Проектирование пневмогидросистемы первой ступени баллистической ракеты

- коэффициент объёма воздушной подушки.

принимаем .

Полный объём бака окислителя:

По аналогии с расчётом объёма бака горючего рассчитываем объём бака окислителя.

,

где ;

;

;

;

;

Принимаем .

Расчёт продольных размеров баков

Определяем радиус сферы верхнего и нижнего днищ баков (рис.5.):

,

где.

Высота верхнего и нижнего днищ баков:

.

Объём сферического сегмента днищ:

.

Размеры бака горючего.

Высота цилиндрической части бака горючего:

.

Полная высота бака горючего:

.

Объём заправляемого горючего:

.

Объём воздушной подушки:

.

Высоту воздушной подушки от зеркала жидкости до полюса верхнего днища бака найдём из выражения:

.

Получаем .

Рис.5. Расчётная схема топливного бака

Высота уровня жидкости в баке:

.

Размеры бака окислителя.

По аналогии с расчётом размеров бака горючего рассчитываем размеры бака окислителя.

Высота цилиндрической части бака окислителя:

.

Полная высота бака окислителя:

.

Объём заправляемого окислителя:

.

Объём воздушной подушки:

.

Высоту воздушной подушки от зеркала жидкости до полюса верхнего днища бака найдём из выражения:

.

Получаем .

Высота уровня жидкости в баке:

.

3.2 Оценочный расчет массы топливного отсека

Массу топливного отсека определяют суммой масс топливных баков под основные компоненты топлива, массы устройств наддува и узлов крепления и массы вспомогательных баков, при наличии таковых.

При работе ТНА на основных компонентах топлива масса топливного отсека равна:

,

где , - массовые коэффициенты, определяемые по формулам:

;

.

, - коэффициенты, характеризующие массу топливных баков под основное топливо.

, - коэффициенты, характеризующие массу устройств наддува и узлов крепления.

, .

В оценочных расчетах можно принять:

;

,

где - плотность топлива;

- относительная толщина оболочки для алюминиевых сплавов.

Масса бака горючего:

.

Масса бака окислителя:

.

4. Составление компоновочной схемы ступени

Рис.6. Компоновочная схема первой ступени ракеты (М 1:50)

5. Выбор и обоснование схемы системы наддува

Системы наддува служат для обеспечения и поддержания требуемого давления в топливных баках.

Классификация систем наддува может быть представлена следующей схемой:

Рис.7. Классификация систем наддува

5.1 Оценочный расчёт массы и габаритов “холодной” системы наддува

Исходные данные:

Давление насыщенных паров керосина ;

Давление насыщенных паров кислорода ;

Плотность керосина ;

Плотность кислорода ;

Объем заправляемого окислителя ;

Объем заправляемого горючего .

Рис.8. Расчётная схема

Выполнение расчёта

5.1.1 Определение давления в газовой подушке бака горючего

Расчёт минимального давления

Значения определяется по трём условиям.

1) Условие бескавитационной работы насоса горючего в момент старта:

, [2]

где - гидростатическое давление столба жидкости.

,

где - суммарные потери давления.

,

где - скорость течения компонента в магистрали;

- коэффициент местного сопротивления;

- осевая перегрузка в момент старта;

- высота столба жидкости;

- кавитационный запас; выбирается из диапазона

.

Принимаем: .

2) Условие бескавитационной работы насоса горючего в конце работы 1-й ступени.

,

где - суммарные потери давления.

,

где ,

где ;

,

где - высота остатков незабора.

3) Условие отсутствия кавитации на заборном устройстве в конце работы ДУ.

,

где ,

где ;

-потери давления на сифонном заборном устройстве:

,

где - коэффициент местного сопротивления для сифона

- кавитационный запас, выбирается из диапазона

.

Принимаем: .

Из 3-х выбираем максимальное значение: .

Максимальное давление в подушке бака горючего:

;

где – разница между максимальным и минимальным давлениями; обычно

. Принимаем .

Номинальное давление в подушке бака горючего:

.

5.1.2 Расчёт “холодной” системы наддува для бака горючего

Потребный объём аккумулятора давления:

,

где – коэффициент запаса;

– коэффициент адиабаты азота;

– начальное давление в аккумуляторе давления. Выбирается из диапазона

. Принимаем ;

– конечное давление в аккумуляторе давления.

Радиус шарбаллона:

.

Толщина стенки шарбаллона:

;

где – коэффициент запаса;

- предел прочности для титанового сплава ВТ6.

Внешний объём шарбаллона:

.

Объём оболочки шарбаллона:

.

Масса конструкции шарбаллона (включая массу дополнительных устройств и элементов крепления):

.

Масса рабочего тела (азота):

,

где – газовая постоянная для азота;

– температура газа наддува.

Масса «холодной» системы наддува для бака горючего:

.

5.1.3 Расчёт “холодной” системы наддува с подогревом для бака горючего

Потребный объём аккумулятора давления:

,

где – температура входа газа наддува в бак.

Радиус шарбаллона:

.

Толщина стенки шарбаллона:

.

Внешний объём шарбаллона:

.

Объём оболочки шарбаллона:

.

Масса конструкции шарбаллона (включая массу дополнительных устройств и элементов крепежа):

.

Масса рабочего тела (азота):

.

Масса “холодной” системы наддува с подогревом для бака горючего:

.

5.1.4 Определение давления в газовой подушке бака окислителя

Расчёт минимального давления

Значения определяется по трём условиям.

1) Условие бескавитационной работы насоса окислителя в момент старта.

,

где ;

,

где - скорость течения компонента в магистрали;

- высота столба жидкости.

2) Условие бескавитационной работы насоса окислителя в конце работы 1-й ступени.

,

где ;

,

где ; [2]

,

где - высота остатков незабора.

3) Условие отсутствия кавитации на заборном устройстве в конце работы ДУ.

,

где ,

;

-потери давления на тарельчатом заборном устройстве: