Проектирование пневмогидросистемы первой ступени баллистической ракеты

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Авиа- и ракетостроение»

Специальность 160801- «Ракетостроение»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «ПГС и автоматика ЛА»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПГС

ПЕРВОЙ СТУПЕНИ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ РАКЕТЫ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

КП-2068998.00.00.00.00.000 ПЗ

Омск 2006

Омский государственный технический университет

Кафедра «Авиа- и ракетостроение»

Специальность 160801 – «Ракетостроение»

Задание №

на курсовое проектирование

по дисциплине «ПГС и автоматика ЛА»

Студент _

1. Тема проекта: Проектирование ПГС первой ступени баллистической ракеты.

2. Исходные данные к проекту:

3. Содержание проекта:

3.1 Разделы пояснительной записки:

- проектировочный расчёт;

- гидравлический расчёт;

- массовый расчёт;

- оценочные расчёты.

3.2 Перечень графического материала:

а) Принципиальная схема ПГС – 1 лист формата А1;

б) Схема размещения ПГС на верхнем днище бака– 1 лист формата А1;

в) Элемент автоматики ЛА – 1 лист формата А3.

4. Дата выдачи задания: 6 сентября 2006 г.

Аннотация

В ходе курсового проектирования была произведено проектирование и расчёт ПГС двухступенчатой баллистической ракеты.

Выполненный курсовой проект включает в себя пояснительную записку объёмом 56 страниц формата A4, содержит 15 рисунков и 2 таблицы. Список использованных источников состоит из 7 публикаций.

Графическая часть курсового проекта включает в себя:

а) Принципиальную схему ПГС – 1 лист формата А1;

б) Сборочный чертёж верхнего днище бака окислителя – 1 лист формата А1;

в) Сборочный чертёж элемента автоматики ЛА – 1 лист формата А3.

Содержание

Введение

1. Анализ схемных решений и выбор базового варианта подачи компонентов топлива

2. Оценочный расчёт проектных параметров ЖРД

3. Расчёт топливного отсека

3.1 Объёмный расчёт баков окислителя и горючего

3.2 Оценочный расчёт массы топливного отсека

4. Составление компоновочной схемы ступени

5. Выбор и обоснование схемы системы наддува

5.1 Оценочный расчёт массы и габаритов “холодной” системы наддува

5.2 Оценочный расчёт массы и габаритов “горячей” системы наддува

6. Описание схемы ПГС и её работа на всех этапах функционирования:

6.1 Описание схемы ПГС

6.2 Описание работы ПГС

6.2.1 Подготовка ракеты к запуску

6.2.2 Запуск двигателя

6.2.3 Работа ПГС в полёте

6.2.4 Выключение ДУ

6.2.5 Аварийный режим работы ПГС

7. Выбор диаметров трубопроводов окислителя и горючего

8. Выбор типов заборных устройств и расчёт остатков незабора

8.1 Выбор типов и основных геометрических размеров заборных устройств

8.2 Расчёт полных остатков незабора

9. Расчёт гидравлических потерь в магистралях трубопроводов

9.1 Расчёт гидравлических потерь в магистралях горючего

9.2 Расчёт гидравлических потерь в магистралях окислителя

10. Уточнённый расчёт топливного отсека

11. Расчёт элемента автоматики

12. Расчёт времени заправки

13. Воздействие компонентов топлива на экологию

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Спецификация к сборочному чертежу верхнего днища бака окислителя

Спецификация к сборочному чертежу элемента автоматики

Введение

Важнейшим элементом летательных аппаратов, оснащённых жидкостными ракетными двигательными установками (ЖРДУ) является пневмогидравлическая система (ПГС), которая обеспечивает заправку ЛА основными компонентами топлива; хранение запаса компонентов топлива и рабочих тел ПГС и автоматики ЛА на борту без изменения химических и физических свойств в заданном диапазоне параметров; предстартовый и основной наддув топливных баков; подачу компонентов топлива в КС с заданными параметрами на протяжении всего времени работы ДУ.

Целью данного курсового проекта является проектирование ПГС первой ступени двухступенчатой баллистической ракеты.

1. Анализ схемных решений и выбор базового варианта подачи компонентов топлива

В зависимости от назначения к ЖРД предъявляют различные требования по величине тяги, продолжительности и условиям работы. Это приводит к большому разнообразию применяемых способов подачи компонентов и схем ДУ.

Одним из важнейших элементов, характеризующих двигательную установку в целом, является система подачи топлива.

По типу агрегата, создающего давление подачи, различают вытеснительную и турбонасосную подачу топлива.

Отличительной особенностью вытеснительной системы подачи топлива является то, что баки с компонентами топлива находятся под большим давлением, значительно превышающим давление в КС. По этой причине топливные баки приходится делать толстостенными, а, следовательно, массивными.

Применение вытеснительной системы подачи топлива целесообразно при давлениях в КС не больше . Газовытеснительные системы подачи топлива находят в основном применение в двигателях небольшой тяги, рассчитанных на малое время работы.

При насосной системе подачи топлива нет необходимости поддерживать в баках высокое давление. Небольшое давление воздушной подушки в баках () создаётся для обеспечения бескавитационной работы насосов. Насосная система подачи топлива значительно сложнее вытеснительной, но для двигателей средних и больших тяг она предпочтительнее, т. к. вес всей системы питания ЖРД, включая баки с топливом, будет меньше.

Системы питания ЖРД с насосной подачей топлива бывают:

1) с автономной (независимой) турбиной (схема “без дожигания”);

2) с предкамерной турбиной (схема “с дожиганием”).

Системы ЖРД с автономной турбиной применяются для маршевых двигателей средней тяги (максимальное значение давления в КС ). Следует учитывать то, что автономные турбины являются высокоперепадными () и малорасходными, а также то, что они снижают удельный импульс тяги двигателя на 2-6 % из-за выброса “мятого” газа за борт ракеты.

Системы ЖРД с предкамерной турбиной используются в двигателях большой тяги с высоким давлением в КС (). Предкамерные турбины являются высокорасходными и низкоперепадными (). Двигатели данной схемы более экономичны, так как в них исключаются потери удельного импульса тяги из-за расходования топлива на питание турбин. [1]

Так как интервал времени работы ДУ довольно значителен и двигатели имеют среднюю тягу, выбираем насосную систему подачи топлива без дожигания генераторного газа (см. рис.1).

Рис. 1. Схема питания ЖРД с автономной турбиной и газогенератором, работающим на основных компонентах топлива: 1 – камера сгорания; 2, 3 – отсечные клапаны; 4 – насос горючего; 5 – бак горючего; 6 – бак окислителя; 7 – насос окислителя; 8 – газогенератор;

9 – турбина; 10 – выхлопное сопло

Исходя из того, что один из компонентов топлива (кислород) является криогенным, турбину ТНА будем располагать консольно (см. рис.2). Центральное расположение турбины в данном случае нерационально, так как условия работы такого ТНА крайне сложны из-за высоких перепадов температуры в полостях ТНА.

Рис.2. Схема расположения турбины в ТНА: а – центральное расположение турбины;

б – консольное расположение турбины

2. Оценочный расчёт проектных параметров ЖРД

Данный расчёт выполняется согласно [2].

Исходные данные:

1) Тяга 1-й ступени ;

2) Количество двигателей ДУ ;

3) Тяга единичного двигателя ;

4) Топливо керосин;

5) Давление в камере сгорания одиночного двигателя ;

6) Давление на срезе сопла .

Стандартные параметры топлива:

1) Показатель процесса истечения продуктов

сгорания из сопла ;

2) Универсальная газовая постоянная;

3) Удельный импульс тяги;

4) Температура горения в камере сгорания

образцового двигателя ;

5) Плотность окислителя ;

6) Плотность горючего ;

7) Весовое соотношение компонентов топлива .

2.1 Определение удельного импульса КС маршевого двигателя

2.1.1 Температуру горения топлива вычисляем по формуле:

. 2.1.2 Приведенный стандартный импульс , учитывающий потери в КС двигателя и сопловой части, найдём по формуле:

2.1.3 Удельный импульс на расчётном режиме работы сопла , равен

где

; ,

2.1.4 Удельный импульс тяги камер сгорания без учёта потерь на управление

определим по формулам:

В пустоте:

;

На земле :

2.1.5 Удельный импульс КС маршевого двигателя определяем по формуле:

,

где - уменьшение удельного импульса тяги газовыми рулями, м/с;

Принимаем

2.2 Определение удельного импульса ДУ

2.2.1 Найдём плотность топлива :

,

- весовое соотношение компонентов топлива:

2.2.2 Коэффициент

,

где - давление подачи. Принимаем ;

- КПД турбонасосного агрегата.

,

где - КПД турбины. Принимаем ;

- КПД насоса. Принимаем ;

- удельная адиабатическая работа газа на турбине.

При использовании в газогенераторе турбины основных компонентов топлива можно принять:

.

2.2.3 Удельный импульс выхлопного патрубка турбины приближённо определяем по формуле:

.

2.2.4 Удельный импульс двигательной установки определяем по формуле:

.

2.3 Приближённый расчёт основных геометрических параметров двигателя

2.3.1 Определим расход топлива единичного двигателя :

,

где - тяга единичного двигателя, Н. .

2.3.2 Определим диаметр критического сечения сопла :

,

где

2.3.3 Определим диаметр на срезе сопла :

,

где

2.3.4 Определим диаметр КС :

.

2.3.5 При грубом приближении можно принять:

;

Примем ;

;

;

;

.

2.3.6 Определим радиус кривизны контура сопла:

,

,

где - угол на срезе сопла. Примем .

- угол раскрытия сопла. Примем .

- линейные участки контура сопла. Примем .

2.3.7 Вычислим длину сверхзвуковой части сопла по формуле:

;

.

2.3.8 Длину входа в сопло определим по формуле:

.

2.3.9 Длина двигателя:

.

2.3.10 Длина двигательной установки от среза сопла до узла крепления

.

Рис. 3. Камера сгорания (1:10)

Рис. 4. Расположение ДУ в миделе ракеты (1:84)

3. Расчёт топливного отсека

Определение массовых секундных расходов окислителя и горючего:

;

,

где Z = 4 – количество двигателей в ДУ.

3.1 Объёмный расчёт баков окислителя и горючего

Данная часть расчёта проводится согласно [3].

Исходные данные:

Расход горючего ;

Расход окислителя;

Время работы двигателя;

Плотность горючего;

Плотность окислителя ;

Диаметр ракеты .

Выполнение расчёта:

Полный объём бака горючего:

,

где - расчётный объём горючего;

;

- объём гарантированного запаса горючего;

;

Принимаем ;

- достартовый объём горючего;

;

- объём горючего при работе двигателя на самотёке.

Принимаем .

-

объём горючего, расходуемого от момента включения в работу ТНА до выхода двигателя на расчётный режим.

Принимаем .

- коэффициент объёма воздушной подушки.

принимаем .

Полный объём бака окислителя:

По аналогии с расчётом объёма бака горючего рассчитываем объём бака окислителя.

,

где ;

;

;

;

;

Принимаем .

Расчёт продольных размеров баков

Определяем радиус сферы верхнего и нижнего днищ баков (рис.5.):

,

где.

Высота верхнего и нижнего днищ баков:

.

Объём сферического сегмента днищ:

.

Размеры бака горючего.

Высота цилиндрической части бака горючего:

.

Полная высота бака горючего:

.

Объём заправляемого горючего:

.

Объём воздушной подушки:

.

Высоту воздушной подушки от зеркала жидкости до полюса верхнего днища бака найдём из выражения:

.

Получаем .

Рис.5. Расчётная схема топливного бака

Высота уровня жидкости в баке:

.

Размеры бака окислителя.

По аналогии с расчётом размеров бака горючего рассчитываем размеры бака окислителя.

Высота цилиндрической части бака окислителя:

.

Полная высота бака окислителя:

.

Объём заправляемого окислителя:

.

Объём воздушной подушки:

.

Высоту воздушной подушки от зеркала жидкости до полюса верхнего днища бака найдём из выражения:

.

Получаем .

Высота уровня жидкости в баке:

.

3.2 Оценочный расчет массы топливного отсека

Массу топливного отсека определяют суммой масс топливных баков под основные компоненты топлива, массы устройств наддува и узлов крепления и массы вспомогательных баков, при наличии таковых.

При работе ТНА на основных компонентах топлива масса топливного отсека равна:

,

где , - массовые коэффициенты, определяемые по формулам:

;

.

, - коэффициенты, характеризующие массу топливных баков под основное топливо.

, - коэффициенты, характеризующие массу устройств наддува и узлов крепления.

, .

В оценочных расчетах можно принять:

;

,

где - плотность топлива;

- относительная толщина оболочки для алюминиевых сплавов.

Масса бака горючего:

.

Масса бака окислителя:

.

4. Составление компоновочной схемы ступени

Рис.6. Компоновочная схема первой ступени ракеты (М 1:50)

5. Выбор и обоснование схемы системы наддува

Системы наддува служат для обеспечения и поддержания требуемого давления в топливных баках.

Классификация систем наддува может быть представлена следующей схемой:

Рис.7. Классификация систем наддува

5.1 Оценочный расчёт массы и габаритов “холодной” системы наддува

Исходные данные:

Давление насыщенных паров керосина ;

Давление насыщенных паров кислорода ;

Плотность керосина ;

Плотность кислорода ;

Объем заправляемого окислителя ;

Объем заправляемого горючего .

Рис.8. Расчётная схема

Выполнение расчёта

5.1.1 Определение давления в газовой подушке бака горючего

Расчёт минимального давления

Значения определяется по трём условиям.

1) Условие бескавитационной работы насоса горючего в момент старта:

, [2]

где - гидростатическое давление столба жидкости.

,

где - суммарные потери давления.

,

где - скорость течения компонента в магистрали;

- коэффициент местного сопротивления;

- осевая перегрузка в момент старта;

- высота столба жидкости;

- кавитационный запас; выбирается из диапазона

.

Принимаем: .

2) Условие бескавитационной работы насоса горючего в конце работы 1-й ступени.

,

где - суммарные потери давления.

,

где ,

где ;

,

где - высота остатков незабора.

3) Условие отсутствия кавитации на заборном устройстве в конце работы ДУ.

,

где ,

где ;

-потери давления на сифонном заборном устройстве:

,

где - коэффициент местного сопротивления для сифона

- кавитационный запас, выбирается из диапазона

.

Принимаем: .

Из 3-х выбираем максимальное значение: .

Максимальное давление в подушке бака горючего:

;

где – разница между максимальным и минимальным давлениями; обычно

. Принимаем .

Номинальное давление в подушке бака горючего:

.

5.1.2 Расчёт “холодной” системы наддува для бака горючего

Потребный объём аккумулятора давления:

,

где – коэффициент запаса;

– коэффициент адиабаты азота;

– начальное давление в аккумуляторе давления. Выбирается из диапазона

. Принимаем ;

– конечное давление в аккумуляторе давления.

Радиус шарбаллона:

.

Толщина стенки шарбаллона:

;

где – коэффициент запаса;

- предел прочности для титанового сплава ВТ6.

Внешний объём шарбаллона:

.

Объём оболочки шарбаллона:

.

Масса конструкции шарбаллона (включая массу дополнительных устройств и элементов крепления):

.

Масса рабочего тела (азота):

,

где – газовая постоянная для азота;

– температура газа наддува.

Масса «холодной» системы наддува для бака горючего:

.

5.1.3 Расчёт “холодной” системы наддува с подогревом для бака горючего

Потребный объём аккумулятора давления:

,

где – температура входа газа наддува в бак.

Радиус шарбаллона:

.

Толщина стенки шарбаллона:

.

Внешний объём шарбаллона:

.

Объём оболочки шарбаллона:

.

Масса конструкции шарбаллона (включая массу дополнительных устройств и элементов крепежа):

.

Масса рабочего тела (азота):

.

Масса “холодной” системы наддува с подогревом для бака горючего:

.

5.1.4 Определение давления в газовой подушке бака окислителя

Расчёт минимального давления

Значения определяется по трём условиям.

1) Условие бескавитационной работы насоса окислителя в момент старта.

,

где ;

,

где - скорость течения компонента в магистрали;

- высота столба жидкости.

2) Условие бескавитационной работы насоса окислителя в конце работы 1-й ступени.

,

где ;

,

где ; [2]

,

где - высота остатков незабора.

3) Условие отсутствия кавитации на заборном устройстве в конце работы ДУ.

,

где ,

;

-потери давления на тарельчатом заборном устройстве:

,

где - коэффициент местного сопротивления для тарели.

Из 3-х выбираем максимальное значение: .

Максимальное давление в подушке бака окислителя:

;

где .

Номинальное давление в подушке бака окислителя:

.

5.1.5 Расчёт “холодной” системы наддува для бака окислителя

Потребный объём аккумулятора давления:

Вернуться00

Категория: Авиация и космонавтика