Проектирование и отработка ракетных двигателей на твердом топливе

температура будет близка к номинальной температуре. Изменение температуры наружных слоев топлива приведет к некоторому увеличению разбросов ВБХ в конце работы двигателя, но при низкой среднеобъемной температуре заряда на параметрическую надежность двигателя это не повлияет.

На основе изложенного можно сделать вывод, что существующая традиция проектирования двигателя на твердом топливе закладывать в его конструкцию при работе на границах температурного интервала применения ту же параметрическую надежность, которая требуется при эксплуатации в климатическом районе, приводит к избыточной надежности двигателя и низкой его эффективности. Причем величина этой избыточности даже не определяется, падение эффективности – тоже. Здесь требуется применение методик проектирования, которые бы учитывали распределение температур окружающей среды и вызываемых ими нестационарных тепловых полей в заряде при эксплуатации. Это позволит провести оптимизацию конструкции двигателя исходя из обеспечения заданной надежности при его максимальной эффективности.

5.6. Потери единичного импульса в РДТТ

Потери единичного импульса при проектировании РДТТ определяются, как правило, расчетным способом. Рабочий цикл двигателя можно представить как процесс образования продуктов сгорания, перемещения их по камере сгорания и истечения через сопло. Каждая из этих стадий происходит с отступлениями от идеальной схемы, т.е. с потерями. Обычно их делят следующим образом [12]:

внутрикамерные – это потери, имеющие энергетическую природу и вызванные в основном неполнотой сгорания топлива. Кроме того, конечно, присутствуют тепловые потери;

потери в сопловом блоке, которые имеют в основном газодинамическую природу и объясняются наличием трения и неоднородностью структуры потока продуктов сгорания. И здесь же есть еще тепловые потери;

221

Деление это во многом условно, так как многие виды потерь в камере и сопле имеют одинаковую физическую природу. Связано это еще и с тем, что ответственность за снижение внутрикамерных потерь несет разработчик заряда, а за сопловые – разработчик двигателя.

Внутрикамерные потери объясняются тем, что не все реакции в камере сгорания проходят до конца, так как время пребывания продуктов сгорания для некоторых соединений меньше времени протекания химических реакций. Вещество не успевает прореагировать в камере и догорает за соплом. Эта энергия для двигателя теряется. Кроме того, при работе двигателя происходит взаимодействие продуктов сгорания с бронирующими и теплозащитными покрытиями. Оно носит как тепловой характер, так и химический, т.е. сопровождается разложением покрытий, которое идет с поглощением энергии. Оценка величины внутрикамерных потерь по опытным данным производится по величине

удельного импульса давления [12] βî ï = α 1Àî ï = pFGêð , где

α Àî ï − опытное значение коэффициента истечения, p –

давление в камере сгорания, Fкр – площадь критического сечения сопла, G – расход продуктов сгорания. Величина

коэффициента внутрикамерных потерь определяется как отношение опытного и теоретического значений удель-

ного импульса давления ϕê = ϕ2 βî ï , где ϕ2 – коэффи-

βòåî ð

циент расхода, который иногда называют коэффициентом сужения струи. Он учитывает тот факт, что эффективная величина площади проходного сечения сопла всегда меньше, чем геометрическое значение этой площади. Величина этого коэффициента составляет 0,995…0,998. Величина внутрикамерных потерь может быть определена также че-

рез коэффициент тепловых потерь (или потерь теплосо-

держания) χ [10], который определяется как величина уменьшения опытного значения силы топлива по сравне-

222

нию с теоретическим значением ( χRT ) . Тогда связь меж-

ду этими коэффициентами будет иметь вид ϕê = χ .

Полноту сгорания обычно оценивают посредством времени пребывания (времени релаксации свободного объема камеры) [12]. Считают, что продукты сгорания находятся в камере в течение примерно этого времени.

где W – свободный объем камеры сгорания.

Время пребывания является приближенным показателем действительного времени пребывания частиц в камере сгорания. Ясно, что продукты сгорания, пришедшие со стороны заднего торца заряда, будут иметь меньшее время пребывания, чем пришедшие со стороны переднего торца. Частицы, попавшие в поток в канале заряда, также будут иметь различное время пребывания. Кроме этого, конденсированные частицы имеют при движении по камере сгорания меньшую скорость, чем газовый поток, и у них будет большее время пребывания. Однако данная характеристика удобна тем, что позволяет комплексно и с достаточной точностью определить время нахождения продуктов сгора-

ния в камере и оценить полноту сгорания частиц топли-

вания, необходимое для полного сгорания топлива. Оно определяется экспериментально для каждой марки топлива. Величина внутрикамерных потерь зависит от двухфазных потерь, механизм образования которых будет рассмотрен ниже, потерь от оседания конденсированной фазы в камере сгорания и наличия в шлаках активных металлов.

три основные группы [12].

223

Газодинамические потери являются наиболее изу-

ченным видом потерь. Это потери на рассеяние ξ1 , связанные с непараллельностью поля скоростей на выходе из со-

пла. Определяются для конических сопел ξ1 = sin2 α21 , где

α1 – полуугол раскрытия сопла. Для профилированных со-

входа в закритическую часть сопла, α11 – угол выхода на срезе сопла. В эту же группу потерь входят потери на наклон сопла ξ2 , которые определяются как ξ2 =1−ñî sα2 , где α2 – угол наклона сопла. Сопло выполняют несоосно

в случаях, когда надо отклонить струю продуктов сгорания от конструкции двигателя или ракеты. Этот прием применяют при проектировании стартовых двигателей, маршевых двигателей крылатых ракет, где применяется расположение сопел в средней части двигателя, в двигателях систем спасения, у которых сопла расположены в переднем днище. Величина потерь зависит от угла наклона, который обычно составляет 15°. В эту же группу входят потери на неравномерность поля скоростей в критическом сечении

сопла (ξ3 ) , которые обычно не превышают долей процен-

та, и потери, связанные с отличием реального профиля от расчетного, (ξ4 ), которые вызываются необходимо-

стью изготовить сопло по простым поверхностям для обеспечения его технологичности. Они также составляют доли процента. Достаточно большую величину составляют по-

тери на трение (ξ5 =1−3 %), которые зависят от габари-

тов сопла, числа Re потока, термодинамических характеристик продуктов сгорания, характера теплообмена между продуктами сгорания и соплом, шероховатости стенок сопла. Кроме того, в многосопловых блоках возникают поте-

ри, специфические для этой конструкции (ξ6 = 0,5 −1%) . 224

Их причины – наличие поворотов потока и вихревых зон. Определяются с помощью специальных опытов.

Двухфазные потери. Возникают вследствие динамической (отставание конденсированной фазы от газового потока) и температурной (разности температур конденсированной и газовой фаз) неравновесности двухфазного потока. Это приводит к появлению достаточно больших потерь

(ξ7 = 3 −4 %). При движении продуктов сгорания в них

идут процессы дробления, а также коагуляции и агломерации частиц, что также влияет на величину этих потерь. Кроме того, при движении в сопловом блоке может происходить сепарация этих частиц, то есть осаждение их в некоторых местах сопла, что искажает его профиль и ведет к увеличению потерь. Существуют методики расчета этих потерь (рассчитывают параметры двухфазного потока в двумерной постановке). Но эти методики требуют достаточно объемных исходных данных, в частности необходимо знать гранулометрический состав конденсированной фазы. А этот состав определяется только экспериментально, и его параметры зависят и от топлива, и от конкретной конструкции двигателя. Определяющий фактор для этих потерь – размер конденсированных частиц, причем величина потерь пропорциональна квадрату диаметра частицы. При размере частицы < 1 мкм двухфазных потерь вообще нет. Чем больше доля конденсированных частиц, тем больше величина потерь, а чем больше габариты сопла, тем меньше потери. В эту же группу входят потери на некристалли-

зацию (ξ8 = 0,5 −1%) . При расчете предполагается, что

при течении газа в закритической части сопла происходит мгновенная кристаллизация жидких частиц и выделение дополнительной энергии. На самом деле кристаллизация некоторых частиц происходит не мгновенно и может произойти за соплом. В этом случае энергию кристаллизации мы теряем. Могут быть потери и на осаждение конденсата в сопловом блоке ( ξ9 до 0,5 %). Они объясняются тем, что

отброшенная масса остается на ракете, что уменьшает еди-

225

ничный импульс, и искажается форма сопла, что также вызывает потери.

Другие виды потерь. Потери от применения теплозащитных покрытий на соплах ( ξ10 до 0,5 %), вызванные

разложением теплозащитных покрытий, на что расходуется энергия продуктов сгорания. Продукты разложения ТЗП перемешиваются с потоком, снижая его температуру, что также уменьшает единичный импульс. Тепловые потери, составляющие величину ξ11 = 0,5 −3 % и зависящие от вида

теплозащитного покрытия, типа топлива и его состава,

поверхности теплообмена. Потери на незавершенность химических реакций, возникают чаще всего от недогора-

ния частиц металла (ξ12 = 0 −1,5 %) . Потери, связанные с разгаром сопла (ξ13 = 0 −1%) . Потери, связанные с выносом несгоревших частиц заряда (ξ14 ) . Происходят

в зарядах с очень малым временем работы или в конце работы вкладных зарядов и связаны с разрушением тонких сводов топлива. Зная составляющие всех потерь, можно определить коэффициенты потерь в сопловом блоке и внутрикамерных потерь, а их произведение даст величи-

ну коэффициента потерь единичного импульса. Необхо-

димо отметить, что расчет потерь в настоящее время не обеспечивает требуемую при проектировании точность. Существует достаточная точность при определении всех составляющих потерь, однако при их суммировании не учитывают влияния стохастических связей между ними, а они есть, так как составляющие потерь достаточно часто зависят от одних и тех же факторов. Как правило, конструктор дополняет расчетные данные результатами огневых стендовых испытаний двигателей-аналогов. Однако для выявления этих аналогов и учета при проектировании экспериментальных данных нет соответствующих методик. В части определения потерь процесс анализа составляющих уже дошел до предела, и дальнейшее улучшение точности определения потерь должно идти по пути синтеза имеющихся знаний.

226

ГЛАВА 6. СТЕНДОВАЯ ОТРАБОТКА РДТТ

6.1. Цели и задачи отработки

Отработка РДТТ – это процесс получения экспериментальным путем информации об эффективности, работоспособности и надежности двигателя путем моделирования определенных условий эксплуатации. Для этого проводятся различные серии испытаний, по результатам которых делается заключение о характеристиках двигателя при эксплуатации. Требования к характеристикам двигателя и условия эксплуатации определяются техническим заданием на разработку двигателя. Отработка является самым дорогостоящим, трудоемким и продолжительным этапом разработки двигателя и совершенно необходимым этапом разработки изделия. При проектировании мы пользуемся десятками методик расчета и определяем ожидаемые характеристики двигателя. Эти методики обладают удовлетворительной точностью, но никакая методика не может охватить все действующие факторы. В эксперименте мы имеем характеристики двигателя, которые получены с учетом всех действующих факторов, включая даже те, о которых мы не знаем. Экспериментальные данные всегда полнее теоретических, и они дают действительное представление о работоспособности и надежности двигателя. Кроме того, все методики расчета учитывают какой-то один процесс, происходящий в двигателе. Например, внутрибаллистический расчет не учитывает влияние на выходные параметры двигателя напряженно-деформированного состояния топлива, а это влияние есть. Соответствующей методики в настоящее время нет, эти данные могут быть получены экспериментальным путем. Другой пример: очень трудно смоделировать тепловые процессы в двигателе, однако в дальнейшем необходимо знать действительные параметры скорости горения в двигателе. Их получают по результатам огневых стендовых испытаний. При отработке надо еще определить степень влияния на характеристики двигателя сочетания различных материалов, например топлива

227

и бронепокрытия, топлива и защитно-крепящего слоя и т.д. Теоретические и лабораторные оценки этого влияния, конечно, проводятся, но надо знать, что происходит в конкретной конструкции двигателя. Есть еще группа факторов, результаты влияния которых проще получить в стендовых условиях, например влияние железнодорожных и автомобильных транспортировок на заряд и двигатель. Не возить же каждый двигатель десятки тысяч километров. Помимо этого, существует группа факторов, влияние которых можно определить только в стендовых условиях. Например, поведение двигателя при воздействии пожара, ударе быстролетящего тела, случайном падении с большой высоты.

Все перечисленные испытания двигателя имеют достаточно высокую стоимость, поэтому допустимое их количество всегда стремились уменьшить. Надо иметь в виду, что уменьшить количество испытаний можно только одним путем – увеличивать снимаемое количество информации о характеристиках двигателя при каждом испытании. Для этого применяют совмещение действующих факторов, например, транспортные испытания, подтверждение гарантийных сроков и огневые испытания либо специальные методики оценки параметров, например при подтверждении надежности [19]. Следует заметить, что необоснованное уменьшение количества испытаний при отработке, конечно, позволяет экономить материальные ресурсы, но при эксплуатации это ведет к большим дополнительным затратам. Двигатель, не прошедший полный объем экспериментальных проверок, всегда может дать отказ, причем в самый неподходящий момент.

На этапе отработки у конструктора есть конструкторская документация на заряд и двигатель, изготовлена опытная партия изделий по соответствующей технологической документации, имеется стендовое оборудование и технологическая документация для проведения испытаний изделия.

Испытания проводятся по специальным программам,

которые объединены в программу экспериментальной отработки [8].

228

1.Цель и задачи испытаний, основания для проведения работы, название изделия и его индекс, договор, в соответствии с которым ведутся работы.

2.Количество испытаний с разбивкой на этапы.

3.Сведения об объекте испытаний, техническая характеристика изделия. Здесь приводятся все параметры двигателя, которые должны быть определены в процессе отработки.

4. Условия подготовки и проведения испытаний. В этом пункте приводится штатная комплектация двигателя, экспериментальная комплектация (если она есть), указывается, при каких температурах проводятся испытания, нужна ли имитация высотных условий и т.д.

5.Требования к техническим средствам и оборудованию для проведения испытаний, т.е. тип стапеля, номер чертежа на стапель, такелажные приспособления, требования к термостатированию двигателя и его внутрицеховой транспортировке.

6.Требования к системам измерений, где указывается регистрирующая аппаратура, необходимая точность замера.

7.Перечень измеряемых параметров и их ожидаемые значения.

8.Программа функционирования, где определяется порядок работы изделия и работы его органов управления, узлов отсечки тяги.

9.Количество, тип, место установки датчиков.

10.Требования к оборудованию для видео- и фоторегистрации процесса испытаний.

11.Методы дешифровки и обработки результатов испытаний.

12.Содержание предпусковых проверок и критерии оценки их результатов.

13.Требования к проведению пуска двигателя: допустимое время транспортировки, допустимое время пребывания изделия на стенде, поджатие изделия к упорной плите и т.д.

229

14.Методы анализа состояния конструкции после испытания (дефектация изделия): взвешивание изделия, наличие прогаров, разгар критического сечения сопла, взятие образцов ТЗП, бронирующего покрытия, обязательное фотографирование узлов двигателя.

15.Методы оценки характеристик двигателя после испытания. В этом разделе приводятся методики обработки результатов испытаний и оценки параметров двигателя.

16.Перечень конструкторской и технологической документации, необходимой для подготовки и проведения испытаний.

6.2.Информативность огневых стендовых испытаний

Существуют 6 групп экспериментально полученной информации, которые характеризуют двигатель на твердом топливе как техническую систему.

1. Внутрибаллистические характеристики – это давление в камере сгорания, временные параметры, расход продуктов сгорания. Определяют время задержки воспламенения как разность между моментом подачи импульса на пиропатрон и началом подъема давления в камере. Время выхода на режим определяется как разность момента времени начала подъема давления до момента достижения давления в камере сгорания, определяемого в соответствии с требованиями технического задания на разработку двигателя. Это может быть величина давления в абсолютном выражении (например, 8 МПа), а может быть указана доля от среднего уровня давления в камере сгорания (например, 0,7 от среднего давления). Время работы заряда определяется как разность времени, при котором заканчивается выход двигателя на режим, и времени начала спада давления в камере после окончания работы заряда. По величине этого времени в дальнейшем определяется закон скорости горения в данном двигателе. Время окончания работы двигателя определяется по уровню давления в камере сгорания на участке спада. Чаще всего этот уровень имеет величину

230