Особенности применения РД в качестве ДДА.

Как отмечалось ранее, обычные ракетные двигатели малоэффективны на больших глубинах при высоком противодавлении. Поэтому на практике они применяются либо на кавитирующих ракето-торпедах, либо в сочетании с эжектором на сопловом блоке. В последнем случае отбрасываемое рабочее тело – газокапельная жидкость, что позволяет снизить ее скорость и увеличить пропульсивный кпд.

Чтобы оценить возможности подводной ракеты, рассмотрим ПА с двигателем на топливе Н-О. Такое топливо выбрано, поскольку продукты сгорания топлива Н-О конденсируются в жидкость при интенсивном охлаждении. Значит, кпд подводной ракеты может возрастать по мере увеличения глубины погружения, если отработанные продукты сгорания отвести в эжектор, в который впрыскивается морская вода. Образующаяся в результате этого процесса горячая вода выбрасывается в направлении, противоположном движению ракеты. Подобная ракета показана на рис. 12. Видно, что продукты сгорания после выхода из сопла попадают в участок 1, где встречаются с потоком забортной воды, поступающей через специальный кольцевой канал под высоким противодавлением. Морская вода расширяется в участке 1 и ее давление падает. Характерной особенностью этого процесса является преобразование гидростатического давления окружающей среды непосредственно в скорость поступающей воды.

Рис. 12. Схема водородно-кислородной подводной ракеты с эжектором.

Морская вода и поток газа на выходе из сопла смешиваются при постоянном давлении между участками 1 и 2, при этом холодная вода конденсирует все парообразные продукты сгорания топлива Н-О до жидкого состояния. Одновременно происходит возрастание количества движения в результате сложения двух реактивных потоков.

Давление на участках 1 и 2 уравновешивается давлением паров термически уравновешенного водяного потока на участке 2. Этот поток нагретой воды распыляется из-за понижения давления на участке 2, проходит через сопло и продолжает существовать при давлении окружающей среды (р₃ = р_∞). Таким образом, имеет место уменьшение скорости пароводяного потока, но ее величина еще достаточна для создания тяги.

Удельный импульс ракеты, показанной на рис. 12, увеличивается под водой за счет использования сопла эжектора в результате следующих трех обстоятельств:

1. Суммирование количества движения струи, истекающей из сопла, с количеством движения впрыскиваемой воды на участки 1 и 2 происходит с меньшей потерей энергии, чем это было бы на участках 1 и ∞ (как в стандартной ракете). Это связано с тем, что струя воды на участке 1 имеет более высокую скорость, чем струя воды на участке ∞, из-за ускорения, возникающего при прохождении через кольцевой входной канал.

2. Более высокая величина пропульсивного кпд достигается из-за уменьшения скорости струи воды на участке 3 по сравнению со скоростью потока на участке 1, т. е. пониженная скорость потока воды на выходе из сопла эжектора лучше согласуется со скоростью движения ракеты.

3. Процесс расширения в ракетном сопле более эффективен и не подвержен влиянию противодавления, так как на срезе сопла участка 1 действует относительно низкое давление паров нагретой воды в участке 2 вместо высокого противодавления на участке ∞.

Этот принцип создания тяги может быть использован только в тех случаях, когда все продукты сгорания конденсируются при контакте с водой в эжекторе. В противном случае сжатие газа между участками 2 и 3 будет значительно понижать скорость потока.

В большинстве случаев количество движения потока на выходе из участка 3 будет недостаточным для преодоления противодавления. Кроме того, противодавление будет оказывать такое влияние на параметры воды во входном кольцевом канале, что возможны случаи, когда давление на участках 1 и 2 превысит давление паров нагретой воды. В этих случаях скорость потока на выходе будет уменьшаться, а следовательно, будет уменьшаться и тяга, вплоть до ее исчезновения.

В нормальных условиях из эжектора должна выбрасываться только струя горячей воды, однако допустим также тонкий распыл или истечение водного раствора. Поэтому количество расходуемой морской воды должно быть строго определенным для того, чтобы все истекающие парообразные продукты сгорания сконденсировались, а сама морская вода не испарялась.

Удельный импульс для ракеты со впрыском воды определяется по следующим формулам:

;

(7.1)

где F – тяга,

Для ракеты, в которой процесс расширения происходит от давления р_с до давления р₁ — давления паров воды при температуре Т₂, получим

(7.2)

(7.3)

(7.4)

Учитывая выражения (7.1)—(7.4) и полагая β = m₀/m_г, имеем

, (7.5)

Как показано в [3],

(7.6.)

Следует также отметить, что подводимая морская вода может впрыскиваться также непосредственно в камеру сгорания ракеты на Н-О топливе. За счет впрыска воды понижается температура горения и возрастает общее количество рабочей жидкости. В результате удельный импульс достигает своего максимального значения при оптимальном отношении расхода воды к расходу топлива.

Впрыск воды может быть осуществлен с помощью второго эжектора, который обычно называют инжектором. Последний устанавливается в замкнутом контуре камеры сгорания, т. е. в контуре, который начинается от камеры сгорания и ею же заканчивается. Инжектор обеспечивает забор морской воды в этот замкнутый контур.

Как известно, инжекторы обычно применяются в паровых котлах промышленного назначения для подачи в них питательной воды. Характерной особенностью таких инжекторов является использование энергии пара, содержащегося в котле, для подачи в него питательной воды. Этот метод подачи воды хорошо подходит и для ракет, так как не требует применения узлов с вращающимися деталями. Более того, в этом процессе теоретически не снижается значение энтальпии ракетного топлива, поскольку уменьшение энтальпии в потоке пара точно соответствует увеличению энтальпии впрыскиваемой воды (по давлению и температуре).

Величины теоретических скоростей ракет V_п которые входят в уравнения (7.6.), определяются на основе известных методов. В тех случаях, когда отработанные продукты сгорания находятся в газообразном состоянии, давление в камере сгорания принимается равным 6,9 мН/м². В тех случаях, когда количество впрыскиваемой воды достаточно для конденсации всех газообразных продуктов до жидкого состояния, давление в камере сгорания принимается равным давлению паров воды в проточной части при температуре равновесия.

Значение удельного импульса постоянно возрастает по мере увеличения отношения расходов воды и топлива вплоть до ∞. Кроме того, удельный импульс возрастает также с увеличением глубины погружения. Так, на глубине 300 м и при отношении расходов воды и топлива, стремящемся к ∞, удельный импульс I в четыре раза больше, чем удельный импульс стандартной ракеты, движущейся вблизи поверхности воды.

При отношении расходов воды и топлива, равном 12,8, и давлении в камере сгорания 6,9 мН/м² все газообразные продукты конденсируются в камере до жидкого состояния. Приведенное выше давление в камере сгорания соответствует давлению конденсации паров воды. При более высоких значениях отношений расходов давление паров воды в камере сгорания будет меньше, чем величины давлений, приведенные в таблице. В этих условиях процесс расширения горячей воды, а не водяного пара, происходит изоэнтропически при прохождении ее через сопло камеры сгорания. При этом давление воды падает до давления в эжекторе.

Применительно к стандартной ракете, рассмотренный выше процесс сопровождается частичным испарением воды и уменьшением общей энтальпии, которая и определяет скорость потока на срезе сопла ракеты.

Удельный импульс, всегда имеющий максимальное значение при «бесконечно» большой подаче воды в эжектор, возрастает по мере увеличения отношения расходов воды и топлива до своего максимального значения и затем убывает. Этот максимум характерен для ракеты, на срезе сопла которой имеется поток горячей воды. Для такой ракеты удельный импульс I_уд на глубине 300 м почти на порядок выше, чем удельный импульс стандартной ракеты, движущейся вблизи поверхности моря.

В стандартных ракетах, как правило, применяется многоступенчатая схема. Отличие пропульсивных комплексов от стандартных ракет, как отмечалось, в меньшем отношении массы топлива к массе всей конструкции. Это ограничивает целесообразность применения многоступенчатых схем ПА. Расчеты показывают [1,2,3]:

— дальность хода подводных ракет может быть увеличена не более чем на 50 % при использовании двух ступеней вместо одной и не более чем на 83 % при использовании трех ступеней;

— увеличение числа ступеней приводит к увеличению дальности хода подводных ракет только в тех случаях, когда отсеки полезного груза и отсеки с соплами составляют малые доли общего объема ракеты;

— увеличение числа ступеней приводит к уменьшению дальности хода подводных ракет в тех случаях, когда отсеки полезного груза и отсеки с соплами составляют большие доли объемов ракет;

— подводные ракеты с числом ступеней большим, чем две, вряд ли найдут практическое применение.