Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Короче говоря, механизмы взаимодействия колебаний давления с процессом горения, а также условия поддержания акустических колебаний при горении и особенно развития из них сильных колебаний давления в КС пока еще далеко не ясны. й 9.9. НЕУСТОЙЧИВОСТЬ, ВЫЗЫВАЕМАЯ СОВМЕСТНЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ РАКЕТЫ И ДВИГАТЕЛЯ При летных испытаниях ракет в некоторых случаях возникают сильные вибрации конструкции ракет и двигателя, заканчивающиеся серьезными разрушениями.
Анализ и изучение этих явлений показали, что в большинстве случаев вибрации представляют собой низкочастотные продольные колебания, соответствующие по частоте основной гармонике собственных продольных колебаний конструкции ракеты. Частота этих колебаний лежит в диапазоне 10 — 50 Гц. Усиление и развитие колебаний до разрушающих амплитуд происходит в результате взаимодействия между колебаниями упругой конструкции корпуса ракеты и работой жидкостного ракетного двигателя. Физическая картина развития колебаний довольно проста и сводится к следующему.
В результате случайных причин, которых всегда достаточно, возникают первоначальные небольшие колебания упругого корпуса ракеты на собственных частотах. Вибрации корпуса вызывают колебания давления компонентов на входе в насосы. Эти колебания, как показывают исследования и опыт, могут возникнуть по двум причинам: 1) за счет возбуждения пульсаций давления в гидравлических трактах подачи компонентов; 2) за счет возбуждения пульсаций в системе наддува бака. Пульсации в гидравлических трактах возбуждактгся потому, что в результате продольных колебаний конструкции ракеты и баков, находящиеся в них, компоненты будут испытывать переменные продольные ускорения, что отразится в виде возбуждения колебаний давления в выходных трубопроводах.
Как правило, эти колебания становятся опасными в конце работы ступени, когда компоненты выработаны из баков. Пульсации в системе наддува возникают из-за периодических деформаций объема «подушки» в баках, являющихся следствием колебаний конструкции ракеты. Эгн колебания наблюдаются главным образом в начале работы, когда свободный объем мал и малейшая деформация бака сильно на нем сказывается, вызывая соответствующие изменения давления. Пульсации давления в трактах подачи компонентов в свою очередь вызывают пульсации расхода компонентов в КС двигателя и далее Рис.
9.31. Схема взаимодействия колебаний конструкции ракеты и тяги двигателя пульсации тяги, которые вновь воздействуют на колебания корпуса ракеты. Так возникает замкнутая цепочка взаимных воздействий колебаний корпуса ракеты и, колебаний тяги двигателя. Эга цепочка схематично показана на рис. 9.31. При некоторых соотношениях параметров колебания ракеты и тяги двигателя могут совпадать по частоте и фазе — в этом случае происходит взаимное их усиление и амплитуды колебаний быстро могут достигнуть крайних значений для двигателя или ракеты — произойдет разрушение того или другого. Как показывают исследования, возникновение совместных колебаний двигательной установки и конструкции ракеты наиболее благоприятны в случае блнзо" ги собственных частот колебаний системы питания и конструкции ракеты.
Продольные колебания ракеты в результате взаимодействия с работой ЖРД принципиально возможны у всех ракет. Поэтому при проектировании и летных испытаниях тщательно анализируют возможные частоты колебаний ракеты и двигателя на раз- Ф:--- личных режимах их работы, а также принимают меры по предупреждению развития подобных колебаний. ю амл = и насел Наиболее сильным средством подавлен === ния совместных колебаний является из- менение динамических характеристик пиРие ~ ох С"е"а демнФера тающих двигатель магистралей.
Это досустанавливаемого на магистралях длн изменения их тигаетсЯ, напримеР, Установкой специаль- частотных характеристик ных гидравлических демпферов на магис- тралях обычно перед входом в насосы 1рис. 9.3?). Демпфером служит конструкция, имеющая массоупругий элемент. При правильном выборе характеристик демпфера динамические и частотные характеристики двигательной установки могут быть сильно изменены. В результате рассогласования собственных частот системы питания и конструкции ракеты развитие совместных колебаний подавляется. Изучение динамических свойств конструкции ракеты можно производить как экспериментально на натурных моделях, так и аналитически, расчетным путем, используя математические модели. В первом случае строят физическую масштабную модель, которая имеет главные элементы ракеты — массу и жесткость.
Модель подвергается виброиспытаниям, обработка которых дает частотные характеристики ракеты. Математическая модель представляется в виде упругомассовой системы с сосредоточенными параметрами. Причем обычно масса топлива в каждом баке рассматривается как часть конструкции, а компоненты топлива и газ, заполняющие трубопроводы, «подушки» баков и агрегаты, рассматриваются отдельно. ГЛАВА 10 СОПЛА ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Отсюда поскольку ЬР =,~ ЬР о то через индивидуальные коэф2 вЂ! фнциенты срс можно выразить коэффициент сопла: 5 10.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОЦЕНКЕ СОВЕРШЕНСТВА, ПОТЕРЯХ И СХЕМАХ СОПЛ Сопло — необходимый элемент всякого ракетного двигателя, в котором тепловая энергия ПС преобразуется в кинетическую энергию истекаю:цей из сопла струи газов.
Величина кинетической энергии в конечном итоге определяет главную характеристику двигателя— удельный импульс. Всякий реальный процесс преобразования энергии сопровождается некоторыми потерями. В данном случае потери снижают кинетическую энергию струи и, следовательно, удельный импульс. Одна из задач организации рабочего процесса в соплах ракетных двигателей — снижение всякого рода потерь, максимальное приближение реального процесса истечения из сопла к идеальному. С другой стороны, сопло ракетного двигателя, особенно при современных больших степенях расширения газов в нем, представляет собой довольно громоздкую конструкцию и в общих габаритах и массе двигателя занимает весьма заметную роль. Другая задача — всяческое снижение необходимых габаритов сопла ракетного двигателя.
Таким образом, объединяя обе задачи, можно сказать, что при проектировании сопла ракетных двигателей основной целью является максимальное приближение процесса истечения к идеальному при минимальных габаритах сопл. Тогда сопло двигателя будет иметь минимальные потери при минимальной массе и габаритах. Совершенство сопла в целом оценивается сравнением тяги в пустоте или коэффициента тяги в пустоте данного сопла с тягой в пустоте или коэффициентом тяги в пустоте идеального (теоретического) сопла и выражается коэффициентом сопла Ч,, = Р.(Р., = К.(К.,, Поскольку коэффициент сопла ерс характеризует совершенство сопла в целом, то он является результатом суммарного воздействия всех причин, которые вызывают потери тяги в сопле.
По аналогии с суммарным коэффициентом сопла для количественной оценки влияния каждой индивидуальной причины на потери в сопле вводятся соответствующие индивидуальные: <рс = Р,(Р "= 1 — АРсс(Р„ (10.2) где Р„= Рс, — АРси — тяга в пустоте при действии только одной 1-й причины потерь; ЬР 2 — величина потери тяги, вызываемая воздействием данного 1 вида потерь. сзб ср = 1 — ЛР 1Р = 1 — ~~Р (ЛР,)(Р 2=Л = (Ч + 'рс+ ° ° + т„) — ~(л — 1).
(10.З) Если коэффициент 2р, ) 0,9, то выражение (10.3) с достаточной точностью может быть аппроксимировано произведением соответствующих индивидуальных коэффициентов: рс 'р1Ч~2'р2 " 12рс (10.4) Иногда удобно оперировать непосредственно с коэффициентами потерь тяги в сопле: ~Рс!(РАЙ.т Тогда суммарные потери в сопле ес ~~ 1п 2=Ю срс 1с. а коэффициент сопла Таким образом, для того чтобы рассчитать коэффициент 2р„ надо знать и уметь оценивать различные индивидуальные потери. Кроме того, анализ потерь и их зависимости от различных факторов необходимы также и для разработки методов и способов их снижения.
Потери в соплах. В соплах реактивных двигателей потери с достаточной точностью можно разделить на следующие виды. П о т е р и т р е н и я. Этот вид потерь связан с трением газа о стенку. Наличие вязкого трения при течении газового потока вдоль стенки КС и сопла создает силу, стремящуюся увлечь стенку в направлении потока, т. е. создает силу, противоположную тяге. Газодинамические потери. Этот вид потерь связан с неравномерностью поля скорости по величине и направлению на срезе сопла. Дело в том, что, рассматривая характеристика идеального или теоретического двигателя, подразумеваеь одномерное течение в сопле и, следовательно, параллельное оси сопла истечениесодинаковой скоростью по всему срезу сопла.
В действительности течение в соплах пространственное, близкое к его разновидности — осесимметричному потоку, с непараглельным и неравномерным истечением. Это снижает тягу по сравнению с идеальным двигателем. Т е р и о д и н а м и ч е с к и е п о т е р и .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
