4.6.2. Гашение заряда вводом хладоагента

на поверхность горения, уменьшает температуру пламени и прогретого слоя конденсированной фазы, и на той части поверхности, куда поступил хладоагент, происходит гашение пламени. Подача хладоагента на поверх­ ность рассматривается как основное воздействие на рабочий процесс, обеспечивающее максимальный эффект гашения. На той части поверхно­ сти, куда хладоагент не попадает, газоприход продуктов сгорания также уменьшается вследствие общего понижения давления. Все это приводит к превышению расхода газов из камеры над приходом, обусловленным оста­ точным горением и испарившимся хладоагентом.

Гашение горения в камере сгорания РДТТ обеспечивается только при условии весьма быстрого (соизмеримого со временем релаксации сво­ бодного объема камеры и прогретого слоя топлива) введения хладоагента массой, близкой к массе продуктов сгорания. В противном случае продук­ ты сгорания нагреют пары охладителя до высокой температуры, расход га­ за из камеры увеличится, и гашения не произойдет. Существует некоторое пороговое значение величины внешнего потока охлаждения qox„пор, ниже которого гашение не обеспечивается.

#охл пор[В т/м 2] = 4,94-108 и [м/с].

Хладоагенты бывают жидкими (вода) и твёрдыми (бикарбонаты ам­ мония и калия, бромид калия, кристаллогидрат сульфата алюминия и др.). Доставка жидкого хладоагента к поверхности заряда с внутренним горе­ нием обеспечивается через осевую форсунку с размещённым по её длине рядом отверстий. При этом следует стремиться к тому, чтобы охладитель достиг поверхности заряда в жидком состоянии с минимальными потерями на испарение при движении капель в горячем газе.

Радиальная подача твёрдого хладоагента может быть обеспечена по­ средством цилиндрического заряда ВВ, вокруг которого размещается хла­ доагент. Детонация ВВ обеспечивает диспергирование хладоагента и со­

10. Содержание предпусковых проверок и критерии оценки их ре­

зультатов.

11.Требования к пуску.

12.Условия и методы анализа состояния элементов и узлов конст­ рукции после испытаний.

13.Перечень конструкторской и технологической документации, не­ обходимой для подготовки и проведения испытаний.

Этапы стендовой отработки. Стендовая отработка РДТТ в зависимо­ сти от главных задач, стоящих перед конкретной серией испытаний и дос­ тигнутой степени отработки двигателя, может быть разделена на следую­ щие последовательно проводимые этапы испытаний:

1.Научно-исследовательские испытания.

2.Предварительные испытания.

3.Чистовые доводочные испытания (ЧДИ).

4.Приёмо-сдаточные испытания.

5.Контрольно-выборочные испытания (КВИ).

Научно-исследовательские испытания являются первым этапом при проектировании перспективных двигателей. Этот вид испытаний связан с разработкой и применением новых топлив, принципиально новых конст­ рукторских решений, перспективных конструкционных материалов. Они, как правило, проводятся с целью изучения рабочих процессов, протекаю­ щих в ракетных двигателях или его агрегатах. Выполнение программ на­ учно-исследовательских испытаний часто требует разработки принципи­ ально новых методов и средств проведения испытаний, новых средств из­ мерений.

Научно-исследовательские испытания проводятся на специальных установках, на модельных или лабораторных двигателях.

мент с силовым полом, коммутационные устройства системы измерений и т.д. Закрытый стенд должен быть оборудован стационарными погрузочноразгрузочными средствами. Горизонтальные стенды открытого типа ис­ пользуются для решения большинства вопросов наземной отработки

Вертикальные стенды (рис. 39) представ­ ляют собой железобетонную конструкцию на го­ ризонтальном фундаменте 1 с отводным газовым лотком 2. Вертикальные стойки 3 облицованы ме­ таллическими листами. На стойках предусмотрено крепление опорной плиты 4 с элементами подвес­ ки 5 двигателя б в вертикальном положении со­ плами вниз. На стенде имеются рабочие площадки обслуживания 7.

Конструкция наклонных стендов с неболь­ шими изменениями аналогична вертикальным

стендам. Их применение ограничено отработкой

Рис. 39. Схема верти­ кального стенда. малогабаритных или некоторых специальных дви­

гателей.

Параметры, измеряемые в РДТТ, можно разделить на три группы.

1.Параметры медленно меняющихся процессов:

-тяга и давление на установившемся режиме работы двигателя;

-температура наружной поверхности элементов РДТТ;

-параметры органов управления.

2.Параметры быстро меняющихся процессов:

-пульсации давления в КС и агрегатах;

-динамические деформации элементов;

-тяга и давление на нестационарных режимах работы двигателя.

3. Дискретные параметры (времена срабатывания автоматики; время

прохождения команд и т. д.).

К системе измерения параметров предъявляются следующие требо­

вания:

-высокая точность (0,1 ...0,15%);

-высокая надежность. Из-за ограниченного числа испытаний и вы­ сокой их стоимости потеря информации недопустима. Для повышения на­ дежности применяется принцип дублирования;

-высокая помехоустойчивость;

-дистанционность измерений;

-многоканальность измерительных трактов (до 400!);

-автоматизация процессов измерения.

При всем разнообразии конструктивного исполнения РДТТ и заря­ дов к ним можно выделить основные характеристики (рассмотрены ниже), которые на различных этапах отработки служат исходными данными для оценки работоспособности и надежности ДУ как объекта испытаний.

Внутрибаллистические характеристики. Определяются характером изменения давления в КС во время работы ДУ. При испытаниях произво­ дится измерение текущего давления в контрольных точках КС. По резуль­ татам обработки данных измерений определяются:

- максимальное и минимальное значения величины давления;

т

- импульс давления J* = jp d t;

о

- среднеинтегральные значения давления на характерных участках работы;

-максимальное значение градиента изменения давления;

-время задержки начала работы ДУ;

-время выхода на режим;

-время горения заряда;

-время спада давления;

-полное время работы ДУ;

-средняя скорость горения;

-секундный массовый расход.

Энергетические и массовые характеристики. В процессе испытаний регистрируется изменение тяги во времени. По результатам этих измере­ ний рассчитываются следующие характеристики.

-величина тяги в пустоте;

-максимальное и минимальное значения величины тяги;

-максимальное значение градиента изменения тяги;

-среднеинтегральные значения тяги на характерных участках рабо­

ты;

-опытное значение пустотного удельного импульса;

-опытное значение суммарных потерь пустотного удельного им­

пульса.

К характеристикам органов управления относятся управляющее уси­ лие, моменты и параметры рулевого привода, регулирующий фактор.

Массовые характеристики включают в себя значения масс узлов и элементов до и после испытаний.

Работоспособность оценивается комплексом характеристик:

-вибрация элементов и узлов;

-деформации;

-перемещения (удлинения);

-температура наружной поверхности;

-температура газа в характерных зонах;

-величины тепловых потоков;

-изменение геометрии и размеров (особенно, FKp, Fz и толщины ТЗП).

Состав продуктов горения конкретного топлива, их термо­ динамические и теплофизические свойства, а также энергетические характеристики могут быть определены в результате термодинамического расчета. В ходе изложения материала в качестве примеров будем рассмат­ ривать горение веществ, состоящих из четырех элементов: Н, С, N и О. Этого вполне достаточно для определения температуры и состава продук­ тов горения баллиститных ТРТ. Термодинамический расчет более слож­ ных по составу веществ отличается от расчета баллиститов только тем, что вместо решения системы из 11 уравнений для баллиститов требуется ре­ шение более громоздкой (из нескольких десятков уравнений) математиче­ ской модели.

Задача термодинамического расчета состава продуктов горения формулируется следующим образом: определить состав продуктов го­ рения и температуру в камере сгорания, если известны: состав топ­ лива, его теплота образования и давление газовой смеси в камере сгора­ ния.

Состав вещества задается условной формулой, вид которой не влия­ ет на результат термодинамического расчета. Условная формула обычно относится к некоторой условной массе. Если в качестве условной вы­ брана молекулярная масса, то условная формула принимает вид истинной химической формулы, в которой указывается а* - число атомов каждого химического элемента в молекуле, в нашем случае СтН„ О/ N9 .

Состав вещества, выраженный в массовых долях отдельных элемен­ тов, называется элементарным составом. Общая формула для массовой до­ ли отдельного (k-ro) элемента в веществе имеет вид

нений, т.е. число уравнений должно быть равно числу неизвестных. В на­ шем случае число неизвестных равно числу возможных газов х =1 1 .

Прежде чем начать составление системы уравнений, рассмотрим факторы, влияющие на состав продуктов горения. Первым и основным из

них является коэффициент избытка окислительных элементов (а) - соотношение между окислительными и окисляющимися элементами:

а =

Здесь 'iS^WfVi - суммарное число окислительных валентностей в услов­

ной молекуле топлива, равное сумме произведений числа атомов окисли­ тельных элементов v* на их высшую валентность (Wj).

При значительном недостатке кислорода могут образовываться, кроме то­ го, низшие углеводороды (СН4), а также свободный углерод.

Следующим важным фактором, определяющим состав продуктов горения, является температура. При высоких температурах состав про­

дуктов горения отличен от состава при низких температурах из-за дис­

социации и ионизации компонентов продуктов горения (рис. 40). Дис­ социация начинается при температуре ~ 2000 К. Для топлива, состояще­ го из H,C,0,N, при температуре выше 2000 К в продуктах горения до­ полнительно появляются еще газы ОН, О, Н, N0, N. При очень высоких температурах возможно появление свободного углерода. Появление этих

димые осколки молекул, и сопровождается выделением того же количе­

ства тепла, которое было поглощено при диссоциации. Реакции диссоциа­ ции и рекомбинации обратимы. В определенных условиях скорости прямой и обратной реакций будут равны, т.е. устанавливается состояние равновесия. Химический состав рабочего тела, отвечающий этому со­ стоянию, называется химически равновесным.

Другим важнейшим фактором, определяющим положение равновесия, является давление. Увеличение давления согласно извест­ ному принципу смещения равновесия вызывает процессы, способст­ вующие относительному снижению давления, т.е. процессы рекомбина­ ции, ведущие к снижению числа молекул смеси.

Результатом сильного возбуждения электронов при высокой тем­ пературе может быть отрыв электрона и превращение атомов в положи­ тельно заряженный ион. Ионизация продуктов горения химических топлив ничтожна и ее влияние целесообразно учитывать лишь при расчете некоторых свойств продуктов горения.

Перейдем к составлению математической модели рабочего процесса

вкамере сгорания. При этом принимаем следующие допущения:

1.Компоненты газовой смеси - идеальные газы.

2. На выходе из камеры горения имеет место химическое, фазовое и энергетическое равновесие между отдельными элементами газовой сме­ си.

тов равно давлению насыщенных паров этих продуктов при данной тем­ пературе газовой смеси.

лотворной способности топлива и условий его горения, определяющих уравнения реакций горения. Поскольку температура горения нам неиз­ вестна (её следует определить в процессе данной работы), то она задается произвольно и константы равновесия в расчет берутся при этой заданной температуре.

Итак, имеется система одиннадцати нелинейных алгебраических уравнений с одиннадцатью неизвестными. Если в продуктах горения одно и то же соединение присутствует как в газообразном, так и в конденсиро­ ванном виде (двухфазная система), то необходимо ввести ещё одно урав­ нение, так как появляется дополнительное неизвестное - доля вещества в конденсированном виде. Таким уравнением является уравнение зависимо­ сти давления насыщенного пара данного соединения от температуры. Если в результате расчета значение массовой доли конденсированной фазы по­ лучится отрицательным, то это означает, что конденсированная фаза от­ сутствует; в этом случае расчет следует вести обычным методом для газо­ образных продуктов горения. Наоборот, если расчет велся без учета кон­ денсированной фазы и парциальные давления отдельных газов получаются больше, чем давления насыщенных паров соответствующих веществ при данной температуре, это означает, что конденсат имеется, и этот факт должен быть учтён введением дополнительного уравнения.

Решение построенной таким образом системы уравнений позволяет получить состав продуктов горения при выбранном значении температуры.

Система нелинейных алгебраических уравнений может быть ре­ шена при помощи различных методов: метода итераций, метода Нью­ тона, метода Нелдера - Мида, метода последовательных приближений и др.

Получив состав газов при заданной температуре, проверяют пра­

вильность её задания на основании закона сохранения энергии, согласно 158

которому полное теплосодержание продуктов горения Яп.г при темпе­

ратуре горения должно быть равно полному теплосодержанию исходно­

го топлива Я„сх при температуре То.

Полное теплосодержание продуктов горения Япг. находится как сумма теплосодержаний отдельных веществ Я,:

Н и г - Ъ & И , -

Под теплосодержанием вещества Я} при какой-либо температуре пони­

мается сумма теплоты его образования из исходных веществ при темпера­

туре Т0 и теплоты, затраченной на его нагревание от температуры Т0 до температуры Т, которую имеет вещество:

v . = $ } 0+ k )dT> То

где Q(jr - теплота образования /-го вещества при постоянном давлении и

щества. Если при нагревании от температуры То до температуры Т имеет место фазовый переход, то в величину физического теплосодержания должна быть включена и скрытая теплота этого перехода (скрытая теп­ лота плавления при плавлении вещества, скрытая теплота испарения при его испарении).

Сравнивая вычисленное теплосодержание продуктов горения с эн­ тальпией исходного топлива, равной теплоте его образования, взятой с обратным знаком, выбирают направление и величину шага изменения температуры с целью выполнения условия Яисх = Яп.г. Последовательными приближениями находят такую величину температуры (и соответствую-

щий состав продуктов горения), при которой выполняется условие Н исх =

# п.г(рис. 41, а).

Одновременно с энтальпией вычисляют (необходимую для термоди­ намического расчета процесса истечения газов из сопла) энтропию про­

Значения энтропий 5(° приводятся в специальных таблицах при стандартном давлении р° Кажущийся молекулярный вес смеси продуктов горения вычисляют по формуле цсм = ^ g /Ц,.

Рис. 41. К определению температуры продуктов горения: а-в камере сгорания, б - на

срезе сопла

Термодинамический расчет состава газов и их температуры на срезе сопла производится в том же порядке, что и для камеры сгорания. Однако в этом случае используется предположение об изоэнтропности течения га­ зов по соплу, т.е. входной величиной для определения температуры и со­ става продуктов горения является энтропия продуктов горения в камере сгорания (рис. 41,6). Найденные температура и состав газов на срезе сопла позволяют определить энтальпию смеси газов на основании уравнения

Itf.AU,,

М’смРсм

где Hi для каждого газа берется при температуре Тсш.

После определения состава газов в камере сгорания и на срезе сопла, их температуры, энтальпии и энтропии представляется возможным рассчитать идеальную скорость истечения: Ua = ^2(Нг - Н 0) , где Я* На -

энтальпия газовой смеси в камере сгорания и на срезе сопла, соответствен­ но.

Раздел 1. ВНУТРЕННЯЯ БАЛЛИСТИКА СТВОЛЬНЫХ СИСТЕМ....5

Раздел 2. ВНУТРЕННЯЯ БАЛЛИСТИКА РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Д.Д. Талин

ВНУТРЕННЯЯ БАЛЛИСТИКА СТВОЛЬНЫХ СИСТЕМ

И РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Конспект лекций

Редактор Э. П. Полнякова Корректор И.Н. Жеганина

Лицензия ЛР № 020370

Подписано в печать 14.07.03

Формат 60x90/16. Набор компьютерный. Уел. печ. л. 10,375. Уч.-изд. л. 7,6. Тираж 100 экз. Заказ № 761/2003

Редакционно-издательский отдел Пермского государственного технического университета.

Отпечатано в отделе электронных издательских систем ОЦНИТ Адрес: 614600, г. Пермь, Комсомольский пр., 29а