Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 98
Текст из файла (страница 98)
Если интенсивность ударной волны, возникающей при детонации слоя вещества, достаточна, чтобы вызвать такой же процесс в соседнем слое, то детонация может стать стационарной. Согласно теории Ю. Б. Харитона, детонация в конденсированной системе может протекать устойчиво, если продолжительность химической реакции во фронте детонационной волны меньше, чем время, в течение которого давление во фронте той же волны успеет разбросать реагирующее вещество. Поэтому все факторы, увеличивающие время разбрасывания, например, увеличение диаметра заряда, облегчают распространение детонации.
После превышения некоторого критического для данного топлива диаметра заряда горение может переходить в детонацию. 37.2. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НЕУСТОИЧИВОГО ГОРЕНИЯ Возникновение резонансного колебательного горения связывают с изменением скорости горения вследствие изменяющегося (нестационарного) теплового потока к поверхности горении. Явление неустойчивости в этом случае обусловливается квазистационарностью механизма горения твердого топлива. Квазнстационарный процесс горения и течения потока газов может быть нарушен каким-либо возмущением. Предполагают, что очаги флуктуаций находятся в местах пучцостей стоячих волн давления, температуры и плотности газов и мпгут возникнуть только в некоторые характерные моменты горения в зависимости от геометрии заряда.
Образовавшиеся волны давления нестационарным образом начинают взаимодействовать с поверхностью горения. Равновесие процесса горения нарушается, и течение приобретает колебательный характер. В полости, ограниченной горящей поверхностью, задним и передним днищами РДТТ, возникают колебания в продольном, радиальном или тангенциальном направлениях. Если флуктуации тепловыделения и подвода массы газа окажутся в одной фазе и будут иметь достаточную амплитуду, чтобы преодолеть действие диссипацин энергии, то происходит усиление колебаний. При этом доминирующую ропь начинает играть какая- либо одна мода. Наиболее важный вывод состоит в том, что колебательный процесс имеет акустическую природу, а камера сгорания РДТТ при исследовании неустойчивости рассматривается как акустичеокая система.
Опытом установлено, что в механизме горения самой чувствительной к изменениям давления зоной является тонкая зона у поверхности горения с большим градиентом температур. Исследования показывают, что механизм возбуждения неакустических колебаний прн неустойчивости 7.в-типа также может быть объяснен с акустической точки зрения. Таким образом, в обоих видах колебательного резонансного горения — высокочастотного и низкочастотного — явление акустической неустойчивости состоит во взаимодействии двух объектов— полости камеры сгорания и поверхности горящего топлива. 57.3.
ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ И СПОСОБЫ ПОДАВЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ГОРЕНИЯ Рнс. Эгл. Область устваеиво- / ~ ас го горении смесеаого трт в зависимости от ь' и Иавле- инв 75 70 7,5 70 075 р . ртз. Об устаз ге пгреннв смесевеге Трт в 0700дг й55' ваанснмостн вт Ъ и саорои 'я/7й сти гаремна 0,75 гг 5 0,07 0,И 75 и,л и!г висимости получают на основе испытаний небольших РДТТ, и они могут быть использованы для предварительных оценок устойчивости работы проектируемого двигателя или же чувствительности нового топлива к неустойчивости. Влияние различных факторов на неустойчивость акустической природы может проявляться по-разному: усиливать колебательный процесс при увеличении притока энергии, или, наоборот, увеличивать рассеяние энергии. Характеристики неустойчивости зависят от факторов, влияющих на механизм горения топлива (давленне, начальная температура, состав топлива, скорость потока), а также факторов акустической системы (геометрия заряда, сопло, состав продуктов сгорания).
* Коутс Р. Л„Хортон М. Д, ВРТ, 1969, № 7, с. 14 — 28. В случае низкочастотной неустойчивости ьв-типа характеристики зависят 'от давления и скорости горения. На рнс. 37. 1 показаны области устойчивости и неустойчивости в зависимости от приведенной длины 7. и давления, на рис. 37.2 — в зависимостнот Т,е и скорости горения для ТРТ различного состава*. Такие за- Испытания показывают зависимость акустической неустойчивости от давления н начальной температуры. Так, при испытаниях РДТТ на смесевом топливе (полисульфид+перхлорат аммония) уменьшение давления вызывало неустойчивость. Обнаруживаются предельные значения давлений: верхний предел, выше которого процесс устойчив, и нижний, ниже которого процесс становился сильно неустойчивым.
Результаты тех же испытаний показывают, что как прн низких (1„< — 50' С), так и при высоких (4,>+60'С) температурах неустойчивость процесса возрастает. Влияние состава топлива и скорости горения на акустическую неустойчивость исследовано недостаточно, и четких зависимостей не получено. Вероятность возникновения неустойчивого горения возрастает с увеличением длины заряда.
Экспериментальные и теоретические исследования показывают влияние формы сопла РДТТ на потери акустической энергии. Демпфирование колебаний входным участком сопла объясняется механизмом взаимодействия возмущений, генерируемых в камере сгорания, со стенками и стационарным потоком продуктов сгорания, 'характеристики которого изменяются вдоль сопла. На демпфирующне характеристики оказывает влияние геометрия входной части сопла. Из экспериментов установлено, что утопление сопла в камеру двигателя может вызвать переход режима работы от устойчивого к неустойчивому. Важным фактором, влияющим на потери акустической энергии, является наличие конденсированных частиц в продуктах сгорания топлива. Из-за диссипацни акустической энергии вследствие отставания частиц от газа происходит демпфирование колебательного процесса. Демпфнрующее свойство частиц зависит от их дисперсности. Частицы различных размеров оказывают эффективное демпфнрузощее воздействие на колебания разных частот.
Граница устойчивого режима в случае акустической неустойчивости, вызванной импульсом возмущения, определяется некоторым критическим значением давления, ниже которого амплитуда колебаний уменыпается. Это давление зависит от состава топлива„ начальной температуры, от природы импульса возмущения. Важным фактором для этого типа неустойчивости является отношение длины к диаметру двигателя.
При сравнительно малом отношении (ЛЯ( !О) предел устойчивости сдвигается в сторону более высоких давлений. Подавление акустической неустойчивости сводится к увеличению потерь акустической энергии. Меры, направленные на это, нужно предусматривать еще в процессе проектирования РДТТ. Подбор соответствующей геометрии сопла, применение металлнзированного топлива уменьшают или исключают возможность появления неустойчивости. С этой целью корректируют состав топлив, выбирают составы, менее чувствительные к неустойчивости по результатам исп *-" ий образцов; подбирают геометрию аарцца, исключа- |ощую акустические колебания. Эффект демпфирования достигается и с помощью увеличения турбулентного вязкого трения, для чего, например, предлагают делать в заряде радиальные отверстия, вводить в канал заряда пластины илн стержни.
Большое внимание уделяется и разработке специальных стабилизирующих устройств: акустических полостей, экранов и др. Из стабилизирующих устройств применяются также диафрагмы с отверстиями я щелями. Глава ХХХОП ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ДВИГАТЕЛЯ. ПРИКЛАДНЫЕ ПРОГРАММЫ РАСЧЕТА Ззя. ОСОБЕННОСТИ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ РДТТ У~/ма=/ гл,/гл =У„А, где А — относительное содержание топлива на аппарате.
(38. 1) Выбор рациональных значений параметров РДТТ тесно связан с оптимизацией основных параметров ракеты. Оптимальными считают обычно такие значения параметров, которые обеспечивают выполнение задачи при минимальной стартовой массе, выполнение эксплуатационных требований и достаточную надежность. В общем случае в качестве универсального критерия оптимизации можно принять стоимость выполнения задачи. Основные параметры двигателя — давление в камере сгорания и в выходном сечении сопла, тяга, время работы, габариты — тесно связаны с параметрами ракеты — числом ступеней, тяговооруженностью, распределением массы по ступеням и др.
Полное решение задачи выбора оптимальных проектных параметров твердотопливной ракеты является весьма сложным. Необходимо решать задачу отыскания значений большого числа взаимосвязанных параметров, прн которых некоторая функция их, например, стартовая масса ракеты, будет иметь минимальное значение. Будем рассматривать более простой случай 'с минимальными ограничениями, накладываемыми на параметры, когда в задании иа проектирование твердотопливной двигательной установки определено лишь значение суммарного импульса Г, . Относительно свободным может быть выбор топлива, геометрии заряда и камеры, давлений в камере сгорания и на выходе из сопла.
Принципы выбора оптимальных значений этих параметров те же, что и для ЖРД, но имеется определенная специфика. Наиболее употребительным критерием эффективности по-прежнему является отношение суммарного импульса к полной массе аппарата. Как известно, его можно записать в виде Из выражения (38. 1) следует, что эффективность системы повышается при увеличении среднего удельного импульса 1» и относительного содержания топлива Л.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
