Rocket Propulsion Elements

Rocket Propulsion Elements......Page 3
Contents......Page 7
Preface......Page 15
1 Classification......Page 19
1.1. Duct Jet Propulsion......Page 20
1.2. Rocket Propulsion......Page 22
1.3. Applications of Rocket Propulsion......Page 32
References......Page 44
2.1. Definitions......Page 46
2.2. Thrust......Page 51
2.3. Exhaust Velocity......Page 54
2.4. Energy and Efficiencies......Page 56
2.5. Multiple Propulsion Systems......Page 58
2.6. Typical Performance Values......Page 59
Problems......Page 61
Symbols......Page 63
References......Page 64
3 Nozzle Theory and Thermodynamic Relations......Page 65
3.1. Ideal Rocket......Page 66
3.2. Summary of Thermodynamic Relations......Page 67
3.3. Isentropic Flow Through Nozzles......Page 71
3.4. Nozzle Configurations......Page 93
3.5. Real Nozzles......Page 103
3.6. Nozzle Alignment......Page 114
Problems......Page 115
Symbols......Page 118
References......Page 119
4.1. Gravity-Free Drag-Free Space Flight......Page 121
4.2. Forces Acting on a Vehicle in the Atmosphere......Page 125
4.3. Basic Relations of Motion......Page 128
4.4. Space Flight......Page 134
4.5. Flight Maneuvers......Page 149
4.6. Effect of Propulsion System on Vehicle Performance......Page 155
4.7. Flight Vehicles......Page 157
4.8. Military Missiles......Page 166
4.9. Flight Stability......Page 170
Problems......Page 171
Symbols......Page 173
References......Page 175
5 Chemical Rocket Propellant Performance Analysis......Page 176
5.1. Background and Fundamentals......Page 177
5.2. Analysis of Chamber or Motor Case Conditions......Page 183
5.3. Analysis of Nozzle Expansion Processes......Page 188
5.4. Computer-Assisted Analysis......Page 193
5.5. Results of Thermochemical Calculations......Page 194
Problems......Page 208
Symbols......Page 209
References......Page 210
6 Liquid Propellant Rocket Engine Fundamentals......Page 212
6.1. Types of Propellants......Page 216
6.2. Propellant Tanks......Page 219
6.3. Propellant Feed Systems......Page 226
6.4. Gas Pressure Feed Systems......Page 228
6.5. Tank Pressurization......Page 235
6.6. Turbopump Feed Systems and Engine Cycles......Page 239
6.7. Rocket Engines for Maneuvering, Orbit Adjustments, or Attitude Control......Page 247
6.8. Engine Families......Page 251
6.9. Valves and Pipelines......Page 254
6.10. Engine Support Structure......Page 257
Problems......Page 258
Symbols......Page 260
References......Page 261
7 Liquid Propellants......Page 263
7.1. Propellant Properties......Page 264
7.2. Liquid Oxidizers......Page 274
7.3. Liquid Fuels......Page 277
7.4. Liquid Monopropellants......Page 281
7.5. Gelled Propellants......Page 283
7.6. Gaseous Propellants......Page 284
7.7. Safety and Environmental Concerns......Page 285
Problems......Page 286
References......Page 287
8 Thrust Chambers......Page 289
8.1. Injectors......Page 294
8.2. Combustion Chamber and Nozzle......Page 303
8.3. Low-Thrust Rocket Thrust Chambers or Thrusters......Page 319
8.4. Materials and Fabrication......Page 323
8.5. Heat Transfer Analysis......Page 329
8.6. Starting and Ignition......Page 341
8.7. Random Variable Thrust......Page 344
8.8. Sample Thrust Chamber Design Analysis......Page 346
Problems......Page 357
Symbols......Page 360
References......Page 362
9.1. Combustion Process......Page 364
9.2. Analysis and Simulation......Page 368
9.3. Combustion Instability......Page 370
References......Page 382
10.1. Introduction......Page 384
10.2. Descriptions of Several Turbopumps......Page 385
10.3. Selection of Turbopump Configuration......Page 390
10.4. Flow, Shaft Speeds, Power, and Pressure Balances......Page 394
10.5. Pumps......Page 396
10.6. Turbines......Page 405
10.7. Approach to Turbopump Preliminary Design......Page 409
10.8. Gas Generators and Preburners......Page 412
Problems......Page 413
Symbols......Page 414
References......Page 415
11.1. Propellant Budget......Page 417
11.2. Performance of Complete or Multiple Rocket Propulsion Systems......Page 419
11.3. Engine Design......Page 421
11.4. Engine Controls......Page 429
11.5. Engine System Calibration......Page 441
11.6. System Integration and Engine Optimization......Page 448
Symbols......Page 450
References......Page 451
12 Solid Propellant Rocket Fundamentals......Page 453
12.1. Basic Relations and Propellant Burning Rate......Page 455
12.2. Other Performance Issues......Page 476
12.3. Propellant Grain and Grain Configuration......Page 481
12.4. Propellant Grain Stress and Strain......Page 490
12.5. Attitude Control and Side Maneuvers with Solid Propellant Rocket Motors......Page 501
Problems......Page 503
Symbols......Page 506
References......Page 507
13.1. Classification......Page 510
13.2. Propellant Characteristics......Page 516
13.3. Hazards......Page 523
13.4. Propellant Ingredients......Page 530
13.5. Other Propellant Categories......Page 540
13.6. Liners, Insulators, and Inhibitors......Page 544
13.7. Propellant Processing and Manufacture......Page 547
Problems......Page 550
References......Page 553
14.1. Physical and Chemical Processes......Page 555
14.2. Ignition Process......Page 559
14.3. Extinction or Thrust Termination......Page 561
14.4. Combustion Instability......Page 563
Problems......Page 571
References......Page 572
15.1. Motor Case......Page 574
15.2. Nozzles......Page 582
15.3. Igniter Hardware......Page 596
15.4. Rocket Motor Design Approach......Page 601
Problems......Page 608
References......Page 610
16 Hybrid Propellant Rockets......Page 612
16.1. Applications and Propellants......Page 614
16.2. Interior Hybrid Motor Ballistics......Page 618
16.3. Performance Analysis and Grain Configuration......Page 622
16.4. Design Example......Page 627
16.5. Combustion Instability......Page 631
Problems......Page 635
Symbols......Page 636
References......Page 638
17 Electric Propulsion......Page 640
17.1. Ideal Flight Performance......Page 646
17.2. Electrothermal Thrusters......Page 651
17.3. Nonthermal Electrical Thrusters......Page 658
17.4. Optimum Flight Performance......Page 674
17.5. Mission Applications......Page 679
17.6. Electric Space-Power Supplies and Power-Conditioning Systems......Page 681
Problems......Page 685
Symbols......Page 687
References......Page 689
18 Thrust Vector Control......Page 691
18.1. TVC Mechanisms with a Single Nozzle......Page 693
18.2. TVC with Multiple Thrust Chambers or Nozzles......Page 703
18.4. Integration with Vehicle......Page 705
Problems......Page 706
References......Page 707
19 Selection of Rocket Propulsion Systems......Page 709
19.1. Selection Process......Page 711
19.2. Criteria for Selection......Page 717
19.3. Interfaces......Page 723
References......Page 727
20 Rocket Exhaust Plumes......Page 728
20.1. Plume Appearance and Flow Behavior......Page 730
20.2. Plume Effects......Page 743
20.3. Analysis and Mathematical Simulation......Page 747
Problems......Page 748
References......Page 749
21.1. Types of Tests......Page 751
21.2. Test Facilities and Safeguards......Page 753
21.3. Instrumentation and Data Management......Page 760
21.4. Flight Testing......Page 764
21.5. Postaccident Procedures......Page 765
References......Page 766
Appendix 1 Conversion Factors and Constants......Page 767
Appendix 2 Properties of the Earth’s Standard Atmosphere......Page 770
Appendix 3 Summary of Key Equations for Ideal Chemical Rockets......Page 771
Index......Page 773