Автореферат (Рабочие процессы в ракетном двигателе малой тяги на газообразных компонентах топлива кислород и метан)

На правах рукописиЧУДИНА Юлия СергеевнаРАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В РАКЕТНОМ ДВИГАТЕЛЕ МАЛОЙТЯГИ НА ГАЗООБРАЗНЫХ КОМПОНЕНТАХ ТОПЛИВАКИСЛОРОД И МЕТАНСпециальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательныхаппаратов»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2014Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)»(МАИ).Научный руководитель:доктор технических наук, профессорКозлов Александр АлександровичОфициальные оппоненты: Денисов Константин Петрович,доктор технических наук.Усов Генрих Леонидович,кандидат технических наук,Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное объединение«Техномаш» (ФГУП «НПО «Техномаш»),ведущий научный сотрудник.Ведущая организация:Конструкторское бюро «Салют» Государственного космического научно-производственного центра им.

М.В.Хруничева (КБ «Салют» ГКНПЦ им.М.В.Хруничева)Защита состоится «06» октября 2014г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д212.125.08, созданного на базе Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета) (МАИ), по адресу: 125993, Россия, г.Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московского авиационного института (национального исследовательского университета)(МАИ), http://www.mai.ru/events/defence.Автореферат разослан ______________________2014г.Ученый секретарь диссертационногосовета Д212.125.08,д.т.н.,профессор2Зуев Юрий ВладимировичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ развитии космических транспортных систем в настоящее время сложилась ситуация, при которой возможности по совершенствованию химическихракетных двигателей (РД) традиционных типов практически исчерпаны илиограничены незначительным улучшением энергомассовых характеристик, достигаемым, зачастую, в ущерб надежности, экологичности или стоимости.Одним из путей решения этой проблемы может стать применение новыхвидов топлива, например, метана в качестве универсального экологически чистого горючего, а также применение схем двигателей с дожиганием восстановительного генераторного газа и эффективных систем охлаждения камер сгорания(КС).

При применении кислородно-метанового топлива в схеме с избытком горючего в генераторном газе практически исключается сажеобразование. Метанполностью отвечает требованиям, предъявляемым к охладителям камер сгорания, и обеспечивает в паре с кислородом высокие энергетические характеристики.Переход на кислородно-метановое топливо обуславливается нарастающим дефицитом вырабатываемых из нефти топлив, большими запасами, доступностью и относительной дешевизной природного газа, а также экологическими преимуществами его применения. Многочисленные исследования характеристик топливной пары кислород-метан показали, что она позволит удовлетворить основным требованиям к стоимости, надежности, экологической безопасности жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) при высоком уровне ихэнергомассовых характеристик.Важным аспектом возможностей использования этого вида топлива является его применимость, как унифицированного топлива, при создании объединенной двигательной установки (ОДУ), которая включит в себя и ракетныедвигатели малой тяги (РДМТ), как основные органы в системе управления, стабилизации и ориентации летательного аппарата в космическом пространстве.Создание новой единицы космической техники влечет за собой большиезатраты, как материальные, так и временные.

При этом на мировом рынке космических услуг намечается все больший уклон в сторону минимизации срокови затрат на создание ракетно-космической техники при сохранении повышенных требований к техническим параметрам. Существует необходимость в разработке методов и методик, которые позволят на ранних этапах проектирования протестировать различные конструкторские решения для создания двигателя с необходимыми характеристиками. Эти методики основываются на расчетно-теоретических исследованиях, численном моделировании процессов, чтодолжно позволить сократить, либо совсем исключить трудоемкий, долгий и дорогостоящий этап сравнительных испытаний.Дополнительным плюсом численного моделирования может являться получение наиболее подробной информации о внутренних процессах, происходящих в трактах и камерах сгорания ракетных двигателей малых тяг. Моделирование позволяет дать предварительную оценку распределения полей темпе3ратур, скоростей, давлений в КС двигателя, траектории движения потоков, предоставить ориентировочные значения параметров, которые затруднительно получить путем измерения во время экспериментов.Таким образом, разработка численных моделей, дающих достовернуюпредварительную оценку теплового состояния двигателя, процессов смесеобразования и горения, происходящих в камере сгорания, является актуальной научно-технической задачей.

С помощью этих методик моделирования становится возможной разработка эффективного ракетного двигателя с наименьшимивременными и материальными затратами.Цель работы: разработка методики численного моделирования рабочихпроцессов для проектирования и создания высокоэффективных РДМТ на топливе газообразный кислород и газообразный метан.Задачи:1.

Аналитический обзор экспериментальных и теоретических исследований существующих и разрабатываемых РД, в которых используется топливнаяпара кислород-метан.2. Разработка экспериментального двигателя тягой 200…250Н в вакууме,работающего на компонентах топлива газообразный кислород и газообразныйметан с возможностью регулирования завесного охлаждения3. Разработка математической модели для анализа внутрикамерных процессов с учетом завесного охлаждения при работе на стационарном режиме,проведение численного эксперимента по моделированию течения в смесительных головках и камерах разработанной конструкции4. Разработка методики испытаний и проведение огневых экспериментовдля подтверждения правильности принятых конструкторских решений и верификации математической модели5.

Выявление расчетно-теоретических и экспериментальных зависимостей основных параметров двигателя от входных условий.Научная новизна работы заключается в следующем:1.Разработана математическая модель и методика моделированиявнутрикамерных процессов в РДМТ на газообразном топливе кислород-метан сучетом завесного охлаждения в трехмерной постановке.2.Проведено моделирование стационарного рабочего процесса вфорсуночной головке и камере сгорания ракетного двигателя тягой 200…250Н,в ходе которого определены зависимости эффективности рабочего процесса отдлины камеры сгорания и формы огневого днища.3.Получены расчетно-теоретические зависимости удельного импульса от соотношения компонентов в ядре потока, относительного расхода на завесу, температуры стенки для варианта использования газообразных компонентовтоплива4.Разработан экспериментальный РДМТ тягой 200…250Н, особенности конструкции которого позволяют собрать большой объем эксперименталь4ных данных.

Проведенные экспериментальные исследования позволили верифицировать разработанную математическую модель.Практическая значимость результатов состоит в том, что разработанная математическая модель и методика расчета позволяют:- выбрать геометрию смесительной головки и камеры сгорания для заданного удельного импульса и рабочей температуры стенки;- для выбранной геометрии конструкции головки найти расходы на форсунки и завесу, обеспечивающие наибольший удельный импульс при температуре стенки, равной максимальной рабочей температуре материала;- выбрать компонент топлива для использования в завесном охлаждении.Степень обоснованности и достоверность полученных результатовподтверждается:1.использованием известных научных положений и методов расчета;2.использованием фундаментальных законов сохранения массы, количества движения и энергии, фундаментальных уравнений теории горения,известными теплофизическими данными метана и кислорода и термодинамическими данными при их взаимодействии;3.подтверждением результатов численного эксперимента с экспериментальными данными автора;4.применением аттестованных средств измерений и регистрации параметров, обеспечивающих удовлетворительную точность результатов экспериментов.Вкладом автора является:1.Разработанная математическая модель и методика расчета стационарных процессов в камере сгорания РД МТ тягой 200…250Н на газообразномкислородно-метановом топливе в трехмерной постановке2.Разработанная конструкция экспериментального РД МТ.3.Проведенный критический анализ результатов тестирования математической модели при сопоставлении данных численного и физического экспериментов.4.Рекомендации по дальнейшему совершенствованию рабочих процессов в рассматриваемом типе двигателей.Апробация работыОсновные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на заседаниях кафедры «Ракетные двигатели» МАИ в 2010-2014 гг., на10-й и 11-й Международных конференциях «Авиация и космонавтика – 2011,2012», г.