Динамические процессы в ЖРД, страница 3

Установить четкую границу окончания выхода на марши начала марша обычно бывает трудно. На рассматриваемой1213осциллограмме после линии 1—/ давление в камере медленноувеличивается до номинального значения; по мере приближенияк линии 2—2 постепенно устанавливается значение расчетногодавления. Кривые, заключенные между линиями 2—2 и 3—3, характеризуют работу двигателя на марше в первые секунды послевыхода на режим, а кривые, изображенные правее линии 3—3,соответствуют примерно сотой секунде работы двигателя на марше.На фиг. 2 представлены для примера осциллограммы, полученные при испытании небольшого опытного ЖРД.

В зависимостиот условий пуска были получены различные кривые (А, Б, В, Г).На марше (кривые Д, Е, Ж, 3) наблюдалось наложение высокочастотных колебаний, протекающих с малой амплитудой, на низкочастотные. Записаны пилообразные колебания (И, Л) и колебанияс периодически меняющейся во времени амплитудой (К, М).Запись с помощью более точных приборов (Я, О, П, Р, С, Т) позволяла уточнять характер колебаний.Рассмотрим процессы, протекающие в двигателе, по их среднимзначениям параметров, т.

е. без учета быстрых изменений, без учета колебаний. Следует различать «медленный» и «быстрый» выходна марш. Если 95% номинальной тяги достигается за l-f-З сек,то выход на марш считается медленным. При этом подпитка камеры топливом, накопившимся в период ее запуска, не оказываетзаметного влияния на характер изменения параметров во времени(фиг. 3,Л).При быстром выходе на марш, когда для набора 95% тяги достаточно десятых долей секунды, по кривой изменения давленияв камере часто можно обнаружить участки резкого изменениязнака производной в виде так называемых «пичков» (фиг. 3,Б),или «зубчиков» (фиг. 3,5).После выхода на марш работа двигателя может протекатьпо различным программам.

В одних случаях среднее давлениев камере поддерживается постоянным (фиг. 3,Г), в других — изменяется во времени (фиг. 3,Д) под действием внешних факторовили же в соответствии с командами, поступающими от системыуправления или регулирования. Если производится переключениеступеней, то среднее давление изменяется достаточно быстро(фиг. 3,Е).Выключение двигателя, как уже было отмечено, сопровождается протеканием ряда своеобразных процессов. Осциллограммы помогают изучать период последействия. Задержке срабатыванияотсечных топливных клапанов соответствует момент времени t\(фиг. 3, Ж). За короткий промежуток времени t2 — ^i происходитотброс основной массы газов из внутренней полости камеры.

До момента времени tz наблюдается прогрев внутренней стенки. В течение относительно большого отрезка времени, равного t4 — fa, в камере сгорания происходит горение компонента, выкипающегов проточном тракте системы охлаждения. Как видно из фиг. 3, Ж,горение имеет несформировавшийсяхарактер.

Изображенная14Фиг. 2. Осциллограммы, полученные при испытанииЖРД- Показано изменение давления во времени.15на фиг. 3, Ж кривая p ( t ) называется кривой последействия, а ограниченная ею площадь —• импульсом последействия.Вследствие несформированности рассмотренного процесса импульс последействия характеризуется разбросом его значений.Разные значения импульса будут записаны не только при испыта-секунд позже, чем в первом. С целью уменьшения значения импульса последействия и его разброса увеличивают точность срабатывания топливных отсечных клапанов и принимают меры, исключающие попадание паров топлива во внутреннюю полость камеры.При этом опорожнение камеры будет протекать быстро и достаточно однотипно (фиг. 3, Я).7. О некоторых причинах возникновения колебанийнии нескольких двигателей одной и той же серии, но и при повторном испытании одного и того.же образца.

Наличие разброса значений импульса приводит к уменьшению точности полета ракетыпо дальности. Разброс обусловлен многими причинами.На фиг. 3,3 показано смещение кривой p ( t ) в повторном испытании двигателя в результате разброса моментов закрытия топливных клапанов: во втором испытании клапан закрывался на A^iИсследование колебаний начинают с изучения осциллограмм,на которых давление, температура, скорость газа и другие параметры должны быть записаны с помощью малоинерционных чувствительных приборов. Форма и характер колебаний могут бытьсамыми различными, как это было проиллюстрировано на фиг.

1 и 2.Однако после рассмотрения многих осциллограмм можно выделитьотдельно характерные виды колебаний.Часто встречаются «ударные» низкочастотныеколебания(фиг. 4 , Л ) ; в некоторых случаях на них бывают наложены высокочастотные колебания (фиг. 4, Б). Низкочастотные колебания могутбыть «пилообразными» (фиг. 4, В) или близкими к синусоидальным (фиг. 4, Д). На эти типы колебаний также могут быть наложены высокочастотные колебания (фиг.

4, Г, Е).Встречаются и более сложные виды колебаний; обнаруживается неоднотипность, неповторяемость рисунков, встречаются непрерывно следующие биения (фиг. 4,Ж), обусловленные резолансными явлениями, протекающими как в камере, так и в агрегатахсистемы питания. В отдельных случаях биения в течение всегопериода испытания двигателя появляются всего один раз. Еслиамплитуда колебаний относительно невелика (фиг. 4,3), то вновьустанавливается прежний режим. Слишком мощные биения, обусловленные резонансом (фиг.

4 , И ) , приводят к разрушениюдвигателя.Низкочастотные колебания бывают нескольких типов. Нарядус колебаниями, возникающими в результате связи камеры с гидравлическими цепями, наблюдаются колебания давления, обусловленные только внутрикамерными процессами. Характер колебанийзависит от чувствительности периода запаздывания сгорания к давлению, инерционности гидравлических цепей, изменения соотношения компонентов во времени, абсолютного значения давленияв камере и других факторов.Рассмотрим колебания, возникающие вследствие наличия связимежду камерой и системой питания. Допустим, что соотношениекомпонентов постоянно и запаздывание сгорания равно нулю. Таким образом, рассматривается простейший случай связи камерыс системой питания.

Под действием случайно появившегося внешнего воздействия давление в камере увеличилось от номинальногозначения р0 до некоторого нового значения pi (фиг. 5). Так как приэтом расход газов из сопла, характеризуемый линией /, окажется162Фиг. 3. Изменение во времени усредненных значений давления в камере.57217больше притока топлива в камеру, определяемого кривой 2, давление в камере начнет уменьшаться.После воздействия возмущающего фактора изменение давления в камере во времени может быть экспоненциальным или колебательным. Если факторы, демпфирующие систему, окажутсядостаточно интенсивными, то движение будет апериодическимФиг. 4. Различные виды колебаний давления в камере сгорания.с экспоненциальным изменением параметров.

В противном случаевозникнут колебания. Поскольку движущаяся жидкость и продукты сгорания инерционны, в ходе снижения давления точка а, соответствующая установившемуся режиму, будет «пройдена», и давление уменьшится до некоторого значения р2 (кривая /). Еслибудет осуществляться демпфирование, то давление р2 будет меньше р\. Теперь приток топлива окажется больше расхода газов.Это приведет к новому повышению давления. Таким образом, в си-18стеме будут наблюдаться низкочастотные затухающие колебания.В действительности топливо сгорает с запаздыванием.

Рассмотрим тот момент, когда давление в камере уменьшилось до величины р2 (см. фиг. 5). Приток топлива в камеру теперь на величинуAG 2 больше номинального, определяемого точкой а. Новая, допол^яительная порция топлива сгорает не в момент, соответствующийдавлению р2, а с запаздыванием.

Система получит дополнительноевозбуждение, приводящее к увеличению амплитуды (кривая //)по сравнению с той, которая была быв случае затухающих колебаний. Придостижении давления, близкого к р\,приток топлива в камеру, как это следует из фиг. 5, окажется меньше номинального. Однако, с учетом запаздывания, эффект, получающийся от сгорания заниженного примерно на A G jколичества топлива, проявится с запаздыванием уже тогда, когда давление будет меньше р0; это и будет способствоватьподдержаниювозникших колебаний.

Если отклонения расходов AG± и AG 2 не равны между собой, то характер возрастания давления в колебательном процессе будетотличаться от характера снижениядавления.Известно, что период запаздыванияуменьшается с увеличением давления. Фиг. 5. Схематическое изобраЭта связь оказывает влияние на ха- жение колебаний, возникаюрактер колебаний.

В итоге, под дейст- щих вследствие связи параметров камеры и гидроцепи.вием всех рассмотренных факторов,за время каждого периода колебанийприток массы в камеру оказывается равным расходу массы так же,как приток энергии равен ее расходу, вследствие чего амплитуданизкочастотных колебаний во время работы двигателя поддерживается постоянной.Низкочастотные колебания могут протекать и без наличия возмущающих и демпфирующих факторов со стороны системы питания. Допустим, что система питания подает компоненты в камерусгорания равномерно и при постоянном значении соотношения межДУ ними.