S­

o

u 3200 G

m

о

Д

&

к

к

3000

я

л

Е

(D

3700

3600

3500

3400

3300

. 0,65 0,75 0,85 0,95 1,05

Коэффициент избытка окислителя, (X

Рис. 2. К оценке влияния соотношения компонентов на потери удельного импульса из-за химической неравновесности

При этом кривая 1 получена в предположении равновесного течения на всем протяжении камеры, кривая 2 - в предположении кусочно­равновесного течения (равновесного - до критического сечения сопла и химически замороженного - на участке сверхзвукового потока), а кривая 3

• в предположении химически замороженного течения продуктов сгорания в сопле от входного до выходного сечений. Кривая 4 отражает изменение температуры в камере сгорания.

Максимальный удельный импульс, рассчитанный в равновесном приближении и равный /_у._п1=3350 м/с, достигается при a _TOptim1=0,81, при полностью химически замороженном течении при a _mpllm3=0,68 развивает­ся удельный импульс 7_у._п3=3112 м/с, промежуточному случаю (кусочно­равновесное приближение) соответствует a_TOptim2=0,725 и /_уп2=3166 м/с.

Смещение условного оптимального соотношения компонентов от a_TOpti_m1=0,81 в сторону избытка горючего при учете потерь на химическую неравновесность, т.е. с приближением к модели реального течения, можно объяснить уменьшением температуры (график 4 на рис.2) и соответству­ющим снижением степени диссоциации.

Реальные процессы течения в сопле могут быть представлены как некоторые промежуточные между предельными рассмотренными вариан­тами: равновесным и локально (на участке сверхзвукового течения) замо­роженным. При этом, сопоставляя время прохождения выбранного участка х₁-х₂ сопла D t _1-2 и потребное время установления химического равновесия

t согласно принятого уравнения химической реакции, можно фиксировать содержание компонентов смеси - реагентов этой реакции, т. е. заморажи­вать менее скоростные реакции на участках сопла, где ^ ^ ⁷. В первом приближении потребные времена для нескольких характерных химических реакций можно определять по таблице 13, взятой из монографии Н. М. Бе­ляева.

Таблица 13

Время (в секундах), необходимое для установления химического

равновесия при разных температурах

Реакция	Температура, К
	700	1000	1200	1500
СН4 О 2Н2	5.28 * 1012	3,55 * 104	17,74	1,24 * ЮГ2
С;,Н4 & 2Ста + 2Н2	1,02 * 102	2,16 * ЮГ1	9,24 * 10"4	2,50 * 10'5
С2Н6 ^ 20^ + ЗН,	1,59* 107	99,0	8,00 * 10“J	2,50 * 10'4
2NH3 & N2 + ЗН2	3,54 * 1012	1,11 * 104	6,31	5,02 * 10'5
С02 +Ста 2С0	1,59 * 10я	7,20 * 102	0,3	1,00* IV3
С02 +Н2 <-> С0+Н20	1,45 * 10'5	6,31 * 10'7	1,41 * 10'7	9,25 * 10'5

Практически значимая точность расчета потерь на химическую неравновесность достигается только решением сопряженной задачи тече­ния химически активного рабочего тела в канале с учетом кинетики хими­ческих превращений.

Потери удельного импульса из-за неравномерности свойств по­тока в минимальном сечении сопла

Коэффициент сопла ^{<Pz2 =} ^^ЕН

Если для расширяющейся части сопла выбирается профиль в пред­положении равномерного по сечению распределения свойств одномерного потока с плоской поверхностью перехода через скорость звука в мини­мальном сечении сопла, то отличие реального потока от такой его моде­ли приводит к отличиям удельного импульса от расчетного, т.е. к поте­рям.

Отличие течения в минимальном сечении от одномерного ведет к формированию неплоской, выпуклой в сторону выходного сечения сопла поверхности перехода через скорость звука, а, следовательно, к местному повышению давления вблизи оси симметрии сопла, возникновению малых возмущений в сверхзвуковой части потока, к отличиям в геометрической степени расширения для приосевых и периферийных частей потока. При этом уменьшается скорость истечения приосевой части потока, становится неодномерным поток в выходном сечении сопла и проявляются дополни­тельные потери на рассеяние.

Однако для сопл с профилем сужающейся части, выбранном соглас­но общепринятым для ЖРД рекомендациям, эти потери, как правило, не превышают 0,5% и могут быть в первом приближении оценены эти чис­лом.

При одномерном распределении скорости и давления рабочего тела в минимальном сечении сопла состав, а, следовательно, свойства потока могут быть различными для пристенного слоя и ядра потока. Такая кар­тина представляет собой результат проявления неидеальности, как пра­вило, объективно необходимой и, зачастую, создаваемой преднамеренно.

Создаваемое с целью организации внутреннего охлаждения камеры сгорания неравномерное распределение соотношения компонентов по се­чению камеры вплоть до минимального сечения сопла сохраняется в той или иной мере и при течении рабочего тела в расширяющейся части сопла (рис. 3). Причем в процессе течения в сверхзвуковой зоне происходит вза­имный тепло-массоперенос между пристенным слоем и ядром потока, обу­словленный градиентом концентраций, температур и скоростей. В резуль­тате зона контакта пристенного слоя и ядра потока размывается, термоди­намические свойства рабочего тела осредняются в слое смешения, и, хотя занимаемые пристенным слоем и ядром потока доли площади проходного сечения меняются, сохраняется равномерное распределение давления по радиусу потока.