3258

Литература

1.Колесников К.С. Продольные колебания ракеты с жидкостным ракетным двигателем. – М.: Машиностроение. 1971г.– 260с.

2.Шевяков А.А., Калнин В.М., Науменкова Н.В., Дятлов В.Г. Теория автоматического управления ракетными двигателями. – М.: Машиностроение. 1978–288с.

3.Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетных двигателей. – М.: Машиностроение. 1974.–396с.

4.Волков Е.А. Численные методы. – М.: Наука,1987.–254с.

5.Роман С. Использование макросов в Excel. 2-е изд. – СПб:

Питер, 2004.–507с.

6.Уокенбах Дж. Excel 2010: профессиональное программирование на VBA. Пер с англ. – М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2012.–944с.

УДК 681.518.54

УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ В НАЗЕМНЫХ УСЛОВИЯХ

М.А.Игнатенко, ВГТУ, студент

В.И. Пригожин, КБХА, канд. техн. наук

При наземных испытаниях ракетных двигателей, предназначенных для использования в верхних слоях атмосферы или космосе, для определения их характеристик, в первую очередь таких как тяга, задержка воспламенения, тепловой режим в камере сгорания, устойчивость процесса горения, надежность и ресурс работы агрегатов двигателя, необходимо понизить противодавление в выходном сечении сопла настолько, чтобы получить безотрывное течение газа в его сверхзвуковой части.

Понижение противодавления на выходе из сопла, позволяющее предотвратить отрыв потока газа от его стенок, можно обеспечить применением барокамер, вакуумных насосов, эжекторов и выхлопных диффузоров. Они могут быть применены в отдельности

90

или в различных комбинациях. В настоящее время существуют три способа создания условий, имитирующих высотные..

1. Проходящий испытания двигатель помещается в емкость довольно большого объема (барокамеру), в которой создается разрежение путем откачки воздуха вакуумными насосами. В ходе испытаний продукты сгорания выбрасываются в эту емкость. Чтобы как то компенсировать повышение давления в барокамере, вызванное истечением газов с высокой температурой, применяется охлаждение тракта жидкими гелием или азотом, с целью нейтрализации роста давления за счет конденсации водяных паров и углекислого газа. Рассматриваемые высотные камеры для испытания натурных двигателей верхних ступеней ракет являются достаточно дорогими и громоздкими. Указанный способ может найти применение лишь для испытаний двигателей малых тяг, исполнительных органов систем ориентации и стабилизации космических аппаратов.

2.Для создания высотных условий на стенде используется понижение давления за счет эжекторного эффекта, вызванного потоком вторичного газа. При этом массовый секундный расход газа вторичного потока может значительно превосходить массовый секундный расход основного газового потока - продуктов сгорания. Это также приведет к существенному возрастанию габаритных размеров стендового оборудования и стоимости испытаний.

3.Следующий, третий способ создания высотных условий при стендовых огневых испытаниях ракетных двигателей характеризуется использованием сравнительно небольшой вакуумированной емкости с присоединенным к ней диффузором. В этом случае понижение давления достигается за счет эжекторного эффекта истекающих продуктов сгорания. Конструкция выхлопных

диффузоров относительно проста, и они недороги в изготовлении. Их недостатком является необходимость, в случае изменения двигателя или его габаритных размеров, замены диффузора. В настоящее время такой способ вакуумирования является основным на стендах.

Простейшим выхлопным диффузором (рис.1) для ракетного двигателя является прямая цилиндрическая труба 1, присоединенная либо непосредственно к выходному сечению сопла

91

двигателя, либо к камере 3, в которой находится двигатель 2. Последний закреплен на станке 5, устройство 4 измеряет тягу.

Выхлопной диффузор можно рассматривать как осесимметричную трубу, присоединенную к плоскости выходного сечения сопла причем продольная ось диффузора совпадает с осью сопла. Кинетическая энергия выхлопных газов, выходящих из сопла двигателя, используется для понижения противодавления за соплом, чтобы получить в нем безотрывное течение. Однако понижение противодавления, достаточное для обеспечения безотрывного течения, может быть получено только при определенных режимах работы ракетного двигателя.

Рис. 1. Диффузор, присоединяемый к вакуумной камере, в которой установлен ЖРД

Восстановление давления в диффузоре осуществляется посредством системы последовательных ударных волн и

соответствовать расчетным, обеспечиваемым диффузором. При этом необходимо выяснить, каким для данного двигателя с конкретным диаметром критического сечения dкр должен выбираться диаметр диффузора и каким должно быть отношение длины этого диффузора L к его диаметру dд. Требуемое отношение dд/dкр может быть определено с помощью графической

92

зависимости, типа представленной на рис. 2, полученной экспериментально.

Рис.2. Зависимость геометрических характеристик диффузоров (типа цилиндрической трубы) от параметров испытываемого двигателя

1 - вакуумная камера; 2 - вторая горловина; 3 - поток; 4 - сопло; 5 - диффузор; 6 - дозвуковая часть диффузора; 7 - клапан;

8 - вакуумный насос;9 - отбрасываемая заслонка Рис. 3. Схема установки сопло двигателя – диффузор – вакуумная

камера

По назначенному давлению, обычно выбираемому меньше давления в камере сгорания рк, и известному dкр, определяем по

93

графику dд. Длина диффузора на основании опыта выбирается из условия L/dд≥5.

Увеличение отношения pк/pн с целью обеспечения запуска двигателя с безотрывным течением в сопле возможно путем организации в начальный момент эжектирования вторичного газа, подаваемого в выходное сечение диффузора; отсоса первичного газа вблизи входа во вторую горловину диффузора или путем постановки вакуумной камеры на выходе из диффузора. Последняя схема представлена на рис 3.

Литература

1.Глушко В.П. Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: справочник /В.П. Глушко. – М.: Машиностроение, 1975.–545с.

2.Алемасов В.Е. Теория ракетных двигателей: учеб.пособие для вузов / В.Е. Алемасов, А.Ф. Другалин, А.П. Тишин. – М:, Машиностроение, 1980.–536с.

3.Бережинский Р.А. Конструкция и проектирование ЖРД: учебное пособие / Р.А. Бережинский, С.Г. Валюхов, В.А. Коробченко. – Воронеж: ВГТУ, 2002.–165с.

УДК 621.454.2

ПРОБЛЕМЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ЗАПУСКЕ И ОСТАНОВКЕ ЖРД

А.А. Кудрявцев, студент группы РД-111, тел. +7(950)-759-3764

А.В. Баскаков,КБХА, ведущий конструктор

Запуск и остановка ЖРД – ответственные и сложные режимы работы. Это связано с тем, что в этот период большинство систем двигателя работает на нестационарных режимах: включаются и выключаются многочисленные клапаны, возникают гидравлические удары и вибрации; при запуске происходит раскрутка ТНА и нарастание давления подачи; начинается поступление компонентов в камеру и ЖГГ и их горение. При останове прекращается поступление компонентов в камеру и ЖГГ, опорожняются полости за отсечными клапанами.

94

Начало горения при запуске и догорание при остановке часто происходят при неуправляемом изменении соотношения компонентов как по сечению смесительной головки, так и в среднем по камере. Это может приводить к возникновению колебаний давления, хлопкам и сильным вибрациям конструкции. При запуске может быть так называемый заброс давления в камере выше его номинального значения, т.е. возникает перегрузка. При останове могут возникнуть моменты, при которых возможны опасные раскрутки ТНА, повышение местных значений давления и температуры выше их номинальных значений.

Все эти явления при неблагоприятных их сочетаниях могут привести к разрушению двигателя. Как показывает опыт, многие неполадки и аварии возникают на режиме запуска, меньше – на режиме останова. В целом, по зарубежным данным, на запуск и останов приходится до 86% отказов. Поэтому отладка запуска и останова двигателя - большая и сложная часть работы при создании нового двигателя.

Для двигателей больших тяг характерен медленный запуск. Он выполняется либо двухступенчатым (кривая 7), либо программированным (кривая 6). Медленный характер изменения тяги обусловлен ограничением перегрузок как на элементы двигателя, так и на корпус ЛА.

Для двигателей средних уровней тяг предпочтителен плавный запуск (кривая 5). Характер этого запуска близок к экспоненциальному и требует регулирования.

«Пушечный» запуск (кривая 3) применяется в основном для двигателей малых или средних тяг, если в стартовый период имеет место дефицит времени, и производится путем подачи топлива на вход в камеру двигателя при номинальном давлении подачи. При этом в камеру поступает наибольшее количество топлива по сравнению с любым последующим режимом работы ЖРД. Вследствие этого при «пушечном» запуске, как правило, имеет место заброс давления и колебательный характер установления режима работы. Если двигатель с теми же параметрами запускать в условиях космической среды (кривая 4), то из-за увеличения запаздывания воспламенения топлива (τзап.Н→ ∞), в начальный момент воспламенения в камере накапливается больше топлива, чем при запуске в атмосферных условиях (при τзап N ), и запуск

95

двигателя становится “жестче”, т.е. увеличиваются скорость нарастания давления, заброс и степень колебательности процесса установления основного режима работы.

1 – идеальный; 2 – для ЖРДМТ; 3 – пушечный для атмосферных условий; 4 – пушечный в космических условиях; 5 – плавный; 6 – программированный; 7 – двухступенчатый запуск

Рис.1. Характерные виды запусков

Идеальным следует считать запуск с прямоугольным фронтом нарастания давления (пунктирные прямые 1). Ближе всего к идеальному реализуется запуск ЖРДМТ (кривая 2). Этому способствует малый объем камеры и заклапанных полостей двигателя и термостатирование топлива в его форсуночной и клапанных полостей (или прогрев этих полостей от предыдущего включения), которое уменьшает запаздывание воспламенения

96

топлива до исходного значения несмотря на то, что ЖРДМТ включается в условиях космической среды.

Запуск характеризуется несколькими параметрами. Одним из них является время запуска – время с момента подачи команды на запуск и до выхода на расчетный режим. У современных "полноразмерных" ЖРД оно равно 0,8...5 с.

Другими важными параметрами запуска являются темп набора давления (dРк/dt)ср,и перегрузка n=(Ркmax/РкN). Оба эти параметра определяют "жесткость" запуска, т.е. характер нарастания инерционных перегрузок, определяющих прочность как элементов конструкции двигателя, так и ЛА в целом. При нормальном или "мягком" запуске обычно (dРк/dt)ср=15...20 МПа/с и n≈1,0. Если

(dРк/dt)ср=25...30 МПа/с и n=1,15..1,20, имеет место "жесткий"

запуск, который не всегда допустим.

Наконец, важной характеристикой запуска является количество расходуемого топлива М3из баков ЛА за период запуска. У современных двигателей это значение должно быть в пределах

Эти параметры строго оговариваются в технических условиях на проектирование двигателя.

Остановка двигателя характеризуется параметром: временем остановки. Это время с момента подачи команды на останов и до полного прекращения горения и опорожнения объема камеры от газообразных продуктов. Другим важным параметром является импульс последействия, т.е. импульс тяги, создаваемый на режиме останова и его так называемый разброс. Последним называется отклонение импульса последействия от его среднего – номинального значения, вызываемого различием условий работы двигателя. Эти величины, т.е. время останова, импульс последействия и его разброс, также строго регламентируются техническим заданием на проектирование двигателя

1.Начальный, или подготовительный период остановки, включающий перевод двигателя на пониженный режим; выключение системы подачи – останов ТНА закрытием отсечных клапанов подачи компонентов в ЖГГ; выключение наддува баков; прекращение подачи компонентов в камеру двигателя закрытием главных клапанов подачи компонентов в камеру. Как правило, закрытие клапанов, также как и при запуске, происходит не

97

одновременно – обеспечивается установленная последовательность прекращения поступления окислителя и горючего;

2. Завершающий период остановки. На этом этапе осуществляются: включение продувки инертным газом полостей за отсечными клапанами. В некоторых случаях одновременно с продувкой открываются дренажные клапаны слива компонентов из этих полостей.

Литература

1.Г.Мерилл, Г.Гольдберг, Р.Гельмгольц. Исследование операций. Боевые части. Пуск снарядов. – М.: Издательство иностранной литературы, 1959.–596 с.

2.Дж. Хэмфрис. Ракетные двигатели и управляемые снаряды. – М.: Издательство иностранной литературы, 1958.–304 с.

3. Е.А. Бонни, М.Д. Цукров, К.У. Бессерер. Аэродинамика. Теория реактивных двигателей. Конструкции и практика проектирования. – М.: Воениздат, 1959.–732 с.

УДК 681.5.07

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РОТОРОВ

Д.В. Солодовников, ВГТУ, студент, тел. (473)2346484 А.А. Цыганов, ВГТУ, инженер, тел. (473)2346484

В работе представлена установка для экспериментального исследования динамических характеристик роторов на модельных режимах и средах, позволяющая получать амплитудно-временные характеристики движения вала и нагрузки на его опоры в широком диапазоне частот вращения ротора.

Разработка и создание ракетно-космической техники нового поколения невозможно без применения высокооборотных турбонасосных агрегатов, поэтому актуальной является проблема анализа их вибрационного состояния и снижения амплитуд

98

колебаний роторов [1]. Основным источником вибрации является ротор, взаимодействующий с корпусом через тонкие слои жидкости и газа в подшипниках и уплотнениях. Вибрационные характеристики ротора, а также возмущения, передающиеся на элементы корпуса, определяются как конструкционным демпфированием, так и упругодемпфирующими свойствами этих тонких разделяющих слоев, а также внешними возмущениями, приложенными к ротору (неуравновешенность, гидравлические и газовые силы и др.)[1]. Между вибрациями ротора и силовыми характеристиками жидкости в зазорах уплотнений существует обратная связь, поэтому уплотнения и ротор представляют замкнутую динамическую систему. Динамические характеристики роторов (критические скорости, амплитуды вынужденных колебаний, границы динамической устойчивости) в существенной мере зависят от уплотнений, поэтому исследование гидродинамических сил в уплотнениях необходимы для расчета критических скоростей, оценки динамических напряжений и разработки эффективных способов стабилизации роторов [1-4]. Поперечные колебания роторов во многом определяются гидродинамическими силами в уплотнениях проточной части. Для их вычисления необходимо решать нелинейные уравнения нестационарного трехмерного течения жидкости при ламинарном и турбулентном режимах[3-4]. Эта задача чрезвычайно сложна и не имеет однозначного решения, поэтому приходится принимать ряд упрощений, а достоверность полученных результатов проверять экспериментальным путем.

Для исследования динамических характеристик ротора на кафедре «Ракетные двигатели» ВГТУ была разработана и изготовлена специальная экспериментальная установка (рис.1), которая состоит следующих компонентов:

-имитатора ТНА;

-насоса высокого давления;

-электродвигателя;

-магистралей высокого и низкого давления;

-системы измерения и регистрации параметров.

Имитатор (рис.2) состоит из ротора 1, с модельными рабочими колесами 4, установленного на двух опорах 2, корпусов 3 и узла модельного уплотнения.

99