Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 23
Текст из файла (страница 23)
В этом случае простота и компактность используемых агрегатов, а также отсутствие контакта управляющих поверхностей с ПС камеры позволяют получить высокую надежность н малую инерционность управления. При этом в широком диапазоне величин потребных усилий (до 4 — 5% от тяги двигателя) обеспечивается достаточно высокая эффективность управления. 104 Принцип создания управляющего усилия основан на перераспределении статического давления по внутренней поверхности сопла в результате взаимодействия основного сверхзвукового потока со вторичной вдуваемой струей с учетом силы реакции самой струи. 0бразованное струей препятствие вносит возмущение в набегающий поток и перестраивает характер его течения.
Вследствие несимметричности этого течения относительно оси сопла появляется нормальная к оси сопла несбалансированная сила, которая с реактивной силой струи образует управляющее усилие. Величина управляющего усилия может превысить реактивную силу струи в 1,5 — 2,5 раза. Кроме того, несмотря на нарушение газодинамического течения, создается некоторый прирост осевой тяги, что снижает потери удельного импульса двигательной установки. На величину управляющего усилия оказывает влияние большинство газодинамических и физико-химических параметров основного и вторичного потоков, а также геометрические факторы сопла и узла вдува. В качестве вдуваемых веществ используют как инертные, так и химически активные с ПС камеры газы и жидкости.
С повышением их энергосодержания и химической активности растет и эффективность управления. Источником рабочего тела могут служить автономные системы подачи жидкости нли газа из баллонов, твердотопливные или жидкостные газогенераторы, а также КС двигателя (оптимальный вариант). Следует отметить, что применение жидкости упрощает решение конструктивных и технологических задач управления, однако заметно снижает его эффективность. В зависимости от рода вдуваемого вещества, конструктивных и других соображений в качестве узлов вдува применя- г.
~„а ют сопла, струйные и центробежные форсунки. Они могут ВЄРи быть звуковыми или сверхзву- ь ковыми, однокомпонентными или двухкомпонентными, одиночными или в определенном а еГ Т количестве, расположенными нормально оси сопла или под углом к нему. Наибольшую эффективность управления можно получить, если тщательно исследовать процесс взаимодействия двух потоков в сопле с учетом конкретных параметров двигателя и собственно системы управления.
Рассмотрим физическую картину течения газа в сопле при бокОВОм ВдуВе струи (рис. 4.17), рис„4 Гп схема течеиив ири боковом отражающую характерные осо- адуве в соило 105 бенностн течения и условия возникновения управляющего усилия. При достаточно большом давлении вдува истечение струи в сносящем потоке напоминает истечение недорасширенной струи в неподвижном пространстве. Проникая на некоторую глубину в основной поток, струя расширяется с образованием сложной системы скачков уплотнения. Граница струи, показанная штриховыми линиями г(, несколько превышает границу скачков уплотнения в струе и характеризует размеры созданного препятствия основному потоку.
Расширенная струя интенсивно перемешивается с основным потоком, что может сопровождаться механи- дФ ческим, тепловым и химическим взаимодействием. В зависимости от природы рабодг ! чих тел это взаимодействие 5 л сказывается на повышении давления в потоке и на поверхности сопла. Перед струйной преградой возникает скачок уплотнения а, взаимодействующий с пограничным слоем у стенки.
Пограничный слой, имеющий к дозвуковую область течения, передает возмущение вверх Рас. 4.18. Рвг" р«д«д«""«д«»»«и»я» «го по потоку от преграды и утолщается. При достижении в пограничном слое давления, равного давлению отрыва р„ он отрывается от стенки, отклоняясь на некоторый угол, а давление в нем становится равным критическому р» (рис. 4.18). При этом образуется участок течения со сравнительно постоянным давлением — так называемое «плато>. Непосредственно перед струей давление резко возрастает, достигая максимального значения р „.
Газ из области повышенного давления растекаегся по всем направлениям, в том числе и навстречу основному потоку. Вследствие этого в отрывном течении возникают два пространственных вихря с противоположным направлением вращения. Концы вихрей простираются по обе стороны вдуваемой струи вниз по потоку. На некотором расстоянии вихри вырождаются и сносятся потоком. Таким образом около струи создается зона А отрывного течения с повышенным давлением (см. рис. 4.17). Переход от невозмущенного течения к отрывному сопровождается возникновением про- !06 странственного отрывного скачка уплотнения Ь.
Давление в зоне А значительно превышает соответствующее давление в невозмущенном потоке„а размеры зоны зависят от размеров струйного препятствия и параметров набегающего потока. Обтекание сверхзвуковым потоком боковой струи практически во всех случаях вызывает появление за струей, как за преградой, вихревой донной области П, имеющей сравнительно малые размеры с наличием ярко выраженного минимума давления непосредственно за струей.
Пониженное давление в донной области отрицательно влияет на величину управляющего усилия. Развернувшаяся в потоке струя охватывает донную область и прилипает своей внутренней частью к стенке сопла. В месте прилипания возникает слабый скачок уплотнения с, вызывающий некоторое повышение давления в зоне С. Сложный характер процессов, происходящих в сопле при боковом вдуве струи, несимметричность возмущенного течения относительно оси сопла, а также переменность кривизны сопла вызывают значительные затруднения при определении величины управляющего усилия.
В настоящее время пока нег надежного теоретического решения для определения управляющего усилия, поэтому на практике используют полуэмпирические методы расчета. Рассмотрим особенности расчета управляющего усилия Р„на примере бокового вдува струи газа, однородного с основным рабочим телом, через круглое сопло. Представим величину Р» суммой проекций на «управляющую» плоскость реактивной силы струи Р х х 81п«» и индуцированной в результате перераспределения давлейия по внутренней поверхности 5 сопла силы взаимодействия Р, двух по токов: Р» Рг 81п ~> 1 Р Р> 81п»» '+ ~ (р где в — угол между осями сопла вдува и основного сопла (см.
рис. рис. 4.17); р, — текущее значение давления невозмущенного потока. Возникающую в сопле силу взаимодействия можно определить как результирующую сил давления на отдельных участках сопла, соответствующих той или иной зоне течения. Изучение зон за струей 0 и за вторичным скачком уплотнения С показывает, что силы, возникающие в каждой из них, составляют не более 2 — 4 «А от Р„, поэтому влиянием этих зон можно пренебречь.
Такое допущение основывается еще и на том, что зоны Р и С создают усилия разного знака и в какой-то степени компенсируют друг друга. Исходя из этого проекцию искомой силы взаимодействия Р, на «управляющую» плоскость ХУ определим как проекцию интеграла избыточного давления в области А отрывного течения за скачком уплотнения. Для этого необходимо найти площадь проекции области А и закон изменения давления на этой площади. Исследование характерных размеров зоны отрывного течения на плоской пластине со вдувом из круглого сопла показало, что форма линии отрыва пограничного слоя в координатах к =- ХЛ, и у = 1от = )'//„ описывается, приближенно зависимостью у" = х, а отношение 1 /1, =- 2.
Сравнение с опытными данными, полученными при адуве в сверхзвуковую часть сопла, свидетельствует о том, что и в этом случае форму линии отрыва з, изображенную на развертке сопла (см. рис. 4.17), на сравнительно большой протяженности можно представить этой же зависимостью. Предположим, что линия отрыва з является внешней границей зоны повышенного давления, а ее проекцию с поверхности сопла на Рис. 4.19. Распределение давления в поперечных сечениях на рис. 4.17 плоскость Х)' выразим уравнением у' = Кх.
Дпя нахождения коэффициента К, характеризующего угол раствора и кривизну сопла, воспользуемся геометрическим соотношением между дугой окружности и хордой как ее проекцией. Тогда с учетом того, что 1 = — 21„ уравнение проекции линии отрыва (4.6) где и — угол полураствора сопла; /! — радиус окружности сопла в сечении, проходящем через переднюю точку отверстия вдува. Результаты экспериментов показывают, что независимо от интенсивности вдува продольные размеры области взаимодействия вниз по потоку можно ограничить расстоянием, равным примерно 21, от сечения вдува. Ниже по потоку давление становится практически равным соответствующему давлению невозмущенного течения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
