Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

На рис. 5.6 штриховые линии показывают верхние и нижние границы высокочастотных колебаний давления, а штрихпунктирная кривая характеризует поведение без проявления нестабильности после небольшого изменения состава топлива. Вибрационный период показывает повышение среднего уровня давления. При колебаниях эффективное время горения уменьшается и средняя тяга становится выше. Суммарный импульс, по существу, остается неизменным.

Колебания давления по величине увеличиваются, тяга и скорость горения также увеличиваются. Частота колебаний, как оказывается, является функцией геометрии полости, состава топлива, давления и внутреннего поля пламени. Так как внутренняя полость заряда увеличивается и локальные скорости изменяются, колебания часто снижаются и исчезают. Время и влияние вибрационного горения будут иметь тенденцию изменяться с изменением температуры заряда до начала работы двигателя.

Для простого заряда с цилиндрическим каналом резонансная поперечная мода колебаний (тангенциальная и радиальная) грубо соответствует колебаниям, показанным на рис. 5.7 для камер жидкостных ракетных двигателей. Продольная или осевая мода, обычно при более низких частотах, является акустической волной, распространяющейся параллельно оси двигателя между передним концом канала и сходящимся сечением сопла. Гармонические частоты этих основных вибрационных мод могут быть также возбуждены. Внутренние полости могут стать очень сложными и включать в себя подвижные корпуса воспламенителя, а также погружные сопла, конусы, щели, звездообразные каналы или другие формы. Определение резонансных частот в сложных полостях не всегда является легким. Кроме того, геометрия внутренней резонирующей полости непрерывно изменяется по мере выгорания заряда. Так как полость становится больше, частоты поперечных колебаний уменьшаются.

Объемная мода, известная как мода Гельмгольца, L* мода или мода пульсирующего горения, не является волновой модой, как описано выше. Она имеет место при относительно низких частотах

211

классической моде резонатора Гельмгольца, подобно появлению звука, если дуть открытым ртом в бутылку (рис. 5.8). Это иногда

происходит при низких значениях L*: L* Vc / At , в течение перио-

да воспламенения и исчезает, когда внутренний объем становится больше или давление в камере сгорания становится выше.

Рис. 5.8. Диаграмма полостей абсорбера акустической энергии по периферии инжектора. В этой камере сгорания ограничением полости является щель (в форме секций круглой дуги), а не отверстия. Детали каналов охлаждения, отверстия инжектора или внутренние каналы подачи компонентов здесь не показаны

Неустойчивое пульсирующее горение является низкочастотным выхлопом шаровидного неустойчивого пламени короткой продолжительности (обычно менее 1 с) с последующими периодами невидимого пламени, в течение которых медленное газовыделение и испарение твердого топлива приводит к накоплению горя-

213

чего газа в камере сгорания. Двигатель подвергается действию порывов или струям горения и последовательным нарастаниям и спадам давления почти до окружающего (режим чихания). Этот скрытый (дремлющий) период может составлять от доли секунды до нескольких секунд.

Удобный метод для визуализации волн нестабильного давления показан на рис. 5.9. Он состоит в анализе рядов Фурье измеренного спектра колебаний давления, каждый из которых берется в разное время в течение процесса горения и изображается в последовательных вертикальных положениях на временной шкале, обеспечивая изменение амплитуды в зависимости от частоты

ивремени горения. На рис. 5.10 показаны низкочастотная осевая мода и две тангенциальные моды, частота которых уменьшается во времени за счет увеличения полости. На рисунке также показано согласование во времени различных колебаний и их начало

иконец. Для более легкой визуализации другие линии времени не показаны, за исключением участков вблизи резонансных частот. Высота волны пропорциональна давлению. Так как объем полости увеличивается, частоты поперечных мод уменьшаются.

Рис. 5.9. Серия 40 наложенных диаграмм частота–амплитуда, полученных через 0,2 c во время запуска (для первых 8 с) в двигателе ракеты «Вулкан НМ 60». В этом статическом огневом испытании камера сгорания работала при давлении 109 бар и массовом отношении компонентов топлива в смеси для пары кислород–горючее, равном 6,6

214

колебаний. Отклик твердого топлива описывает изменение в производстве массы газа или в высвобождении энергии на поверхности горения, когда это стимулируется возмущениями давления. Если на поверхности горения возникает мгновенный пик высокого давления, то он увеличивает мгновенную теплопередачу и, следовательно, скорость горения, заставляя также увеличиваться массовый поток от этой поверхности. Возмущения скорости вдоль поверхности горения, как полагают, вызывают изменения массового потока. К явлениям, которые усиливают колебания или дают прирост акустической энергии, относятся:

1.Динамический отклик процесса горения на нарушение потока газов или колебания скорости горения. Этот отклик горения может быть определен в Т-камерах. Функция отклика зависит от частоты этих возмущений и состава топлива. Отклик горения может не быть в одной фазе с возмущением или нарушением.

2.Взаимодействия колебаний потока с основным потоком, они подобны работе музыкальных ветровых инструментов или сирен (сигналов воздушной тревоги).

3.Влияние вихрей на динамику жидкостей.

Явления, которые влияют на уменьшение колебаний или демпфирование, связаны со следующими энергопоглощающими процессами:

1. Вязкое демпфирование в пограничных слоях на стенках поверхности топлива.

2. Демпфирование частицами или каплями, движущимися в колебательном потоке газ/пар. Частицы ускоряются или замедляются, будучи «отстающими» или «тормозящими» вдоль движения газа, процесса вязкого потока, который абсорбирует энергию. Затухание каждой отдельной частицы колебаний является оптимальным при конкретном размере частиц. Сильное демпфирование для низкочастотных колебаний (большие двигатели) вызывается относительно крупными твердыми частицами (от 8 до 20 мкм). Для высокочастотных волн небольшие двигатели наилучшее демпфирование вызывается небольшими частицами (от 2

216

до 6 мкм). Затухание происходит довольно резко, если распределение частиц по размерам в газообразных продуктах сгорания не концентрируется вблизи оптимума для демпфирования.

3.Поглощение энергия от продольных и смешанных поперечных/продольных волн при прохождении через выхлопное сопло. Энергия чисто поперечных волн, как оказывается, не демпфируется по этому механизму.

4.Поглощение акустической энергии вязкоупругим твердым топливом, теплозащитным покрытием и корпусом двигателя; эта величина трудна для оценки.

Характеристики топлива оказывают сильное влияние на восприимчивость к нестабильности. Изменения в связующем, распределение частиц по размерам, соотношение окислителя и горючего, катализаторы скорости горения могут влиять на стабильность часто непредсказуемо. Все твердые топлива могут испытывать нестабильность. В ходе анализа новых усовершенствованных топлив (например, определение его баллистических, механических свойств, оценки старения и характеристик совершенства) многие компании строго оценивают стабильность поведения топлива.

5.4.2.Аналитические модели

имоделирование стабильности горения

Много интересных исследований было направлено на разработку математических моделей, которые способны численно моделировать поведение при горении твердых топлив. Используя сложные алгоритмы и мощные компьютеры, можно успешно провести численное моделирование горения для некоторых ограниченных случаев, таких как подтверждение или экстраполяция экспериментальных результатов или выполнение ограниченных предсказаний стабильности конструкции двигателей. Это применимо к хорошо изученным топливам, для которых определены эмпирические константы (такие как отклик топлива на распределение частиц по размерам) и у которых диапазоны операционных параметров, внутренние геометрии или размеры довольно ограничены. Аналитические

217

методы, которые используются в настоящее время, являются достаточными для разработчика двигателей. Маловероятно, что будет найден надежный простой метод предсказания появления, величины, природы и местонахождения нестабильности для данного топлива и конструкции двигателя. Физические и химические явления являются сложными, многомерными, нестационарными, нелинейными, зависимыми от многих переменных и слишком трудными для выполнения математическим путем без достаточного числа упрощающих допущений. Однако теоретический анализ, определяющий свой взгляд на физические явления, может быть ценным для решения проблем нестабильности, и это используется на этапе предварительной оценки полостей (каналов) в конструкции заряда.

5.4.3.Оценка стабильности горения, средства и конструкция

Впротивоположность технологии жидкостных ракетных двигателей в настоящее время не существует методики оценки стабильности горения для полномасштабных твердотопливных ракет. Предпринимаемые тесты на стабильность работы полномасштабных управляемых ракетных двигателей являются дорогостоящим мероприятием, и поэтому для оценки стабильности двигателя используются низкостоимостныеметоды исследования с помощью модельных двигателей, Т-камер и другого испытательногооборудования.

Наиболее широко известным и наиболее широко используемым методом для получения данных, связанных со стабильностью горения, является использование Т-камеры, непрямого ограниченного метода, в котором не используется полномасштабный двигатель. На рис. 5.11 показан эскиз стандартной Т-камеры. Она имеет цилиндрическую камеру сгорания диаметром 1,5 дюйма (38,1 мм)

сдвумя торцами, с отверстием для выхода газов в средней точке. Выхлоп продуктов сгорания в атмосферу может происходить через звуковое сопло или через трубку, соединенную с напорной емкостью, которая поддерживает постоянный уровень давления в канале прибора (Т-камеры).

218

ческая узловая точка давления существует в центре и антиузлы находятся на концах полости. Акустические узлы скорости находятся вне фазы с волнами давления и проявляются на торцах Т-камеры. Образцы твердого топлива изготовляются в форме дисков или колпачка и приклеиваются к концевым сторонам Т-камеры. Скорость газов в полости Т-камеры поддерживается преднамеренно низкой по сравнению со скоростью газового потока в полномасштабном двигателе. Это практически минимизирует влияние связанной со скоростью энергии волн и позволяет оценить влияние волн, связанных с давлением, которые легче распознаваемы.

Использование Т-камеры для оценки стабильности полномасштабного ракетного двигателя включает в себя применение имеющих силу модели явлений, происходящих в Т-камере и реальном ракетном двигателе; эти теории до настоящего времени еще полностью не разработаны. Помимо оценки стабильности горения твердотопливного двигателя, Т-камера используется также для оценки новых твердотопливных составов и проверки важности внесения небольших изменений в ингредиенты: изменение размера частиц порошкообразного алюминия, измельчение окислителя и др.

После того, как обнаруживается или предсказывается нестабильность данного двигателя, необходимо найти способ, как решить проблему. К сожалению, нет надежного метода для выбора правильных мер и средств, и предлагаемые средства борьбы с нестабильностью могут не сработать.

Известны следующие способы исключения нестабильности:

1.Изменение геометрии заряда для смещения частот дальше от нежелательных величин. Изменение положения ребер, профиля поперечного сечения канала, числа щелей иногда бывает эффективно.

2.Изменение состава твердого ракетного топлива. Применение алюминиевого порошка в качестве добавки оказалось наиболее эффективным средством в подавлении поперечных нестабильностей при условии, что распределение частиц по размерам окиси алюминия является благоприятным для оптимального демпфиро-

220