Савченко Григорий Борисович: другие произведения.

Двигатели двусредных аппаратов

Журнал "Самиздат": [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь]
Peклaмa:
Конкурс фантастических романов "Утро. ХХII век"

Конкурсы романов на Author.Today
Женские Истории на ПродаМан
Рeклaмa
  • Аннотация:
    Пособие для студентов - двигателистов, бета версия. Написано по материалам открытых источников, работа продолжается. Предупреждение. Формулы и расчетные схемы нечитаемы.


   Введение.
   Современные подводные и надводные аппараты обладают высокой энерговооруженностью и такими обводами корпусов, которые позволяют развивать очень высокие скорости. Это выдвигает новые требования по скорости как к торпедам, так и к исследовательским подводным аппаратам.
   Первые должны эффективно поражать цели, в т.ч. высокоскоростные, вторые - обеспечивать обследование возможно большей акватории за наименьшее время. Требуемую высокую скорость могут обеспечить либо аппараты с новыми двигателями, либо принципиальное изменение уже существующих двигательных установок (ДУ). В этом пособии рассматриваются основные схемы и особенности двигателей двусредных аппаратов (ДДА). Под двусредным аппаратом в дальнейшем будем понимать двигатели торпед или малых исследовательских аппаратов, доставляемых в заданную точку океана с помощью какого - либо носителя. Этими носителями могут быть первая ступень многоступенчатой торпеды или ракето - торпеды, подводная лодка, противолодочный вертолет и т. п. Такой способ доставки накладывает определенные ограничения на конструкцию и, следовательно, на энергоустановку подводного аппарата.

Глава 1. Из истории создания двусредных аппаратов и их двигателей.

   [По 1,2, материалам печати и интернет - изданий].
   Разработка торпедного оружия была обусловлена тем, что в определенный момент броневая сталь, благодаря своей толщине и высокому качеству, стала трудно преодолимой для артиллерийского снаряда. В целях борьбы с броненосными кораблями требовалось новое оружие, способное доставлять к цели мощные боевые заряды. Таким оружием и стали самодвижущиеся мины, впоследствии названные торпедами. Начиная с 70-х гг. XIX века торпеды стали поступать на вооружение надводных кораблей, а в начале XX века -- подводных лодок.
   У первых торпед гребной винт приводился во вращение двигателем, работавшим от сжатого воздуха. Из-за отсутствия приборов управления движением торпед, точность попадания в цель была незначительной. Стрельбу можно было вести только с небольших дистанций. Это затрудняло применение нового оружия, так как атакующий, сблизившись с кораблем противника, неминуемо попадал под огонь его артиллерийских орудий.
   Торпедное оружие непрерывно совершенствовалось. В конструкцию был введен парогазогенератор (ПГГ), в котором парогазовая смесь образовывалась путем сильного подогрева воздуха на пути к двигателю и впрыскивания в него пресной воды. Для подогрева использовался керосин. (В современной терминологии - в результате сгорания керосино-воздушной смеси при высоких коэффициентах избытка окислителя.) Такое техническое новшество значительно повысило экономичность двигателя. Увеличились скорость и дальность хода. Улучшилась управляемость по направлению и глубине. К началу первой мировой войны торпеды были признаны по значению вторым после артиллерии оружием и приняты на вооружение флотов почти всех вступивших в войну государств.
   Понеся заметный урон от торпед, корабли вынуждены были менять характер маневрирования. Появилось много нового в тактике ведения морского боя. В то же время у торпед выявился такой существенный недостаток, как следность. Ее газообразный пенистый след на поверхности легко обнаруживался, что давало атакованному кораблю возможность уклониться от удара. Кроме того, след торпеды, выпущенной с подводной лодки, позволял противнику определить местоположение последней и контратаковать ее.
   К началу второй мировой войны наряду с парогазовыми, стали применяться бесследные электрические торпеды с дальностью хода 5 км при скорости 30 уз, торпеды с акустической системой самонаведения и неконтактным взрывателем. Подводные лодки, вооруженные такими торпедами и оснащенные новейшими по тому времени техническими средствами (гидроакустическими и радиолокационными станциями, системой беспузырной стрельбы), стали важнейшим видом сил военно-морского флота. Большую роль в изменении характера борьбы на море сыграла торпедоносная авиация (корабельная и наземного базирования). Благодаря хорошим маневренным качествам и высокой скорости хода в широких масштабах использовались торпедные катера. Повышение мореходности и оснащение радиолокационными средствами позволили катерам применять свое оружие не только в прибрежных районах, и в открытом море.
   Когда возможности развития классических схем торпед были практически исчерпаны, началось развитие ракетного и комбинированного ракетно-торпедного оружия.
   Первоначально в нашей стране подобное оружие создавалось как симметричный ответ на зарубежные аналоги. Например, на баллистические ракеты класса "ПЛ-воздух-ПЛ" с атомным зарядом "Саброк" (США), крылатые ракеты класса "НК-воздух-ПЛ" с атомными зарядами и с боевыми частями в виде малогабаритных самонаводящихся торпед - "Асрок" (США), "Малафон" (Франция), "Икара" (Англия).
   В 1968 г. научно-производственным коллективом под руководством лауреата Ленинской и Государственной премий Н.П. Мазурова была создана неуправляемая баллистическая ракета класса "НК-воздух-ПЛ" с ракетным двигателем на твердом топливе.
   Следующим шагом стало принятие на вооружение ВМФ в 1969 г. твердотопливной баллистической автономно-управляемой ракеты класса "ПЛ-воздух-ПЛ". Она создана коллективом, руководимым профессором, лауреатом Ленинской и Государственной премий Л.В. Люльевым, а ее инерциальные системы управления -- коллективом, который возглавлял лауреат Ленинской и Государственной премий А.С. Абрамов.
   В 1973 г., была создана первая отечественная телеуправляемая крылатая ракета класса "НК-воздух-ПЛ", над которой работали коллективы под руководством лауреата Ленинской и Государственной премий Г.Н. Волгина.
   При создании баллистических и крылатых противолодочных ракет зарубежные аналоги удалось превзойти по ряду параметров. Это увеличение дальности и точности стрельбы, применение в качестве боевой части малогабаритных самонаводящихся торпед и др. Был создан научно-технический задел для продолжающегося дальнейшего развития перспективных отечественных баллистических и крылатых ракет.
   Параллельно во всех развитых странах шло развитие торпедного оружия. Это привело значительному увеличению дальности хода и усовершенствованию акустических головок самонаведения. Однако эти достижения в значительной степени обесценивались все возрастающей скоростью подводных лодок, в то время как скорость движения новых поколений торпед практически не могла быть увеличена в силу принципиальных физических ограничений движения тел в воде в режиме сплошного обтекания.
   В 50-70-х годах в Советском Союзе впервые в мире создан принципиально новый вид оружия, не имевший до недавнего времени аналогов и прототипов за рубежом, - скоростные подводные кавитирующие ракеты. Его новизна заключается в движении под водой в режиме развитой кавитации (отрывного обтекания), когда основная часть корпуса ракеты охвачена парогазовой полостью - каверной. При этом резко снижается гидродинамическое сопротивление и достигается высокая скорость подводного движения ракеты, в 3-5 раз превышающая скорость обычных торпед, движущихся в режиме сплошного (безотрывного) обтекания.
   В 1977 г. коллективом под руководством Е.Д. Ракова был создан первый боевой образец скоростной подводной кавитирующей ракеты "Шквал" класса "ПЛ-вода-ПЛ", "ПЛ-вода-воздух-НК". Общее руководство осуществляли министр СССР В.В. Бахирев и его заместитель Д.П. Медведев.

Глава 2. Основные понятия и классификация пропульсивных комплексов двусредных аппаратов (ДА).

   Пропульсивный комплекс ДА включает большой объем для аккумулирования энергии, механические средства для преобразования этой энергии во вращающий момент (для винтовых и водометных ДУ) либо устройства прямого преобразования, и движитель. Понятие "пропульсивный комплекс" используется для водного транспорта вместо "энергодвигательная установка".
   По большому счету все пропульсивные двигатели - реактивные, т.к. создание тяги обеспечивается за счет реакции отбрасываемой с некоторым ускорением воды, либо рабочего тела, генерируемого в ПГГ. Сила тяги, в данном случае, есть реакция, испытываемая конструкцией двигателя в результате истечения из его ускоряющего устройства рабочего тела с большой скоростью. В литературе, касающейся водного транспорта, чаще используется термин "упор" как синоним тяги.
   Существуют два типа ДДА:
   - ракетные двигатели (РД), при работе которых происходит отбрасывание вещества, находящегося в самом перемещающемся аппарате;
   - гидрореактивные двигатели (ГРД), в которых окружающая среда протекает через двигатель (движитель) и ускоряется для увеличения количества движения с помощью различных механических или тепловых устройств.
   Гидрореактивные пропульсивные установки (ГРПУ), часто называемые гидрореактивными двигателями, являются энергетическими установками прямой реакции и сочетают в себе двигатель и движитель. Они были предложены раньше, чем винтовые, и чем их аналог в авиации - воздушно-реактивные двигатели. (В 1840 году известным изобретателем А. А. Саблуковым был практически испытан на шлюпке гидрореактивный двигатель. См. рис. 1.) Однако винт, оказавшийся достаточно простым, надежным и эффективным движителем в комплексе с турбинами и двигателями внутреннего сгорания до середины XX в. удовлетворял все "пропульсивные потребности" морского транспорта.
   0x01 graphic
   Рис. 1. Схема гидрореактивного двигателя 1840 года: а -- всасывающие трубы, б -- насос, в -- выталкивающие трубы.
  
   В соответствии с происхождением (природой) реактивных сил, приложенных к аппарату через корпус гидрореактивной установки, ГРПУ можно разбить на четыре группы [7]:
   - электрические, или электростатические. В них ускорение заряженных частиц воды происходит под действием электрического поля, создаваемого разностью потенциалов, приложенных к электродам (к последним приложены и реактивные силы);
   - электромагнитные. В них ускорение воды в виде электролита или плазмы происходит под действием сил ампера, обусловленных протеканием тока в магнитном поле. Реактивные силы приложены к устройствам, создающим и подводящим ток и магнитное поле к каналу установки, и складываются из электромагнитных и поверхностных сил;
   - тепловые, или термодинамические. В них ускорение воды в парообразном или жидком состоянии (в частных случаях вместе с воздухом или другим транспортируемым термодинамическим рабочим телом) происходит под действием поверхностных сил, т. е. в термодинамическом процессе. Реактивные силы приложены к поверхностям конструкции установки, соприкасающимся с потоком;
   - водометные, винтовые, лопастные. В них ускорение воды обеспечивается винтами различных конструкций.
   Отдельно следует упомянуть установки, которые используют электроэнергию, запасенную в аккумуляторах, либо вырабатываемую в топливных элементах (электрохимических ячейках, электрохимических генераторах).
   Электростатические установки к настоящему времени не получили развития. По принципу действия они аналогичны электрогидродинамическим генераторам и отличаются от них направлением силы по отношению к вектору скорости.
   Электромагнитные гидрореактивные установки (рис. 2.) являются разновидностью магнитогидродинамических машин, поэтому их иногда называют МГД - движителями. Так же, как серийные электрические двигатели, их можно разделить по способу подвода электрической энергии к электродинамическому рабочему телу на кондукционные и индукционные, а по виду рабочего тела -- на электролитические, плазменные и перистальтические с промежуточным жидкометаллическим рабочим телом. По конструктивному оформлению в настоящее время различают два характерных варианта электромагнитных ГРПУ: канальный и с открытым полем. Возможна более подробная классификация: например, по конструкции канала (линейный, цилиндрический, винтовой) или по режиму процесса (изобарический, с постоянной скоростью и т. д.).
   0x01 graphic
   Рис. 2. Принципиальная схема кондукционной гидрореактивной МГД-установки.
   1 -- канал движителя; 2 -- входной диффузорный насадок; 3 -- электромагнит; 4 -- выходное сопло.
  
   В перистальтическом варианте исполнения электромагнитной ГРПУ канал установки разделен гибкой диафрагмой на два объема: через один из них протекает вода, а в другом течет жидкий металл. В жидком металле с помощью соответствующего индуктора по аналогии с индукционным жидкометаллическим насосом возбуждается бегущее электромагнитное поле, создающее в жидком металле соответствующую кинематическую и динамическую волну. Металл передает это движение через диафрагму воде, перемещающейся в сторону, обратную направлению движения судна.
   В тепловых гидрореактивных установках наиболее существенным признаком, характеризующим процесс образования реактивной силы, является структура потока (течения), в котором происходит ускорение воды.
   В каналах возможны три типа двухфазных течений, различающихся способом ускорения воды: поршневое, мелкодисперсное и перистальтическое. (Рис. 3,4.)
   0x01 graphic
   Рис. 3. Схема пульсирующей ГРПУ водопоршневого типа.
   0x01 graphic
   Рис. 4. Схема атомной прямоточной ГРПУ с двухфазной мелкодисперсной структурой потока в канале.
   1 -- ядерный реактор, парогенератор;
   2 -- канал подвода пара;
   3 -- направляющий аппарат,
   4 -- проточная часть;
   5 -- водозаборник;
   6--ввод забортной воды в парогенератор;
   7 -- пилон-крыло; I -- II -- конфузор; II-- III-- диффузор.
  
   Поршневые потоки характерны тем, что в канале образуются монолитные объемы воды, на определенной длине непрерывно заполняющие сечение канала. Благодаря этому скорость газа (пара) невелика и практически равна скорости движения водяных поршней, которые разгоняются под действием давления расширяющегося термодинамического рабочего тела - газа. Термодинамический процесс аналогичен процессу в расширительной машине.
   В мелкодисперсном течении, вследствие разности скоростей между дискретной и сплошной фазами, происходит гидродинамическое взаимодействие. Оно реализуется в трех характерных видах.
   Первый вид - вода в виде капель впрыскивается в сплошной поток газа текущего со скоростью, существенно превышающей скорость капель. За счет гидродинамических сил капли разгоняются до заданных скоростей.
   Второй вид -- в сплошной поток воды в зоне высокого давления камеры смешения канала подаются пузырьки термодинамического рабочего тела. Вследствие разности давлений между камерой смешения и выхлопным срезом канала пузырьки приобретают скорость, превышающую скорость воды, и увлекают ее за собой гидродинамическими силами.
   Третий вид -- вода в виде капель впрыскивается в поток пара, температура и скорость которого существенно больше, чем у капель. Капли разгоняются гидродинамическими силами. Но одновременно с разгоном происходят теплообмен и конденсация пара. Они настолько интенсивны, что к некоторому сечению канала поток перестраивается в другую структуру, представляющую собой поток воды с пузырьками пара. По мере развития процессов тепло- и массообмена эта структура спонтанно перестраивается в скачке уплотнения и конденсации в сплошной поток вводы.
   Поскольку в последние годы появилось множество публикаций, касающихся динамики двухфазных потоков, в данном пособии более подробно их рассматривать не будем.
   Перистальтический способ ускорения воды реализуется в канале, разделенном гибкой диафрагмой на два объема, в одном из которых находится пар, а через другой протекает вода. Пар подается дискретно по длине и дозированно по времени таким образом, чтобы обеспечить бегущую волну, перемещающую Диафрагму и через нее воду вдоль канала. Гибкая диафрагма в данном случае, так же как в электромагнитном варианте, не является силовым органом, а служит лишь перегородкой.
   В соответствии с вышеописанными процессами тепловые ГРПУ можно классифицировать по структуре потока и способу ускорения воды следующим образом:
   1. Тепловые ГРПУ с поршневой структурой потока (водопоршневые) можно подразделить на большое число разновидностей:
   -- по характеру протекания процесса во времени (пульсирующие и постоянного действия);
   -- по процессу подвода теплоты и способу ввода термодинамического рабочего тела в канал (со сгоранием при р = const и предварительной подготовкой рабочего тела или со сгоранием при V = const, происходящим непосредственно в канале);
   -- по виду термодинамического рабочего тела (сжатый воздух; продукты реакции с водой лития или другого горючего, реагирующего с водой; водяной пар, полученный из реактора или в результате сгорания водорода в кислороде, и т. д.);
   -- по конструктивному оформлению водогазораспределительных органов (с автоматическими лепестковыми водовпускными клапанами или с вращающимся золотником, с перегородкой между водой и термодинамическим рабочим телом или без нее и др.);
   -- по режиму работы (с одним или несколькими поршнями воды в канале, с использованием инерции поршней для создания разрежения при заполнении или с расширением до давления в забортном пространстве и т. п.).
   2. Тепловые ГРПУ с газокапельной структурой потока (газожидкостные). Так же как и предыдущий вид, их можно разделить по термодинамическому циклу, источнику теплоты, используемым термодинамическим рабочим телам. Внутренняя классификация может быть такой:
  -- по расположению относительно поверхности воды (с выхлопом над или под водой),
  -- по принципу и конструкции систем, генерирующих поток термодинамического рабочего тела (устройства типа жидкостно-ракетного, газотурбинного воздушно-реактивного двигателей, паровое или воздушное сопло и т.п.),
  -- по режиму течения термодинамического рабочего тела (дозвуковые и сверхзвуковые),
  -- по конструктивным особенностям канала (например, по способу подвода воды и образования капель), и др.
   3. Тепловые ГРПУ с пузырьковой структурой потока (газоводометные). Этот тип установок можно классифицировать по тому же принципу, что и предыдущий.
   4. Тепловые ГРПУ перистальтического типа. Иногда в литературе встречается термин "прямоточный гидрореактивный двигатель" (или "установка"), заимствованный из авиационной техники. Он подчеркивает то обстоятельство, что окружающая среда подается в канал за счет скоростного напора, без применения механического насоса (компрессора). В этом смысле он может быть применен ко всем вышеприведенным ГРПУ, если необходимо подчеркнуть струйный характер подвода воды (без применения насосов).
   Традиционно используются механические (непрямого действия) пропульсивные установки. В них химическая энергия топлива преобразуется сначала в полную энергию продуктов сгорания, а затем - в механическую энергию. Существует много различных схем ДУ, отличающихся как способом преобразования, так и движителем. (см. рис. 5). Их можно разделить на двигатели внутреннего сгорания, работающих по различным циклам (отто, дизеля, тринклера, брайтона и т.д.), и расширительные машины, в которых вырабатываемое в ПГГ рабочее тело затем расширяется в цилиндропоршневой паре. Движителем таких ДУ, как правило, служат винты, водометы либо подобные им устройства.
   0x01 graphic
   Рис. 5. Принципиальная схема классификации ГРПУ.
  
   Естественна и практически оправдана разработка ряда комбинированных (гибридных) схем, включающих различные элементы, агрегаты и процессы, присущие гидрореактивным тепловым и электромагнитным, водометным и винтовым установкам. Так, резонно сочетание тепловой гидрореактивной установки с поршневой и пузырьковой структурами потока и с электромагнитной кондукционной установкой инжекторного типа. В этом сочетании канал должен быть расположен в поперечном магнитном поле и иметь электроды, подсоединенные к источнику питания, например магнитогидродинамическому генератору. В таком канале может происходить ускорение поршней или сплошного потока не только за счет сил Ампера, но и под действием газа в виде пузырьков или прослоек между водяными поршнями. Достоинства каждого из этих процессов будут дополнять друг друга, компенсируя недостатки. На большой глубине при достаточной солености выгоден электромагнитный способ, а на малой глубине при уменьшенной солености или даже в пресной воде -- термодинамический. Одна сверхпроводящая магнитная система может создавать магнитное поле в обеих МГД - машинах -- генераторе и движителе. Это сочетание может быть дополнено водометом для движения на малых скоростях, причем здесь относительно просто решаются вопросы пространственной маневренности (реверса, движения лагом, разворота на месте, погружения, всплытия, торможения и др.)
   Возможны сочетания авиационных газотурбинных реактивных двигателей с гидрореактивными на судах с подводными крыльями и на воздушной подушке. Балластировка потока водой может компенсировать уменьшение кпд авиационных машин на малой скорости движения.
   При необходимости количество примеров целесообразных сочетаний может быть расширено. В зависимости от задач, которые ставятся перед аппаратом, необходимо подобрать соответствующую установку с одним, двумя или многими сочетаниями процессов.
   В данном пособии будут рассмотрены в основном тепловые ДУ. Электромагнитные и электростатические установки при работе потребляют много энергии, т.е. ДУ должны иметь большой объем и массу. Следовательно, для аппаратов с малым водоизмещением они непригодны

ГЛАВА 3. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОПУЛЬСИВНЫМ УСТАНОВКАМ ДВУСРЕДНЫХ АППАРАТОВ.

   Современные торпеды атакуют движущиеся цели на больших расстояниях и способны поражать не только надводные суда, но и глубоководные подводные лодки. Поэтому требования, предъявляемые к торпедам, определяются главным образом возможностями современных подводных лодок и надводных скоростных судов. Это значит, что новейшие торпеды должны обладать значительными скоростями, погружаться на большие глубины, иметь лучшие, чем подводные лодки, маневренные качества в пространстве. Важный параметр также - вероятность обнаружения, который определяется скоростью торпеды, следностью и возможностями аппаратуры корабля-цели.
   Элементы торпеды выбираются, разрабатываются, а затем объединяются в единую систему таким образом, чтобы достичь наибольшей поражающей способности этого оружия с учетом затраченных на разработки средств. Сложности, которые необходимо преодолеть при разработках, связаны с тем, что пропульсивные качества и создаваемый торпедой шум всегда находятся в противоречии друг с другом.
   Для исследовательских аппаратов шум хотя и значимый, но менее существенный параметр, чем дальность хода и время автономной работы. Далее будем рассматривать только ДУ торпед, поскольку к ним предъявляются наиболее жесткие требования.
   Шум и скорость. Собственный шум ПА (торпеды) крайне нежелателен, так как намеченная для атаки цель может обнаружить торпеду и уйти от преследования. Разведка под водой проводится главным образом с помощью гидролокатора, который позволяет обнаружить движущийся снаряд и избежать встречи с ним. Предельные величины допускаемого шума устанавливаются, вследствие этого, исходя из возможностей гидролокационных систем перспективных судов и подводных лодок. Шум обычно усиливается с увеличением скорости подводного снаряда, поскольку возрастают рабочие скорости его механизмов и увеличиваются внешние гидродинамические шумы.
   В момент приближения торпеды к цели возможность уклонения от нее снижается, хотя в этот период подводная лодка будет, как обычно, контролировать внешние звуки и пытаться уйти от преследования. Момент, когда приближающаяся торпеда может быть обнаружена, зависит от расстояния до цели и спектральных характеристик шума, создаваемого торпедой. Поскольку собственный шум торпеды увеличивается с возрастанием ее скорости, то скорость стремятся задать так, чтобы предупредить обнаружение торпеды на расстоянии, позволяющем подводной лодке уйти от преследования, т. е. еще до того, как торпеда исчерпает свой форсажный топливный резерв. Выбор слишком малой скорости торпеды позволяет подводной лодке, уже заметившей атаку, уйти от преследования.
   С другой стороны, скорость торпеды необходимо регулировать так, чтобы собственный ее шум не препятствовал отражению сигнала системы самонаведения (если она есть) от цели, чтобы торпеда могла выполнить все необходимые маневры и чтобы запас топлива, которым обеспечена торпеда, не был израсходован преждевременно.
   Скорость и зона действия любой торпеды ограничиваются запасом энергии, необходимой для движения. Этот запас значительно ниже, чем у подводных лодок, независимо от того, работают они на ядерном или на химическом топливе, поскольку потребная мощность пропульсивной установки торпеды пропорциональна кубу ее скорости, а дальность действия значительно уменьшается со скоростью. (Это будет доказано ниже.) Отсюда следует, что энергоресурс торпеды должен расходоваться экономно. Движущаяся цель, атака на которую производится при острых кормовых углах, будет перехвачена на максимальном расстоянии, когда скорость торпеды на 50% выше, чем скорость преследуемой цели. Так, если скорость подводной лодки близка к 40 уз, торпеда должна двигаться со скоростью 60 уз. [1,3.]
   Снижение шума. Поскольку собственный шум ограничивает эффективность торпеды как оружия, вопрос о снижении шума является задачей первостепенного значения. Этот вопрос изучается как в теоретическом, так и в конструктивном направлениях. Иногда виброизолирующее устройство, устанавливаемое между источником шума и корпусом торпеды, оказывается вполне удовлетворительным средством для снижения шума.
   Главным источником шума, хотя и не единственным, для механических ДУ служат редукторные механизмы, расположенные между энергетической установкой и движителем. Поскольку сцепление в зубчатых передачах не идеально, кратковременные относительные ускорения приводят к толчкам и (или) к перерывам в движении, а оба эти фактора создают звуковые возмущения. Эти шумы становятся еще сильнее, когда их частоты оказываются равными собственным частотам колебаний смежных внутренних частей механизма.
   Для уменьшения шума в источнике ужесточаются требования к допускам на зубчатые передачи и используются только подшипники повышенной точности.
   Еще один источник шума -- вытесняемый из зацеплений воздух (если движение соответствует звуковым скоростям). Эти шумы не устраняются полностью, даже если зубчатые колеса заменяются гладкими роликами, работающими в непосредственном контакте или разделенными жидкой передающей средой.
   Для турбинных (турбовинтовых и турбоводометных), а также реактивных ДУ главный источник шума - пульсации давления в турбулентных потоках рабочего тела.
   Еще один существенный фактор - шум, возникающий в водной среде в результате сплошного обтекания ПА водой.
   Снижение лобового сопротивления. Тела, движущиеся в водной среде, испытывают силу лобового сопротивления, почти на три порядка превышающую величину сопротивления тел, движущихся с той же скоростью в воздухе. В связи с этим вопрос о снижении лобового сопротивления тел, движущихся под водой, приобретает большое значение.
   Метод уменьшения сопротивления движению тел заключается в соответствующем выборе их обводов. Известно из опыта, что, тела с определенной грушевидной формой обводов обладают более низким сопротивлением по сравнению с равнообъемными им прямыми круговыми цилиндрами с закругленными оконечностями. Первая из двух названных форм, однако, неприемлема для торпед, так как торпеды с такими обводами неудобно хранить на борту кораблей, невозможно помещать в обычные торпедные аппараты и, кроме того, такая форма торпед препятствует эффективному размещению в ней необходимых подсистем.
   Тела с очень гладкой наружной поверхностью также обладают меньшим сопротивлением, так как любые выступы и шероховатости способствуют турбулизации потока при низких числах Re. Однако такие обводы затрудняют обслуживание торпед при хранении и стрельбе. Поэтому наиболее распространены торпеды, имеющие оживальную носовую оконечность, цилиндрическую среднюю часть и конусообразную кормовую оконечность при приемлемо гладких обводах. При таких обводах обеспечиваются достаточно низкое сопротивление формы, удобство размещения торпеды при хранении и т. д.
   Сопротивление может быть уменьшено также при движении торпеды в газовой каверне, которая предотвращает непосредственную передачу энергии в воду. Для практической реализации этого необходимо, чтобы объем, занимаемый средствами образования и поддержания газовой каверны, был меньше объема той части энергетической установки, которая необходима для обеспечения выигрыша равноценной по величине тяге движителя. Перспективным способом снижения сопротивления является также отсос пограничного слоя прежде, чем он достигнет максимальной толщины. Может, наконец, оказаться эффективным для уменьшения сопротивления движению торпеды способ введения в пограничный слой некоторых добавок, которые вызывают "неньютоновское" течение, в жидкости.
   Современные торпеды подразделяются по габаритам (крупно - и малогабаритные) или по калибру 324, 400, 450, 533 мм и более; по длине от 2.5 до 6.5 м и более.
   Подводный движитель. Обычные ракетные двигатели малопригодны для торпед, так как значительно большая скорость реактивной струи по сравнению с номинальной скоростью (60-80 уз) торпеды приводит к очень низкому пропульсивному кпд. Пропульсивный кпд представляет собой отношение работы, производимой тягой движителя аппарата, движущегося со скоростью V, к энергии, необходимой для увеличения скорости рабочего тела от V1 на входе в движитель до V2 на выходе из него, в предположении отсутствия потерь на трение:
   0x01 graphic
,
   где D - сопротивление аппарата, Н;
   m - массовый секундный расход отбрасываемой жидкости, кг/сек.
   Вследствие этого вместо них обычно используются гребные винты либо водометы, которые обеспечивают необходимую тягу при высоком пропульсивном кпд.
   Традиционные методы повышения энергетических характеристик для ракет не дают желаемого результата. Так, например, одним из методов повышения энергетических характеристик является увеличение степени расширения газа, за счет увеличения давления в камере сгорания двигателя. Однако увеличение степени расширения в сопле РД до значений (500 - 1000) уже на глубине в 10 м требует реализации давления в камере сгорания (100 - 200) МПа, что пока трудно осуществимо.
   В торпедах с гребными винтами используются либо одиночные винты, либо парные, вращающиеся в разные стороны (соосная схема). Эффективное действие таких движителей возможно либо в бескавитационном режиме, если они спроектированы с учетом условия отсутствия кавитации, либо в кавитационном режиме, когда для обеспечения кавитации газ в район винта вдувается через кромку лопасти. Винты могут быть также заключены в направляющую насадку, причем при определенных условиях они будут действовать в режиме водометных движителей.
   Водометные движители рассматриваются в качестве наиболее приемлемых торпедных движителей, так как они часто обеспечивают наиболее оптимальное выполнение основного требования о создании необходимой тяги в сочетании с другими требованиями, предъявляемыми к торпедам.
   Так, при применении направляющей насадки начало развития кавитации смещается в область более высоких скоростей движения, что повышает уровень допустимых скоростей, соответствующих оптимальным условиям работы энергетической установки и движителя. (Кавитирующий винт представляет собой принципиально иное решение). Винты в насадке могут быть более эффективными при меньшем диаметре по сравнению с открытым гребным винтом, поэтому они лучше подходят для установки в малокалиберных торпедах. Таким образом, при нелимитированном диаметре корпуса водометный движитель может работать в бескавитационном режиме в более широком диапазоне скоростей торпеды по сравнению с открытыми винтами.
   В последние 15-20 лет благодаря появлению новых высокопрочных материалов стало возможным применение винтовых и водометных движителей с принудительной кавитацией. В таких движителях на вход в винт (водомет) в поток воды подается газ, например - продукты сгорания. Это позволяет в определенных пределах управлять кавитацией и в результате несколько повысить тягу за счет большей частоты вращения на валу.
   Следует помнить, что шум винтов в режиме кавитации выше, чем в бескавитационном.
   Источник энергии. Торпеды считаются слишком малыми по своим размерам для эффективного применения ядерной энергии, поэтому вместо нее используется преобразование химической энергии в тепловую или в электрическую энергию. При размерах 450 мм Х 5,26м энергетическая установка занимает приблизительно половину внутреннего объема торпеды, т. е. около 0,284 м3. Чтобы обеспечить такой торпеде скорость 60 уз, необходимы двигатель мощностью до 590 кВт и удельная энергия на единицу объема установки свыше 480 кВт-ч/м3 (при условии сохранения этой скорости в течение 7 мин).
   Если принять, что 35% теоретического потенциала химической энергии используется в энергетической установке (примерный кпд батарей или тепловых двигателей), то минимальная величина удельной энергии на единицу объема должна быть равна -- 1360 кВт-ч/м3. Эта энергетическая оценка до некоторой степени завышена по сравнению с реальным расходом энергии, так как торпеда не будет проходить всю траекторию движения на полной скорости. Однако в связи с разработкой новых проектов подводных лодок и надводных кораблей возникают возможности более длительных режимов движения торпед, для которых величина 1360 кВт-ч/м3 становится достаточно обоснованной, а для скоростных ДА - недостаточной.
   Электрическая энергия. Аккумуляторные батареи широко используются в качестве источников энергии для торпед. Они являются источниками электрической энергии, которая легко подводится к электродвигателю, создающему вращающий момент. Кроме того, батареи не имеют недостатков, свойственных тепловым двигателям, работающим по циклу Карно. Возможным источником электроэнергии могут служить также топливные элементы. Однако они используются пока в меньшей степени, поскольку при требуемой энергоемкости их размещение в корпусе торпеды затруднительно.
   Проблемы, связанные с использованием батарей в торпедах, делают необходимым решение следующих вопросов:
  -- конструирование простейших средств для поддержания химических компонентов батареи в надлежащих стехиометрических соотношениях, необходимых для эффективной реакции;
  -- получение средств, предохраняющих продукты основной реакции батареи от их подавления вторичной реакцией,
  -- получение средств, препятствующих течению побочных реакций из-за истощения основных компонентов; конструирование батарей, обеспечивающих рациональное размещение их в торпеде.
   Электродвигатель. Батареи снабжают электроэнергией электродвигатели, поэтому оптимизация их параметров должна осуществляться совместно. Батарея имеет намного большую массу по сравнению с двигателем, поэтому ее конструированию уделяется больше внимания при оптимизации комплекса батарея -- двигатель. Обычно используемые с батареями электродвигатели постоянного тока обладают меньшей эффективностью, чем электродвигатели переменного тока. Для преобразования постоянного тока в переменый используется инвертор. Двигатели переменного тока, работающие через инвертор, характеризуются тем же диапазоном мощности, что и электродвигатели постоянного тока, поэтому любая из этих комбинаций может оцениваться в равной мере.
   Тепловые двигатели. С учетом особенностей режимов маневрирования торпед на больших глубинах были предложены специальные циклы работы тепловых двигателей, причем некоторые из них разработаны для двигателей, характеристики которых в незначительной степени зависят от величины гидростатического противодавления.
   Характеристики отдельных циклов зависят от свойств продуктов реакции топлива, характеристики других не зависят от этих свойств, так как они соответствуют замкнутым термодинамическим циклам. В последнем случае глубина погружения не имеет значения, однако при этом требуется установка дополнительных теплообменников.
   1. Двигатели внутреннего сгорания. (ДВС) В торпедах могут использоваться как поршневые, так и турбинные ДВС. Турбинные двигатели недороги и имеют приемлемый кпд при малом парциальном подводе рабочего тела в условиях переменной степени сжатия. Турбины оказываются более предпочтительными для торпед больших мощностей, а поршневые двигатели -- для малых. К преимуществам поршневых двигателей можно отнести их работу при более высоких температурах рабочих газов, но зато в турбине допускается использование более загрязненных газов. Были сконструированы также очень малые поршневые двигатели с качающейся шайбой, для которых характерно регулирование мощности, необходимой для движения торпеды, и возможность установки в ограниченном объеме.
   2. Поршневые расширительные двигатели. Представляют собой комбинацию ПГГ и цилиндропоршневой пары, в которой расширяется парогаз, совершая работу. Они сравнительно просты и дешевы. Кроме того, этот тип ДУ применялся на ДДА многие десятилетия, что привело к очень хорошей отработке конструкции и высоким показателям надежности. Однако теперь их характеристики не позволяют создавать торпеды, способные эффективно поражать современные цели. Можно предположить, что такие ДУ еще довольно долго будут применяться в небоевых (исследовательских) ПА.
   Топливо для тепловых двигателей. В последнее время значительное внимание уделяется тепловым двигателям, использующим энергию химического топлива, при сгорании которого в камере ракетного типа (ГГ, ПГГ) образуются продукты с высокой температурой. Наибольшее распространение получили при этом торпедные двигатели, работающие на твердом топливе ракетного типа. Подобная энергетическая установка обеспечивает движение малогабаритной торпеды с достаточной скоростью в заданных радиусах действия, так как для ее работы используется твердое топливо высокой плотности и относительно простого состава.
   Прямое использование ракетных топлив с выбросом газов из двигателя непосредственно в окружающую среду проблематично из-за того, что разница верхнего и нижнего давления цикла в двигателе, а следовательно, и его кпд и мощность уменьшаются с глубиной погружения. Влияния глубины на кпд можно избежать только при работе двигателя с относительно высоким внутренним давлением либо для ДУ, работающих по специальным циклам.
   Достаточно сложной оказывается также проблема регулирования скорости истечения реактивной струи, что требуется для изменения скорости движения торпеды. Т.о. единственная возможность регулирования - регулировка изменением расхода. Эта проблема решается более удовлетворительно, если вместо твердого топлива использовать жидкое однокомпонентное или унитарное топливо, которое, поступая в реакционную камеру, выделяет необходимое количество горячих газов.
   Теоретически наибольшей потенциальной энергией (учитывая требование высокой плотности) обладают те виды топлива, в которых в качестве горючего используется металл (алюминий, магний или литий), так как при его сгорании выделяется наибольшая по отношению к занимаемому им объему энергия. Наиболее высокий кпд двигателя обеспечивается, если в качестве окислителя используется забортная вода (неавтономные двигатели на гидрореагирующем горючем). Продукты реакции металлического горючего включают в себя твердые окислы, наличие которых ухудшает работу двигателя. Кроме того, подготовка и подача металлического топлива в камеру сгорания с последующим осуществлением эффективной химической реакции также является сложной проблемой. Для ее решения было предложено использовать жидкие металлы или суспензии металлических частиц в жидкости, либо использование твердого металлизированного гидрореагирующего топлива по схеме, аналогичной гибридным ракетным двигателям.
   Рабочая глубина. Рост глубины погружения аппарата уменьшает кпд тепловых двигателей в установках, работающих по открытому циклу, т. е. тех двигателей, которые подвержены воздействию изменения отношения давлений рабочего тела на входе и на выхлопе, и в которых отработанные продукты выбрасываются непосредственно за борт.
   Подобные установки с открытым циклом, по-видимому, не могут применяться в подводных аппаратах, работающих на больших глубинах, где более рациональны другие циклы. Характеристики стандартных ракет также резко ухудшаются при увеличении противодавления внешней среды. В то же время применение специальных топлив и использование гидрореактивного принципа при создании более сложных ракет позволяет получить такие характеристики, которые возрастают по мере увеличения глубины.
   Следность. Наличие следа, образованного газообразными продуктами сгорания тепловых двигателей снижает боевую эффективность торпеды, т.к. повышает вероятность ее обнаружения. Решение этой проблемы обеспечивается применением электрических двигателей, либо топлив, продукты сгорания которых конденсируются либо растворяются в воде. Имеются и другие причины, по которым выброс газообразных продуктов непосредственно в ОС нежелателен. Как отмечалось ранее, высокое противодавление уменьшает степень расширения газов в двигателе и его кпд. Если же все продукты реакции могут конденсироваться в выхлопном тракте двигателя, то поток сконденсированных продуктов сгорания можно отвести за борт при затрате малой мощности, и противодавление, воспринимаемое двигателем, может быть таким малым, каким является давление паров охлаждаемых и конденсируемых продуктов реакции. Такие установки могут иметь двухконтурную энергетическую схему и работают по специальным циклам.
   Дополнительные требования. Эффективность торпеды может быть снижена из-за свойств химикатов, используемых в источниках энергии. Например, если батарея или топливные энергокомпоненты выделяют токсичные газы или взрываются, торпеды не могут быть допущены к установке на борту подводных лодок или надводных кораблей. Если энергокомпоненты образуют остаточные газы, которые могут проникнуть в спутную струю торпеды, то образующиеся пузырьки будут мешать управлению торпедой, а также создавать хорошо обнаруживаемый след. Наконец, если корродирующие или твердые продукты сгорания должны удаляться из энергетической установки торпеды в интервалах между успешными торпедными стрельбами, то возникающие эксплуатационные трудности и дополнительные затраты могут привести к отказу от применения такой энергетической установки.
   Условия боевого использования торпед, хранения их на кораблях различных классов, обращения с ними на флоте и в базах флота находят отражение в требованиях ко всем механизмам торпед и в том числе к двигателям.
   Сравнительно небольшой объем, который можно выделить в торпеде для размещения силовой установки, значительно усложняет разработку двигателя большой мощности.
   Быстрый набор мощности -- требование, вытекающее из необходимости приблизить значение скорости хода торпеды в начале ее хода после выстрела из трубы торпедного аппарата к средней скорости на всей дистанции. Чем меньше дальность хода, тем более ощутимо сказывается затяжка в наборе полной мощности, так как начальная скорость торпеды будет заметно отличаться в меньшую сторону от ее средней скорости.
   Возможность запуска двигателя в любых условиях равнозначна безотказному пуску двигателя. Так как пуск торпедного двигателя осуществляется автоматически и повторить его после выхода торпеды из аппарата невозможно, конструкция двигателя должна обеспечивать безотказность действия не только в момент начала его работы, но и в последующем на участке установившегося движения.
   Торпедный двигатель должен быть простым по устройству. Это необходимо для обеспечения надежности действия, возможности устранения недостатков и повреждений силами рядовых специалистов, а кроме того, это облегчает обучение личного состава.
   Воздействие морской воды на двигатель сокращает срок его службы и нередко является причиной серьезных повреждений. Полностью устранить вредное влияние морской воды практически невозможно, но, применяя специальные материалы, можно увеличить срок службы (хранения) двигателя.
   Детали торпедного двигателя в процессе работы воспринимают значительные по величине знакопеременные нагрузки, нагреваются, вибрируют. Поэтому, несмотря на очень небольшое время работы двигателя торпеды, прочность его деталей должна быть высокой.
   Высокий кпд позволяет при данных запасах энергокомпонентов достичь большей дальности хода торпеды.
   Необходимость практических стрельб торпедами в процессе боевой подготовки выдвигает в качестве одного из дополнительных требований к энергосиловым установкам и двигателям торпед возможность производства нескольких выстрелов без существенного изменения их основных тактико-технических свойств.

Глава 4. Общая характеристика энергосиловой установки. Взаимосвязь основных тактико-технических данных торпеды с ее энергосиловой установкой.

   Основными тактико-техническими данными торпеды, определяющими эффективность ее боевого использования, являются скорость и дальность хода, скрытность, габариты, разрушительная сила и меткость. Последние два параметра определяются особенностями боевой части и систем наведения и управления.
   Скорость, дальность, а также скрытность хода торпеды обеспечиваются ее энергосиловой установкой. Габариты и вес торпеды в значительной степени также определяются энергосиловой установкой.
   Под энергосиловой установкой парогазовой торпеды, также как и под пропульсивным комплексом, понимается совокупность всех устройств, механизмов, агрегатов и приборов, обеспечивающих прохождение торпедой заданной дальности с определенной скоростью, и поддержание этих величин постоянными с необходимой точностью в соответствии с заданными требованиями.
   Энергосиловая установка торпеды состоит в основном из следующих частей:
   -- баллонов или баков с энергокомпонентами и системы трубопроводов;
   -- средств подачи энергокомпонентов;
   -- парогазогенератора;
   -- двигателя;
   -- регулирующих и управляющих приборов различного рода - пускорегулирующей аппаратуры.
   Для каждого конкретного типа энергосиловой установки в зависимости от видов источника энергии конструктивное оформление указанных составных элементов может быть различным.
   Принципиальная схема энергосиловой установки торпеды с движителем типа гребных винтов приведена на рис. 6.
  
   0x01 graphic
   Рис. 6. Структурная схема энергосиловой установки парогазовой торпеды
  
   Система подачи (СП) обеспечивает подачу энергокомпонентов (горючего, окислителя, воды) в парогазогенератор (ПГГ) в определенном количестве и соотношении.
   В ПГГ происходит образование рабочего тела двигателя -- парогазовой смеси с заданными параметрами, определяющими ее работоспособность.
   В двигателе (Дв) происходит превращение тепловой энергии парогазовой смеси в механическую энергию вращения гребных винтов (ГВ), а тяга, создаваемая последними, обеспечивает движение торпеды (Т) с определенной скоростью на заданной дальности.
   Регуляторы (Р) осуществляют управление процессами в энергосиловой установке по тем или иным законам, а система выхлопа (СВ) обеспечивает выброс отработанного парогаза за борт.
   Для установления связи между основными тактико-техническими данными торпеды и параметрами энергосиловой установки парогазовых торпед воспользуемся общеизвестными соотношениями. Требуемая мощность любого двигателя, необходимая для получения заданной скорости хода торпеды, определяется по формуле
   0x01 graphic
(4.1)
   где Rx-- лобовое сопротивление воды движению торпеды, н; 0x01 graphic
   V -- скорость хода торпеды, м/сек;
   ?в -- пропульсивный к. п. д. гребных винтов;
   Сх -- коэффициент лобового сопротивления;
   ? -- плотность воды, кг/м3;
   ? -- смоченная поверхность торпеды, м2;
   С другой стороны, располагаемая мощность теплового двигателя, т. е. мощность, которую может развивать уже выполненный двигатель, равна
   0x01 graphic
(4.2)
   где mcек-- секундный расход парогазовой смеси, кг/сек;
   L0--запас тепловой энергии в одном килограмме парогазовой смеси, дж/кг;
   ?э-- эффективный кпд двигателя, показывающий, какая часть располагаемой энергии парогазовой смеси полезно преобразуется в механическую энергию вращения гребных винтов или кинетическую энергию рабочего тела.
   Приравняем выражения (4.1) и (4.2) и умножим обе части равенства на ? -- время хода торпеды. Тогда, учитывая дальность хода торпеды
   0x01 graphic
(4.3)
   и общий запас энергокомпонентов в торпеде
   0x01 graphic
(4.4)
   а смоченная поверхность торпеды примерно равна поверхности цилиндра диаметром, равным калибру торпеды Dт и длиной торпеды LT, будем иметь
   0x01 graphic
(4.5)
   На основании последнего равенства можно сделать ряд выводов.
   Во-первых, одной из наиболее прямых и очевидных является зависимость между скоростью и дальностью хода торпеды. Эта зависимость базируется главным образом на энергетических началах: чем больше скорость хода торпеды, тем больше лобовое сопротивление и тем больше мощность двигателя; чем больше дальность хода, тем больше время работы двигателя.
   Во-вторых, скорость торпеды вместе с гидродинамическими характеристиками и заданной дальностью хода определяет необходимое количество энергии. Общее количество энергии с учетом кпд установки определяет необходимые запасы энергокомпонентов. Эти запасы в свою очередь определяют размеры отсеков под энергокомпоненты а, следовательно, и габариты торпеды.
   В-третьих, дальность хода торпеды, как видно из равенства (4.5), при прочих равных условиях обратно пропорциональна квадрату скорости ее хода. Поэтому всегда следует иметь в виду, что стремление повысить скорость торпеды неизбежно повлечет за собой существенное уменьшение дальности хода торпеды.
   Вопрос выбора правильного соотношения между скоростью и дальностью хода торпеды имеет важное значение и должен решаться на основе правильного сочетания тактических требований и технических возможностей реализации этих требований в конкретных образцах.
   Скорость и дальность хода торпеды, как это следует из равенства (4.5), прямо пропорциональны запасам энергокомпонентов. Спецификой работы силовых установок торпед является то, что для получения парогазовой смеси заданной температуры предусматривается ввод воды. Поэтому наряду с горючим и окислителем воду также считают одним из энергокомпонентов.
   Следовательно, для получения больших величин скорости или дальности хода в ограниченном объеме торпеды желательно разместить возможно большее количество горючего mг, окислителя mок и воды mв (впрочем, воду можно отбирать из ОС):
   0x01 graphic
(4.6)
   С этой точки зрения энергокомпоненты должны иметь возможно большую плотность.
   В большинстве торпед периода второй мировой войны в качестве окислителя применялся сжатый атмосферный воздух. Из-за высоких давлений на один килограмм хранимого воздуха приходилось по 3--4 кг массы резервуаров. Небольшой запас сжатого воздуха значительно снижает тактические характеристики торпед: дальность хода их при скорости 44--50 уз не превышала 4000--6000 м. В современных условиях это неприемлимо.
   Дальность и скорость хода торпед зависят не только от количества, но и от качества энергокомпонентов. Поэтому для получения больших скоростей и дальностей хода следует применять высококалорийные топлива.
   Скорость и дальность хода торпеды зависят также от эффективности двигателей и гребных винтов. В настоящее время в торпедах применяются силовые установки трех типов: парогазовые, электрические и реактивные.

ГЛАВА 5. Парогазогенератор как основной агрегат теплового двигателя пА.

   Парогазогенератор (ПГГ) является одной из основных частей энергосиловой установки торпеды. В нем происходит образование парогазовой смеси, совершающей затем работу в других агрегатах ДУ (цилиндропоршневая пара, турбина, сопло, кавитатор). Камера сгорания ракетного и гидрореактивного теплового двигателя во многом аналогична ПГГ.
   Парогазогенераторы торпед различных образцов отличаются довольно большим разнообразием устройства, но какова бы ни была конструкция ПГГ, в нем имеются устройства для распыливания горючего, для подачи в зону горения окислителя, для нагревания воды и впрыска ее в камеру сгорания, а также система воспламенения.
   Дальнейшее изменение конструкции ПГГ в связи с применением новых видов топлив может привести к устранению или усложнению некоторых из перечисленных устройств. Например, применение самовоспламеняющихся топлив исключает необходимость в зажигательном приспособлении; применение унитарных топлив, т. е. топлив, содержащих и горючее и окислитель, может еще больше упростить конструкцию ПГГ. Применение же топлив, один из компонентов которых необходимо предварительно разлагать, может усложнить конструкцию ПГГ. Для твердотопливных и гибридных двигателей систем подачи по крайней мере одного компонента может не быть.
  
   § 5.1. Физическая картина процессов, происходящих в парогазогенераторе.
   Рассмотрим общий случай, когда все три компонента жидкие.
   Процесс превращения компонентов топлива (горючего Г и окислителя О) в газообразные продукты сгорания, смешение их с водой и образование парогазовой смеси в первом приближении можно разделить на четыре этапа:
   -- подготовительные процессы, включающие распыливание горючего форсункой и испарение капелек горючего в камере;
   -- турбулентное перемешивание окислителя и горючего и образование горючей смеси;
   -- химическая реакция соединения горючего и окислителя и образование продуктов сгорания;
   -- смешение продуктов сгорания с водой и образование парогазовой смеси заданной температуры.
   Следует отметить, что продолжительность химических процессов в камере сгорания ПГГ мала по сравнению с продолжительностью физических процессов (испарение капель и смешение энергокомпонентов). Поэтому интенсивность горения в основном и зависит от указанных выше физических процессов, регулирование которых в ПГГ приобретает важное значение, особенно при форсировании двигателей. Камеру ПГГ условно можно разбить на две зоны: первая зона, или так называемая зона "сухого" горения, в которой сгорает топливо, и вторая, или так называемая зона смешения, в которой продукты сгорания топлива смешиваются с водой, впрыскиваемой в ПГГ. (Аналогом ПГГ можно считать двухзонные газогенераторы ракетных двигателей).
   Для эффективного сгорания топлива в ПГГ должны быть обеспечены: правильное количественное соотношение горючего и окислителя и совершенное их смешение; тонкое и однородное распыливание топлива; устойчивое воспламенение распыленного топлива.
   Горение в быстродвижущихся средах, характерное для ПГГ, обусловливает очень малую его продолжительность. Поэтому для эффективного сгорания топлива в этих условиях требуется: во-первых, хорошее перемешивание частиц горючего с окислителем, во-вторых, создание условий, обеспечивающих устойчивость фронта пламени, т. е. непрерывное зажигание.
   Одним из основных факторов, определяющих эффективность сгорания топлива в ПГГ, является качество распыливания горючего.
   Скорость горения капли определяется в основном скоростью испарения. Поэтому важно, чтобы отношение площади поверхности капли к ее объему было возможно большим. А так как это отношение для сферической капли обратно пропорционально ее радиусу, то следует стремиться к наилучшему распыливанию горючего. При этом, однако, следует иметь в виду, что в соответствии с особенностями организации процесса горения потребная степень распыливания и связанные с этим дальнобойность и угол распыливания могут быть различными. При грубом распыливании увеличивается дальнобойность струи. Увеличение дальнобойности и угла распыливания приводят к тому, что значительная часть горючего попадает на холодные стенки камеры сгорания ПГГ, где он, не сгорая полностью, стекает вниз в зону смешения и там, поджигаясь от языков пламени, проскакивающих из верхней зоны или от сильно нагретых стенок нижней части ПГГ, вызывает вибрационное горение. Нагароотложение в этом случае также возрастет.
   С другой стороны, чрезвычайно тонкое распыливание может также снизить полноту сгорания. Связано это с тем, что при этом ухудшается дальнобойность струи, равномерность распределения капель по объему, смешение компонентов и др. Для того, чтобы при прочих равных условиях достичь нужного распыливания, на струю вытекающего из форсунки горючего накладывают дополнительные возмущения за счет завихряющих устройств, создающих закрутку в выходном сечении потока.
   В турбулентном потоке происходит более энергичное перемешивание компонентов, а следовательно, и более полное горение. То же относится и к подаче компонентов в газовой фазе.
   Для обеспечения полного и устойчивого сгорания, кроме хорошего перемешивания распыленного форсункой горючего с окислителем, необходимо создать условия для стабилизации фронта пламени.
   Стабильное положение фронта пламени зависит от скорости его распространения, а также от скорости потока. Фронт пламени будет неподвижным, если скорость потока равна скорости распространения пламени в нем. При других соотношениях этих скоростей пламя будет перемещаться относительно потока либо по его направлению, либо против него.
   Значительное увеличение расходов энергокомпонентов при форсировании двигателей (увеличении расхода Г и О) может привести к такому увеличению скорости потока, что произойдет обрыв горения или начнется вибрационное горение.
   В начальный период работы ПГГ воспламенение горючей смеси производится с помощью зажигательного приспособления. Этот период характерен нарастанием температуры в камере сгорания от 15-20RС до температуры горения. Состав продуктов сгорания, непрерывно изменяясь, будет существенно отличаться от конечного состава рабочей смеси. Длительность начального периода горения может составлять десятки секунд, причем большую часть этого времени процесс идет при совместном горении зажигательного патрона и топлива. Для торпед необходимо максимально сократить время выхода на режим. Это требует решения ряда проблем, таких как эффективное охлаждение камеры ПГГ на переходном режиме, борьба с забросом давления, обеспечение устойчивости горения и др.
   Подвод воды в ПГГ осуществляется таким образом, чтобы до попадания в зону смешения она подогревалась до температуры порядка 80-100R С. Это позволяет уменьшить осевые размеры испарительной камеры. Нагрев воды целесообразно осуществлять в межрубашечном пространстве камеры сгорания (КС) ПГГ. Т.о. увеличивается тепловой кпд в результате снижения потерь тепла в ОС. С другой стороны, при таком способе охлаждения требуется водоподготовка (как минимум - фильтрация воды на входе), что усложняет конструкцию и увеличивает перепад давления по тракту, а, значит, и потребную мощность насоса воды.
   Важен правильный выбор места подачи воды в испарительную камеру. Подача воды в сечение, где располагается факел, может нарушить нормальный процесс сгорания, не давая ему завершиться в зоне горения. Важное значение имеет и то обстоятельство, каким образом производить подачу воды. Если подаваемая вода не образует сплошной завесы, то в свободное от воды пространство могут прорываться несгоревшие частицы горючего, неиспользованный кислород, продукты неполного сгорания и за этой областью может происходить неустойчивое догорание.
   Хотя реальный процесс сгорания топлива и образования парогазовой смеси значительно сложнее изложенной схемы, следует ожидать, что независимо от того, каков род топлива, горючего или окислителя, физическая картина процессов, происходящих в ПГГ, будет примерно одинакова.
   Охлаждение стенок парогазогенератора может быть внутренним (пленочным), внешним (жидкостью, протекающей в межрубашечном пространстве стенок камеры) или комбинированным. Расчет охлаждения проводится по обычным методикам, разработанным для ракетных двигателей. [5.]
   В некоторый объем камеры (рис. 7), который условно назовем камерой сгорания, через специальные распылительные устройства поступает топливо - горючее и окислитель, в результате химического взаимодействия между которыми происходит преобразование исходной химической энергии в тепловую.
   0x01 graphic
   Рис. 7. Схема рабочего процесса в камере газогенератора.
  
   Процесс в КС организован таким образом, что к некоторому условному сечению "АА", все элементарные процессы завершаются и термодинамические характеристики продуктов сгорания предельно близки их теоретическим значениям, соответствующих начальным характеристикам топлива и условиям его сгорания.
   За зоной горения в продукты сгорания вводится вода в количестве, необходимом для получения на выходе из камеры двигателя рабочего тела с требуемыми физико-химическими характеристиками. Вода вводится через ряд тангенциальных отверстий, расположенных на боковой поверхности КС. В этом случае на начальном участке испарительной камеры обеспечивается надежная защита ее стенок от интенсивных тепловых потоков за счет пленки жидкости. На поверхности раздела продуктов сгорания и жидкой пленки, движущихся двумя параллельными потоками, интенсивно развиваются процессы тепломассообмена, приводящие с одной стороны к прогреву и испарению жидкой пленки, а с другой к снижению температуры газовой фазы (участок 1). На кольце сброса, расположение которого определяется конкретными характеристиками топлива и конструктивными условиями, например, требование снижение температуры газовой фазы до значений, допускающих ее контакт с материалом стенки испарительной камеры, жидкая пленка "сбрасывается" внутрь потока, где происходит ее аэродинамическое дробление.
   Частицы воды, образовавшиеся в результате дробления, характеризуются размером dS, и массовой долей dz,. На участке 2 рабочее тело имеет газокапельную структуру, в нем протекают процессы тепломассообмена, приводящее к испарению капель воды. Размер образующихся при этом частиц воды определяется двумя факторами. Во -первых, механическим разрушением пелены на зубцах кольца сброса, и во - вторых, аэродинамическим дроблением жидкой пленки газовым потоком. Так как основной функцией кольца сброса является гашение вращательного движения, то можно считать, что основным механизмом разрушения пленки и образования частиц является аэродинамический.
   В сужающейся части канала испарительной камеры (участок 3) на его стенке вновь образуется жидкая пленка вследствие большой инерционности частиц и сохранения ими прямолинейной траектории движения.
   В минимальном сечении канала имеет место повторное аэродинамическое дробление жидкости по аналогии с пневматической форсункой. Однако, размеры образующихся при этом частиц значительно меньше, чем на кольце сброса, так как скорость газового потока близка или равна звуковой.
   За минимальным сечением структура рабочего тела - вновь газокапельная (участок 4), такая же, как и на участке 2.
   При расчетах ПГГ вводятся упрощающие допущения, перечень которых продиктован, во-первых, полнотой знаний о процессах, протекающих в камере, а во-вторых - потребной точностью практических расчетов.
   Такими допущениями являются:
   - процессы в камере стационарны, одномерны, взаимодействием рабочего тела со стенками канала пренебрегаем;
   - химическое взаимодействие между компонентами рабочего тела отсутствует;
   - свойства переноса определяются по аддитивности с учетом массовых долей продуктов сгорания и испарившейся воды. Это допущение вводится, поскольку из энергетических соображений соотношение между основными компонентами топлива в камере сгорания выбирается стехиометрическим или близким к нему. Это означает, что в продуктах сгорания, в основном, будут присутствовать продукты полного окисления, химическая активность которых по отношению к парам воды относительно невелика;
   - распределение частиц жидкости по сечению камеры равномерно;
   - объем, занимаемый частицами воды мал по сравнению с объемом газа. Это позволяет рассматривать движение каждой частицы в невозмущенном гидродинамическом поле. (Условие реально выполнимо случае, если объемная доля частиц не превышает 2%. Тогда из всех сил, действующих на частицу во время ее движения, в рассмотрении останется лишь сила вязкого сопротивления);
   - форма частиц, как почти во всех исследованиях, принимается сферической, а эффект деформации частиц под действием аэродинамических сил, что наиболее существенно скажется на коэффициенте сопротивления не учитывается;
   - процессы прогрева и испарения воды рассчитываются по изотермической модели, что предполагает постоянство температуры по объему частиц;
   - коагуляция между частицами каждого сорта отсутствует.
  
   § 5.2. Математическая модель рабочего процесса в камере двигателя ПА.
   [По материалам докторской диссертации В.А. Сиротко]
   Данная математическая модель дает представление о процессах, происходящих в ПГГ. Практические расчеты можно проводить по методикам расчетов двухзонных газогенераторов, камер сгорания ракетных двигателей и высокотемпературных установок. [6.]
   Обобщенная система уравнений определения состава газа.
   Следует отметить, что в настоящее время для определения состава и термодинамических параметров продуктов сгорания существует достаточное количество программ. На кафедре А3, например, используется разработанная в РНЦ ПХ программа TERMORAS и некоторые другие.
   Равновесный химический состав продуктов сгорания определяется следующей системой уравнений:
   Уравнение материального баланса выражает равенство числа атомов любого элемента входящего в топливо к числу атомов этого элемента входящего в продукты сгорания:
   0x01 graphic
(5.1)
   где Аj - исходное число молей j-го компонента смеси;
   nij- число атомов i-го элемента в j-том компоненте в продуктах сгорания;
   Мj - число молей.
   Уравнение равновесия устанавливает количественное соотношение между атомарными и молекулярными продуктами сгорания:
   0x01 graphic
; j = l...k (5.2)
   где р - давление
   Уравнение Дальтона:
   0x01 graphic
; 0x01 graphic
(5.3)
   где p - давление;
   Мj - число молей
   k + l + 1 - общее число уравнений;
   k + l - химический состав
   Уравнение сохранение энергии:
   0x01 graphic
(5.4)
   0x01 graphic
;
   0x01 graphic
(5.5)
   где I - энтальпия (т - топлива, ок - окислителя, г - горючего; пр. сг. - продуктов сгорания);
   КмR - стехиометрическое соотношение компонентов;
   ? - коэффициент избытка окислителя;
   g - массовая доля компонента в фазе.
   Полученную систему уравнений можно решать двумя путями.
   1) Величины p и M формально признают неизвестными, a k уравнений сохранения массы элементов записывают в следующем виде:
   0x01 graphic
(5.6)
   Где А - исходное число молей;
   ? - мольная масса;
   nij- число атомов i - го элемента в j - том компоненте в продуктах сгорания,
   2) Одно из уравнений сохранения массы элементов исключают делением на него других указанных уравнений (при этом исключается также отношение pj/Ms). Этот прием широко используют, особенно при малом числе элементов в рабочем теле.
   Учитываем то, что к концу камеры сгорания все элементарные процессы завершаются и термодинамические характеристики продуктов сгорания близки к их теоретическим значениям, соответствующих начальным характеристикам топлива и его сгорания.
   Степень полноты превращения топлива в продукты сгорания оценивается изменением коэффициента полноты сгорания по длине камеры сгорания или по времени пребывания.
   Время пребывания в камере топлива и продуктов сгорания:
   0x01 graphic
(5.7)
   где m - масса,
   w - объем топлива в КС,
   Vk - объем камеры сгорания.
   Подставив значение w по уравнению состояния, получим
   0x01 graphic
(5.8)
   где R - газовая постоянная;
   рк - давление в КС;
   Т - температура;
   С учетом сделанных допущений совокупность физических процессов, протекающих в испарительной камере двигателя подводного аппарата, может быть описана следующей системой уравнений.
   Вывод уравнения движения частиц воды под действием аэродинамической силы Р.
   Эта сила возникает при их обтекании частиц и обуславливается наличием определенной разности скоростей между газом и частицами (параметры с индексом s относятся к частицам):
   0x01 graphic
(5.9)
   где сх - коэффициент аэродинамического дробления,
   ? - плотность;
   F - площадь сечения капли;
   s - индекс, относящийся к жидкофазному состоянию воды.
   По второму закону Ньютона:
   0x01 graphic
(5.10)
   0x01 graphic
; 0x01 graphic
   Приравняв (5.9) и (5.10) и домножив на 0x01 graphic
в результате получаем
   общее уравнение движения частиц:
   0x01 graphic
(5.11)
   где W - скорость.
   Аналогично для движения пленки:
   - Уравнение движения пленки на 1-м участке:
   0x01 graphic
(5.12)
   - Уравнение движения пленки на 3-м участке:
   0x01 graphic
(5.13)
   где z - массовая доля фазы в общем количестве рабочего тела,
   Вывод уравнения конвективного теплообмена:
   - частиц воды:
   Количество тепла, передаваемое от потока к капле:
   0x01 graphic
(5.14)
   Количество теплоты, воспринимаемое каплей:
   0x01 graphic
(5.15),
   Приравниваем (5.14) к (5.15). С учетом того, что 0x01 graphic
, 0x01 graphic
; 0x01 graphic
, в результате преобразований окончательно получаем:
   0x01 graphic
; 0x01 graphic
(5.16)
   где с - теплоемкость
   - пленки на 1-м участке (получено аналогично):
   0x01 graphic
;0x01 graphic
;0x01 graphic
(5.17)
   где ? - толщина пленки
   Вывод уравнения массообмена:
   Количество теплоты, передаваемое от продуктов сгорания к капле:
   0x01 graphic
; (5.18)
   Количество теплоты, получаемое газом:
   0x01 graphic
(5.19)
   0x01 graphic
   0x01 graphic
; 0x01 graphic
   где ? - теплота фазового перехода;
   T - температура испарения.
   берем производную по d?:
   0x01 graphic
; 0x01 graphic
   В результате преобразований получаем
   Уравнение массобмена:
   0x01 graphic
(5.20)
   Испарение частиц:
   0x01 graphic
; 0x01 graphic
(5.21)
   где срn - изобарная теплоемкость пара
   Испарение жидкой пленки на 1 - ом участке:
   0x01 graphic
(5.22)
   Образование жидкой пленки на 3-м участке
   0x01 graphic
(5.23)
   где ? - угол сопла
   Испарение жидкой пленки на 3-м участке:
   0x01 graphic
(5.24)
   Уравнение состояния.
   0x01 graphic
- уравнение в интегральной форме (5.25)
   0x01 graphic
- уравнение в дифференциальной форме (5.26)
   разделив (5.26) на (5.25) получим:
   0x01 graphic
(5.27)
   0x01 graphic
   0x01 graphic
(5.28)
   где индексы п и г означают пар и газ.
   Массовая доля компонента в фазе:
   0x01 graphic
(5.29)
   берем производную по dx:
   0x01 graphic
; 0x01 graphic
   Тогда,
   0x01 graphic
(5.30)
   В результате получаем:
   0x01 graphic
(5.31)
   Уравнение неразрывности:
   0x01 graphic
- уравнение в интегральной форме (5.32)
   0x01 graphic
- уравнение в дифференциальной форме (5.33)
   разделим (5.32) на (5.33):
   0x01 graphic
(5.34)
   0x01 graphic
(5.35)
   0x01 graphic
   берем производную dx:
   0x01 graphic
   0x01 graphic
()
   0x01 graphic
   0x01 graphic
   0x01 graphic
   0x01 graphic
(5.36)
   В результате преобразований получаем.
   0x01 graphic
(5.37)
   Уравнение движения (в дифференциальной форме):
   0x01 graphic
(5.38)
   Из уравнения неразрывности
   0x01 graphic
   Тогда,
   0x01 graphic
разделим на m?
   0x01 graphic
;
   0x01 graphic
   0x01 graphic
разделим на0x01 graphic
   0x01 graphic
   В результате преобразований получаем:
   0x01 graphic
(5.39)
   Вывод уравнения энергии:
   0x01 graphic
(в дифференциальной форме) (5.40)
   разделим на m?
   0x01 graphic
   0x01 graphic
   0x01 graphic
   Продифференцируем и разделим на 0x01 graphic
:
   0x01 graphic
   В результате преобразований получается:
   0x01 graphic
(5.41)
   Геометрия канала
   0x01 graphic
(5.42)
   Аэродинамическое дробление жидкой пленки:
   0x01 graphic
(5.43)
   Коэффициенты взаимодействия
   0x01 graphic
(5.44)
   0x01 graphic
(5.45)
   0x01 graphic
(5.46)
   Теплофизические характеристики:
   0x01 graphic
- вязкость;
   0x01 graphic
- теплопроводность;
   0x01 graphic
- энтальпия;
   0x01 graphic
- изобарная теплоемкость;
   0x01 graphic
- массовая доля компонента в фазе.
  
  

Глава 6. Механические парогазовые пропульсивные установки.

   §6.1. Особенности парогазовых торпед.
   В этом типе энергодвигательных установок подводных аппаратов поршневой двигатель или турбина приводит во вращение гребные винты либо водометы, которые лопастями отбрасывают массу воды в сторону, противоположную движению торпеды. По закону равенства действия и противодействия такая же по величине сила тяги толкает торпеду вперед.
   Двигатель торпеды, в котором тепловая (электрическая) энергия преобразуется в механическую работу вращения гребных винтов, является одним из ее главных агрегатов. Он определяет основные тактико-технические данные торпеды -- скорость, дальность, следность, шумность хода.
   Как уже отмечалось выше, торпедные двигатели имеют ряд специфических особенностей, которые отражаются на конструкции и организации их рабочего процесса:
   -- кратковременность работы;
   -- работа без доступа атмосферного воздуха в водной среде;
   -- практически мгновенный запуск с выходом на режим полной мощности в минимальное время;
   -- строгое постоянство заданного режима работы (обычно не более двух--трех режимов);
   -- возможность работы с высоким противодавлением выпуска;
   -- минимальный вес и габариты при заданной мощности;
   -- минимальные удельные расходы компонентов топлива.
   В прошлом наибольшее распространение в торпедах получили поршневые расширительные машины следующих трех конструктивных схем: горизонтального, звездообразного и вертикального расположения.
   К основным достоинствам горизонтально расположенных машин следует отнести: сравнительно большой литраж цилиндров, дающий возможность повысить мощность в известных пределах; наличие закрытого картера, повышающего жесткость схемы и позволяющего исключить сальники на гребных винтах и повысить мощность за счет увеличения давления впуска и числа оборотов.
   Недостатки схемы: значительная сложность механизмов двигателя, большой вес и объем силовой установки, неуравновешенность двигателя вследствие наличия значительных нескомпенсированных инерционных сил.
   Большинство двигателей данной схемы двухцилиндровые.
   За рубежом параллельно с горизонтальными двигателями развивались конструктивные схемы звездообразных двигателей. Основные достоинства таких схем: малая длина, позволяющая установить в торпедах несколько рядов двигателей; большая уравновешенность сил инерции и жесткость конструкции. Однако ввиду того, что все цилиндры работают на один вал, необходима установка кормового дифференциала.
   Двигатели вертикального типа не нашли широкого применения в торпедах главным образом из-за сложности устройства, значительного веса и объема.
  
   § 6.2. Рабочий процесс парогаза в цилиндре поршневого двигателя. Индикаторная диаграмма.
   Парогазовая смесь, поступающая из ПГГ, подводится посредством золотников (клапанов) то в одну, то в другую полость цилиндра, заставляя поршень со штоком и ползуном совершать возвратно-поступательное прямолинейное движение, которое затем с помощью шатуна и кривошипа преобразуется во вращательное движение гребных валов с винтами.
   График, изображающий сочетание элементарных термодинамических процессов, из которых состоит цикл парогаза в двигателе, называется индикаторной диаграммой.
   Рассмотрим теоретическую индикаторную диаграмму рабочего процесса поршневого двигателя с начальным давлением Р1 и противодавлением Р4 (рис. 8). При крайнем левом положении поршня открывается клапан на впуск и свежий парогаз заполняет так называемое вредное (мертвое) пространство V0. Под действием упругости парогаза поршень будет перемещаться вправо, а цилиндр -- заполняться свежим парогазом (линия 1-2). После отсечки впуска в цилиндре начнется расширение парогаза, которое закончится с приходом поршня в крайнее правое положение (линия 2-3). В этот момент открывается клапан на выпуск, давление в цилиндре падает до P4 (линия 3-4) и оставшийся парогаз выталкивается из цилиндра (линия 4-5). Прекращение выталкивания парогаза до прихода поршня в крайнее положение и сжатие отработавшего парогаза (линия 5-6) необходимы как для создания упругого буфера в цилиндре, так и для плавного хода машины. Кроме того, это приводит к повышению температуры парогаза, вследствие чего поступающий в цилиндр свежий парогаз будет подвергнут меньшему охлаждению и конденсации.
   0x01 graphic
   Рис. 8. Теоретическая индикаторная диаграмма
  
   В крайнем левом положении поршня открывается впускной клапан и происходит впуск свежего парогаза в цилиндр, давление в котором увеличивается до значения Р1 (линия 6-1).
   Таким образом, теоретический рабочий процесс поршневой машины осуществляется за два хода поршня, т. е. за один оборот кривошипа (коленчатого вала), а теоретическая индикаторная диаграмма его представляется циклом 1234561. Если машина имеет вторую рабочую полость с правой стороны, то аналогичный цикл будет осуществлен и в этой области.
   Действительная индикаторная диаграмма не совпадает с теоретической, так как в действительном процессе имеется ряд потерь (рис. 9). Открытие и закрытие впускных клапанов происходят не мгновенно, а постепенно, при этом имеет место мятие парогаза, сопровождающееся некоторым понижением давления.
   0x01 graphic
   Рис.9.Действительная индикаторная диаграмма.
  
   Действительная линия расширения (и сжатия) отклоняется от теоретической, так как процесс расширения (и сжатия) сопровождается теплообменом и поэтому не является адиабатным. Начало выпуска отработавшего парогаза и впуска свежего начинается с некоторым опережением, т е. до прихода поршня в крайнее положение. В результате этих особенностей получается круговой цикл, который и представляет собой действительную индикаторную диаграмму поршневой машины.
   Следовательно, действительная индикаторная диаграмма (рис. 9.) вписывается в теоретическую диаграмму и по площади меньше последней на величину заштрихованных площадок.
   Участки действительной индикаторной диаграммы соответствуют следующим физическим процессам: 1-2 -- наполнение или впуск, 2-3 -- расширение парогаза, 3-4 -- предварение выпуска, 4-5 -- выпуск, 5-6 -- сжатие, 6-1 -- предварение впуска.
   В расчетах удобнее оперировать не с абсолютными величинами объемов Vi, а с относительными величинами, выражающими отдельные фазы газораспределения. Для этого каждый из помеченных объемов относят к рабочему объему цилиндра Vц и получают относительные объемы ?i,.
   В процессе разработки торпедных двигателей надлежит построить индикаторную диаграмму и выбрать значения ?i; такими, чтобы двигатель мог обеспечить необходимую мощность.
  
   § 6.3. Золотниковая диаграмма и газораспределение.
   Для нормальной работы поршневого двигателя каждому положению поршня в цилиндре должно соответствовать одно строго определенное положение золотника. Это требование выполняется с помощью механизма газораспределения.
   В большинстве парогазовых торпед газораспределение производится цилиндрическими золотниками, которые в процессе работы воспринимают давление газа как снаружи, так и изнутри, что уменьшает сопротивление трения при движении золотника и снижает его износ.
   Распределение парогазовой смеси производится внутренней кромкой золотника, поэтому он называется золотником с внутренним впуском. Длина его поршеньков больше длины окон, по которым парогаз подводится в рабочую полость машины. Избыток длины поршеньков, выходящих за пределы длины окна, именуется перекрышем. Внутренние перекрыши -- впускные, внешние -- выпускные.
   При крайнем мертвом положении поршня золотник должен быть сдвинут так, чтобы газовпускной канал был открыт на некоторую величину, которая называется линейным опережением. Такая установка золотника достигается тем, что кривошип (эксцентрик) не перпендикулярен кривошипу машины, а составляет угол, меньший 90R. Угол ? называется углом опережения, угол 90R--? -- углом установки золотника.
   Направление вращения кривошипа главной машины определяется из следующего положения: кривошип золотника отстает от кривошипа главной машины на угол 90R -- ? .
   К механизму газораспределения предъявляются следующие требования:
   -- фазы должны соответствовать разработанной теоретической индикаторной диаграмме;
   -- конструкция механизма должна исключать возможность самопроизвольного изменения фаз в процессе работы;
   -- механизм должен быть достаточно прочен, уплотнение золотников должно обеспечивать газонепроницаемость при работе двигателя;
   -- проходные сечения окон должны быть возможно большими, чтобы исключить дросселирование парогазовой смеси;-- золотники и детали газораспределительного механизма должны обладать стойкостью к воздействию высокой температуры
   График, на котором нанесены положения золотника в каждый данный момент, величины открытия впускных и выпускных окон и прочие элементы газораспределения, называется золотниковой диаграммой. Она строится по теоретической индикаторной диаграмме, причем в процессе построения вносятся необходимые поправки.
   На рис. 10 показана диаграмма, построенная для золотникового распределения. В ней радиус эксцентрика золотника равен r, а внешняя и внутренняя перекрыши равны q и р. Для ее построения опишем радиусом r окружность и отложим от вертикальной оси в сторону, обратную вращению эксцентрика, угол опережения ?. На отрезках ОВ и 0В' как на диаметрах построим круги радиусом r/2. Для любого угла поворота эксцентрика золотника хорды, отсекаемые кругами, будут соответствовать величине смещения золотника от его среднего положения, при этом верхний круг будет давать смещение золотника влево, а нижний -- вправо от среднего положения. Величину открытия окон для любого угла ? можно получить, если из центра диаграммы провести дуги радиусами, равными величинам перекрышей. Отрезки в направлении радиусов между этими дугами и кругами будут представлять собой величины открытия окон на впуск и выпуск парогаза.
   0x01 graphic
   Рис. 10. Диаграмма газораспределения
  
   При левом мертвом положении кривошипа (двигателя) впускной канал открыт на величину а1. В положении кривошипа при повороте его на угол ? величина открытия впускного канала равна а2; когда же кривошип займет положение В, окно будет полностью открыто на всю его ширину а. При дальнейшем вращении эксцентрика золотника или кривошипа машины золотник начнет перемещаться слева направо, перекрывая впускное окно; в положении N произойдет отсечка впуска, так как впускное окно будет полностью перекрыто С этого момента в цилиндре начнется расширение парогаза, которое продлится до прихода кривошипа в точку К, когда внешняя перекрыша q подойдет к началу выпуска парогаза. Затем окно откроется и будет полностью открыто в крайнем правом положении золотника. В положении N' прекращается выпуск парогаза и в цилиндре начинается сжатие, которое продолжается до прихода кривошипа в положение К', когда начинается предварение впуска свежего парогаза.
   В некоторых образцах торпед с поршневыми двигателями применяется клапанное газораспределение, при котором каждая полость цилиндра машины имеет клапан для впуска свежего парогаза и клапан для выпуска отработавшего парогаза.
   Клапанное газораспределение имеет по сравнению с золотниковым следующие преимущества:
   --меньшую степень торможения парогаза в клапанах по сравнению с золотниками;
   -- отсутствие смазки клапанов;
   -- сокращение количества трущихся частей;
   -- уменьшение вредного пространства.
   К недостаткам следует отнести необходимость частой притирки клапанов и замены втулок клапанных штоков.
  
   § 6.4. Индикаторная и эффективная мощность поршневого двигателя.
   Площадь индикаторной диаграммы характеризует собой полезную индикаторную работу одного цикла ?Ц. Чем больше ?Ц, тем больше степень использования заданного рабочего объема цилиндра Vц.
   Величина ?Ц в двигателе заданных размеров определяет степень эффективности рабочего процесса с точки зрения развиваемой индикаторной работы.
   Для данного объема Vц работа ?ц эквивалентна так называемому среднему индикаторному давлению Рср и может быть выражена в виде произведения этого давления на объем цилиндра:
   0x01 graphic
(6.1)
   где dц -- диаметр цилиндра;
   S -- ход поршня.
   Средним индикаторным давлением называется некоторое условное постоянное давление на поршень, которое, действуя в течение хода поршня, создает работу, равную индикаторной. Следовательно, если заменить площадь индикаторной диаграммы равновеликим прямоугольником с основанием, равным длине диаграммы, то высота этого прямоугольника в масштабе будет представлять собой среднее индикаторное давление.
   Мощность, передаваемая парогазом на поршень за ходы расширения и сжатия, называется индикаторной мощностью N,. Другими словами, индикаторная мощность - мощность, соответствующая индикаторной работе диаграммы.
   Для машины, делающей п об/мин, мощность, развиваемую в i-ом цилиндре, найдем по формуле
   0x01 graphic
(6.2)
   Для многоцилиндрового двигателя с числом цилиндров, равным т, и числом рабочих ходов за один оборот кривошипа, равным i, общая мощность двигателя будет
   0x01 graphic
(6.3)
   В действительном же рабочем процессе имеется ряд дополнительных потерь, в результате чего работа будет иметь меньшее значение, чем в идеальном цикле.
   Степень использования тепла в действительном рабочем процессе определяется коэффициентом полноты индикаторной диаграммы ?ц, представляющим собой отношение площадей действительной и теоретической индикаторных диаграмм. Для торпедных поршневых двигателей ?=0,85--0,90. С учетом этого действительную индикаторную мощность можно определить по формуле
   0x01 graphic
(6.4)
   Мощность, передаваемая на вал двигателя, называется эффективной, она меньше индикаторной на величину мощности трения Nтр, т. е
   0x01 graphic
(6.5)
   В мощность трения входят потери мощности на трение всех деталей двигателя и мощность, затрачиваемая на работу вспомогательных механизмов и приборов (газораспределение, водяная помпа, распределитель смазки и др).
   С увеличением отмеченных потерь увеличивается мощность трения, соответственно уменьшается полезная эффективная мощность двигателя и в результате понижается экономичность двигателя. Поэтому всегда следует стремиться к уменьшению мощности трения и к увеличению полезной работы на валу двигателя.
   Мощность трения определить теоретическим путем очень трудно, так как она может изменяться в широких пределах в зависимости от размеров двигателя, числа оборотов, усилий, действующих на трущиеся детали, и пр. Поэтому при определении эффективной мощности по найденной индикаторной мощности механические потери в двигателе оцениваются приближенно выбираемым механическим КПД ?м.
   Механическим кпд двигателя называется отношение эффективной мощности к индикаторной. При испытании двигателей на тормозе этот коэффициент легко определить по найденному непосредственным замером значению эффективной мощности и рассчитанной по формуле (6.4) индикаторной мощности Обычно для торпедных двигателей ?м = 0,75--0,95.
   С учетом изложенного выше формулу для определения эффективной мощности поршневого двигателя можно записать так
   0x01 graphic
(6.6)
   Пример. Определить эффективную мощность двигателя торпеды, если известно, что Рi,= 19,7 дан/см2(дан -- деканьютон), dц=144 мм, S = 150 мм, n=1440 об/мин
   Решение Неизвестную величину Ne определяем по формуле (6.5), приняв т=2, 1 = 2 и среднее значение к. п д.:
   0x01 graphic
  
   § 6.5. Анализ основных параметров поршневого двигателя.
   При расчете двигателя основным соотношением является формула (6.5), связывающая эффективную мощность с термодинамическими и конструктивными параметрами Определение предельных значений каждого из параметров позволяет оценить возможные скорости торпеды при изменении рабочего процесса и конструкции двигателя Очевидно, что для торпеды заданного калибра наибольшая скорость будет достигнута при оптимальном соотношении допустимых верхних значений параметров
   Из формулы для эффективной мощности (6.6) видно, что достижение большей мощности возможно посредством увеличения среднего индикаторного давления, диаметра цилиндра, числа цилиндров, хода поршня, а также числа оборотов.
   Эффективная мощность двигателя прямо пропорциональна среднему индикаторному давлению или, что то же самое, рабочему давлению парогаза в цилиндрах. Казалось бы, повышая давление в машине, можно увеличить мощность двигателя в 1,5 -- 2 раза. Однако опыт разработки торпед показывает, что величину рабочего давления изменять можно ненамного. Объясняется это тем, что с повышением давления необходимо увеличивать толщину стенок цилиндров и повышать прочность ряда узлов двигателя. А это неизбежно приведет к возрастанию веса двигателя.
   Кроме того, рост рабочего давления снижает количество используемого воздуха, так как приходится повышать остаточное давление в воздушном резервуаре. При ограниченном запасе воздуха в торпеде повышение мощности путем увеличения рабочего давления парогаза в цилиндрах можно производить в очень узких пределах, так как такая мера приводит к сокращению дальности хода торпеды
   Если используется жидкий окислитель, подаваемый насосом, это ограничение снимается. Однако и в этом случае необходимость повышения прочности деталей двигателя приведет к увеличению его веса, что нежелательно.
   Увеличение хода поршня тоже не дает возможности достигнуть существенного изменения мощности, хотя последняя и зависит от него. При увеличении хода поршня растут размеры двигателя, а это противоречит требованию компактности силовой установки. Кроме того, с величиной хода поршня связана средняя скорость относительного перемещения поршня и ползуна машины. Величина средней скорости устанавливается из опыта для двигателей определенного типа.
   Эффективная мощность двигателя прямо пропорциональна числу оборотов: увеличивая обороты, можно повысить эффективную мощность двигателя и скорость хода торпеды. Следует, однако, иметь в виду, что к. п. д. гребных винтов также зависит от числа оборотов. По достижении некоторых значений оборотов кпд винтов начинает понижаться, так как возрастают потери на кавитацию.
   При конструировании быстроходного двигателя требуется также более тщательная разработка приемлемых конструктивных форм деталей, применяемых материалов и технологии.
   Эффективная мощность пропорциональна квадрату диаметра цилиндра. Следовательно, увеличение диаметра цилиндра дает более ощутимый прирост мощности, чем увеличение рассмотренных выше параметров, с которыми эффективная мощность связана по линейному закону. Но увеличение диаметра цилиндра ограничивается калибром торпеды, без увеличения которого дальнейший рост мощности поршневых двигателей затруднителен.
   В табл. 1. приведены основные параметры поршневых двигателей горизонтального, звездообразного и вертикального типов, позволяющие произвести сравнительную оценку этих двигателей.
   Сравнивая численные значения параметров, относящихся к рассматриваемым типам двигателей, можно сделать несколько выводов.
   По литражу двигатели горизонтального типа двойного действия (две рабочие полости в каждом цилиндре) имеют преимущества по сравнению с другими двигателями. Это преимущество естественно, но при такой конструкции поршень двигателя испытывает чрезмерно большие нагрузки, а наличие ползунов усложняет и утяжеляет конструкцию.
   Из таблицы видно, что наибольшей литровой мощностью обладают звездообразные двигатели. Они же превосходят другие типы двигателей по удельной мощности, которая представляет собой отношение эффективной мощности двигателя к суммарной работающей площади всех поршней и характеризует напряженность двигателя. Из этого следует, что мощность звездообразных двигателей может быть повышена.
   Пример. Как изменится дальность хода торпеды с двигателем горизонтального типа, если вследствие неправильной регулировки давление в ПГГ составляет 35 дан/см2, а не 28.
   Решение. При увеличении давления в ПГГ повысится эффективная мощность двигателя. Если предполагать, что при прочих равных условиях Ne возрастает пропорционально оборотам и среднему индикаторному давлению, то мощность двигателя станет равной 480 кет. При этом скорость торпеды будет
   0x01 graphic
   Следовательно, на глубине 50 м двигатель будет развивать мощность, равную 295 квт.
   Скорость хода торпеды на глубине 50 м станет
   0x01 graphic
   Время работы силовой установки будет определяться запасами воздуха. Если принять, что расход парогазовой смеси пропорционален давлению и оборотам, то на глубине 50 м он составит 1,26 кг/сек. Из этой величины на долю воздуха приходится
   0x01 graphic
   При перепаде давлений между резервуарами энергокомпонентов, равном 7 дан/см2, суммарный расход воздуха составит
   0x01 graphic
   Время хода торпеды
   0x01 graphic
   Дальность хода торпеды на глубине 50 м
   Ет=V?=23.1*129=3000м
   Таблица 1. Основные параметры поршневых двигателей различных типов.

Параметры двигателей

Обозначение

Размерность

Тип двигателя

Горизонтальный

Звездообразный

Вертикальный

   Скорость торпеды
   VT
   уз
   41
   51
   44
   45
   46
   Диаметр цилиндров
   d
   мм
   104
   144
   125
   115
   90
   Число цилиндров
   m
   --
   2
   2
   4
   4
   8
   Ход поршня
   S
   мм
   120
   150
   114
   112
   90
   Литраж двигателя
   Vц
   л
   4,00
   9,52
   5,60
   4,60
   4,56
   Число оборотов
   n
   Об/мин
   1200
   1440
   1490
   1200
   2070
   Эффективная мощность
   Ne
   квт
   125
   345
   220
   235
   240
   Средняя скорость поршня
   Cm
   м/сек
   4,8
   7,1
   5,7
   4,5
   6,2
   Среднее эффективное давление
   Pe
   дан/см2
   16,2
   15,3
   15,9
   29,2
   15,2
   Литровая мощность
   Nл
   квт/л
   30,9
   36,2
   39,3
   51,1
   52,6
   Удельная масса двигателя
   ?дэ
   кг квт
   1,03
   0,79
   0,68
   0,52
   1,00
   Удельная мощность
   Nуд
   квт/дм2
   37,2
   53,0
   45,0
   56,8
   47,1
  
   § 6.6. Особенности двигателей внутреннего и смешанного сгорания
   Одним из общеизвестных методов повышения экономичности тепловых двигателей является повышение максимальной температуры цикла. Для рассмотренных выше поршневых расширительных двигателей существенное повышение температуры парогазовой смеси возможно только при условии решения сложных задач обеспечения жаропрочности и жаростойкости материалов из которых изготавливается двигатель. Поэтому логичным было обращение к двигателям со сгоранием внутри цилиндров -- двигателям внутреннего сгорания. Известно, что сгорание топлива в цилиндрах может происходить при постоянном объеме, постоянном давлении или комбинированным путем.
   Двигатели внутреннего сгорания, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном объеме, потребляют преимущественно хорошо испаряющиеся горючие (обычно бензин) с воспламенением от искры, в отличие от двигателей со сгоранием при постоянном давлении, где используются более тяжелые жидкие горючие (соляровые масла) с воспламенением от сжатия.
   ДВС экономичнее поршневых вследствие более высокой температуры начала расширения и более высоких давлений.
   Основными недостатками, ограничивающими использование двигателей внутреннего сгорания в торпедах, являются следующие: во-первых, они значительно сложнее по конструкции, главным образом в связи с необходимостью иметь систему пуска; во-вторых, как и в парогазовой расширительной машине, повышение противодавления у них уменьшает индикаторную работу (срезается нижняя часть индикаторной диаграммы) и наполнение цилиндров; в-третьих, имеют низкую надежность запуска.
   Для исключения недостатков поршневой машины и ДВС (при сохранении преимуществ) в английских торпедах использован двигатель с подогревательным аппаратом и дополнительной подачей горючего (при избытке окислителя в подогревательном аппарате) в поршневую расширительную машину, где рабочий процесс почти такой же, как и в двигателях внутреннего сгорания.
   Указанные двигатели получили наименование двигателей смешанного сгорания. Принцип их работы состоит в следующем. После подогревательного аппарата, куда подается весь окислитель и только часть горючего (горение происходит с большим ?), продукты сгорания с избыточным окислителем подаются в расширительную машину. В конце процесса впуска этих продуктов туда же подается остальная часть горючего, которое, сгорая, выделяет дополнительную энергию. Идеальная индикаторная диаграмма имеет в принципе такой же вид, как и для поршневой расширительной машины, с той лишь разницей, что подвод тепла частично происходит при постоянном давлении, а частично при постоянном объеме. Повышение начальной температуры приводит к заметному повышению кпд и уменьшению суммарного расхода компонентов.
   Подогревательный аппарат делается небольшого размера, так как он выполняет фактически лишь функцию пускового приспособления, а рабочее тело окончательно приготавливается в цилиндре поршневой машины.
   Основными трудностями при осуществлении рабочего процесса таких двигателей являются, во-первых, неравномерное перемешивание окислителя с продуктами сгорания перед входом в поршневую машину, во-вторых, ненадежное зажигание рабочей смеси внутри цилиндра в один и тот же момент и, как следствие этого, неустойчивое протекание рабочего процесса. Однако тот факт, что в двигателях со сгоранием в подогревательном аппарате и в цилиндрах используются только два энергокомпонента (горючее и окислитель) и не требуется третьего компонента (вода), дает этим двигателям дополнительные преимущества перед поршневыми расширительными машинами.
  
   § 6.7. Термодинамический цикл газовой турбины.
   В последнее время в качестве двигателей торпед используются в основном турбинные (турбоводометные) двигатели. Причем рабочее тело для них вырабатывается либо в ПГГ, либо в пороховом аккумуляторе давления. Используемые во втором случае твердые топлива в основном аналогичны ракетным твердым топливам (см. § 7.2).
   Процессы, происходящие в газовой турбине, сводятся к следующему. Топливо, состоящее из горючего и окислителя, насосами или другим способом (например, под давлением сжатого газа) подается в камеру сгорания или ПГГ. При этом давление топлива повышается от начального давления Ра до давления в камере сгорания р0.
   Топливо, поступившее в жидком виде в камеру сгорания, нагревается, испаряется и сгорает почти при постоянном давлении. Вследствие этого температура и удельный объем рабочего тела возрастают (линия а--О, рис. 11). Далее начинается адиабатическое расширение рабочего тела постоянного состава от давления Р0 до давления pc, которое устанавливается на срезе сопла (в общем случае оно может отличаться от давления окружающей среды Рн).
   0x01 graphic
   Рис.11. Термодинамический цикл газовой турбины
  
   Для того чтобы рабочее тело вернулось в первоначальное состояние, его надо охладить и сконденсировать до первоначального объема посредством отвода тепла по изохоре (линия 1--b) и изобаре (линия b--с). Полученный замкнутый цикл aO1bca будет идеальным циклом бескомпрессорной газовой турбины.
   Идеальный цикл, упрощая действительные процессы, дает простые расчетные отношения, позволяющие выяснить факторы, влияющие на работу двигателя, и наметить пути повышения его эффективности.
   Отличие реального цикла от идеального в основном состоит в следующем:
   - работа, затрачиваемая на процесс сжатия и подачи компонентов, не равна нулю;
   - при идеальном цикле не учитываются потери энергии в процессе сгорания, в результате чего температура рабочего тела в реальном цикле снижается;
   - вследствие теплообмена, трения и других потерь процесс расширения происходит не по адиабате, а по политропе.
   Учет этих потерь в основном производится экспериментально.
   Основной величиной, характеризующей идеальный цикл двигателя, является термический коэффициент полезного действия. Этот к. п. д. учитывает только потери тепла, которое не может быть превращено в работу согласно второму закону термодинамики.
   Для идеального цикла величина термодинамического кпд
   0x01 graphic
   где Q1 -- количество тепла, подводимого к рабочему телу;
   Q2 -- количество тепла, отводимого от рабочего тела.
   В нашем случае
   0x01 graphic
   0x01 graphic
;
   0x01 graphic
(6.7)
   где К - показатель адиабаты,
   р - давление в соответствующих точках диаграммы.
   Из формулы (6.7) видно, что величина термодинамического кпд зависит от степени расширения, соотношения давлений окружающей среды и на выходе из сопла рсо и показателя адиабаты К.
   Для расчетного режима работы, когда РСН, термодинамический кпд будет определяться более простой формулой
   0x01 graphic
(6.8)
   С увеличением отношения рсо и показателя адиабаты К термодинамический кпд цикла растет, приближаясь в пределе к единице. Применение топлив, продукты сгорания которых состоят из газов с малым молекулярным весом, увеличивает при прочих равных условиях термодинамический кпд.
   Газовая турбина может работать также и на нерасчетных режимах, которые могут иметь место как при изменении глубины так и при изменении расхода топлива. Возможны два вида нерасчетных режимов:
   -- режим недорасширения, когда давление на срезе сопла больше давления в окружающей среде, т. е. рСН;
   -- режим перерасширения, когда давление на срезе сопла меньше давления в окружающей среде, т. е. рСН.
   Для постоянного сопла, т. е. сопла с постоянными величинами критического и выходною сечений, а следовательно, и постоянной степенью расширения, формула (6.8) преобразуется к следующему
   0x01 graphic
(6.9),
   где 0x01 graphic
0x01 graphic
   Таким образом, термодинамический кпд газовой турбины изменяется по линейному закону от отношения рно. При этом увеличение р0С приводит к более резкой зависимости термодинамического к. п. д. от отношения рно, так как при этом возрастает значение коэффициента ?.
   Проектирование и работа газовых и парогазовых турбин подробно рассмотрена в соответствующей литературе [6].
  
   § 6.8. Специальные циклы тепловых ДДА.
   Основными недостатками тепловых двигателей являются невозможность полного преобразования теплоты в работу и ограничения, накладываемые на это преобразование выбранным циклом работы.
   Рассмотрим более подробно некоторые последствия этих ограничений.
   В энергетической установке, работающей по открытому циклу, продукты сгорания топлива после прохождения через двигатель выбрасываются в окружающую среду, унося с собой неиспользованную теплоту. В обычной энергетической установке, работающей по замкнутому циклу, высокотемпературные продукты сгорания топлива передают теплоту рабочему телу, которое находится в замкнутом контуре; а продукты сгорания топлива выбрасываются за борт. Неиспользованная в замкнутом контуре теплота отводится в окружающую среду с помощью теплообменника.
   В зависимости от конкретных свойств топлив возможны различные типы энергетических установок, работающих при тех или иных сочетаниях открытого и замкнутого циклов. Во всех этих случаях кпд установки будет зависеть от содержания энергии в продуктах сгорания топлива и от их свойств, а также от таких параметров окружающей среды, как температура, давление и т. д. Океан представляет собой высокоэффективный "холодильник" для отвода неиспользованной в установке теплоты при низких температурах, однако высокое противодавление при работе глубоководных аппаратов будет снижать кпд. установки по мере увеличения глубины погружения, если не предусмотреть соответствующих мер.
   Энергетические установки для подводных аппаратов проектируются таким образом, чтобы использовать преимущества, которые дает окружающая среда, и избежать отрицательного влияния некоторых параметров окружающей среды на их работу.
   Открытый или модифицированный открытый цикл. В энергетических установках подводных аппаратов используются термодинамические циклы типа цикла Ренкина. В простейшем случае продукты сгорания топлива расширяются в двигателе и затем отводятся за борт. В тех случаях, когда в таких установках используется топливо, продукты сгорания которого представляют собой неконденсируемые газы, кпд установки уменьшается по мере увеличения глубины погружения так же, как и в стандартных ракетах, поскольку возрастает отношение давления истекающего рабочего тела к давлению на входе в двигатель.
   В тех случаях, когда продукты сгорания представляют собой конденсируемые газы, как, например, при сгорании водород-кислородного (Н-0) топлива, забортная морская вода может быть использована для их охлаждения и конденсации до жидкого состояния.
   Следует отметить, что конденсированные продукты сгорания можно откачать за борт насосом при небольших затратах мощности двигателя.
   Конденсируемые продукты сгорания позволяют получить весьма низкое давление на выхлопе, например, в случае использования водяного пара, что оказывает положительное влияние на характеристики двигателя. Охлаждение отработанных продуктов может быть произведено с помощью контактного эжектора или поверхностного теплообменника.
   Для уменьшения температуры рабочего тела забортную морскую воду всегда можно впрыснуть в ПГГ этих двигателей, что обычно осуществляется с помощью шестеренного водяного насоса, приводимого от гребного вала. Существуют также системы, в которых вместо забортной воды в камеру сгорания впрыскивается вода, образующаяся в результате конденсации продуктов сгорания, при температуре 373 К. В любом из указанных выше случаев температура в камере сгорания понижается, а масса газообразного рабочего тела возрастает.
   Пренебрегая кинетической энергией впрыскиваемой воды, ее характеристики всегда можно рассчитать по известным таблицам состояния пара.
   Теоретические значения параметров тепловых двигателей открытого типа могут быть на порядок выше, чем удельные импульсы глубоководных ракет со впрыском воды, и примерно на два порядка выше, чем стационарных ракет, работающих вблизи поверхности воды. Тепловой двигатель открытого типа имеет наибольшее значение кпд в тех случаях, когда газообразные продукты расширяются до очень низких давлений за счет интенсивного охлаждения отработанных продуктов. Впрыск воды в камеру сгорания уменьшает общий удельный импульс, и это уменьшение не компенсируется полностью даже при впрыске нагретой воды из конденсатора вместо холодной морской воды. Создание для двигателя этого типа таких условий, при которых давление отработанных продуктов стремится к своему минимальному значению в условиях конкретного противодавления, резко увеличивает кпд установки в целом.
   Поступая таким образом, т. е. создавая определенные давления отработанных продуктов, удается также понизить температуру газов в выхлопном патрубке, которая, разумеется, будет выше, чем температура конденсированной воды. Отметим также, что температура отработанных газов теоретически может быть еще понижена.
   Как известно, для того чтобы полнее использовать теплотворную способность топлива, давление и температура отработанных газов должны иметь по возможности наименьшие значения. Полная располагаемая энергия при непрерывном потоке рабочего тела будет
   0x01 graphic
(6.10)
   Для лучшего использования полной энергии hF необходим более совершенный двигатель, чем тепловой двигатель, работающий по открытому циклу.
   Для расчета hF в рассматриваемом случае следует предположить возможность получения отработанных газообразных продуктов достаточно низкой энергии. Так, давление может быть меньшим, чем давление окружающей среды; более того, расширение газов может происходить до температур меньших, чем температура окружающей среды, т. е. аналогично случаю действия огнетушителя на основе СО2.
   Характеристики установки улучшаются в тех случаях, когда в ходе процесса используется большая разность температур и энтальпий. Однако это улучшение характеристик уменьшается по мере роста отношения расходов воды к топливу.
   Замкнутый цикл и замкнутый цикл по потоку рабочего тела. В противоположность установкам открытого цикла, в установках замкнутого цикла продукты сгорания топлива отдают свою тепловую энергию рабочему телу через поверхность теплообмена при наивысшей температуре цикла. Эта энергия частично превращается в работу, в процессе которой рабочее тело после расширения в двигателе вновь возвращается в исходное состояние и частично рассеивается в окружающей среде.
   К потерям энергии следует отнести теплоту, затраченную на нагрев продуктов химической реакции компонентов топлива от температуры их хранения в резервуарах подводного снаряда до наивысшей температуры цикла, поскольку эти продукты обычно выбрасываются за борт после того, как отдадут свою теплоту рабочему телу. Этот вид потерь энергии возрастает по мере увеличения максимальной температуры цикла и препятствует росту термического кпд цикла. С учетом сделанных замечаний максимальная полезная работа будет
   0x01 graphic
(6.11)
   где hs -- количество теплоты, затраченной на нагрев компонентов топлива от температуры хранения до температуры Тс.
   Некоторая часть тепла hs может быть превращена в работу, если продукты сгорания топлива будут не сразу отводиться за борт, а начнут поступать на вход дополнительного двигателя, работающего на непрерывном газовом потоке.
   Величина этой энергии может быть определена при помощи выражения (4.1). При этом следует заметить, что условия на выхлопе для основного двигателя, работающего по тому или иному циклу, и дополнительного двигателя, работающего на непрерывном газовом потоке, не обязательно должны быть одинаковыми.
   Усложнение установки за счет ввода дополнительных двигателей, рабочим телом которых является один и тот же непрерывный газовый поток, вызовет рост кпд, который будет увеличиваться по мере повышения температуры.
   Глава 7. Ракетные двигатели двусредных аппаратов.
   § 7.1. Особенности применения РД в качестве ДДА.
   Как отмечалось ранее, обычные ракетные двигатели малоэффективны на больших глубинах при высоком противодавлении. Поэтому на практике они применяются либо на кавитирующих ракето-торпедах, либо в сочетании с эжектором на сопловом блоке. В последнем случае отбрасываемое рабочее тело - газокапельная жидкость, что позволяет снизить ее скорость и увеличить пропульсивный кпд.
   Чтобы оценить возможности подводной ракеты, рассмотрим ПА с двигателем на топливе Н-О. Такое топливо выбрано, поскольку продукты сгорания топлива Н-О конденсируются в жидкость при интенсивном охлаждении. Значит, кпд подводной ракеты может возрастать по мере увеличения глубины погружения, если отработанные продукты сгорания отвести в эжектор, в который впрыскивается морская вода. Образующаяся в результате этого процесса горячая вода выбрасывается в направлении, противоположном движению ракеты. Подобная ракета показана на рис. 12. Видно, что продукты сгорания после выхода из сопла попадают в участок 1, где встречаются с потоком забортной воды, поступающей через специальный кольцевой канал под высоким противодавлением. Морская вода расширяется в участке 1 и ее давление падает. Характерной особенностью этого процесса является преобразование гидростатического давления окружающей среды непосредственно в скорость поступающей воды.
   0x01 graphic
   Рис. 12. Схема водородно-кислородной подводной ракеты с эжектором.
  
   Морская вода и поток газа на выходе из сопла смешиваются при постоянном давлении между участками 1 и 2, при этом холодная вода конденсирует все парообразные продукты сгорания топлива Н-О до жидкого состояния. Одновременно происходит возрастание количества движения в результате сложения двух реактивных потоков.
   Давление на участках 1 и 2 уравновешивается давлением паров термически уравновешенного водяного потока на участке 2. Этот поток нагретой воды распыляется из-за понижения давления на участке 2, проходит через сопло и продолжает существовать при давлении окружающей среды (р3 = р?). Таким образом, имеет место уменьшение скорости пароводяного потока, но ее величина еще достаточна для создания тяги.
   Удельный импульс ракеты, показанной на рис. 12, увеличивается под водой за счет использования сопла эжектора в результате следующих трех обстоятельств:
      -- Суммирование количества движения струи, истекающей из сопла, с количеством движения впрыскиваемой воды на участки 1 и 2 происходит с меньшей потерей энергии, чем это было бы на участках 1 и ? (как в стандартной ракете). Это связано с тем, что струя воды на участке 1 имеет более высокую скорость, чем струя воды на участке ?, из-за ускорения, возникающего при прохождении через кольцевой входной канал.
      -- Более высокая величина пропульсивного кпд достигается из-за уменьшения скорости струи воды на участке 3 по сравнению со скоростью потока на участке 1, т. е. пониженная скорость потока воды на выходе из сопла эжектора лучше согласуется со скоростью движения ракеты.
      -- Процесс расширения в ракетном сопле более эффективен и не подвержен влиянию противодавления, так как на срезе сопла участка 1 действует относительно низкое давление паров нагретой воды в участке 2 вместо высокого противодавления на участке ?.
   Этот принцип создания тяги может быть использован только в тех случаях, когда все продукты сгорания конденсируются при контакте с водой в эжекторе. В противном случае сжатие газа между участками 2 и 3 будет значительно понижать скорость потока.
   В большинстве случаев количество движения потока на выходе из участка 3 будет недостаточным для преодоления противодавления. Кроме того, противодавление будет оказывать такое влияние на параметры воды во входном кольцевом канале, что возможны случаи, когда давление на участках 1 и 2 превысит давление паров нагретой воды. В этих случаях скорость потока на выходе будет уменьшаться, а следовательно, будет уменьшаться и тяга, вплоть до ее исчезновения.
   В нормальных условиях из эжектора должна выбрасываться только струя горячей воды, однако допустим также тонкий распыл или истечение водного раствора. Поэтому количество расходуемой морской воды должно быть строго определенным для того, чтобы все истекающие парообразные продукты сгорания сконденсировались, а сама морская вода не испарялась.
   Удельный импульс для ракеты со впрыском воды определяется по следующим формулам:
   0x01 graphic
;
   0x01 graphic
(7.1)
   где F - тяга,
   Для ракеты, в которой процесс расширения происходит от давления рс до давления р1 -- давления паров воды при температуре Т2, получим
   0x01 graphic
(7.2)
   0x01 graphic
(7.3)
   0x01 graphic
(7.4)
   Учитывая выражения (7.1)--(7.4) и полагая ? = m0/mг, имеем
   0x01 graphic
, (7.5)
   Как показано в [3],
   0x01 graphic
(7.6.)
   Следует также отметить, что подводимая морская вода может впрыскиваться также непосредственно в камеру сгорания ракеты на Н-О топливе. За счет впрыска воды понижается температура горения и возрастает общее количество рабочей жидкости. В результате удельный импульс достигает своего максимального значения при оптимальном отношении расхода воды к расходу топлива.
   Впрыск воды может быть осуществлен с помощью второго эжектора, который обычно называют инжектором. Последний устанавливается в замкнутом контуре камеры сгорания, т. е. в контуре, который начинается от камеры сгорания и ею же заканчивается. Инжектор обеспечивает забор морской воды в этот замкнутый контур.
   Как известно, инжекторы обычно применяются в паровых котлах промышленного назначения для подачи в них питательной воды. Характерной особенностью таких инжекторов является использование энергии пара, содержащегося в котле, для подачи в него питательной воды. Этот метод подачи воды хорошо подходит и для ракет, так как не требует применения узлов с вращающимися деталями. Более того, в этом процессе теоретически не снижается значение энтальпии ракетного топлива, поскольку уменьшение энтальпии в потоке пара точно соответствует увеличению энтальпии впрыскиваемой воды (по давлению и температуре).
   Величины теоретических скоростей ракет Vп которые входят в уравнения (7.6.), определяются на основе известных методов. В тех случаях, когда отработанные продукты сгорания находятся в газообразном состоянии, давление в камере сгорания принимается равным 6,9 мН/м2. В тех случаях, когда количество впрыскиваемой воды достаточно для конденсации всех газообразных продуктов до жидкого состояния, давление в камере сгорания принимается равным давлению паров воды в проточной части при температуре равновесия.
   Значение удельного импульса постоянно возрастает по мере увеличения отношения расходов воды и топлива вплоть до ?. Кроме того, удельный импульс возрастает также с увеличением глубины погружения. Так, на глубине 300 м и при отношении расходов воды и топлива, стремящемся к ?, удельный импульс I в четыре раза больше, чем удельный импульс стандартной ракеты, движущейся вблизи поверхности воды.
   При отношении расходов воды и топлива, равном 12,8, и давлении в камере сгорания 6,9 мН/м2 все газообразные продукты конденсируются в камере до жидкого состояния. Приведенное выше давление в камере сгорания соответствует давлению конденсации паров воды. При более высоких значениях отношений расходов давление паров воды в камере сгорания будет меньше, чем величины давлений, приведенные в таблице. В этих условиях процесс расширения горячей воды, а не водяного пара, происходит изоэнтропически при прохождении ее через сопло камеры сгорания. При этом давление воды падает до давления в эжекторе.
   Применительно к стандартной ракете, рассмотренный выше процесс сопровождается частичным испарением воды и уменьшением общей энтальпии, которая и определяет скорость потока на срезе сопла ракеты.
   Удельный импульс, всегда имеющий максимальное значение при "бесконечно" большой подаче воды в эжектор, возрастает по мере увеличения отношения расходов воды и топлива до своего максимального значения и затем убывает. Этот максимум характерен для ракеты, на срезе сопла которой имеется поток горячей воды. Для такой ракеты удельный импульс Iуд на глубине 300 м почти на порядок выше, чем удельный импульс стандартной ракеты, движущейся вблизи поверхности моря.
   В стандартных ракетах, как правило, применяется многоступенчатая схема. Отличие пропульсивных комплексов от стандартных ракет, как отмечалось, в меньшем отношении массы топлива к массе всей конструкции. Это ограничивает целесообразность применения многоступенчатых схем ПА. Расчеты показывают [1,2,3]:
   -- дальность хода подводных ракет может быть увеличена не более чем на 50 % при использовании двух ступеней вместо одной и не более чем на 83 % при использовании трех ступеней;
   -- увеличение числа ступеней приводит к увеличению дальности хода подводных ракет только в тех случаях, когда отсеки полезного груза и отсеки с соплами составляют малые доли общего объема ракеты;
   -- увеличение числа ступеней приводит к уменьшению дальности хода подводных ракет в тех случаях, когда отсеки полезного груза и отсеки с соплами составляют большие доли объемов ракет;
   -- подводные ракеты с числом ступеней большим, чем две, вряд ли найдут практическое применение.
  
   § 7.2. Применение твердых топлив в подводных ракетах
   В отличие от ранее рассмотренной схемы, продукты сгорания твердотопливных ракет не могут быть полностью сконденсированы.
   Отношение массы транспортируемых компонентов топлива к общей массе торпеды обычно не превосходит 0,5 и часто бывает ниже, в ракетах же такое отношение обычно превышает 0,9. Практически это значит, что общая масса торпеды относительно независима от типа используемого топлива. Следовательно, масса топлива не оказывает определяющего влияния ни на пропульсивные качества торпеды, ни на обслуживание торпеды на корабле.
   Рассмотрим сначала основные соотношения между конструкцией подводной ракеты и ее пропульсивным кпд при движении с постоянной скоростью. Примем, что габариты ракеты и ракетного двигателя остаются постоянными на всей дистанции хода. В этом случае лобовое сопротивление при движении ракеты
   0x01 graphic
(7.8.)
   где СD -- коэффициент лобового сопротивления;
   ?w -- плотность воды;
   V -- скорость подводной ракеты;
   А -- характерная площадь (площадь миделевого сечения подводной ракеты)
   и тяга, создаваемая ракетным двигателем,
   0x01 graphic
(7.9.)
   Где Iуд -- удельный импульс;
   m -- скорость потока массы, расход массы (массовый расход).
   При постоянной тяге, создаваемой ракетным двигателем,
   0x01 graphic
(7.10.)
   где tb -- время горения топливной шашки;
   Wp -- масса топливной шашки
   При постоянной скорости тяга равна сопротивлению:
   F=D (7.11)
   Произведя несложные преобразования с выражениями (7.8) -- (7.10) и полагая CD = const, получим
   0x01 graphic
, или 0x01 graphic
(7.12)
   где 0x01 graphic
,
   Подставляя в (7.12)
   R=Vtb (7.13)
   имеем
   0x01 graphic
(7.14.)
   При Vp=Wp/?p=const получим
   0x01 graphic
(7.15.)
   Как следует из уравнения (7.15), в ракетной энергетической установке с постоянными размерами желательно применять топлива с высоким импульсом плотности Iуд?р а в случаях, когда требуются большие дистанции, необходимо оптимизировать конструкцию установки по критерию tb=tbmax
   Определим скорость подводной ракеты. Из выражений (7.14) и (7.15) следует, что
   0x01 graphic
, или0x01 graphic
0x01 graphic
(7.16)
   Для ракетных двигателей на твердом топливе возможны высокие значения отношения F/A при высоких давлениях в камере сгорания. Так, расчетное значение F/A=2631 кН/м2 может быть получено для ракетного сопла с оптимальным коэффициентом расширения подводной ракеты, движущейся на глубине 61 м, при давлении в камере сгорания 13,8 мН/ма и площади выходного среза сопла, равной половине площади миделевого сечения корпуса ракеты. При умеренном значении коэффициента лобового сопротивления CD=0,1 максимальная скорость ракеты будет порядка 440 уз (226,46 м/с). Однако при этом дальность хода, обратно пропорциональная корню квадратному из скорости, чрезвычайно мала.
   Следует отметить, что за исключением хода на большой глубине при таких скоростях ракеты режим обтекания корпуса характеризуется развитой кавитацией, а это настолько затрудняет управление ракетой, что в ряде случаев управление с помощью обычных вертикальных и горизонтальных рулей становится невозможным.
   Для ракеты пропульсивный кпд
   0x01 graphic
(7.17.)
   Для подводной ракеты на высокоэффективном твердом топливе, движущейся с различными скоростями при отношении давлений 20 : 1 и постоянной скорости потока на срезе сопла 2040 м/с, значения ?p=?(V)приведены на рис. 13. Как видно из рисунка, для повышения ?р желательно максимально увеличивать скорость движения подводной ракеты.
   0x01 graphic
   Рис 13. График зависимости пропульсивного кпд от скорости типового подводного аппарата с ракетным двигателем твердого топлива.
  
   В неуправляемой переутяжеленной подводной ракете время действия тяги двигателя, за которое она должна набрать полную скорость, очень мало. Однако, если для создания тяги использовать только маршевый двигатель, то, как показано на рис. 14, этот интервал времени для некоторых ракет может быть растянут до нескольких секунд. Поэтому для улучшения управления ракетой и сокращения времени старта желательно вводить в конструкцию дополнительную стартовую ступень.
   0x01 graphic
   Рис 14. График (расчетный) переходного процесса при наборе скорости подводным аппаратом при запуске его на глубине 61 м без использования стартовой ступени при постоянной тяге 3 кН
  
   Требования к полному импульсу стартовой ступени могут быть определены в предположении, что тяга маршевого двигателя пренебрежимо мала по сравнению с тягой двигателя стартовой ступени, импульс сопротивления 0x01 graphic
пренебрежимо мал в стартовом периоде и масса топлива стартовой ступени достаточно мала по сравнению с общей массой подводной ракеты. С учетом этого имеем
   0x01 graphic
(7.18)
   0x01 graphic
(7.19)
   Поскольку
   0x01 graphic
(7.20)
   то
   0x01 graphic
(7.21)
   Уравнение (7.21) может быть использовано для определения массы топлива стартовых ступеней подводных ракет. Несмотря на то, что допустимое время горения топлива в двигателе стартовой ступени зависит от общих требований к подводной ракете, это время, как правило, мало, порядка 0,1 с. При таком времени горения все ранее принятые допущения сохраняют свою силу.
   Основные соотношения для ракетного двигателя.
   Тяга ракетного двигателя, давление в камере сгорания, площадь критического сечения сопла, коэффициент расширения сопла и удельный импульс связаны между собой с помощью следующих соотношений:
   0x01 graphic
(7.22.)
   0x01 graphic
(7.23.)
   0x01 graphic
(7.24.)
   а значения Cf и Iуд определяются по таблицам.
   На основании этих соотношений и табличных данных были построены графики зависимости коэффициента тяги от рабочей глубины для различных давлений в камере сгорания (рис. 15).
   0x01 graphic
   Рис. 15. Графики зависимости коэффициента тягиа Gf от глубины погружения подводного аппарата H при различных давлениях Рс в камере сгорания.
   Коэффициенты расширения сопла оптимальны для всех точек кривых, коэффициент y -- 1.2
  
   В рассматриваемом случае теоретические значения коэффициента тяги были вычислены при оптимальных коэффициентах расширения сопла и отношении удельных теплоемкостей, равном 1,2. Как следует из графиков, приведенных на рис. 13, 14, на больших глубинах необходимо высокое давление в камере сгорания, так как оно позволяет иметь небольшие сечения проходных каналов в шашках с радиальным горением, приводит к утолщению оболочки двигателя и изоляции, а также увеличивает напряжение в топливных шашках с наружной бронировкой.
   Конструкции топливных шашек. В ракете на твердом топливе массовый расход зависит от геометрии заряда и скорости его горения. На рис. 16. показаны четыре геометрические формы шашек твердого топлива. На этих схемах отмечены участки заряда, где сосредоточиваются несгоревшие остатки топлива. Кроме того, показаны типовые схемы тепловой изоляции оболочки ракеты для зарядов с радиальной и торцевой поверхностями горения.
   0x01 graphic
   Рис. 16. Различные (типовые) геометрические формы шашек твердого топлива для ракет а -- вагонное колесо"; б -- "звезда"; в -- трубчатая шашка радиального горения с продольными каналами; г -- шашка с торцевым горением.
   1 -- отростки, остающиеся после прогара шашки, 2 -- изоляция, 3 -- концевой отросток или вкладыш распорка
  
   В табл. 2 приведен практический диапазон значений боковых толщин W и коэффициенты заполнения поперечного сечения топливных шашек с так называемой нейтральной конфигурацией, т. е. обеспечивающей постоянную поверхность горения в течение всего периода горения. Конфигурации типа "вагонное колесо" или "звезда" более всего пригодны для топливных шашек стартовых двигателей, т. е. для шашек с кратковременным процессом горения. Трубчатая шашка с продольными каналами и малой скоростью горения может быть использована в маршевых двигателях со сравнительно непродолжительным временем работы.
   Таблица 2. Характеристики основных типов топливных шашек различной геометрии

Тип шашки

Относительная толщина W/R

Коэффициент заполнения заряда ?, %

примечания

"вагонное колесо"

0,1 - 0,3

40 - 90

Минимальная толщина боковой стенки. Шашки этого типа пригодны для кратковременного горения. Образуются участки несгоревшего топлива.

Звезда

0,25 - 0,50

50 - 95

Шашки этого типа пригодны для стартовых двигателей или для маршевых двигателей малой продолжительности работы. Образуются участки несгоревшего топлива.

Трубчатая радиального горения с продольными каналами

0,3 - 0,8

50 - 96

Максимальная толщина боковой стенки. В местах продольных каналов требуется изоляция.

С торцевым горением

1 - 20

100*

Пригодна только для маршевых двигателей; требуется изоляция.

   * Эффективная площадь шашки с торцевым горением меньше 100% из-за наличия периферийной изоляции
  
   В тех случаях, когда требуется продолжительная работа ракетного двигателя, применяются топливные шашки с торцевым горением, несмотря на то, что их применение приводит к наибольшему продольному смещению центра тяжести ракеты.
   В настоящее время имеется большое количество разнообразных твердых топлив с различными сочетаниями таких свойств, как скорость горения, величина удельного импульса, плотность и т. п. Для простоты рассмотрим следующие три класса подобных топлив (табл. 3.):
   1) смесевые твердые топлива на основе алюминия с перхлоратом аммония и различными добавками типа полибутадиена, полиуретана или с двухосновными связками с катализаторами для получения соответствующих скоростей горения;
   2) твердые топлива высокой плотности на основе перхлората аммония и добавок тяжелых металлов, таких как вольфрам или цирконий с полибутадиеновыми связками;
   3) твердые топлива на основе нитрата аммония и (или) перхлората аммония с гидрокарбоновыми связками, которые могут содержать алюминий.
  
   Таблица 3. Характеристики топлив.
   Характеристика топлив
   Смесевые топлива на основе алюминия с перхлоратом аммония и полибутадиеном, полиуретаном или на двухосновных связках
   Топлива высокой плотности на основе тяжелого металла, перхлората аммония и углеводородной связки
   Топлива на основе нитрата аммония с перхлоратом аммония (или без него), алюминия и углеводородных связок.
   Скорость горения при давлении 6895кН/м2, м/с
   0,0051 - 0,0077
   0,0064 - 0,0127
   0,0013 - 0,0025
   Показатель степени скорости горения
   0,2 - 0,7
   0,15 - 0,35
   0,5 - 0,6
   Теоретическое значение удельного импульса при давлении 101 - 6695 кН/м2, Нс/кг
   2550 - 2618
   2206 - 2304
   1667 - 1961
   Плотность топлива, кг/м3
   (0,17 - 0,18) 10-4
   (0,19 - 0,24)10-4
   (0,146 - 0,155) 10-6
   Температура горения, К
   3143 - 3585
   3143 - 3641
   1365 - 2198
   Теоретическое значение удельного импульса плотности, кНс/м3
   4316 - 4611
   4415 - 5297
   2453 - 2943
  
   Наивысшие значения удельных импульсов у твердых топлив имеют топливные смеси на основе алюминия, которые отличаются чрезвычайно широким диапазоном скоростей горения. Это обстоятельство отражено на графиках рис. 17, которые показывают приближенные значения скоростей горения, которые могут быть реализованы при различных значениях удельных импульсов.
   0x01 graphic
   Рис. 17. Примерная область скоростей горения Vr и удельных импульсов I уд для смесевых алюминизированных твердых топлив.
   Скорости горения взяты при давлении в камере сгорания 690 кН/м3, а значения удельных импульсов при перепаде давлении от 60 до 0 кН/м.
  
   Как видно из табл. 4, топлива с высокой плотностью имеют наивысшие значения теоретических импульсов плотности Iуд?p Высокие значения импульсов плотности более существенны для подводных ракет, поскольку для воздушных ракет величина импульса плотности Iудрpn при n < 1 служит критерием качества ракеты в целом. Смесевые топлива на основе нитрата аммония имеют самую низкую скорость горения, следовательно, позволяют получить наибольшую длительность процесса горения. Преимуществом низких скоростей горения является также возможность изготовления шашек с внутренним радиальным горением. Для сравнения характеристик подводных ракет, использующих эти топлива, и иллюстрации их возможностей при варьировании скорости горения в шашках различной конфигурации рассмотрим две ракеты. Первая ракета изображенная на рис. 19, имеет топливную шашку торцевого горения, вторая (рис. 20) -- топливную шашку с внутренним радиальным горением (форма шашки -- труба с продольными каналами).
   0x01 graphic
   Рис. 18. Общий вид (конструктивная схема) подводной ракеты с шашкой твердого топлива торцевого горения (объект I).
   1 -- шашка маршевого двигателя; 2 -- изоляция; 3 -- заряды твердого топлива; 4 -- труба для отвода газов, 5 -- стартовая шашка, 6 -- сопло маршевого двигателя, 7 -- сопло стартового двигателя.
   0x01 graphic
   Рис. 19. Расчетные зависимости дальности хода D объекта I на глубине Н = -- 61 м от скорости V для трех типов твердого топлива при длине шашки 0,914 м.
   / _ торцевое горение; 2 -- внутреннее радиальное горение.
   -- -- -- -- топливо на основе нитрата аммония,
   -------- -- алюминизированное топливо;
  -- топливо высокой плотности
  
   0x01 graphic
   Рис. 20. Общий вид (конструктивная схема) подводной ракеты с шашкой твердого топлива внутреннего радиального горения (объект II).
   1 - шашка маршевого двигателя; 2 - изоляция; 3 -- заряды твердого топлива; 4 -шашка стартового двигателя.
  
   Скорости подводных ракет и их дальности определялись в диапазоне скоростей горения для каждого типа топлива. Для шашки торцевого горения толщина слоя изоляции равна 0,0064 м, для шашки с внутренним радиальным горением 0,0013 м. В последнем случае все внутренние диаметры шашки были приняты равными 0,2 диаметра шашки. Расчеты производились при постоянном значении коэффициента тяги, расширении от давления в камере сгорания 13 789,52 кН/м2 до давления (на срезе сопла) 713,608 кН/м2 и при глубине хода 61 м. Величины удельных импульсов составляли 92% средних значений импульсов, приведенных в табл. 4.
   Из графиков, приведенных на рис. 19 и 21, следует, что топливо высокой плотности лишь незначительно повышает характеристики ракеты по сравнению с более распространенной топливной смесью на основе алюминия, применение которой позволяет получать в широком диапазоне различные сочетания скоростей и дальностей хода. Кроме того, ракеты показывают, что применение топлив на основе нитратов аммония для ракет диаметром 0,254 м с внутренним радиальным горением ограничивает скорость до 80 уз.
   0x01 graphic
   Рис. 21. Расчетные зависимости дальности хода D объекта II на глубине Н = 61 м от скорости V для трех типов твердого топлива при длине шашки 2,540 м.
   ; _ торцевое горение; 2 -- внутреннее радиальное горение -- -- -- -- -- топливо на основе нитрата аммония, ---------- алюминизированное топливо, -------- -------- -- топливо высокой плотности.
  
   Краткая характеристика ракет. Рассмотрим конструктивные схемы двух подводных ракет, изображенных на рис. 18 и 20.
   Первая ракета диаметром 0,152 м имеет шашку торцевого горения и спроектирована для скорости 100 уз на глубине 61 м при давлении в камерах сгорания маршевого и стартового двигателей 13 790 кН/м2.
   Вторая ракета диаметром 0,254 м имеет шашку с внутренним радиальным горением и спроектирована для скорости 200 уз на глубине 305 м при давлении в камере сгорания 20 684 кН/м2.
   Расчеты производились без учета требований, связанных с обеспечением устойчивости и управляемости движения ракеты.
   Однако в расчетах не производилась оптимизация давления в камере сгорания, формы обводов корпуса и т. п. Отношение давлений при расширении газов в сопле было выбрано таким, что давление газов на срезе сопла соответствовало гидростатическому давлению на расчетной глубине.
   Поскольку рассмотренные выше подводные ракеты могут эксплуатироваться не только на расчетных глубинах, то их характеристики рассчитаны и для других глубин. Результаты этих расчетов представлены в виде графиков на рис. 22 и 23, откуда видно, что при умеренном возрастании глубины хода расчетные значения дальности и скорости ракет плавно уменьшаются.
   0x01 graphic
   Рис. 22. Расчетные зависимости дальности D и скорости V объекта I от глубины хода R.
   1 -- скорость V; 2 -- дальность D; 3 -- проектная (расчетная) глубина Н.
   0x01 graphic
   Рис. 23. Расчетные зависимости дальности D и скорости V объекта II от глубины хода Н.
   1 -- скорость V; 2 -- дальность D; 3 -- проектная(расчетная) глубина
  
  
   На рис. 24. приведены расчетные кривые смещения центров тяжести для двух рассматриваемых типов ракет. Небольшой изгиб этих кривых в стартовый период свидетельствует о смещении центра тяжести при старте, т. е. после сгорания стартовой шашки. Графики рис. 24 показывают также типовой характер смещения центра тяжести ракеты с шашкой торцевого горения и ракеты с шашкой внутреннего радиального горения.
   0x01 graphic
   Рис. 24.Расчетные значения изменения положения центра масс объекта по мере выгорания шашки.
   х -- расстояние от кормового среза объекта до центра масс; L -- длина объекта 1 -- торцевое горение (объект I); 2 -- внутреннее радиальное горение (объект II)
  
   Заключение.
   Величина плотности топлива и его удельный импульс одинаково важны для подводных ракет. Алюминизированные смесевые топлива с высокими скоростями горения более предпочтительны для топливных шашек торцевого горения; шашки из топлива с низкими скоростями горения должны иметь форму трубы с продольными каналами и использоваться в ракетах со сравнительно коротким временем горения заряда. Подводные ракеты, работающие на топливах с высокими импульсами плотности, имеют более высокие характеристики по сравнению с ракетами на алюминизированной топливной смеси. Однако даже если бы и не были созданы составы, в которых скорость горения изменяется в широких пределах, топлива с высокими импульсами плотности все равно получили бы меньшее распространение по сравнению с алюминизированными топливными смесями. Конструкции шашек с тонкими боковыми ребрами (стенками), как, например, в звездообразной шашке с внутренним радиальным горением, пригодны лишь для очень короткого времени горения, поэтому их целесообразно применять в стартовых двигателях.
  
   § 7.3. Гидрореагирующее горючее для торпедных энергетических установок.
   Известно, что химические топлива, в которых в качестве горючего используются определенные металлы, а в качестве окислителя -- растворяющей и охлаждающей жидкости --морская вода, представляются наиболее эффективными для тепловых энергетических установок подводных аппаратов. Необходимость использования металлических горючих обусловлена тем, что только эти типы горючих обеспечивают значительное выделение энергии при химической реакции с водой.
   Энергетические установки, использующие в качестве окислителя забортную морскую воду, имеют такие же преимущества, как у воздушно-реактивных установок над ракетами, в которых необходимо размещать на борту не только горючее, но и окислитель. Сравнивая между собой установки, работающие на воде и на воздухе, и отмечая при этом, что воду относительно легко подавать насосом, а подача воздуха связана с использованием сложных механических элементов, специальных впускных устройств и достаточно крупных по габаритам внутренних трактов, можно сделать вывод, что энергетические установки, использующие воду в качестве окислителя, представляются более пригодными для успешной эксплуатации.
   Особенность установок, работающих на морской воде, состоит в том, что по мере увеличения глубины погружения подводного аппарата возрастает гидростатическое давление окружающей среды благодаря значительно большей плотности воды по сравнению с воздухом. А рост глубины погружения приводит к уменьшению кпд двигателя энергетической установки открытого цикла за счет уменьшения отношения давлений рабочего цикла, если не будут приняты специальные меры.
   Одна из таких мер -- использование эжектора, который позволяет уменьшить давление на выхлопе двигателя (до некоторой постоянной величины независимо от забортного давления). Однако эжектор может быть использован только в такой установке, в которой продукты сгорания топлива не содержат газы, нерастворимые в воде. Для рассматриваемых установок, работающих на топливах типа металл--вода, использовать эжектор невозможно, так как продукты сгорания таких топлив содержат газообразный водород.
   Другая мера -- использование замкнутого цикла работы двигателя, в котором продукты сгорания отдают свою тепловую энергию некоторой промежуточной рабочей среде, т. е. рабочему телу двигателя. Поскольку замкнутый контур с рабочим телом не связан с забортным давлением, то характеристики установки в целом не зависят от глубины погружения подводного аппарата. Влияние возрастающего с глубиной забортного давления в установках открытого цикла может быть уменьшено за счет создания постоянного отношения давлений продуктов сгорания на входе в двигатель даже на очень большой глубине.
   Другие трудности при создании энергетических установок, работающих на забортной воде, следующие: сравнительно медленная реакция воды с металлами при нормальных условиях, по крайней мере с теми, которые обеспечивают аппарату наивысшие удельные характеристики, и хранение металлов в нормальных условиях в твердом состоянии, что также уменьшает их способность вступать в реакцию с водой.
   Необходимо также отметить, что подача металлов в камеру сгорания не может быть выполнена с помощью обычных средств, особенно в тех случаях, когда одновременно требуется обеспечить эффективное использование объема под горючее и оптимизировать условия реакции горючего с водой.
   Получение максимальных дальностей хода торпед, движущихся с заданными скоростями, теоретически обеспечивается при реакции с водой металлических горючих: бериллия, бора, алюминия и циркония. Эти металлы приведены в том порядке, в каком убывают их энергетические характеристики.
   Литий и натрий.
   Металлический натрий плавится при температуре 371 К и интенсивно реагирует с водой даже при комнатной температуре. Металлический литий плавится при температуре 459 К и более спокойно реагирует с водой при комнатной температуре.
   Хотя расплавленный литий достаточно быстро реагирует с водой, все же скорость его реакции меньше, чем у расплавленного натрия.
   В некоторых работах были сделаны соответствующие термодинамические расчеты реакций этих металлов с водой и выполнен анализ влияния впрыска избыточного количества воды на понижение температуры воспламенения и увеличение массы рабочего тела на основе следующих общих уравнений:
   2Nа(ж) + (п + 2) Н20(ж) ? 2NаОН(ж) + Н2 {г) + nН2О(г);
   2Li) +(n + 2)H2 О(ж) ?2LiOH(ж) + Н2 (Г)+nН2О(Г),
   где индексами "ж" и "г" обозначены соответственно жидкость и газ.
   На рис. 25 приведена зависимость температуры в камере сгорания Тс и температуры на выхлопе ТЁ продуктов сгорания при их расширении от давления 2070 кН/м2 до атмосферного от различных массовых отношений воды к литию. Горизонтальные участки на этих графиках свидетельствуют о наличии областей, где существует равновесие между двумя различными формами продуктов реакции. Например, участок в районе массовых отношений 4--5 означает равновесие между окисью лития и гидратом окиси лития, небольшие горизонтальные участки в районе массовых отношений 8--10 свидетельствуют о плавлении твердого гидрата окиси лития до жидкого состояния при температуре 735 К. При массовых отношениях более 12--13 имеющееся количество теплоты недостаточно для испарения всей воды, поэтому в продуктах реакции существует область равновесия между водой и ее парами.
   0x01 graphic
   Рис. 25. Зависимость температур в камере сгорания Тс и на выхлопе Те от отношения массы воды к массе лития ?.
  
   На рис. 26 приведены зависимости параметров газогенератора, рассчитанные по падению энтальпии между температурами графика на рис. 27. Максимальная удельная энергия Еуд ** образуется при весьма высоком массовом отношении (примерно 9 кг воды на 1 кг лития) и температуре горения около 850 К.
   0x01 graphic
   Рис 26 Зависимость параметров газогенератора (удельной энергии Еуд, измеренной скорости потока с и теоретической скорости потока с*) от отношения массы воды к массе лития ?.
   0x01 graphic
   Рис. 27. Зависимость температур в камере сгорания Тс и на выхлопе ТЕ от отношения массы воды к массе натрия ?.
  
   На рис. 23 и 28 представлены результаты аналогичных расчетов для топлива на основе натрий --вода. Максимальная удельная энергия образуется при массовом отношении около 2 и температуре горения около 850 К. Второй максимум удельной энергии при массовом отношении 5 свидетельствует о выделении теплоты в растворенном гидрате окиси натрия, которое происходит тогда, когда вода (жидкость) присутствует в продуктах реакции. Пунктирными линиями на рис. 26 показаны графики удельной энергии для случая, когда этой теплотой растворения пренебрегают. Топливо на основе лития дает в пять раз больше энергии на 1 кг горючего, чем топливо на основе натрия. Для турбины, имеющей кпд 50% при степени расширения рабочего тела 20/1, топливо литий--вода имеет удельный расход по отношению к мощности на выходном валу, равный 0,912 кг/(кВт-ч), а топливо натрий--вода при прочих равных условиях -- 4,621 кг/(кВт-ч). Поэтому литий как горючее имеет ряд преимуществ по сравнению с натрием. Тем не менее, натрий имеет ряд преимуществ, как то его меньшая стоимость, более низкая температура плавления, более высокая степень реагирования, а также сходства его свойств со свойствами лития.
   0x01 graphic
   Рис. 28. Зависимость параметров газогенератора (удельной энергии ЕуД, измеренной скорости потока с и теоретической скорости потока с*) от отношения массы воды к массе натрия ?.
  
   Форсунки со сталкивающимися струями компонентов топлива обеспечивают полноту сгорания порядка 80%, которая определялась по отношению измеренной скорости потока к теоретической характеристической скорости с*. Форсунка, распыляющая горючее в виде конусообразной полой струи непосредственно в пелену из водяных струй, позволяла получать скорость потока, равную примерно 90% от с.
   При создании дополнительного потока распыленной воды во встречном направлении, который применялся для работы камеры сгорания на литии, полнота сгорания возрастала до 95%.
   0x01 graphic
   Рис. 29. Многоструйный инжектор для гидрореагирующего горючего.
   0x01 graphic
   Рис. 30. Газогенератор для установки, работающей на топливе литий--вода с подачей распыленной воды в противоток.
   1 -- опорная плата; 2 -- вихревая камера; 3 -- первичная камера сгорания; 4 -- вторичная камера сгорания; 5 -- переходное кольцо; ? -- молибденовый вкладыш; 7 -- молибденовая перегородка; 8 -- блок с четырьмя соплами; 9 -- узел струи противотока; 10 -- входной патрубок подачи воды; 11 -- обтекатель; 12 -- струя воды противотока (сплошной конус); 13 -- струя горючего (полый конус); 14 -- отверстия для прохода воды; 15 -- входной патрубок горючего; 16 -- инжектор горючего.
  
   Заключение.
   Рассмотренные топлива на основе легких металлов имеют некоторые недостатки, к которым относятся: необходимость предварительного разогрева горючего, наличие твердой фазы в продуктах сгорания, низкая плотность горючего, снижающая удельные энергетические показатели горючего по объему. Однако в тех случаях, когда в проектируемых установках первостепенное значение имеет удельный расход горючего, эти недостатки, вероятно, будут рассматриваться как допустимые, а в результате применения именно расплавленного лития может быть создана энергетическая установка, обеспечивающая торпеде высокие пропульсивные свойства.
   Топливо алюминий -- морская вода.
   С практической точки зрения наиболее перспективным по применению в качестве торпедного горючего является алюминий, поскольку он безопасен в обращении, имеется в большом количестве и недорог.
   На рис. 31 приведена конструктивная схема энергетической установки подводного снаряда, позволяющая оценить взаимосвязь между компоновкой горючего, способом его подачи в камеру сгорания и особенностями процесса горения при впрыске морской воды.
   0x01 graphic
   Рис. 31. Схема установки на топливе алюминий--морская вода.
   1 -- пространство для размещения резервного горючего; 2 -- трубопровод для вытесняющей воды; 3 -- трубопровод для протяжки кабеля; 4 -- зона расплавления; 5 -- отверстие для подвода воды; 6 -- водяной насос; 7 -- гребной вал; 8 -- зубчатая передача (редуктор); 9 -- выхлопной патрубок турбины; 10 -- турбинный двигатель; 11 -- спиральный теплообменник (парогенератор); 12 -- камера сгорания; 13 -- зона выдавливания (вытеснения) алюминия; 14 -- алюминиевые пластины (горючее); 15 -- поршень
  
   Средством минимизации падения кпд установки открытого цикла при увеличении глубины погружения является режим работы с очень высоким абсолютным давлением рабочего тела на входе в двигатель порядка 100 мН/м2. Алюминий размещается в отсеке, представляющем собой резервуар высокого давления, наружная стенка которого служит оболочкой торпеды. Алюминий нагнетается в камеру сгорания под давлением забортной воды, которая подается по трубопроводу, проходящему через алюминиевую шашку в переднюю часть отсека горючего. Камера сгорания, где происходит реакция алюминия с водой, выполнена как одно целое с корпусом отсека горючего, и является его кормовой оконечностью, передняя часть которой соприкасается с горючим.
   В установившемся режиме теплота передается от камеры сгорания к горючему в зоне контакта для образования расплавленного алюминия, который затем в жидком виде поступает в камеру сгорания.
   Для обеспечения нормального процесса горения необходимо, чтобы большая часть теплоты, идущей от камеры сгорания к горючему передавалась бы вблизи контактной площадки и не расходовалась на нагрев всей массы алюминия. Однако желательна также передача теплоты и в радиальном направлении от контактной площадки. Горючее для обеспечения такого процесса теплопередачи представляет собой набор тонких контурных пластин, плотно упакованных в многослойный блок, общая плотность которого близка к плотности сплошного металла. При такой конструкции блока поток теплоты в осевом направлении уменьшается из-за наличия изолирующего слоя окиси алюминия на поверхностях пластин, а радиальный поток теплоты сохраняется постоянным.
   Из-за меньшей теплопроводности пластин в осевом направлении местное расплавление алюминия не передает теплоту основной массе горючего, а из-за постоянной теплопроводности пластин в радиальном направлении их внешние части, центры которых находятся в контакте с горячей камерой сгорания, испытывают значительный нагрев. Постоянная теплопроводность в радиальном направлении, а следовательно, и значительный разогрев пластин приводят к уменьшению их прочности на разрыв по кромкам.
   В результате внутреннее давление порядка 100 мН/м2 оказывается достаточным для выдавливания жидкого алюминия в камеру сгорания. Таким образом, в установившемся режиме расплавленный металл, который впрыскивается в камеру сгорания, постоянно заменяется новым количеством алюминия из расплава за счет осевого перемещения блока в целом и поступления жидкого алюминия в радиальном направлении.
   Предполагается, что реализация впрыска минимального количества жидкого алюминия не будет связана с какими-либо особыми затруднениями. Однако при выдавливании жидкого алюминия в камеру сгорания возникают осложнения, вызванные увеличением прочности металла на растяжение, скорости выдавливания, отношения приведенных площадей и поверхности трения.
   Прочность на разрыв, которая определяет минимальное давление выдавливания жидкого алюминия, равна --13,8 мН/м2, а минимальная расчетная температура на периферии пластин составляет 670 К; требуемая скорость выдавливания алюминия 0,76 мм/с и расчетное уменьшение площади от начальной до площади местного расплава около 10. При этих условиях и без учета трения давление выдавливания будет менее чем 34,5 мН/м2.
   Давление выдавливания с учетом сил трения не должно превышать возможное избыточное давление порядка 70 мН/м2. Учет сопротивления трения вдоль блока пластин алюминия не вызывает трудностей, так как по мере удаления от камеры сгорания разогрев металла уменьшается, его прочность приближается к номинальной и радиальное расширение отсутствует.
   Поскольку расплавленный алюминий поступает в камеру сгорания в виде жидкости, то могут быть выбраны оптимальные схемы впрыска для получения эффективной химической реакции. Следует также отметить, что расплавленный металл значительно быстрее вступает в реакцию, чем твердый. Однако можно полагать, что разработка эффективной камеры сгорания для топлива алюминий--вода станет главной проблемой при создании торпедных установок нового типа. По этой причине в камере сгорания (см. рис. 31) часть воды, которая поступает в стехиометрическом соотношении с алюминием, также подогревается при прохождении через плоский спиральный теплообменник до состояния пара для повышения скорости реакции воды с алюминием. Плоский теплообменник делит камеру сгорания на переднюю зону, где происходит стехиометрическая реакция с высокой температурой, которая используется для расплава очередной порции алюминия с помощью теплопередачи через заднюю стенку камеры, и заднюю зону, где впрыскиваемая вода разбавляет продукты сгорания, охлаждая их до более низкой температуры в соответствии с требованиями прочности, предъявляемыми к двигателю.
   Для образования расплава алюминия теплопередача через стенку камеры сгорания должна быть такой, чтобы температура горючего поднялась до 950 К Расчеты параметров необходимого теплового потока были проведены применительно к переднему торцу камеры сгорания, стенка которого изготовлена из молибденового сплава, содержащего 5% титана, и имела двустороннее графитовое покрытие. Поскольку точное определение коэффициента теплопроводности графитной пленки внутри горячей части камеры сгорания было невозможно из-за попадания в нее расплавленной окиси алюминия А12О3, газообразного водорода и некоторой части непрореагировавшего металла, то расчет был выполнен по крайним точкам разброса экспериментальных данных, на основании которых возможный диапазон температур в камере сгорания составил 6300--7200 К. Указанные температуры ниже, чем теоретическая стехиометрическая, потому что, как видно из рис. 32, температура реакции алюминий--вода 10 800 К.
   0x01 graphic
   Рис. 32. Зависимость теоретической температуры горения в установке на топливе алюминий--морская вода от числа молей воды ?.
  
   Для организации процесса горения используется небольшое количество твердого ракетного топлива. Теплота, полученная при сгорании этого топлива, приводит к повышению температуры, в результате чего алюминий плавится, а газообразные продукты сгорания начинают обеспечивать запуск двигателя и связанных с ним насосов системы, подачи воды.
   Поскольку дальность хода торпеды пропорциональна объему транспортируемого топлива, то толщина стенки отсека горючего выбирается минимальной за счет применения металла высокой прочности Толщина донышек отсека горючего практически не влияет на объем, отводимый под горючее. Так как заднее донышко подвергается нагреву, то его изготовляют из специальных материалов, например из молибденового сплава, содержащего 5% титана, толщиной до 63,5 мм.
   При расчете свойств газообразного рабочего тела предполагался равновесный состав твердых частиц А12О3. Поскольку для выполнения этого допущения необходимы твердые частицы очень малых размеров, то при проектировании камеры сгорания учет этого обстоятельства следует рассматривать как основную задачу.
   Наличие твердых частиц в газообразном рабочем теле может привести к серьезным последствиям, главным образом в турбине -- вызвать засорение сопел и эрозию рабочих лопаток. (Турбина может играть и вспомогательную роль как элемент ТНА для подачи воды.)
   Обычная энергетическая установка
   В обычной энергетической установке значительная часть мощности турбины расходуется на нагнетание воды под высоким давлением. Затраты мощности на привод водяного насоса возрастают по мере повышения рабочего давления в установке, что, в свою очередь, приводит к увеличению выходной мощности на валу двигателя. А при максимальной выходной мощности на валу двигателя рабочее давление в установке также достигает своего максимального значения. Этот факт отражен на графиках рис. 33, которые получены [3] на основе приближенных расчетов с кпд турбины, равным 55%, кпд водяного насоса, равным 70% и давлении 103,5 мН/м2.
   0x01 graphic
   Рис. 33. Зависимость удельной выходной мощности установки на топливе алюминий--морская вода от давления (избыточного) в камере сгорания Р0 на различных глубинах.
  
   Расчетная температура горения достигается при соотношении молей компонентов топлива как 2А1 к 10,8 Н2О. На рис. 34 приведен график изоэнтропического изменения энтальпии при расширении продуктов сгорания топлива от давления 103,5 мН/м2 до давления окружающей среды при различных глубинах погружения.
   0x01 graphic
   Рис. 34. График, иллюстрирующий изознтропический перепад (падение) энтальпии Е при расширении продуктов сгорания топлива алюминий--морская вода (2А1 + 10,8 Н2О) от давления 10,344 мН/м2 до давления окружающей среды на различных глубинах погружения H.
  
   Зависимость относительных дальностей хода высокоскоростной торпеды на топливе алюминий--вода и других топливах от глубины погружения приведена на рис. 35. Графики показывают, что эксплуатационные характеристики торпеды с установкой, работающей на топливе алюминий--вода, значительно превосходят характеристики торпед с установками, работающими на топливах других типов.
   0x01 graphic
   Рис. 35. Зависимость относительных дальностей хода D при высоких скоростях от глубины погружения Н для размещенных в стандартной (серийной) торпеде некоторых (избранных) установок
   1 -- на алюминии и морской воде, 2 -- на жидком металле, 3 -- комбинированная на жидком металле, 4 -- обычного типа, 5 -- с использованием пара высокой энергии по тому или иному циклу
  
   Заключение.
   Использование в торпедной турбоэнергетической установке топлива алюминий--морская вода делает возможным повысить значения характеристик торпед на умеренных глубинах в два раза и улучшить их примерно на 25% на больших глубинах.
  
   § 7.4. Определение времени затвердевания жидкой металлической частицы при горении гидрореагирующего горючего.
   При горении металлизированного гидрореагирующего горючего одной из проблем является оценка времени затвердевания жидкой металлической частицы (или частицы окиси металла). Эта оценка необходима для определения размеров КС, чтобы не допустить осаждения жидких частиц в критике камеры или попадания этих частиц на лопатки турбин.
   Расчет времени затвердевания частицы можно проводить следующим образом:
   0x01 graphic
   отсюда:
   0x01 graphic
   где 0x01 graphic
; 0x01 graphic
для Al Nu=2
   тогда 0x01 graphic
   где mме - масса частицы металла;
   ? - удельная теплота плавления металла;
   Сме - удельная теплоемкость металла;
   Ткип - температура кипения;
   Тср - средняя температура продуктов сгорания;
   ? - коэффициент теплопроводности.
   Помимо оценки времени затвердевания жидкой металлической частицы, при использовании металлизированных топлив, важной проблемой является удаление уже застывших твердых частиц из газового потока. Это необходимо, чтобы исключить попадание твердых частиц на лопатки турбины.
   Одним из способов решения этой проблемы является использование сепаратора для отделения этих частиц, другим - использование двухконтурных схем, в которых продукты сгорания нагревают в теплообменнике основное рабочее тело.
   0x01 graphic
   Рис. 36 Принципиальная схема работы сепаратора для отделения К-фазы из продуктов сгорания.
   1 - газогенератор, 2 - сепаратор, 3 - турбина.
  
  
   Приложение 1. Противолодочные и противокорабельные комплексы РФ.
   Противокорабельные торпеды.
   53-65К - 533мм,носитель - ПЛ и НК, движитель - ГТД(керосин), акустическая СН (кильв. след), масса - 2070кг, масса БЧ-307кг, скорость - 45уз. (по некоторым данным до 70),дальность 19 км, глубина хода 4-12м,глубина пуска с ПЛ-100м, разр. - Мортеплотехника
   65-76 - 650мм, носитель ПЛ, скорость 50 уз, дальность 50 км, разр. - Мортеплотехника
  
   Противолодочные и универсальные торпеды
   УЭСТ-80 - 533мм, универсальная, носитель - НК и ПЛ, движитель - электрический, акустическая СН (кильв.след) против НК, активно-пассивная СН против ПЛ, разр. - НИИГидроприбор
   СЭТ-65 (вариант с телеуправлением ТЭСТ-71М) - 533мм,носитель - НК и ПЛ, движитель - электрический
   СЭТ-40У - 406мм, носитель ПЛ и НК(МПК), движитель - электрический, активно-пассивная СН, скорость 29 уз, дальность 7,5км, глубина поражения цели 20-200м.
   СЭТ-72 - 406мм, носитель ПЛ и НК(МПК), движитель - электрический, активно-пассивная СН
   УМГТ-1 - 406мм, носитель - авиация, движитель - электрический
   АТ-2, носитель - авиация, акуст. ГСН, дальность - 10км, масса БЧ - 100кг
   УГСТ - 533мм, носитель - ПЛ, движитель - аксиально-поршневой на унитарном топливе, телеуправление по проводу до 25км (ПЛ) или акустическое СН (кильв.след), БЧ - 200кг, скорость 50уз, глубина 500м,не стоит на вооружении(была на Курске -испытания), разр. - Мортеплотехника
   Колибри - 324мм, носитель - ПЛ+НК+авиация, движитель - электрический, не стоит на вооружении
  
   Противолодочные ракеты и ракето-торпеды:
   УРК-5 Раструб (использует ракету 85Р(с торпедой Т2У (1000кг,40уз,7км)) против ПЛ и 85РУ (с торпедой УМГТ-1(700кг,41уз,8км)) против ПЛ и НК), носитель НК, инерционная+радио СН (против НК-инфракрасная), скорость - 0,95М, дальность 50км по ПЛ (90 по НК),
   РПК-6 Водопад с ракетой 86Р(SS-N-16) - 533мм - носитель ПЛ и НК, дальность 50км, вторая ступень - УМГТ-1 или АПР-3 (возможно)
   РПК-7 Ветер c ракетой 88Р - 650мм, носитель - ПЛ, дальность 100км, вторая ступень как РПК-6
   РП-6 Медведка - носитель НК, твердотопливная, масса 800кг (стартовая), длина 5500мм, дальность 1,5-20 км, вторая ступень 324мм торпеда, разр. - Московский институт теплотехники, не стоит на вооружении
   ВА-111 Шквал (М-5) - носитель ПЛ,скорость - 90-100 м/с (197уз), дальность 15 км, глубина 450м
   АПР-3 Орел - носитель - авиация, турбоводометный движитель на смесевом топливе, акустическая СН,скорость 30м/с, дальность 2км,глубина поражения цели до 800м, разр. - ГНПП Регион
   АПР-2 - носитель - авиация, инерц.+ГСН, дальность 1,5км, масса БЧ - 100кг
   [По материалам интернет-изданий, некоторые комплексы не указаны.]
   Приложение 2. Зарубежные противолодочные и противокорабельные комплексы.
   "Milas" (Missile de Lutte-Anti Sousmarine)
   Разработан фирмами "Matra Bae Dynamics" (Франция) и "Alenia Difesa" (Италия) на базе противокорабельного ракетного комплекса Отомат. Год принятия на вооружение - 1997.
   В качестве боевой части используется франко-итальянская торпеда MU-90 "Impact" (масса около 290кг, дальность хода 10км, скорость 50 узлов) или A-290 (масса 270 кг, скорость 50 узлов).
   Противолодочный комплекс "Milas" включает противокорабельные ракеты того же наименования, размещаемые в пусковых установках контейнерного типа, систему управления ракетной стрельбой, систему технического контроля, приборы подготовки пуска ракет.
   Ракета выполнена по нормальной аэродинамической схеме, имеет цилиндрический корпус со складывающимся крестообразным стреловидным крылом и четырьмя стреловидными аэродинамическими рулями.
   Двигательная установка ракеты представляет собой маршевый турбореактивный двигатель от ракеты "Otomat" и два твердотопливных стартовых ускорителя, которые после сгорания отделяются от ракеты.
   Крейсерский полет при скорости М=0.9 обеспечивается турбореактивным двигателем и происходит на высоте 200м. Инерциальная система наведения обеспечивает возможность доворота ракеты в плоскости стрельбы от +200R до -200R, что практически не ограничивает маневр корабля-носителя в момент пуска. Система телеуправления позволяет осуществлять коррекцию траектории полета в соответствии с новыми данными о местонахождении цели как со стреляющего корабля, так и с выносного пункта управления (вертолета или другого корабля).
   Двигатель ПЛУР работает в течение определенного периода времени, соответствующего заданной дальности стрельбы. В расчетной точке прекращается работа и производится отделение двигателя, сбрасывается аэродинамический обтекатель боевой части и раскрывается тормозной парашют, обеспечивающий безопасное приводнение торпеды в воду. Парашют снижает скорость падения торпеды до 50м/с. После вхождения в воду включается двигательная установка, торпеда погружается на заданную глубину и начинает по программе поиск цели. При ее обнаружении управление движением торпеды осуществляется системой самонаведения. [С.Лейко "Перспективный противолодочный ракетный комплекс "Милас"" , Морской сборник N2, 1992 год]
  
   Дальность максимальная
   100 км
   Дальность эффективная
   55-65 км
   Дальность минимальная
   5 км
   Диаметр корпуса ракеты
   0.46 м
   Длина ракеты
   6.0 м
   Размах крыльев
   1.35 м
   Число ступеней
   1
   Скорость полета
   270 м/с
   Максимальная высота траектории
   230 м
   Стартовый вес ракеты с торпедой
   800 кг
   Вес транспортно-пускового контейнера
   1000 кг
   Длина контейнера
   6.1 м
  
   Ikara.
   Используется для борьбы с ПЛ надводными кораблями ВМС Великобритании, Австралии и Бразилии Разработан английской фирмой "British Aerospace" и австралийской "Aerospace Technologies Australia". Год принятия на вооружение 1963, многократно модернизировался.
   Запуск ракеты, представляющей собой летательный аппарат с подфюзеляжным расположением малогабаритной противолодочной торпеды, осуществляется с помощью специально разработанного двухрежимного твердотопливного ракетного двигателя. Он обеспечивает разгон и полет на небольшой высоте (до 300 м) с дозвуковой скоростью. Корабельная автоматизированная система боевого управления (АСБУ) непрерывно выдает новые текущие данные о местонахождении стреляющего корабля, ПЛУР и цели и на основании этой информации вырабатывает команду коррекции траектории полета ракеты. Сразу после запуска ПЛУР сопровождается следящей системой, передающей управляющие сигналы на бортовой приемопередатчик.
   При подлете к месту цели срабатывают пиропатроны, отделяющие торпеду от ракеты. Торпеда приводняется с помощью парашюта, который отделяется в момент приводнения, а затем включается ее двигатель. После этого ракета продолжает полет с работающим двигателем. Уводом ее в сторону от места приводнения торпеды исключаются помехи, которые возникают при падении ракеты в воду и могут помешать системе наведения торпеды.
   В качестве боевой части ПЛУР "Ikara" могут, в принципе, использоваться малогабаритные противолодочные торпеды Mk46 (США), типов 42 (Швеция), А244 и 244/5 (Италия), но применяются, как правило, только американские модели. [К.Сергеев "Противолодочные ракетные комплексы", Зарубежное военное обозрение N7, 1989 год]
   Дальность стрельбы максимальная
   20-24 км
   Длина ракеты
   3.43 м
   Размах крыльев
   1.52 м
   Диаметр корпуса ракеты
   0.61 м
   Стартовая масса
   300-310 (без торпеды) кг
   Скорость полета
   200 м/с
  
   Asroc-VLA.
   Год принятия на вооружение 1990. Всепогодный противолодочный ракетный комплекс, предназначенный для запуска из универсальных вертикальных пусковых установок типа Мк41.
   Противолодочная ракета "Asroc-VLA" состоит из боевой части в виде малогабаритной противолодочной торпеды Mk46 и тандемно расположенного за ней твердотопливного ракетного двигателя, соединенных переходником, в котором находятся реле времени, управляющие выключением и отделением двигательного отсека, и тормозной парашют. Для обеспечения стабилизации в полете ракета снабжена стабилизаторами, расположенными на переходнике.
   Твердотопливный ракетный двигатель оснащен системой управления вектором тяги для вывода ракеты из вертикального положения после старта на баллистическую траекторию, обеспечивающую попадание в заданную точку прицеливания на поверхности моря. После старта ракета автономна и ее траектория с носителя не корректируется. Дальность стрельбы определяется временем горения твердотопливного заряда маршевого двигателя, которое вводится в реле времени перед пуском. В расчетной точке траектории отделяется маршевый двигатель и раскрывается парашют, обеспечивающий торможение и приводнение БЧ. При входе в воду происходит отделение парашюта и запуск двигателя торпеды, которая начинает поиск цели. [К.Сергеев "Противолодочные ракетные комплексы", Зарубежное военное обозрение N7, 1989 год]
   Дальность стрельбы максимальная
   14000 м
   Дальность стрельбы минимальная
   900 м
   Длина ракеты
   4.85 м
   Диаметр корпуса ракеты
   0.422 м
   Размах крыльев
   0.683 м
   Стартовая масса
   633.15 кг
   Скорость полета
   Сверхзвуковая
  
   Приложение 3. Системы наведения современных торпед
   Бывают:
      -- Пассивные акустические;
      -- Активные акустические;
      -- Самонаведение по кильватерному следу;
      -- Телеуправление по проводам.
   Пассивные акустические и самонаведение по кильватерному следу - отживающие, по причине того, что в современных условиях легко поддаются противодействию пассивных систем противоторпедной защиты. Доминирующим на Западе является комбинация активно-пассивной акустической ССН с телеуправлением, причем режим полного телеуправления на всей траектории является основным. Тем более что возможности современных лодочных БИУС позволяют сопровождать довольно значительное количество целей и наводить несколько торпед на несколько целей одновременно.
   Именно такую комбинированную систему наведения имеют Мк48 всех модификаций включая ADCAP, "Tigerfish", "Spearfish", F17, А-184, Тр62 и Тр61, все германские торпеды, японские тип 89. Только французы до сих пор отдают предпочтение торпедам без телеуправления, только с пассивными или активно-пассивными ССН. В остальных западных странах такие торпеды без телеуправления сейчас делаются только на экспорт.
   В СССР же, наоборот, долгое время основным оружием ПЛ были торпеды без телеуправления, поскольку считалось, что в условиях, когда нашим ПЛ придется действовать при сильной ПЛО противника, необходимо использовать торпеды по принципу "выстрелил и забыл", с тем, чтобы ПЛ немедленно после залпа могла совершать маневр уклонения. Поэтому советские торпеды имели либо активно-пассивную акустическую ССН (СЭТ-53, СЭТ-65, САЭТ-60), либо самонаведение по кильватерному следу (типа 65-76 и 53-65), а на УСЭТ-80 - комбинацию обеих. Однако, в итоге пришли опять к "западному" методу - внедрению телеуправления с комбинацией с активно-пассивной ССН и самонаведением по кильватерному следу в качестве резервных режимов. Именно такие торпеды (в открытой печати фигурирующие под экспортным обозначением "УГСТ") выбраны в качестве единых унифицированных для всех перспективных отечественных ПЛ 4-го поколения - как атомных (пр.885 и 955), так и неатомных (пр.677).
   Что касается системы самонаведения по кильватерному следу, то эта технология "ноу-хау" не является и блок-схему такой ССН можно найти даже в открытой печати. ВМС США еще в конце 60-х-начале 70-х гг испытывали торпеду "Freedom" с такой ССН, но отказались от принятия ее на вооружение по очевидным причинам - отсутствия у их потенциального противника такого количества надводных кораблей, которое оправдывало бы ее применение Система самонаведения по кильватерному следу применяется в комбинации с активно-пассивной акустической ССН и телеуправлением на некоторых модификациях торпед европейских стран - немецкой DM2A4, итальянской А-184 и французской F17 некоторых выпусков, шведской Тр61 Mod613. Применение же торпед только с одной системой самонаведения по кильватерному следу (вроде советских 65-76 и 53-65) в настоящее время достаточно малоэффективно по причине оснащенности кораблей вероятного противника системами противоторпедной защиты вроде SSAWS с буксируемыми ловушками "Nixie", выстреливаемыми дрейфующими отводителями и т.п. Именно в этом, судя по всему, и заключается одна из причин отказа от применения 650-мм торпед на отечественных ПЛА 4-го поколения и принятия еще в 1998 г решения о снятии таких торпед с вооружения ВМФ. [1,3,9, материалы интернет-изданий.]
   Библиографический список.
   1. Г.М. Подобрий и др. Теоретические основы торпедного оружия. ВИМО, М., 1969, 360.
   2. Г.Н.Алексеев. Основы теории энергетических установок подводных подвижных аппаратов. М. Наука, 1974, 294.
   3. Л. Грейнер. Гидродинамика и энергетика подводных аппаратов, Л-д, Судостроение, 1978, 394.
   4. Р. Д. Урик. Основы гидроакустики, Л-д, Судостроение, 1978, 446
   5. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. Справочник под ред. ак. Глушко В.П., М., ВИНИТИ, 1971 - 1976.
   6. В. Е. Алемасов, А. Ф. Дрегалин, А. П. Тишин. Теория ракетных двигателей М., Маш., 1989
   7. В. А. Башкатов, П. П. Орлов, М. И. Федосов. Гидрореактивные пропульсивные установки. "Судостроение", Ленинград, 1977.
   8. Материалы докторской диссертации В.А. Сиротко.
   Содержание.
   Введение.
   Глава 1. Из истории создания двусредных аппаратов и их двигателей.
   Глава 2. Основные понятия и Классификация пропульсивных комплексов двусредных аппаратов (ДА).
   ГЛАВА 3. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОПУЛЬСИВНЫМ УСТАНОВКАМ ДВУСРЕДНЫХ АППАРАТОВ.
   Глава 4. Общая характеристика энергосиловой установки. Взаимосвязь основных тактико-технических данных торпеды с ее энергосиловой установкой.
   ГЛАВА 5. Парогазогенератор как основной агрегат теплового двигателя пА.
   § 5.1. Физическая картина процессов, происходящих в парогазогенераторе.
   § 5.2. Математическая модель рабочего процесса в камере двигателя ПА.
   Глава 6. Механические парогазовые пропульсивные установки.
   §6.1. Особенности парогазовых торпед.
   § 6.2. Рабочий процесс парогаза в цилиндре поршневого двигателя. Индикаторная диаграмма.
   § 6.3. Золотниковая диаграмма и газораспределение.
   § 6.4. Индикаторная и эффективная мощность поршневого двигателя.
   § 6.5. Анализ основных параметров поршневого двигателя.
   § 6.6. Особенности двигателей внутреннего и смешанного сгорания
   § 6.7. Термодинамический цикл газовой турбины.
   § 6.8. Специальные циклы тепловых ДДА.
   Глава 7. Ракетные двигатели двусредных аппаратов.
   § 7.1. Особенности применения РД в качестве ДДА.
   § 7.2. Применение твердых топлив в подводных ракетах
   § 7.3. Гидрореагирующее горючее для торпедных энергетических установок.
   § 7.4. Определение времени затвердевания жидкой металлической частицы при горении гидрореагирующего горючего.
   Приложение 1. Торпедное оружие РФ.
   Приложение 2. Зарубежные противолодочные и противокорабельные комплексы.
   Приложение 3. Системы наведения современных торпед
   Библиографический список.
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
   11
  
  
  
  


Популярное на LitNet.com Е.Флат "Невеста из другого мира 2. Свет Полуночи"(Любовное фэнтези) А.Анжело "Отбор для ректора академии"(Любовное фэнтези) А.Демьянов "Горизонты развития. Адепт"(ЛитРПГ) М.Лунёва "Мигуми. По ту сторону Вселенной"(Любовное фэнтези) Д.Черепанов "Собиратель Том 3"(ЛитРПГ) Кин "Новый мир. Цель - Выжить!"(Боевая фантастика) И.Громов "Андердог"(ЛитРПГ) А.Дмитриев "Прокачаться до Живого"(ЛитРПГ) М.Атаманов "Искажающие реальность"(Боевая фантастика) А.Эванс "Проданная дракону"(Любовное фэнтези)
Хиты на ProdaMan.ru Ведьма на пенсии. Каплуненко НаталияВедьма из Ильмаса. КсенияКиан. Любовь слепа. Белая Лилия АльшерОт меня не сбежишь! Кристина ВороноваЧужая в стае. Леонида ДаниловаНевеста на уикенд. Цыпленкова ЮлияМонахиня и Оддбол. Светлана ЕрмаковаМоя другая половина. Лолита МороВальпургиева ночь. Ксения ЭшлиАртефакт для практики. Юлия Хегбом
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
С.Лыжина "Драконий пир" И.Котова "Королевская кровь.Расколотый мир" В.Неклюдов "Спираль Фибоначчи.Пилигримы спирали" В.Красников "Скиф" Н.Шумак, Т.Чернецкая "Шоколадное настроение"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"