптимизация системы "двигатель-аппарат").

Издание предназначено для научных работников и инженеров, занимающихся разработкой, проектированием и испытаниями высокоскоростных летательных аппаратов и двигательных установок на основе твердотопливных ПВРД.

Книга будет полезна аспирантам и студентам старших курсов авиа- и ракетостроительных специальностей технических вузов
Введение
Одним из ключевых направлений в решении проблемы повышения дальности и скорости полета ракет с внутриатмосферной зоной эксплуатации является применение интегральных прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ИПВРД). В этих двигателях благодаря интеграции могут быть наилучшим образом реализованы преимущества РДТТ в разгонной ступени и высокие экономические показатели ПВРД в маршевой ступени.

Постоянный интерес к ИПВРД обусловлен не только их потенциально высокими тягово-экономическими характеристиками, но и относительно невысокой стоимостью изготовления в сравнении, например, с газотурбинными двигателями. Прежде всего, это относится к интегральным ПВРД твердого топлива, в особенности, для мобильных систем, где действуют жесткие габаритно-массовые ограничения.

Особенностью ИПВРД является то, что их внутридвигательные параметры напрямую связаны с параметрами воздушного потока, обтекающего летательный аппарат.

В связи с этим ПВРД создается в качестве интегрированной с аппаратом системы, что составляет основу методологии его проектирования. Степень совершенства теоретических основ проектирования ИПВРД в значительной степени определяет точность результатов прогнозирования параметров рабочего процесса, геометрических и тягово-экономических характеристик и надежность создаваемых двигателей.

Отсюда понятна необходимость и актуальность постоянного развития, совершенствования и систематизации научно-методического обеспечения проектных работ в области интегральных ПВРД.

В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе существует заметный пробел в освещении и решении принципиальных вопросов теории проектирования ИПВРД твердого топлива с применением методов математического моделирования. К числу таких вопрофв относятся: научные и инженерные основы выбора высокоэнергоемких маршевых твердых топлив и разработка узлов плавного обратимого регулирования расхода твердого топлива в ракетно-пря-моточном двигателе, повышение эффективности стартовой ступени ИПВРД, обеспечение работы воздухозаборных устройств на расчетных и нерасчетных режимах с учетом запуска и неустойчивости течения на различных углах атаки, оптимизация системы "двигатель-аппарат", обеспечение надежности и др.

Настоящая книга посвящена разработке теоретических основ проектирования интегральных ПВРД твердого топлива.

При этом основное внимание уделено разработке и усовершенствованию математических моделей отдельных узлов, систем и двигательной установки в целом, построенных во взаимосвязи с внутрикамерными процессами. Книга написана, в основном, по материалам авторов, отдельные материалы заимствованы из отечественных и зарубежных публикаций.

Предисловие и введение написаны В.А. Скибиным, В.М. Быцкевичем, Л.С. Яновским и Е.В. Суриковым, глава 1 - В.К. Верхоломовым, глава2 - В.К. Верхоломовым, Л.С.Яновским, В.Я. Хилькевичем и В.Н.Александровым, глава 3 - В. Н. Александровым, В.К. Верхоломовым и Л.С. Яновским, глава 4 - В.Н. Александровым, В.М. Быцкевичем, М.Д. Граменицким и В.Я. Хилькевичем, глава 5 - Н.П. Дуле-повым, В.Я. Хилькевичем, В.Н. Александровым и В.А. Скибиным. При написании книги авторский коллектив широко практиковал взаимные консультации. Общее редактирование книги осуществлялось доктором технических наук, профессором Л.С. Яновским.

Эта книга - дань памяти доктора технических наук, профессора Сосунова Владимира Аристарховича, заложившего более сорока лет назад теоретические основы проектирования ИРПДТ, а также доктора технических наук, профессора Тулупова Юрия Ивановича, длительное время руководившего научными и практическими работами в данной предметной области.

Авторы глубоко признательны первому заместителю генерального директора ЦИАМ В.И. Солонину за идею и поддержку издания книги, специалистам МКБ "Искра", Коломенского КБМ, ГосМКБ "Вымпел", ФЦДТ "Союз" за ряд замечаний и методических советов, которые, в основном, были учтены при окончательной доработке рукописи.

Авторы выражают глубокую благодарность коллективу кафедры "Воздушно-реактивные двигатели" Московского авиационного института (зав. кафедрой - доктор технических наук, профессор А. Б. Агуль-ник); академику Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского, Академии наук авиации и воздухоплавания, заслуженному деятелю науки и техники, доктору технических наук, профессору Ю.Н. Нечаеву; академику Российской инженерной академии, Российской академии ракетных и артиллерийских наук, Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского, доктору технических наук, профессору Г.А. Соколовскому, а также начальнику отдела ГосМКБ "Вымпел" В.Н. Афонину за большую работу по рецензированию рукописи.

Авторы также выражают благодарность сотрудникам ЦИАМ В.Н. Ко-товой, Г.Д. Харчевниковой, С.С. Потягайло, Е.В. Кротовой, Т.И. Рудаковой, Л.Н. Смирновой, Н.Ю. Соловьевой, М.С. Шарову за помощь в проведении расчетов и подготовке материалов книги к опубликованию.

Ракетное оружие - важнейший компонент вооружений, во многом определяющий способность авиационных, морских и сухопутных группировок к выполнению возлагаемых на них задач по сдерживанию и ведению военных конфликтов различного масштаба. При этом создание более совершенного оружия - самое выгодное (по критерию "эффективность-стоимость") направление наращивания боевых возможностей войск. Прогресс, достигнутый в последнее время в области радиолокации, навигации, а также средств наведения и поражения поставил в повестку дня необходимость совершенствования ракетных двигательных установок (ДУ) на твердых топливах для авиационных и зенитных ракет. При этом наибольший прирост дальности полета (в 2-3 раза) может быть обеспечен за счет применения интегральных прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ИПВРД). Последние отличаются особой интеграцией конструкции ДУ и ракеты, сложной взаимосвязью характеристик системы "топливо-двигатель-аппарат".
Развитие твердотопливных ИПВРД (РПД, ПВРД) может быть реализовано путем совершенствования схем, аэродинамики, конструкций ДУ, топлив (горючих), конструкционных и теплозащитных материалов, запуска и организации эффективного рабочего процесса на твердых топливах и др.
Многообразие схем ИПВРД, применяемых твердых топлив и горючих вызывает необходимость их классификации и выявление областей их рационального применения.
Сложность задач проектирования ИПВРД на твердых топливах связана с тем, что такие задачи невозможно от начала до конца описать с помощью алгебраических, интегральных, дифференциальных или статистических уравнений и неравенств, т. е. представить в виде строгих математических моделей. Особенностью проектировочных задач является неполнота и в значительной мере неопределенность исходных данных, которые предстоит определить и конкретизировать в ходе решения. По этой причине в книге большое внимание уделяется как разработке и усовершенствованию математических моделей отдельных узлов, систем и ДУ в целом, так и обобщению имеющегося отечественного и зарубежного опыта создания РПД и ПВРД на твердых топливах.
Данная книга в значительной мере закрывает существующий в течение нескольких десятилетий в отечественной и зарубежной научно-технической литературе пробел в освещении вопросов теории, расчета и проектирования ИПВРД.
Книга представляет собой уникальную, не имеющую аналогов в мировой практике монографию, посвященную основам теории

и расчета интегральных ПВРД на твердых топливах. Актуальность книги и ее научная ценность состоит в том, что выбор облика двигателя, типа топлива и горючего, устойчивость работы и все основные особенности рабочего процесса даются в интегральной постановке - на базе обобщенного рассмотрения системы, включающей летательный аппарат, силовую установку и топливо. ¦
Книга состоит из пяти глав. Глава 1 посвящена рассмотрению термодинамических циклов. В ней содержится термодинамический анализ идеального и действительного циклов ПВРД, рассматривается влияние термодинамических параметров цикла на тяговые и удельные характеристики двигателя. В главе 2 рассматривается очень широкий круг вопросов, связанных с РПДТ. Здесь приведены схемы РПДТ, особенности рабочего процесса, способы регулирования, типы топлив, а также рассматриваются проблемы шлакования и устойчивости рабочего процесса регулируемых газогенераторов РПДТ. Глава 3 посвящена описанию основных особенностей ПВРДТ (безгазогенераторная схема). В ней также приводятся основные схемы ДУ, разновидности топлив (твердых горючих), способы регулирования. Рассматриваются физические основы процесса горения в канале твердого горючего, вопросы стабилизации пламени и закономерности скорости газификации. Глава 4 посвящена стартовым РДТТ. В ней основное внимание уделено бессопловым стартовым РДТТ. Рассматриваются вопросы математического моделирования рабочего процесса бессопловых РДТТ, дан анализ его устойчивости, исследована эффективность различных мероприятий по повышению среднеинтегрального удельного импульса, а также изучено влияние деформаций канала на внутрибаллистические характеристики бессоплового РДТТ. В главе 5 описываются основные подходы, используемые при математическом моделировании рабочего процесса ИПВРД, а также излагается методология оптимизации параметров ДУ с точки зрения эффективности системы "топливо-двигатель-аппарат".
Авторский коллектив включает в себя ведущих специалистов ЦИАМ и МКБ "Искра", имеющих многолетний опыт в области исследования рабочего процесса ИПВРД на топливах различного агрегатного состояния, принимавших непосредственное участие в расчетном проектировании, экспериментальной отработке и последующей модернизации ДУ таких ракет, как ЗМ9, "Москит", Х-31, "Яхонт" и др.
Материал, изложенный в книге, безусловно, будет полезен как специалистам, так и студентам старших курсов авиационных и ракетно-артиллерийских специальностей высших учебных заведений, специализирующихся в области ИПВРД.
Заслуженный деятель науки и техники России,
доктор технических наук, профессор,
Академик Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского
и Академии наук авиации и воздухоплавания Ю.Н. НЕЧАЕВ