Автореферат (Расчетно-экспериментальные исследования рабочих процессов в комбинированных ДУ с конденсированными компонентами топлив)

На правах рукописиСеменов Павел АлександровичРасчетно-экспериментальные исследования рабочих процессов вкомбинированных ДУ с конденсированными компонентами топливСпециальность 01.02.05«Механика жидкости, газа и плазмы»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре «Тепловые процессы» федеральногогосударственного автономного образовательного учреждения высшегопрофессионального образования «Московский физико-технический институт(государственный университет)»Научный руководитель:Доктор технических наук, профессор,зам. начальника отделения 2 государственногонаучного центра Российской Федерации –федерального государственного унитарногопредприятия «Исследовательский центр имениМ.В.

Келдыша»Борисов Дмитрий Марианович.Официальные оппоненты: Ягодников Дмитрий Алексеевичдоктор технических наук, профессор,«Московский государственный техническийуниверситет им. Н. Э. Баумана», зав. кафедрой«Ракетные двигатели».Мосолов Сергей Владимировичкандидат физико-математических наук,государственный научный центр РоссийскойФедерации – федеральное государственноеунитарное предприятие «Исследовательскийцентр имени М.В.

Келдыша».Ведущая организация:Открытое акционерное общество «Корпорация«Московский институт теплотехники».Защита диссертации состоится «08» ноября 2013 года в 10 ч. 00 мин. назаседании диссертационного совета Д 212.125.14 в Федеральномгосударственном бюджетном образовательном учреждении высшегопрофессионального образования «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)» (МАИ) по адресу: 125993,г.

Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ по адресу:125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.Автореферат разослан «____»____________2013 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.14,кандидат физико-математических наук, с.н.с.2Гидаспов В.Ю.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫРаботапосвященаразработкекомплекснойметодикирасчетавнутрибаллистических характеристик и экспериментальному исследованиюмногократного включения ГРД, а также исследованию активных методовтепловой защиты применительно к РДТТ и ГРД.Актуальность работы.В настоящее время иностранными и российскими компаниями ведутсяактивные исследования в области гибридных ракетных двигателей. Проблемаизучения ГРД является актуальной по нескольким причинам. Во-первых,существует возможность снижения стоимости выведения полезного груза наорбиту.

Американские исследования показали, что ГРД может быть использованна первой ступени ракеты легкого класса Pegasus XL. Данное обстоятельствовкупе с возможностью воздушного старта этой ракеты позволит существенноснизить стоимость выведения. Во-вторых, ГРД могут быть применены какдвигатели для пилотируемых кораблей в первую очередь благодаря своейбезопасности и экономическим показателям. Американская компания ScaledComposites выиграла в конкурсе Ansari X Prize, создав пилотируемыйсуборбитальный космический корабль Space Ship One на базе ГРД. В 2013 годупрошел успешные испытания корабль Space Ship Two, который являетсямодификацией SS1.

В 2014 году планируется осуществление коммерческихсуборбитальных полетов на SS2. В рамках данной работы былапродемонстрирована возможность увеличения дальности полета гипотетическогоаппарата с многократно включаемым двигателем. Рассчитывалась траекторияполета аппарата с постоянно включенным двигателем и с двигателем,включающимся периодически.

В первом случае конечной точкой траекториисчиталась та, в которой скорость аппарата, двигающегося по инерции послевыгорания всего топлива, снижалась до начальной (3.5 М). Во втором случаекаждый период состоял из активного и пассивного участка.

Длительностьактивного участка составляла 20 секунд. Конечной точкой пассивного участкаявлялась точка, в которой скорость аппарата снижалась до начальной (М=3,5).Активные и пассивные участки чередовались до полного исчерпания запасатоплива на борту летательного аппарата. Дальность полета при периодическивключающимся двигателе увеличилась примерно на 10%. Таким образом, ГРД,как двигатель с возможностью многократного включения, может бытьэффективнее силовых установок с однократным включением.Существуют многочисленные экспериментальные работы ведущихзарубежных институтов направленных в основном на увеличение скоростигорения топлив, используемых в ГРД.

Выполненный обзор литературы позволилвыделить ряд нерешенных проблем в области ГРД:1. Отсутствие комплексной методики расчета внутрибаллистическиххарактеристик ГРД;2. Отсутствие исследований активной тепловой защиты для ГРД;3. Отсутствие исследований многократности включения ГРД.3Эти проблемы позволили определить цель и задачи данной работы.Целью работы является исследование процессов в ГРД для созданиякомплекснойрасчетнойметодики,позволяющейпрогнозироватьвнутрибаллистические характеристики двигателя, а также позволяющейоптимизировать конструкцию с целью улучшения энергетических характеристик.Предметом исследования данной работы являются физические и тепловыепроцессы, происходящие в газовом тракте гибридных ракетных двигателей.Метод исследованияРезультаты работы получены с помощью совместного использованияматематического моделирования и экспериментальных исследований, чтопозволяетобеспечитьвсестороннийанализрассматриваемыхзадач.Математическая модель основывается на решении квазиодномерных уравненийгазовой динамики с учетом массоприхода от заряда твердого горючего и с учетомизменения площади канала заряда от времени.

В качестве модели горенияиспользована модернизированная модель горения Марксмана. При численномрешении использовался метод Годунова.Основными задачами, решаемыми в работе являются:1. Создание комплексной расчетной методики, позволяющей прогнозироватьвнутрибаллистические характеристики ГРД с зарядом сложной формы с учетомизменения характеристик двигателя, позволяющей проводить оптимизациюконструкции, а также оценивать полноту сгорания в эксперименте;2. Проведение экспериментальных исследований крупномасштабного ГРД сразвитой поверхностью горения заряда сложной формы с целью верификациирасчетной методики, а также для подтверждения возможности многократногозапуска ГРД после длительной паузы с продувкой азотом;3.

Оценка эффективности применения методов активной тепловой защиты дляпредотвращения эрозии материала критического сечения сопла ГРД.Научная новизна1. Разработана квазиодномерная нестационарная численная методика сподвижной стенкой для расчета внутрибаллистических процессов в ГРД;2. Предложена модификация модели скорости горения полимера с учетомизменения параметров газового потока по длине канала заряда. Проведенаинтеграция модели горения в комплексную методику;3. Получены экспериментальные данные и исследованы физические процессы,подтверждающие возможность многократного запуска крупномасштабного ГРДна жидком кислороде (тяга ~ до 2.5 тс, расход окислителя ~ 7-10 кг/сек) сдлительной паузой между включениями, проведена верификация численнойметодики;4.

Показана эффективность применения двухслойных течений, как средстватепловой защиты критического сечения в ГРД.Практическая ценность результатов данной работы заключается в том, чтопредложенный численный метод расчета процессов в ГРД позволяетпрогнозировать основные характеристики натурных двигательных установок наразличныхрежимахфункционирования.Подтвержденавозможность4многократного запуска ГРД, что может быть использовано при проектированиилетательных аппаратов для повышения баллистической эффективности.Личный вкладАвтором разработана комплексная численная методика и проведена сериярасчетов внутрибаллистических процессов в ГРД, а также расчетовэффективности завесного охлаждения критического сечения.

Произведенаверификация методики и параметрические расчеты, направленные наоптимизацию конструкции модельного ГРД. Автором выполнена серия огневыхиспытаний модельного ГРД на жидком кислороде, направленных наверификацию расчетной методики, а также на выявление возможностимногократного включения ГРД.Достоверность результатовДостоверность подтверждается сопоставлением расчетных данных сэкспериментальными для профиля выгорания заряда и внутрибаллистическиххарактеристик, а также сопоставлением с экспериментальными данными другихавторов.Основные положения, выносимые на защиту:1.

Комплексная численная методика расчета внутрибаллистических процессов вГРД;2. Результаты экспериментальных исследований крупномасштабного ГРД нажидком кислороде (тяга ~ до 2.5 тс, расход окислителя ~ 7-10 кг/сек)многократного включения;3. Результаты расчетных исследований и оптимизации формы заряда твердогогорючего ГРД;4. Результаты расчета эффективности применения двухслойных течений, каксредства тепловой защиты критического сечения в ГРД.Апробация результатов исследованияОсновные результаты, изложенные в диссертации, докладывались на:51-й открытой конференции Московского физико-технического института (г.Москва, 23 октября, 2008 г.), 53-й открытой конференции Московского физикотехнического института (г. Москва, 28 октября, 2010 г.); European conference foraero-space science (г.

Санкт-Петербург, 4-8 июля, 2011 г.) , XXIX Российскойшколе, посвященной 85-летию со дня рождения В. П. Макеева (г. Миасс, 23-25июня, 2009 г.), научных семинарах ГНЦ ФГУП «Центр Келдыща».Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы.Общий объем диссертации – 148 страниц, работа содержит 12 таблиц, 69рисунков и список литературы из 79 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении дана краткая характеристика гибридных ракетных двигателей,их преимуществ по сравнению с другими типами двигателей, приводится краткаяистория развития и исследования ГРД, обоснована актуальность работы.5В первой главе диссертации сформулирована цель работы, приведенапостановка задачи, дано краткое описание основных физических процессов,происходящих в камере ГРД, приведен краткий обзор литературы посуществующим направлениям исследования ГРД.