Serge77 - Моя ракетная мастерская

PROPEP

PropEP (Propellant Evaluation Program) - свободно распространяемая программа, написанная примерно 20 лет назад несколькими сотрудниками Martin-Marietta. Эта программа может расчитывать многие важные характеристики ракетного топлива: плотность, температуру горения в двигателе, температуру выхлопа, химический состав продуктов сгорания, удельный импульс, оптимальную степень расширения сопла и др..

К результатам расчётов нужно относиться с некоторой осторожностью, поскольку нам неизвестна модель расчётов и возможно она не слишком точна по сегодняшним меркам. Кроме того, некоторые данные в файле данных компонентов топлив Pepcoded.daf ошибочны. Однако, несмотря на всё это, программа исключительно полезна.

GUIPEP - это удобная графическая оболочка для PROPEP, написанная Art Lekstutis Landshark. PROPEP и GUIPEP можно загрузить отсюда: http://lekstutis.com/Artie/PEP/Index.html или отсюда: PROPEP.ZIP и GUIPEP.ZIP

Установка программ: архивы PROPEP.ZIP и GUIPEP.ZIP нужно распаковать в один каталог, запустить GUIPEP.EXE, начнётся инсталляция. Необходимо установить программу в тот же каталог, куда были распакованы архивы. После этого программу можно запускать через меню Пуск-Программы-Guipep или просто файлом Guipep.exe.

При запуске программы загружается состав по умолчанию. Попробуем его расчитать. Для этого в меню RUN выберите пункт SINGLE RUN. Появится окно DOS с приглашением "Carrige return to cintinue". Нажмите ENTER, программа продолжит работу и откроется окно Notepad с результатами расчёта:

AP-R45 Run using June 1988 Version of PEP,
Case 1 of 1 15 Mar 2003 at 7:50:58.89 pm

CODE WEIGHT D-H DENS COMPOSITION
137 AMMONIUM PERCHLORATE (AP) 74.000 -602 0.07040 1CL 4H 1N 4O
305 CUPRIC OXIDE 1.000 -439 0.23120 1CU 1O
846 R45M 13.300 -30 0.04330 667C 999H 5O
368 DIOCTYL ADIPATE 7.500 -733 0.03320 42H 22C 4O
266 CASTOR OIL 1.600 -626 0.03460 62C 111H 9O
742 PAPI 2.500 -202 0.04480 224C 155H 27O 27N

THE PROPELLANT DENSITY IS 0.05909 LB/CU-IN OR 1.6357 GM/CC
THE TOTAL PROPELLANT WEIGHT IS 99.9000 GRAMS

NUMBER OF GRAM ATOMS OF EACH ELEMENT PRESENT IN INGREDIENTS

5.113044 H 1.672553 C 0.648261 N 2.652899 O
0.629803 CL 0.012572 CU

****************************CHAMBER RESULTS FOLLOW *****************************

T(K) T(F) P(ATM) P(PSI) ENTHALPY ENTROPY CP/CV GAS RT/V
1883. 2930. 68.02 1000.00 -52.39 249.99 1.2746 4.871 13.964

SPECIFIC HEAT (MOLAR) OF GAS AND TOTAL= 9.222 9.223
NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED= 4.8712 0.0000

1.47902 CO 1.45972 H2 0.78721 H2O 0.61725 HCl
0.32391 N2 0.19328 CO2 0.00854 CuCl 0.00130 Cu3Cl3
3.54E-04 NH3 2.26E-04 H 1.19E-04 CH4 9.73E-05 Cu
7.20E-05 Cl 4.55E-05 CNH 2.67E-05 Cu* 2.06E-05 CH2O
9.87E-06 HO 2.81E-06 CNHO 2.11E-06 CHO

THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE IS 20.508

****************************EXHAUST RESULTS FOLLOW *****************************

T(K) T(F) P(ATM) P(PSI) ENTHALPY ENTROPY CP/CV GAS RT/V
920. 1196. 1.00 14.70 -104.22 249.99 1.2980 4.612 0.217

SPECIFIC HEAT (MOLAR) OF GAS AND TOTAL= 8.621 8.605
NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED= 4.6125 0.0263

1.50761 H2 0.91546 CO 0.62936 HCl 0.62233 CO2
0.49270 H2O 0.32399 N2 0.12057 CH4 0.01412 C&
1.22E-02 Cu& 2.37E-04 NH3 1.31E-04 Cu3Cl3

THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE IS 21.536

**********PERFORMANCE: FROZEN ON FIRST LINE, SHIFTING ON SECOND LINE**********

IMPULSE IS EX T* P* C* ISP* OPT-EX D-ISP A*M EX-T
207.6 1.3088 1631. 37.01 4253.8 7.27 339.5 0.13224 696.
212.5 1.2675 1662. 37.53 4339.1 168.5 8.72 347.5 0.13489 920.

Здесь очень много данных, однако обычно используются только немногие из них. Я смотрю на удельный импульс и температуру горения, ещё для интереса - на состав продуктов сгорания, иногда на плотностный удельный импульс.

Итак, в первой части перечислены компоненты топлива, их плотность, теплота образования, брутто-формула. Эти данные берутся из файла Pepcoded.daf. Кроме того, приведены массы компонентов, как они были введены при составлении композиции.

Дальше идут расчётная плотность топлива в фунтах на кубический дюйм и в граммах на кубический сантиметр (GM/CC), а также полный вес топлива. Если плотность топлива оказывается равной нулю или очень близкой, это значит, что один или несколько компонентов имеют нулевую плотность в файле данных Pepcoded.daf, это можно исправить. Важное замечание: программа часто выдаёт ошибочные результаты, если суммарный вес компонентов топлива равен 100. При сумме, равной 99.9 или любой другой, ошибок не бывает.

NUMBER OF GRAM ATOMS - это количество грамм-атомов каждого элемента, входящего в компоненты топлива.

В следующем разделе - данные камеры сгорания (CHAMBER RESULTS): температура в камере в Кельвинах и Фаренгейтах, давление в камере в атмосферах и фунтах на квадратный дюйм (PSI), ещё некоторые данные, значения которых я не знаю.

Ниже идёт количество газообразных и конденсированных (твёрдых или жидких) продуктов сгорания (NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED), по этим цифрам можно грубо судить об "эффективности" топлива. В первом приближении, чем меньше конденсированных продуктов, тем лучше.

Далее приводится расчётный состав продуктов сгорания в камере, цифры обозначают количество молей каждого компонента. Значок * или & после молекулярной формулы обозначает, что вещество находится соответственно в жидком или твёрдом состоянии.

В конце этого раздела приводится средний молекулярный вес продуктов сгорания.

В следующем разделе (EXHAUST RESULTS) приводятся аналогичные данные, но относящиеся к наружному срезу сопла.

Заключительный раздел - PERFORMANCE. Здесь две строки данных - для "замороженного" состояния и "смещённого" (FROZEN, SHIFTING). Это два разных подхода для приближённого расчёта процессов в сопле. Замороженный обозначает, что все реакции закончились в камере двигателя и состав продуктов не изменяется при проходе через сопло. Это не очень точное приближение. Смещённый обозначает, что по мере прохождения продуктов сгорания через сопло в каждый момент времени мгновенно устанавливается новое равновесие, соответствующее текущему давлению и температуре. Это тоже не очень точное приближение. Реальные цифры обычно находятся где-то между этими двумя приближениями. При сравнении результатов расчётов используют максимальную величину, т.е. из второй строки, для смещённого равновесия.

В разделе PERFORMANCE в первой колонке приведен удельный импульс топлива (IMPULSE), расчитанный с условием идеального истечения из сопла. Далее, в колонке ISP* приведен удельный импульс, который будет иметь топливо при сгорании в двигателе без сопла, т.е. просто с дыркой. В колонке D-ISP приведён плотностной удельный импульс, который равен идеальному удельному импульсу, умноженному на плотность. Значения остальных величин мне неизвестны и я буду благодарен специалистам, если они дадут свои пояснения или исправления.

А где скорость горения?

К нашему большому сожалению, PROPEP не расчитывает скорость горения. Более того, по его результатам нельзя даже сказать, будет ли топливо вообще гореть. Работа этой программы основана на предположении, что все компоненты топлива прореагируют до равновесного состояния. А будут ли они на самом деле реагировать - это нужно проверять на практике. Например, топлива на основе нитрата аммония имеют высокий теоретический удельный импульс, однако большинство из них просто не горят или горят очень медленно, чтобы быть пригодными для использования в двигателе.

Изменение состава топлива и условий расчёта

Нужно просто щёлкнуть на компоненте и выбрать из выпадающего списка новый. Чтобы удалить компонент, нужно обнулить его вес. В правой части окна программы можно изменять условия работы двигателя (Operating Conditions): исходную температуру топлива (Temp. of Ingredients), давление в камере сгорания (Chamber Pressure) и давление снаружи двигателя (Exhaust Pressure). При запуске программы там стоят стандартные величины, при которых принято расчитывать идеальный удельный импульс, поэтому их нужно изменять только при расчёте характеристик топлива для нестандартных условий.

Multiple Run

Этот режим расчёта позволяет быстро определить влияние изменения состава топлива, например соотношения окислитель-горючее, на его характеристики и подобрать оптимальный состав. Для запуска нужно выбрать в меню Run-Multiple Run, выбрать в выпадающих списках варьируемые параметры (один или два), задать пределы варьирования (Minimum%, Maximum%) и количество шагов (Number of Steps), нажать Calculate. Как обычно, появится окно DOS, в котором нужно нажать Enter, затем окно Notepad с результатами, в которых будет множество расчитанных составов. Изучать эти результаты, просто перелистывая длинный файл, довольно неудобно, поэтому я написал простую программу, которая выбирает все данные из результирующего файла и записывает их в текстовый табличный файл, который можно загрузить в Excel или любую другую аналогичную программу для анализа, построения наглядных графиков и т.д. Эту программу можно взять здесь: для DOS P2E-DOS.ZIP (24 КВ) или для WINDOWS P2E-WIN.ZIP (1431 КВ). Программы выдают одинаковые результаты, но различаются по своему объёму.

Что делать, если необходимых компонентов топлива нет в файле данных?

Во-первых, можно вместо этого компонента подставить другой, близкий по строению. Точность расчёта характеристик топлива составляет несколько процентов, поэтому гнаться за абсолютной точностью данных исходных компонетов просто не имеет смысла. Если содержание неизвестного компонента составляет 1-5%, то его можно вообще не учитывать, например при расчёте топлив на эпоксидной смоле можно вместо 18% смолы и 2% отвердителя ввести 20% смолы.

Во-вторых, можно добавить компонент в файл данных Pepcoded.daf, если у вас есть необходимые данные. Нужно открыть этот файл текстовым редактором и, соблюдая стройность колонок данных, ввести очередной порядковый номер компонента, его название, затем брутто-формулу (заметьте, что двухбуквенные символы элементов вводятся в верхнем регистре, например CL, FE), теплоту образования в калориях на грамм, плотность в фунтах на кубический дюйм. Очень много данных о теплоте образования и плотности веществ можно найти в справочнике Рабиновича. Плотность удобно переводить с нормальных единиц в американские, умножив на 0.0361 (это плотность воды в фунтах на кубический дюйм).

Мой файл данных можно загрузить здесь, он содержит некоторые дополнения и исправления. Просьба ко всем, кто нашёл ошибки или ввёл новые данные, писать об этом на форум.

30.03.2003 Serge77