Журналов:     Статей:        

Аэрокосмический научный журнал. 2015; 1: 6-16

Температурное состояние неохлаждаемого насадка сопла жидкостного ракетного двигателя

Зарубин В. С., Кувыркин Г. Н., Пугачёв О. В.

Аннотация

Разработана математическая модель теплообмена оболочки неохлаждаемого насадка сопла жидкостного ракетного двигателя, позволяющая оценить температурное состояние насадка на установившемся режиме работы двигателя. Проведена количественная оценка влияния основных факторов, определяющих интенсивность теплообмена путем конвекции, излучения и теплопроводности. Описан алгоритм количественного анализа модели и представлен примеры расчета распределения средней по поверхности насадка температуры и распределения температуры вдоль образующей оболочки насадка при исходных данных, близких к реальным. Из полученных результатов следует, что температурное состояние неохлаждаемого насадка сопла с большой степенью расширения, характерной для двигателей, работающих в космических условиях или в разреженных слоях атмосферы, можно считать допустимым с точки зрения обеспечения работоспособности насадка при его выполнении из современных термостойких конструкционных материалов. DOI: 10.7463/aersp.0315.0793049
Список литературы

1. Балабух Л.И., Колесников К.С., Зарубин В.С., Алфутов Н.А., Усюкин В.И., Чижов В.Ф. Основы строительной механики ракет. М.: Высшая школа, 1969. 496 с

2. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели: Основы проектирования / под ред. Д.А. Ягодникова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 488 с

3. Зарубин В.С. Температурные поля в конструкции летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1966. 216 с

4. Ягодников Д.А., Ирьянов Н.Я. Ракетные двигательные установки. Термины и определения. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. 87 с

5. Спэрроу Э.М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением: пер. с англ. Л .: Энергия , 1971. 295 с . [Sparrow E.M., Cess R.D. Radiation Heat Transfer. Washington: Hemisphere Publ. Corp., 1978. 366 p.].

6. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением: пер. с англ. М.: Мир, 1975. 936 с . [Siegel R., Howell J.R. Thermal Radiation Heat Transfer. N . Y .: Taylor and Francis , 2002. 868 p.].

7. Зарубин В.С. Равновесная температура оболочки неохлаждаемого насадка сопла жидкостного ракетного двигателя // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 8. Режим доступа: http://engjournal.ru/catalog/model/hidden/888.html (дата обращения 01.04.2015).

8. Русин С.П., Пелецкий В.Э. Тепловое излучение полостей. М.: Энергоатомиздат, 1987. 152 с.

9. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков Л.Н. Теплообмен излучением: справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. 432 с.

10. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н., Савельева И.Ю. Радиационно-кондуктивный теплоперенос в шаровой полости // Теплофизика высоких температур. 2015. Т . 53 , № 2. С . 243 - 249. DOI: 10.7868/S0040364415020246

11. Дорофеев А.А. Основы теории тепловых ракетных двигателей. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 464 с

Aerospace Scientific Journal. 2015; 1: 6-16

Temperature State of Noncooled Nozzle Adjutage of Liquid Rocket Engine

Zarubin V. S., Kuvyrkin G. N., Pugachev O. V.

Abstract

The increasing specific impulse of the liquid rocket engine (LRE), which is designed to operate in space or in rarefied atmosphere, is directly related to the increasing speed of the combustion gases in the outlet section of the nozzle due to increasing nozzle expansion ratio. An intensity of the convective heat transfer of LRE combustion with the supersonic part of a nozzle shell in the first approximation is inversely proportional to the cross sectional area of gas dynamic path and reduces substantially as approaching to the outlet section of the nozzle.
Therefore, in case of large nozzle expansion ratio the use of modern heat-resistant materials allows us to implement its outlet section as a thin-walled uncooled adjutage. This design solution results in reducing total weight of nozzle and decreasing overall preheat of LRE propellant used to cool the engine chamber. For a given diameter of the nozzle outlet section and pressure of combustion gases in this section, to make informed choices of permissible length for uncooled adjutage, it is necessary to have a reliable estimate of its thermal state on the steady-state LRE operation. A mathematical model of the nozzle shell heat transfer with the gas stream taking into account the heat energy transfer by convection and radiation, as well as by heat conduction along the generatrix of the shell enables this estimate.
Quantitative analysis of given mathematical model showed that, because of the comparatively low pressure and temperature level of combustion gases, it is acceptable to ignore their own radiation and absorption capacity as compared with the convective heat intensity and the surface nozzle radiation. Thus, re-radiation of its internal surface portions is a factor of importance. Its taking into consideration is the main feature of the developed mathematical model.

References

1. Balabukh L.I., Kolesnikov K.S., Zarubin V.S., Alfutov N.A., Usyukin V.I., Chizhov V.F. Osnovy stroitel'noi mekhaniki raket. M.: Vysshaya shkola, 1969. 496 s

2. Dobrovol'skii M.V. Zhidkostnye raketnye dvigateli: Osnovy proektirovaniya / pod red. D.A. Yagodnikova. 2-e izd., pererab. i dop. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2005. 488 s

3. Zarubin V.S. Temperaturnye polya v konstruktsii letatel'nykh apparatov. M.: Mashinostroenie, 1966. 216 s

4. Yagodnikov D.A., Ir'yanov N.Ya. Raketnye dvigatel'nye ustanovki. Terminy i opredeleniya. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2012. 87 s

5. Sperrou E.M., Sess R.D. Teploobmen izlucheniem: per. s angl. L .: Energiya , 1971. 295 s . [Sparrow E.M., Cess R.D. Radiation Heat Transfer. Washington: Hemisphere Publ. Corp., 1978. 366 p.].

6. Zigel' R., Khauell Dzh. Teploobmen izlucheniem: per. s angl. M.: Mir, 1975. 936 s . [Siegel R., Howell J.R. Thermal Radiation Heat Transfer. N . Y .: Taylor and Francis , 2002. 868 p.].

7. Zarubin V.S. Ravnovesnaya temperatura obolochki neokhlazhdaemogo nasadka sopla zhidkostnogo raketnogo dvigatelya // Inzhenernyi zhurnal: nauka i innovatsii. 2013. № 8. Rezhim dostupa: http://engjournal.ru/catalog/model/hidden/888.html (data obrashcheniya 01.04.2015).

8. Rusin S.P., Peletskii V.E. Teplovoe izluchenie polostei. M.: Energoatomizdat, 1987. 152 s.

9. Blokh A.G., Zhuravlev Yu.A., Ryzhkov L.N. Teploobmen izlucheniem: spravochnik. M.: Energoatomizdat, 1991. 432 s.

10. Zarubin V.S., Kuvyrkin G.N., Savel'eva I.Yu. Radiatsionno-konduktivnyi teploperenos v sharovoi polosti // Teplofizika vysokikh temperatur. 2015. T . 53 , № 2. S . 243 - 249. DOI: 10.7868/S0040364415020246

11. Dorofeev A.A. Osnovy teorii teplovykh raketnykh dvigatelei. 2-e izd., pererab. i dop. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2010. 464 s