Твердотопливные регулируемые двигательные установки: Regulable solid-propellant rocket engines

416 Pages·2011·2.985 MB·Russian

by  Ю. С. Соломонов и др. , под ред. А. М. Липанова, Ю. С. Соломонова

ÐÎÑÑÈÉÑÊÀß ÀÊÀÄÅÌÈß
ÐÀÊÅÒÍÛÕ
È ÀÐÒÈËËÅÐÈÉÑÊÈÕ ÍÀÓÊ
(cid:1)ÝÝ(cid:2)þÃüðÐü
Ð=(cid:1)ÝüððÈ≈=(cid:4)üÎðÐŽÈ
Справочная разработчика(cid:17)
библиотека исследователя
9
Справочная разработчика(cid:17)
(cid:1)ÝÝ(cid:2)þÃüðÐü=Ð=(cid:1)ÝüððÈ≈=(cid:4)üÎðÐŽÈ библиотека исследователя
Ðåäêîëëåãèÿ
Editorial Staff
Â.Â. ÏÀÍÎÂ(ïðåäñåäàòåëü), àêàäåìèê ÐÀÐÀÍ, ä-ð òåõí. íàóê, ïðîôåññîð
V.V. PANOV (chairman), Doctor of Science, Academician of Russian Academy of Missile and
Artillery Sciences, Professor
Â.Ì. ÁÓÐÅÍÎÊ, àêàäåìèê ÐÀÐÀÍ, ä-ð òåõí. íàóê, ïðîôåññîð
V.M. BURENOK, Doctor of Science, Academician of Russian Academy of Missile and Artillery
Sciences, Professor
Ã.È. ÃÎÐ×ÈÖÀ, àêàäåìèê ÐÀÐÀÍ, ä-ð âîåí. íàóê, ïðîôåññîð
G.I. GORCHITSA, Doctor of Science, Academician of Russian Academy of Missile and
Artillery Sciences, Professor
Ð.È. ÈËÜÊÀÅÂ,àêàäåìèê ÐÀÍ, àêàäåìèê ÐÀÐÀÍ, ä-ð ôèç.-ìàò. íàóê
R.I. ILKAYEV, Doctor of Science, Academician of Russian Academy of Sciences,
Academician of Russian Academy of Missile and Artillery Sciences
À.À. ÊÀËËÈÑÒÎÂ,àêàäåìèê ÐÀÐÀÍ, ä-ð òåõí. íàóê, ïðîôåññîð
A.A. KALLISTOV, Doctor of Science, Academician of Russian Academy of Missile and
Artillery Sciences, Professor
À.À. ÊÎÊÎØÈÍ, àêàäåìèê ÐÀÍ, àêàäåìèê ÐÀÐÀÍ, ä-ð èñòîð. íàóê, ïðîôåññîð
A.A. KOKOSHIN, Doctor of Science, Academician of Russian Academy of Sciences,
Academician of Russian Academy of Missile and Artillery Sciences, Professor
A.M. ËÈÏÀÍÎÂ,àêàäåìèê ÐÀÍ, àêàäåìèê ÐÀÐÀÍ, ä-ð òåõí. íàóê, ïðîôåññîð
A.M. LIPANOV, Doctor of Science, Academician of Russian Academy of Sciences,
Academician of Russian Academy of Missile and Artillery Sciences, Professor
Ñ.Ï. ÍÅÏÎÁÅÄÈÌÛÉ,÷ë.-êîð. ÐÀÍ, àêàäåìèê ÐÀÐÀÍ, ä-ð òåõí. íàóê, ïðîôåññîð
S.P. NEPOBEDIMY, Doctor of Science, Corresponding Member of Russian Academy
of Sciences, Academician of Russian Academy of Missile and Artillery Sciences, Professor
À.À. ÐÀÕÌÀÍÎÂ,àêàäåìèê ÐÀÐÀÍ, ä-ð òåõí. íàóê, ïðîôåññîð
A.A. RAKHMANOV, Doctor of Science, Academician of Russian Academy of Missile and
Artillery Sciences, Professor
È.Á. ÔÅÄÎÐÎÂ, àêàäåìèê ÐÀÍ,àêàäåìèê ÐÀÐÀÍ, ä-ð òåõí. íàóê, ïðîôåññîð
I.B. FEDOROV, Doctor of Science, Academician of Russian Academy of Sciences,
Academician of Russian Academy of Missile and Artillery Sciences, Professor
Å.À. ÔÅÄÎÑÎÂ,àêàäåìèê ÐÀÍ, àêàäåìèê ÐÀÐÀÍ, ä-ð òåõí. íàóê, ïðîôåññîð
E.A. FEDOSOV, Doctor of Science, Academician of Russian Academy of Sciences,
Academician of Russian Academy of Missile and Artillery Sciences, Professor
Ê.Í. ØÀÌØÅÂ, ÷ë.-êîð. ÐÀÍ, àêàäåìèê ÐÀÐÀÍ, ä-ð òåõí. íàóê, ïðîôåññîð
K.N. SHAMSHEV, Doctor of Science, Corresponding Member of Russian Academy of
Sciences, Academician of Russian Academy of Missile and Artillery Sciences, Professor
À.Ã. ØÈÏÓÍÎÂ, àêàäåìèê ÐÀÍ, àêàäåìèê ÐÀÐÀÍ, ä-ð òåõí. íàóê
A.G. SHIPUNOV, Doctor of Science, Academician of Russian Academy of Sciences,
Academician of Russian Academy of Missile and Artillery Sciences
Ë.Í. ËÛÑÅÍÊÎ(îòâ. ñåêðåòàðü), àêàäåìèê ÐÀÐÀÍ, ä-ð òåõí. íàóê, ïðîôåññîð
L.N. LYSENKO (secretary), Doctor of Science, Academician of Russian Academy of Missile
and Artillery Sciences, Professor
ÐÎÑÑÈÉÑÊÀß ÀÊÀÄÅÌÈß ÐÀÊÅÒÍÛÕ È ÀÐÒÈËËÅÐÈÉÑÊÈÕ ÍÀÓÊ
Â.Ì. Áóðåíîê, Ð.Í. Ïîãðåáíÿê, A.Ï. Ñêîòíèêîâ
ÒÂÅÐÄÎÒÎÏËÈÂÍÛÅ
ÐÅÃÓËÈÐÓÅÌÛÅ ÄÂÈÃÀÒÅËÜÍÛÅ
ÓÑÒÀÍÎÂÊÈ
Ïîä ðeäàêöèåé àêàäåìèêà ÐÀÍ À.Ì. Ëèïàíîâà
è àêàäåìèêà ÐÀÍ Þ.Ñ. Ñîëîìîíîâà
Ìîñêâà (cid:1) Ìàøèíîñòðîåíèå (cid:1) 2011
УДК 629.7 (cid:2) 623.5
ББК 39.62
Т26
Авторы: Ю.С. Соломонов, А.М. Липанов, А.В. Алиев,
А.А. Дорофеев, В.И. Черепов
Твердотопливные регулируемые двигательные установки /
Т26 РАРАН; Ю.С. Соломонов и др.; под ред. А.М. Липанова,
Ю.С. Соломонова; редкол. серии В.В. Панов (пред.) и др. —
М.: Машиностроение, 2011. — 416 с.: ил. (Справ. б$ка разра$
ботчика$исследователя).
ISBN 978$5$94275$601$7
Рассмотренывопросы,связанныессозданиемтвердотопливныхрегули$
руемыхдвигательныхустановок(ТРДУ).Приводятсяматериалыосвязипа$
раметровуправляемойбаллистическойракетыиТРДУ.Изложеныматериа$
лы, связанные с проектированием ТРДУ, используемых в составе двигате$
лейбоевыхступеней.Рассмотреныэкспериментальные установки,исполь$
зуемые при отработке ТРДУ. Приводятся математические модели, приме$
няемыеприотработкедвигательныхустановокиотдельныерезультаты,по$
лученные с использованием этих моделей. В приложении даны сведения о
созданныхв Московскоминституте теплотехники управляемых межконти$
нентальных баллистических ракетах.
Книгарассчитананаспециалистов,профессиональнаядеятельностько$
торыхсвязанаспроектированием,отработкойРДТТиТРДУиихконструк$
тивных узлов.
Онаможетбытьполезнапреподавателям,аспирантамистудентамсоот$
ветствующих специальностей высших учебных заведений.
ББК 39.62
(cid:3) Коллектив авторов, 2011
ISBN978(cid:28)5(cid:28)94275(cid:28)601(cid:28)7 (cid:4) ООО «Издательство Машиностроение», 2011
RUSSIAN ACADEMY OF MISSILE AND ARTILLERY SCIENCES
V.M. Burenok, R.N. Pogrebnyak, A.P. Skotnikov
REGULABLE SOLID-PROPELLANT
ROCKET ENGINES
Edited by A.M. Lipanov, Academician of Russian
Academy of Sciences and Yu. S. Solomonov,
Academician of Russian Academy of Sciences
Moscow (cid:1) Mashinostroenie (cid:1) 2011
Authors: Yu.S. Solomonov, A.M. Lipanov, A.V. Aliyev,
A.A. Dorofeev, V.I. Cherepov
Regulable Solid(cid:2)propellant Rocket Engines / RAMAS. Yu.S. Solo(cid:2)
monov et al; A.M. Lipanov, Yu.S. Solomonov (eds.). Editorial Staff:
V.V. Panov (chairman) et al. Moscow: Mashinostroenie, 2011. —
416 p. (Reference library for designers and developers).
ISBN 978(cid:2)5(cid:2)94275(cid:2)601(cid:2)7
Problems connected with design of regulable solid(cid:2)propellant rocket engines
(RSProcketengines)areconsidered.Materialsaboutcommunicationofparame(cid:2)
tersofanoperatedballisticmissileandRSProcketenginesareresulted.Materials,
connectedwithdesigningRSProcketengines,fightingstagesusedasapartofen(cid:2)
ginesarestated.TheexperimentalinstallationsusedatadjustmentofaRSProcket
engine are considered. The mathematical models used at an optimization of pro(cid:2)
pulsionsystemsandseparateresults,receivedwithuseofthesemodelsareresulted.
In the appendix are resulted data about created in the Moscow heating institute
operated intercontinental ballistic missiles.
The book is intended for specialists, whose professional activity relates to the
adjustment of a RSP rocket engine and its various structural assemblies.
It may be useful for postgraduates and students who receive training in the
corresponding specialties.
(cid:2) Corporate authors, 2011
ISBN978(cid:2)5(cid:2)94275(cid:2)601(cid:2)7 (cid:2) Ltd Co «Mashinostroenie Publishing House», 2011
Предисловие
5 апреля 1994 г. Президент Российской Федерации подписал
Указ № 661 «О воссоздании Российской академии ракетных и ар%
тиллерийских наук». Термином воссоздание подчеркивалось, что
РАРАН является преемницей Академии артиллерийских наук, ко%
торая была организована в СССР вскоре после окончания Великой
Отечественной войны и просуществовала до 1953 г.
Академияфункционировалакаквысшеенаучноеучреждение,от%
вечающее за развитие наук в области вооружения и военной техни%
ки, объединившее отечественных ученых, конструкторов и специа%
листов, работающих в оборонной отрасли, и крупных военачальни%
ков.
Первые шаги по воссозданию РАРАН были предприняты в
1993 г., когда, выражая озабоченность состоянием исследований,
разработок и оснащения Вооруженных Сил России в области
средств вооруженной борьбы, ведущие ученые страны, занимаю%
щиеся этими проблемами, выступили с инициативой создания от%
раслевой академии наук как преемницы и продолжателя традиций
Академии артиллерийских наук.
Организационно (определение численности членов Академии и
работников аппарата президиума, финансирования и т.д.) РАРАН
былаоформленаПостановлением ПравительстваРоссийскойФеде%
рацииот17июля1995 г.№ 715.ПостановлениемПравительстваРФ
№ 325 от 22 марта 1996 г. был утвержден Устав РАРАН, где Акаде%
мия была определена как «самоуправляемая научно%творческая ор%
ганизация в форме государственного учреждения».
В состав первого президиума РАРАН вошли председатель Госко%
митета по оборонным отраслям промышленности и его первый за%
меститель, первый заместитель министра обороны, начальник воо%
ружения Вооруженных Сил Российской Федерации, ведущие уче%
ные, специализирующиеся в области военно%технических наук.
Сегодня РАРАН является многопрофильной научной организа%
цией, работающей в интересах МВД, ФСБ и других силовых струк%
тур.
В целях сохранения научного наследия русской военной науки,
совершенствования оборонного комплекса страны, обобщения
опыта изнанийвыдающихся ученых испециалистов России,сосре%
доточенных в составе РАРАН, было принято решение об издании
7
ÒÂÅÐÄÎÒÎÏËÈÂÍÛÅ ÄÂÈÃÀÒÅËÜÍÛÅ ÓÑÒÀÍÎÂÊÈ
Трудов членов Академии и сотрудников организаций — ассоцииро(cid:23)
ванных членов РАРАН в форме Справочной библиотеки разработ(cid:23)
чика(cid:23)исследователя вооружения и военной техники.
Предлагаемая вниманиючитателякнигаявляетсядевятымтомом
этой Справочной библиотеки.
Твердотопливные регулируемые двигательные установки (ТРДУ)
существенно отличаются от маршевых ступеней ракетных систем.
Первые применения подобных двигательных установок относятся к
началу 50(cid:23)х годов ХХ века. Это были твердотопливные двигатели, в
которых обеспечивалось предстартовое регулирование, — перед ис(cid:23)
пользованием в зависимости от температуры эксплуатации ракет(cid:23)
ной установки устанавливалось то или иное фиксированное значе(cid:23)
ние площади минимального сечения соплового блока.
Регулируемые твердотопливные двигательные установки являют(cid:23)
ся новым типом двигателей и могут применяться в составе балли(cid:23)
стических ракет евростратегического и межконтинентального клас(cid:23)
сов. Кроме того, они могут использоваться для посадки космиче(cid:23)
ских кораблей на Землю и другие планеты, для старта с этих планет
и т.п. Перечисленные возможности применения регулируемых
твердотопливных двигателей делают их чрезвычайно актуальными
сегодня.
В книге рассматриваются вопросы, связанные с проектировани(cid:23)
ем и отработкой регулируемых твердотопливных установок, а также
с расчетом основных узлов и элементов ТРДУ. Приводятся сведе(cid:23)
ния об экспериментальных установках, используемых при отработ(cid:23)
ке двигательных установок. Содержится информация оматематиче(cid:23)
ских моделях, используемых в процессе проектирования и отработ(cid:23)
ки двигателей. Приведены результаты отдельных исследований,
связанных с анализом качества работы этих двигателей.
Книга обобщает результаты работ по созданию ТРДУ, достигну(cid:23)
тые к настоящему времени. Она может служить справочным посо(cid:23)
бием при разработке новых двигателей и средств их испытания, но(cid:23)
вых математических моделей по исследованию процессов функцио(cid:23)
нирования ТРДУ.
ВнаписаниикнигипринялиучастиеученыеиспециалистыМос(cid:23)
ковского института теплотехники и Ижевского государственного
технического университета, сотрудничество которых имеет полуве(cid:23)
ковую историю. Знаменательно, что обе организации в 2011–
2012 гг. празднуют свои юбилеи. Московскому институту теплотех(cid:23)
ники в 2011 г. исполнилось 65 лет, а Ижевскому государственному
техническому университету в 2012 г. исполняется 60 лет.
Введение
Современные твердотопливные регулируемые двигательные ус%
тановки — это сложные объекты машиностроения, работа которых
можетбытьобеспеченалишьвсочетанииматериальнойчастиссис%
темой регулирования. Этот аспект представляется важным и при
проектировании двигателей, и при их отработке, и при их исследо%
вании с использованием математических моделей.
Технические характеристики ТРДУ, безусловно, связаны с пара%
метрами проектируемой управляемой ракеты. На облик ТРДУ ока%
зывает влияние задача, выполняемая летательным аппаратом, на
котором эта установка размещается. В книге рассмотрены тенден%
ции развития современного стратегического ракетного оружия, в
частности ракетных систем с многоблочными боевыми ступенями.
Для ракетных систем с многоблочными боевыми ступенями рас%
сматриваются конструктивно%компоновочные схемы, приводится
анализ траекторий полета боевых ступеней.
Представлены основные схемы твердотопливных двигательных
установок:
с предстартовым регулированием параметров двигателя;
с отсечкой тяги при достижении ракетой требуемой скорости.
Крометого,выделенысхемыдвигательныхустановоксрегулиро%
ванием тяги по направлению и по величине при полете, например,
боевых ступеней.
На примере двигательных установок боевых ступеней рассмот%
рены стандартные этапы проектирования ТРДУ. Приведены кри%
терии сравнительного анализа, которые могут использоваться при
выборе оптимальной конструкции двигателя. Установлен пере%
чень задач, которые необходимо решить при проектировании
ТРДУ. Показано, как формулируется техническое задание на про%
ектирование и обосновывается выбор конструктивной схемы ре%
гулируемого двигателя.
Рассмотрены вопросы, связанные с выбором топлива и проекти%
рованием топливного заряда. Для ТРДУ основные закономерности
горения твердого топлива являются принципиальными. В связи с
этим обращено внимание на свойства топлива, связанные с чувст%
вительностью скорости горения топлива к изменению давления в
камере сгорания, со скоростью горения топлива на пониженных
уровнях давления в камере сгорания и т.п.
9
ÒÂÅÐÄÎÒÎÏËÈÂÍÛÅ ÄÂÈÃÀÒÅËÜÍÛÅ ÓÑÒÀÍÎÂÊÈ
Конструкция ТРДУ содержит элементы и узлы, которые могут
отсутствовать в схемах других ракетных двигателей твердого топ%
лива. В книге рассмотрены вопросы проектирования газоходов,
регуляторов режима, сопловых управляющих блоков, а также во%
просы проектирования системы воспламенения. Особенности
функционирования регулируемого РДТТ предъявляют специфи%
ческие требования к системе воспламенения. В частности, это
требование монотонности изменения поверхности горения вос%
пламенительного заряда. Другое ограничение — согласование
времени выхода ТРДУ на режим и момента включения системы
регулирования. Методика проектирования системы воспламене%
ния учитывает отмеченные выше особенности работы регулируе%
мого двигателя.
Сформулированы задачи, связанные с отработкой двигательных
установок. Частьэтихзадачможетбытьрешена сприменением экс%
периментальных установок, использующих холодный воздух. Неко%
торые задачи представляется возможным решить с использованием
установок,вкоторыхвкачестверабочегогазаиспользуютсяпродук%
тысгоранияимитаторовракетноготоплива.ОтработкаТРДУобяза%
тельно включает этап натурных испытаний. Рассмотрены схемы
экспериментальных установок.
Отработкасовременныхракетныхдвигателейневозможнабезис%
пользования математического моделирования. Это связано прежде
всего с необходимостью сокращения числа дорогостоящих испыта%
ний ракет и ракетных двигателей. В то же время стремительное раз%
витиевычислительнойтехникипозволяетмоделироватьнаЭВМда%
же такие задачи, решение которых еще недавно считалось невоз%
можным без проведения экспериментов.
Рассмотрены вопросы, связанные с моделированием газодина%
мических процессов в инициирующем устройстве, во внутреннем
объеме камеры сгорания, в регуляторах расхода и в сопловых бло%
ках. Кроме того, представлены математические модели прогрева
твердоготопливавпериоддоегозажигания,моделизажиганиятоп%
лива и его последующего горения. Особое внимание уделяется не%
стационарным процессам, характерным для ТРДУ (в частности, это
моделирование нестационарной скорости горения топлива). Рас%
смотреныматематические моделирегулирования давлениявкамере
сгорания двигателя.
Качество процессов регулирования параметров ТРДУ — важная
задача, решение которой может быть осуществлено как решение за%
дачи оптимизации. Применение такого подхода позволяет обосно%
ванно выбирать значения коэффициентов, входящих в закон регу%
лирования. При этом качество процессов регулирования может
быть принято как целевая функция в сформулированной задаче оп%
тимизации. Предложены пути постановки такой задачи и способы
ее решения.
10