Космические двигательные установки, страница 18

                                  (17.18)

где m_gi - начальная масса газа наддува, P_p и V_p - мгновенные давление и объем газа в топливном баке, P_g (20-40 кгс/см²) и P_i (200-400 кгс/см²) - мгновенное давление газа и начальное давление газа в баке газа наддува, соответственно; T_i - начальная температура газа (275-300 К); k - коэффициент удельной теплоемкости для газа наддува (1.40 для азота, 1.67 для гелия); R - константа газа наддува (296.8 Дж/(кг×К) для азота, 2077.3 Дж/(кг×К) для гелия).

Это уравнение не применяется к очень большим давлениям хранения, для которых коэффициент сжатия становится существенным. Более полные решения и выводы в Sutton [1986].

Мы можем оценить веса баков топлива и газа наддува, используя

(цилиндрический)                               (17.19)

и

(сферический)                                     (17.20)

где s - допустимое напряжение из табл. 11-47*, p - максимальное ожидаемое рабочее давление, r - радиус бака, t – толщина стенок бака. Как правило, мы выбираем материал, оцениваем размер бака, определяем толщину из уравнения 17-19 или 17-20, и после вычисляем вес бака, используя плотность выбранного материала. Для обычного двигателя КА вес бака будет приблизительно от 5 до 15 процентов веса топлива, в зависимости от эскизного проекта, факторов надежности и конструкционных материалов. Мы должны добавить от 20 до 30 процентов полного веса бака для элементов крепления и топливных устройств управления. См. раздел 11.6 для более детальной информации.

Мы можем оценить полный вес жидкостно-двигательной системы таким же способом, как и для твердотопливных систем, оценивая долю массы двигательной установки, которая является топливом. Жидкостные двигательные системы обычно содержат 85-93% топлива по массе с остатком, состоящим из газа наддува, двигателей, баков, жидких компонентов, трубопроводов, элементов крепления и аппаратуры. Эта доля массы топлива, впрочем, может быть значительно ниже в небольших системах. Высокие доли массы топлива обычно ассоциируют с большой загрузкой топлива и использованием композитных, намотанных баков. Эти баки изготовлены из передовых материалов, которые имеют высокую удельную прочность. Примером были бы тонкие, облицованные металлом баки, использующие обматывание высокопрочными углеродными волокнами, типа графито-эпоксидных.

Значительная часть веса в двигательных системах на холодном газе нуждается в баках высокого давления для хранения газообразного топлива. Эти системы наиболее часто появляются в задачах, требующих низкий суммарный импульс или крайнюю чувствительность к загрязнению. В этом случае мы можем оценить вес бака с помощью уравнений 17.19 и 17.20. Для примера двигательная система, которая использует азотное топливо для орбитального маневрового модуля, имеет массовую долю (отношение массы топлива к массе двигательной системы) 0.64. Тридцать пять процентов от ее сухого веса приходится на емкость азотного газа.

Проектирование двигателя требует специализированной разработки для достижения лучших характеристик, ресурса, давления в камере и коэффициента расширения. Зачастую фундамент для начальной оценки размеров могут обеспечить существующие двигатели. Размеры для компонентов (особенно клапанов), также как трубопроводов и фитингов, выводятся из требований расхода, который зависит от количества включенных двигателей и определения удельного импульса, данного в разделе 17.2. Падение давления сквозь жидкие компоненты также зависит от расхода. Распределение давления начинается с давления на входе двигателя и обрабатывается сквозь падения давления в каждом последующем компоненте до баков топлива или газа наддува.