Системы коэффициентов для оценки качества процессов в РД.

Для оценки качества протекания процессов в РД можно использовать либо коэффициенты полезного действия, оценивающие совершенство преобразования исходной энергии в полезную работу, либо коэффициенты, оценивающие потерю удельного импульса вследствие некачественного протекания процессов преобразования энергии.

Совершенство преобразования исходной энергии в полезную работу в тепловых двигателях оценивается энергетическими коэффициентами полезного действия. Располагаемая химическая энергия в ракетном двигателе преобразуется в направленную кинетическую энергию истекающей струи. Отношение полученного приращения кинетической энергии ко всей преобразуемой энергии называют термическим к. п. д. – . В идеальном случае полного превращения исходной энергии в кинетическую энергию струи, т. е. при бесконечном расширении и отсутствии потерь, получим максимальную скорость истечения , а кинетическая энергия (полезная работа), отнесенная к одному кг продуктов сгорания, будет равна

Скорость газа на выходе из сопла и кинетическая энергия струи при конечной степени расширения определяются, соответственно, как

 и ,

тогда

Термический к. п. д. идеального ракетного двигателя зависит от степени понижения давления газов в сопле и от состава продуктов сгорания.

 при

Термический к. п. д. возрастает с увеличением n. Наибольшее значение n равное 1.67 у нереагирующих одноатомных газов. Для смеси реагирующих газов тем больше, чем больше в этой смеси одноатомных и малоатомных газов. Поэтому с точки зрения преобразования химической энергии наилучшим будет то топливо, в составе продуктов сгорания которого содержится больше малоатомных газов.

Действительная скорость истечения  меньше теоретической, так  как при осуществлении реальных рабочих процессов в камере имеют место тепловые, химические и газодинамические потери. Отношение действительной кинетической энергии на выходе из сопла к теоретической называется относительным внутренним к. п. д. – , равным . Величина  оценивает степень совершенства процессов, происходящих внутри камеры ракетного двигателя.

Эффективная кинетическая энергия определяется лишь осевой составляющей действительной скорости, т. ё. равна . Величина  носит название механический к. п. д., он учитывает непараллельность скорости потока оси камеры двигателя. Тогда суммарное значение энергетического к. п. д. для процесса преобразования в двигателе исходной химической энергии топлива в кинетическую энергию истекающей струи будет определяться как

Полный или пропульсивный к. п. д. оценивает качество процессов преобразования химической энергии топлива в кинетическую энергию летательного аппарата.

,

где  – энтальпия топлива;  – скорость летательного аппарата;  – его полезная работа, отнесенная к единице времени. Между тем, в импульсном двигателе, каким является РД, более важно и практически удобно оценивать потери не энергии, а потери импульса или тяги. Так как потери массы рабочего тела в РД обычно отсутствуют, то потери тяги можно оценить потерями удельного импульса или скорости. Для этого используются импульсные (силовые) коэффициенты полезного действия, которые характеризуют отличие действительных значений тяги или удельного импульса от их теоретических значений за счет какого либо явления или совокупности явлений. , так как из-за отсутствия потерь массы рабочего тела,  равна .

На практике, чтобы исключить влияние окружающих условий и рассматривать только внутрикамерные явления (процессы), влияющие на совершенство преобразования исходной энергии топлива в полезную работу (или тягу), оперируют пустотными тягами и удельными импульсами, т. е. ,  Иногда вместо импульсного к. п. д.  используется коэффициент , определяемый как .

Если потери удельного импульса связаны с несколькими процессами или частями камеры РД, то , потому что , так как члены, начиная с пятого, имеют второй и третий порядок малости.

Связь между импульсным и энергетическим к. п. д. можно проиллюстрировать следующим образом:

, , ,

Импульсный к. п. д.  суммарно учитывает все виды потерь удельного импульса, присущие процессам, протекающим в камере. Коэффициент  может быть разделен на более частные импульсные коэффициенты, учитывающие либо отдельные виды потерь, либо оценивающие потери на отдельных участках камеры.

Так для камеры сгорания основные виды потерь: неполное сгорание компонентов топлива – , неоднородное распределение компонентов топлива и параметров по сечению камеры сгорания –  и т. д., которые уменьшают тепловыделение и потенциальную энергию газа (полное давление на входе в сопло), используемые в дальнейшем при расширении газа в сопле.

Качество процессов в камере сгорания и докритической части сопла принято характеризовать с помощью коэффициентов  или , между которыми существует связь  (  – коэффициент расхода сопла)

,

Суммарные потери в камере сгорания составляют 0,95…0,98. Коэффициент обычно выбирают на основе экспериментальных данных. Величина зависит от различного рода потерь в сопле, основными из которых являются:

- потери из-за рассеяния скорости на выходе из сопла;

- потери из-за трения газа о стенки сопла;

- потери на входе в сопло;

- потери из-за неравновесности процесса;

- потери, связанные с неадиабатичностью расширения, (иногда их называют потерями на охлаждение);

- потери, имеющие место при истечении двухфазного рабочего тела.

В некоторых случаях к потерям в сопле условно относят потери тяги, возникающие вследствие нерасчетности режима работы сопла. Однако, эти потери не зависят от качества протекания процессов в сопле. Для определения коэффициента сопла можно использовать значение тягового комплекса . Сопоставление последнего с теоретическим значением позволяет записать:

Таким образом, при отсутствии взаимосвязи между отклонениями от идеальных процессов в камере сгорания и сопле,

2. Методы определения теоретических параметров камеры ракетного двигателя.