4.4.2. Вдув газа и впрыск жидкости в сопло

Если через отверстие в стенке сопла втекает в поток вторичная струя жидкости или газа, то часть потока отклоняется от стенки; а вверх по течению от отверстия образуется зона повышенного давления. При этом возникает боковая сила, которая складывается из реактивной силы вторичной струи и равнодействующей сил давления в области отрыва потока.

v Обтекание струйного препятствия в сопле сопровождается не только возникновением боковой силы, то и приростом тяги, так как сопротив­ление вторичной струи не передается соплу, а равнодействующая сил по­вышенного давления по зоне отрыва имеет осевую составляющую (бо­ковая стенка сопла наклонена к оси РДТТ).

Вторичная струя жидкости или газа воздействует на основной поток как источник массы, количества движения и энергии. Так, в плоском сверхзвуковом сопле (с выходным сечением высотой h_a) воздействие вторичной струи бесконечно малой интенсивности dm приводит к повы­шению давления в потоке:

,

где Н, р - энтальпия и давление в потоке; v=Ма - скорость потока; v_BT - скорость вторичной струи; v_BTcos - осевая составляющая ско­рости вторичной струи; N - молярная масса.

Равнодействующая сил давления по возмущенной области длиной равна , а соответствующий удельный им­пульс определяется соотношением

.

Удельный импульс боковой силы при вдуве (впрыске) газа (жид­кости) в закритическую часть сопла (табл. 4.14. к=1,24, Т=300К, М=2,5):

.

где I_вт - собственный удельный импульс вдуваемой (впрыскиваемой) струи.

Коэффициент усиления при вдуве инертного газа в закритическую часть сопла. Возмущенную пристенную зону, возникающую при вдуве газа в закритическую часть сопла, можно разделить на две части: вверх и вниз по течению от отверстия вдува, находящегося на расстоянии l от выходного сечения сопла. Коэффициент усиления для первой части области, характеризуемой отрывом потока перед трехмерным струй­ным препятствием, равен 1,5...1,8, а коэффициент усиления для второй области увеличивается пропорционально (l/d_э)^0,5. В результате анализа экспериментальных данных имеем

,

где - угол между осью канала вдува и осью сопла ракетного двигателя;— эквивалентный диаметр отверстия (здесь и — расходные комплексы для газов вторичного и основного по­токов; ).

Приведенная формула для К_у справедлива до тех пор, пока цент­ральный угол охвата возмущенной области в выходном сечении сопла 2_а менее 160°. При распространении возмущения на противополож­ную вдуву сторону сопла (2_а>160°) коэффициент усиления умень­шается, и уменьшение пропорционально _а (80°_а160°):

.

Таблица 4.14

Удельный импульс струи, втекающей

в закритическую часть сопла при взаимодействии с потоком

Вдуваемое рабочее тело	Тепло, поглощаемое впрыскиваемым веществом при нагреве до температуры потока (1700 К), кДж/моль	, м/с	,кг/м*с
Инертные газы: продукты сгорания твердого топлива нейтральные жидкости: реагирующие жидкости и газы (содержится в потоке):	41,8 46 -54 144 156 83,6 -426 -860 210	7300 2320 4260 1240 1560 1700 6600 4700 1470	0,06 0,27 7,1 1,2 2,0 5,3 0,9 6,8 2,2

Примечание. - плотность рабочего тела. Газы хранятся при давлении 10,3 МПа и впрыскиваются со звуковой скоростью под углом к оси сопла.

Поэтому после того как угол охвата возмущенной области достиг значения 2=160°, увеличивать расход вдуваемого газа целесообразно только через дополнительные отверстия, расположенные в области раз­режения, находящейся вниз по потоку от струйного препятствия. Тоща в этой области повышается давление, и размеры возмущенной области не увеличиваются (в определенных пределах роста m_вт); коэффициент усиления при этом остается приблизительно на прежнем уровне, а боко­вая управляющая сила возрастает.

Удельный импульс боковой управляющей силы при впрыске жид­кости. Характеристики систем впрыска четырехокиси азота (стартовые РДТТ ракеты "Титан-ЗС", табл. 4.15) и впрыска фреона-12 (третья сту­пень ракеты "Минитмен") таковы:

а) при впрыске N₂ О₄ Р_у/Р 0,4();

б) при впрыске фреона-12 Ру/Р0,35;К_у=0,6.

Таблица 4.15

Боковая сила и удельный импульс при впрыске в сопло четырехокиси азота

	0,02	0,05	0,10	0,15	0,20	0,30
м/с	0,02 2600	0,045 2400	0,075 2000	0,10 1700	0,115 1600	0,14 1200

В системе вытеснения фреона имеется стабилизатор давления (4,5±0,2) МПа с пропускной способностью 0...0,45 кг/с (см. рис. 1.12). Расход газа или жидкости на парирование случайных эксцентриситетных возмущений по каналам тангажа и рыскания пропорционален сумме абсолютных значений проекций управляющего усилия на каждую из взаимно перпендикулярных плоскостей стабилизации z =|х|+\y\=и+v>0, причем

, при ,

а (v) записывается аналогично. Плотность вероятности распределения суммы двух модулей нормальных случайных величин z=\x\+\у\ (при _х==)

,

где .

Для вероятности получаем , так, вероятности 0,997 соответствует отклонение, равное примерно 4,2.