Ракети. Загальні відомості: Сторінка ракетобудування. Останнє оновлення:
Проектування надзвукового сопла
рекомендації по вибору форми надзвукового конічного сопла ракетного двигуна
Формально визначення сопла звучить так: газовий канал змінного перерізу, призначений для розгону робочого тіла для створення тяги. (Фархутдинов І. Х. Котельников А. В. "Конструкція і проектування ракетних двигунів твердого палива").
Розмова піде в основному про простому конічному надзвуковому соплі, рис.1, яка отримала найбільше поширення у любителів.
У цій статті я не буду детально зупинятися на виборі розмірів критичного перетину. Окреслю тільки основний механізм проектування.
Зазвичай у любителя немає особливої можливості вибору корпусів для РДТТ. Є якась труба з відомого матеріалу і відомим межею міцності # 963 ;.
Знаючи розміри труби, а саме діаметр D і товщину стінки # 948 ;. за простою формулою розраховують гранично допустиме значення тиску в двигуні:
де n - страхувальний запас міцності, зазвичай беруть 1,5-2. Далі в програмі розрахунку параметрів тяги, такої, наприклад, як Rocki-motors. підбирають розміри і форму заряду в поєднанні з діаметром критичного перетину так, щоб розрахункове тиск не перевищило максимально допустимого. Форма заряду однозначно залежить від розмірів корпусу. Діаметр заряду визначається діаметром труби за вирахуванням товщини теплоізоляції і бронювання. Довжина заряду теж досить визначена, оскільки або обмежена розмірами труби, або розмірами ракети. Виходячи з емпіричного правила для окремої шашки заряду
отримуємо, що підбір параметрів мотора на основі максимально допустимого тиску в основному ведеться підбором критичного перетину dкр.
Визначившись з критичним перетином сопла, можна приступати до проектування його форми.
Вхід продуктів згоряння здійснюється через вхідний звужується конус сопла - конфузор. Тут немає особливо суворих рекомендацій, і багато сопла мають дуже короткий конфузор або взагалі не мають його. Однак у науковій літературі конфузор робити рекомендують. У ньому відбувається розгін газового потоку до звукової швидкості. Для зменшення теплового навантаження на стінки конфузора кут полураствора беруть в діапазоні
Після конфузора потік проходить по критичному каналу. Виникає питання про довжину критичного каналу Lкр. Загальна рекомендація тут проста - чим менше, тим краще. З технологічних причин зробити дуже коротким дану ділянку зазвичай не виходить, тому любителі виходять з правила
З критики робоче тіло, чи то пак продукти згоряння, потрапляють в дифузор. У розширенні конусі дифузора відбувається розгін потоку до надзвукової швидкості, межа якої визначається питомим імпульсом мотора. Від кута цього конуса залежить баланс різного роду енергетичних втрат, таких як тертя і розсіювання. Оптимальним вважається кут полураствора в діапазоні
Питання оптимальної довжини дифузора L досить складний. Вона залежить від зовнішніх умов польоту і зазвичай розраховується на підставі параметричних експериментальних досліджень. Однак на практиці, виявляється, без особливого збитку можна обмежитися довжиною, яка відповідає діаметру на зрізі
Любителі зазвичай роблять сопла з розширенням, тобто ставленням площі зрізу до площі критики, 6-8.
Ми пройшли по всьому тракту сопла і в результаті у нас вималювалися такі правила
ЕМПІРИЧНІ ПРАВИЛА ПРОЕКТУВАННЯ СОПЛА
- довжина критичного каналу: Lкр ≤ 0.5Dкр
- кут полураствора конфузора: # 946; вх = 30-60 °
- кут полураствора дифузора: # 946; вих = 9-12 °
- вихідний діаметр: Da
Прискіпливий ракетник може задатися питанням, а як правильно здійснити перехід від конфузора до критики і від критики до дифузора? Насправді вплив форми цих переходів не критично. Краще їх злегка скруглить. Для педантів можу навести цифри з книги, яку я згадував вище. Радіус заокруглення конфузор-дифузор краще робити порядку 0,5-2Dкр. а радіус критика-дифузор - 0,5-3Dкр.
Наведені рекомендації дають не великий діапазон для творчості, досить жорстко визначаючи форму конічного сопла. Однак вони не є догмою. Відхилення від вищевказаних правил допустимі, але при цьому треба розуміти, що характеристики сопла зміняться не в кращу сторону. Якщо є якась необхідність відступу, наприклад, через обмеження по довжині, то, перш за все, треба постаратися зберегти без змін критику і дифузор.