Посвящается моей жене
Предлагаемая книга содержит описание последних достижений в области ракетных двигателей на химическом топливе, включая характеристики двигательных установок, свойства топлив и технологию их промышленного изготовления, механизм горения и устойчивость, совместимость двигателя с ракетой, управление направлением и величиной тяги. Уже имеются специальные монографии и по твердым топливам [103, 178], и по жидким [67]; здесь, пожалуй, впервые оба эти типа ракетных двигателей рассмотрены совместно. Кроме того, в книге показано, как изложенные теоретические принципы применяются на практике к высокоэффективным двигательным установкам (ДУ) ракет-носителей и космических летательных аппаратов.
Книга в первую очередь адресована студентам и преподавателям, специализирующимся в области ракетно-космической и авиационной техники, и рассчитана на одно- или двухсеместровый курс обучения. Она будет полезна также для специалистов по ракетным двигательным установкам в конструкторских бюро н научно-исследовательских организациях, таких, как Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA, США), Европейское космическое агентство (ESA), Национальное управление аэрокосмических исследований (ONERA, Франция) и Институт экспериментальной газовой динамики (DFVLR, ФРГ).
Изложение начинается с краткого обзора принципов работы ракетного двигателя и более детального рассмотрения характеристических параметров двигателей при неравновесных химических реакциях (гл. 1). В гл. 2 описаны характеристики твердых ракетных топлив (ТРТ), технология их промышленного производства и методы экспериментального исследования; затрагиваются также вопросы взрывоопасности ТРТ. В гл. 3, посвященной исследованиям механизма горения, приведены основные уравнения теоретической модели горения в ракетном двигателе на твердом топливе (РДТТ). Эта модель использована в гл. 4 для описания процесса воспламенения твердотопливного заряда. Кроме того, в гл. 4 приведен обзор исследований по воспламенению и гашению зарядов ТРТ. Далее, в гл. 5, рассмотрены проблемы расчета характеристик РДТТ. В эту главу включены разделы, посвященные модели внутренней баллистики двигателя, распространению фронта горения, расчету удельного импульса тяги и методам экспериментальных исследований, а также характеристикам сопел. Гл. 5 завершается обсуждением проблемы неустойчивости горения. Наконец, в гл. 6 раскрывается еще одна важная тема, касающаяся РДТТ. Речь идет о бессопловых твердотопливных ускорителях, используемых в прямоточных воздушно-реактивных двигателях (ПВРД) современных летательных аппаратов.
Глава 7 посвящена рассмотрению механизма горения жидких ракетных топлив (ЖРТ) и начинается с феноменологического описания модели горения; далее кратко рассмотрена модель горения капли распыленного топлива и представлена полная модель горения в камере жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), которая затем используется для описания конкретного рабочего процесса, а полученные результаты сравниваются с данными экспериментальных исследований.
В гл. 8 рассмотрены проблемы, связанные с экономичностью, устойчивостью и совместимостью конструкции ЖРД, причем особое внимание уделяется взаимосвязи этих факторов. В гл. 9 дан обзор некоторых новых концепций ЖРД: двигателей с кольцевым соплом и центральным телом, двигателей на двух горючих и двигателей замкнутой схемы.
В гл. 10 рассмотрены вопросы регулирования модуля и вектора тяги как для РДТТ, так и для ЖРД. Заключительная часть книги (гл. 11 и 12) посвящена применению ЖРД и РДТТ для осуществления космических полетов и содержит анализ ряда космических программ. Рассматриваются, в частности, двигательные установки ракеты-носителя "Ариан" и воздушно-космического самолета (ВКС) "Спейс Шаттл", двигатели межорбитальных транспортных аппаратов и вспомогательные двигательные установки космических орбитальных станций, обсуждаются достижения Японии в области ракетного двигателестроения.
За основу предлагаемой монографии принят курс лекций по ракетным двигателям на химическом топливе, который я читал в течение многих лет в Хайфском технологическом институте (Израиль) и в 1985 г. - на факультете аэрокосмической техники Технического университета в г. Делфт (Нидерланды). Я хотел бы выразить признательность профессору Н. Виттенбергу за поддержку и моим коллегам д-ру А. Перецу и д-ру А. Гани за сделанные ценные замечания.
Я благодарен г-же Дж. Констанце и г-же А. Гудман за печатание рукописи, г-ну У. Спей и г-же И. Ницан за подбор иллюстраций, г-ну 3. Рафаэлю, который помог мне при оформлении графического материала, и г-ну И. Наору, взявшего на себя кропотливую работу с фотоматериалами.
И. М. Тимнат