05.07.05 Тепловые, электроракетные двигатели и

ПРОГРАММА ВСТУПИТЕЛЬНОГО ЭКЗАМЕНА В АСПИРАНТУРУ
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ
05.07.05 – «Тепловые, электроракетные двигатели и энергетические установки
летательных аппаратов»
1 Теоретические основы двигательных и энергетических установок
летательных аппаратов
Механика жидкости и газа
Основные свойства моделей жидких и газообразных сред. Основные
параметры состояния жидкости и газа.
Основы гидростатики. Напряжения в жидкости. Дифференциальное
уравнение гидростатики в форме Эйлера. Основное уравнение гидростатики.
Основные уравнения динамики жидкости. Уравнение сохранения
вещества.
Уравнение энергии для установившегося одномерного течения. Линия
полного напора и пъезометрическая линия.
Динамические уравнения движения жидкости – уравнения НавьеСтокса.
Основы теории подобия. Динамическое подобие. Критерии подобия.
Ламинарные и турбулентные течения жидкости и газа. Уравнения
Рейнольдса.
Термодинамика
Параметры и закономерности термодинамики. Термодинамические
параметры состояния. Термодинамическое рабочее тело и система.
Уравнение Клапейрона и закон Авогадро.
Определение параметров газовых смесей. Законы Дальтона и Амага.
Первое начало термодинамики. Понятие об энергии. Теплота и работа.
Энтальпия.
Теплоемкость газов. Уравнение Майера и коэффициент Пуассона.
Энтропия и ее прикладное значение. Диаграмма «температураэнтропия». Политропные процессы.
Второе начало термодинамики. Термодинамическая сущность работы
прямых и обратных машин. Цикл Карно. Термодинамическая шкала
температур. Интеграл Клаузиуса.
Теплопередача
Вывод
дифференциального
уравнения
теплопроводности.
Коэффициент температуропроводности. Граничные условия. Коэффициент
теплопередачи. Термическое сопротивление. Многослойная стенка.
Цилиндрическая стенка.
Теплопроводность при нестационарном режиме. Критерии Био и
Фурье. Метод регулярного режима. Темп охлаждения (нагревания).
Основные положения конвективного теплообмена. Коэффициент
теплоотдачи.
Температурный
напор.
Закон
Ньютона-Рихмана.
Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена. Модели
турбулентности. Теоремы подобия.
Теплоотдача при вынужденном течении в каналах. Вязкостной и
вязкостно-гравитационные режимы. Теплоотдача в круглой трубе при
стабилизированном течении. Интенсификация теплообмена в каналах.
Теплообмен излучением. Законы: Планка, Релея-Джинса, смещения
Вина, Стефана-Больцмана, Кирхгофа, косинусов Ламберта. Радиационные
характеристики тел. Теплообмен между твердыми телами. Излучение и
поглощение газов. Излучение светящегося пламени.
Физические основы процесса теплоотдачи при сжимаемой жидкости.
Температура торможения. Коэффициент восстановления. Расчет теплоотдачи
при ламинарном и турбулентном пограничных слоях. Теплоотдача в
сверхзвуковом сопле.
Динамика и прочность
Расчет на прочность узла оболочек камеры и сопла.
Устойчивость и расчеты сопла на устойчивость.
Расчет на прочность головки камеры.
Расчет на прочность дисков турбин
Расчет валов ТНА.
Расчет на прочность трубопроводов, нагруженных внешним и
внутренним давлением.
САПР
Виды математических моделей рабочих процессов в ЖРД. Модели
тепловых, гидравлических и механических систем – компонентные
уравнения.
Нейронные сети и нелинейная оптимизация математических моделей
рабочих процессов в ЖРД. Программное обеспечение. Средства разработки
программ.
Автоматика и регулирование
Требования к двигателю как объекту регулирования. Двигатель как
исполнительный орган системы управления летательным аппаратом.
Методы
исследования
устойчивости
и
качества
систем
автоматического регулирования ЖРД.
Чувствительные
и
усилительные
элементы
регулятора.
Исполнительные элементы регулятора. Принцип действия регулятора
давления.
Испытания и обеспечение надежности
Методы планирования эксперимента. Регрессионный анализ и его
использование при анализе испытаний.
Основные структурные схемы и методы расчета надежности ЖРД.
Структурно-функциональный анализ надежности
Нормирование и подтверждение надежности ЖРД. Понятие о
резервировании и оптимальной надежности.
Выбор состава измеряемых параметров ЖРД. Автоматизация
обработки измерений. Типовые отказы ЖРД, особенности их проявления,
анализа и устранения.
Теоретические основы проектирования технологических процессов
Технологический процесс и его структура. Связь между чертежом и
технологическим процессом.
Виды операций. Операционные и общие припуски. Операционные
размеры и допуски.
Технологические базы в машиностроении.
Состояние поверхностного слоя. Параметры, структура, глубина,
степень наклепа. Остаточные напряжения. Упрочняющая технология.
Защитные
покрытия.
Поверхностно-термическая
обработка.
Диффузионные покрытия. Покрытие напылением. Покрытия из
неметаллических материалов.
2 Общие вопросы теории и расчета двигательных и энергетических
установок летательных аппаратов
Классификация, основные тенденции и перспективы развития
Типы ракетных двигателей (РД). Классификация РД. Ракетные
двигатели на химических топливах. Особенности и области применения
различных типов РД.
Краткий обзор развития ЖРД. Основные параметры, характеризующие
жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). Формулы Циолковского и
Мещерского.
Методы повышения удельного импульса ЖРД, надежности, ресурса.
Перспективы применения эффективных топлив.
Комбинированные и гибридные двигатели
Общие сведения о комбинированных двигателях. Ракетно-прямоточные
двигатели. Ракетно-турбинные двигатели. Гидроракетные двигатели.
Гибридные двигатели.
Ракетный двигатель как тепловой двигатель и как движитель
Уравнение тяги ЖРД. Основные составляющие тяги камеры, место их
приложения.
Характеристические
параметры
ЖРД;
удельный
импульс,
характеристическая скорость, коэффициент тяги сопла, удельная масса.
Оценка потерь в камере ЖРД. Расчет тяги и удельного импульса
камеры ЖРД с использованием газодинамических функций.
Течение в соплах
Общие сведения о схемах и оценке совершенства сопл. Методы
профилирования сопла Лаваля.
Анализ и оценка потерь в соплах ЖРД.
Характеристики ЖРД
Высотная характеристика. Регулирование высотности сопла.
Дроссельная характеристика. Управление тягой ЖРД.
Топлива
Основные сведения о жидких ракетных топливах и их физикохимических характеристиках.
Требования к топливам. Энергетические характеристики топлив.
Термодинамический расчет процессов
Основы расчетов термодинамических свойств топлив. Расчеты по
составу компонентов. Энтальпия топлива. Системы отсчета полных
энтальпий. Вычисление полной энтальпии по теплотам реакций
Расчет сгорания и истечения топлива. Понятие о равновесном составе
газов. Уравнения химического равновесия. Константы химического
равновесия.
Вычисления по константам равновесия. Уравнения сохранения
вещества при химических реакциях. Система уравнений для расчета
равновесного состава продуктов сгорания при заданной температуре и
давлении. Расчет теоретической температуры и равновесного состава ПС в
сопле камеры ЖРД при изоэнтропическом течении. Расчет теоретических
параметров истечения.
Процессы в камере
Основные требования к организации процессов смесеобразования в
двигателях схем «жидкость-жидкость», «газ-жидкость», «газ-газ».
Теория и расчет однокомпонентных центробежных форсунок без учета
вязкости компонентов топлива. Расчет с учетом вязкости.
Расчет двухкомпонентных форсунок с внешним и внутренним
смешением компонентов топлива. Влияние конструктивных факторов на
гидравлику центробежных форсунок. Спектр распыла форсунок.
Распыливание топлива. Смешение компонентов топлива. Испарение
топлива. Воспламенение топлива.
Расчет и выбор объема камеры сгорания. Расчет и выбор безразмерной
площади камеры сгорания.
Особенности рабочих процессов в газогенераторах.
Основы теории теплообмена
Особенности конвективного теплообмена в камере сгорания и сопле
ЖРД. Методы расчета конвективных тепловых потоков в камере
Лучистый теплообмен в условиях камеры сгорания и сопла. Расчет
лучистых тепловых потоков.
Теоретические основы выбора схемы и параметров ЖРД
Вытеснительные схемы и их особенности. Турбонасосные схемы без
дожигания и с дожиганием, их особенности, области применения.
Охлаждение и теплозащита в
Особенности и схемы теплозащиты стенок камеры ЖРД.
Охлаждающие свойства различных компонентов топлива
Физические основы и методы расчета наружного и внутреннего
охлаждения
Способы интенсификации наружного охлаждения. Особенности
расчета тепловых потоков при завесном охлаждении.
Специфика расчета лучистого потока в камере ЖРД. Расчет
радиационного охлаждения. Применение теплозащитных покрытий.
Неустойчивость рабочего процесса
Общие сведения о неустойчивости горения и классификация типов
неустойчивости. Низкочастотные колебания и методы их подавления.
Высокочастотная неустойчивость камеры ЖРД. Методы борьбы с ВЧ
колебаниями.
Системы подачи топлива
Типы систем подачи в ЖРД и области их применения. Выбор
оптимальной системы подачи в зависимости от назначения двигателя.
Расчет и согласование основных параметров ЖРД
Турбонасосные схемы подачи без дожигания генераторного газа.
Особенности схем. Коэффициент потерь на привод ТНА. Удельный импульс
генераторного газа.
Особенности схем с дожиганием генераторного газа. Схемы с
дожиганием типа г+ж. Условие замыкания схемы. Максимальное давление в
КС.
Составление структурной схемы двигателя и расчет основных
параметров. Определение давлений подачи компонентов. Определение
расходов. Порядок расчета схемы с дожиганием.
Динамика и регулирование
Взаимосвязь процессов в двигателе и динамические характеристики
двигателя.
Особенности процессов в элементах ЖРД при запуске. Переходные
процессы при включении ЖРД
3 Общие вопросы проектирования двигательных и энергетических
установок летательных аппаратов
Пневмогидравлические схемы и расчет элементов
Пневмогидросхемы (ПГС) ЖРД, общие требования к ПГС. Примеры
пневмогидросхем различных типов ЖРД.
Понятие о запуске и останове ЖРД. Требования к запуску и останову.
Типы запуска и их влияние на схему и конструкцию двигателя и его
элементов.
Способы зажигания компонентов топлива. Схемные и конструктивные
способы обеспечения надежного запуска и останова двигателя.
Топливные баки. Классификация. Расчет объемов топливных баков.
Влияние теплообмена на работу системы подачи топлива.
Расчет газогенераторов. Однокомпонентный ЖГГ. Двухкомпонентный
ЖГГ.
Пневмогидравлический расчет ЖРД. Задачи расчета. Свойства
жидкостей и газов, применяемых в ЖРД.
Пневмогидравлический расчет ЖРД. Гидравлические сопротивления.
Потери давления по длине канала. Вход потока в трубы. Поворот потока.
Слияние и разделение потоков. Течение через дроссель.
Пневмогидравлический расчет ЖРД. Основы расчета течения
сжимаемой жидкости. Расчет газопроводов.
Порядок проведения пневмогидравлического расчета. Гидравлическая
характеристика. Расчет трубопроводов.
Конструкция и расчет камеры и газогенератора
Определение основных размеров камеры и способы профилирования
сопла.
Конструктивные
особенности
узла
оболочек.
Силовые
и
температурные нагрузки. Схемы связывания оболочек. Конструкция поясов
завесы. Применяемые материалы.
Конструкция головки: силовые схемы, особенности проектирования.
Применяемые материалы.
Прочностная надежность камеры и газогенератора (ГГ). Анализ
нагрузок. Методы расчета на прочность оболочек камер сгорания,
находящихся за пределами упругости
Расчет камеры на общую несущую способность и на местные прогибы.
Расчет на прочность связей.
Расчет на прочность головки камеры сгорания.
Конструкция и расчет агрегатов автоматики и регулирования
Классификация агрегатов автоматики и регулирования. Требования к
агрегатам.
Топливные клапаны: конструкции и расчет. Применяемые материалы.
Регуляторы. Конструкции и расчет. Применяемые материалы.
Пневмоклапаны и вентили.
Редукторы и регуляторы постоянства давлений. Конструкции и расчет.
Применяемые материалы.
Система подачи компонентов
Вытеснительные системы подачи топлива (ВСПТ). Конструктивные
узлы, входящие в ВСПТ. Расчет на прочность элементов ВСПТ.
Применяемые материалы.
Насосные системы подачи топлива (НСПТ). Элементы, входящие в
НСПТ.
Классификация и основные элементы в ТНА. Способы запуска ТНА.
Узлы ТНА.
Газовые турбины, их типы, составные элементы турбин.
Центробежные насосы, их классификация. Элементы насосов, их
конструкция. Влияние свойств компонентов на конструкцию насосов.
Применяемые материалы.
Осевые насосы. Конструкция осевых насосов. Способы разгрузки от
осевых сил.
Уплотнения в ТНА, их классификация и конструкция. Области
применения тех или иных уплотнений. Материалы контактных пар
уплотнений.
Подшипники роторов ТНА. Влияние свойств компонентов на
конструкцию подшипников. Способы разгрузки опор от осевых сил.
Способы отвода тепла от подшипников.
Расчет на прочность элементов ТНА. Расчет на прочность валов,
корпусов, диффузоров, дисков.
Критические частоты вращения роторов. Критическая частота
вращения. Понятия о «жестком» и «гибком» валах.
Бустерные насосы.
Проектирование ЖРД
Проектирование ЖРД. Техническое задание. Последовательность
проектирования. Модернизация ЖРД в процессе эксплуатации. Техническая
документация, выпускаемая при проектировании.
Особенности ЖРДМТ
Назначение
РДМТ.
Основные
понятия.
Классификация.
Двухкомпонентные ЖРДМТ. Однокомпонентные ЖРДМТ.
Перспективные топлива
Осваиваемые
и
исследуемые
топливные
композиции.
Металлосодержащие топлива. Гелеобразные топлива. Псевдожидкое
топливо.
Основная литература
1. Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы
проектирования : Учебник / М. В. Добровольский ; под ред. Д.А. Ягодникова.
- 2-е изд., перераб. и доп. - М. : МГТУ им.Баумана, 2006. - 488 с. : ил.
2. Технология производства жидкостных ракетных двигателей :
Учебник / В. А. Моисеев [и др.]. - М. : МГТУ им. Баумана, 2008. - 381 с. (Технологии ракетно-космического машиностроения).
3. Испытание и обеспечение надежности ракетных двигателей :
учебник. - Красноярск : СибГАУ, 2006. - 336 с.
4. Термодинамика : В 2 ч.: Учеб. пособие. Ч.1 / В. П. Бурдаков [и др.]. М. : Дрофа, 2009. - 479 с. : ил . - (Высшее образование: Современный
учебник).
5. Термодинамика : В 2 ч.:Учеб. пособие. Ч.2 / В. П. Бурдаков [и др.]. М. : Дрофа, 2009. - 361 с. : ил . - (Высшее образование: Современный
учебник).
6. Кудинов, В.А. Гидравлика : Учеб. пособие / В. А. Кудинов, Э. М.
Карташов. - 3-е изд., стереотип. - М. : Высш. шк., 2008. - 199 с. : ил.
Дополнительная литература
1. Иванов А.В. Расчет и профилирование шнекоцентробежного насоса
турбонасосного агрегата ЖРД : Учеб. пособие / А. В. Иванов. - Воронеж :
ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет", 2010. 120 с. - 50-00; 250 экз.
2. Рубинский, В.Р. Теория, расчет и проектирование ЖРД : Учеб.
пособие / В. Р. Рубинский, А. В. Кретинин, И. Г. Дроздов. - Воронеж :
ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет", 2010. 144 с. - 55-00; 250 экз.
3.
Ефимочкин,
А.Ф.
Проектирование
принципиальных
пневмогидравлических схем жидкостных ракетных двигателей : Учеб.
пособие / А. Ф. Ефимочкин. - Воронеж : ГОУВПО "Воронежский
государственный технический университет", 2010. - 264 с. - 111-00; 250 экз.
4. Иванов А.В. САПР жидкостных ракетных двигателей : Учеб.
пособие / А. В. Иванов, Г. И. Скоморохов. - Воронеж : ГОУВПО
"Воронежский государственный технический университет", 2010. - 206 с.
5. Дроздов, И.Г. Гидрогазодинамика [Электронный ресурс] : Учеб.
пособие / И. Г. Дроздов, Н. В. Мозговой. - Электрон. текстовые, граф. дан. (
5,91 Мбайта ). - Воронеж : ГОУВПО "Воронежский государственный
технический университет", 2005. - 1 файл.
6. Булыгин, Ю.А. Теплообмен в жидкостных ракетных двигателях :
учеб. пособие / Ю. А. Булыгин, А. А. Гуртовой. - Воронеж : ГОУВПО
"Воронежский государственный технический университет", 2007. - 149 с.
7. Иванов А.В. Конструкция и проектирование уплотнений проточной
части насосов и турбин ТНА ЖРД : учеб. пособие / А. В. Иванов, В. А.
Коробченко, А. В. Шостак. - М. : ВГТУ, 2005. - 86 с.