Глава 3. Ударно-волновые процессы при запуске двигательной установки. Акустические процессы при старте. Тепловые процессы при старте

3.1. Ударно-волновые процессы при запуске двигательной установки ракет

При запуске двигательной установки ракет возникают ударно-волновые процессы вследствие "поршневого" действия высокотемпературных газов продуктов сгорания топлива двигательной установки на газовую (воздушную) среду с начальным давлением .

Волны сжатия с уровнем избыточного давления образуются на движущейся поверхности раздела высокотемпературного газа и движутся по воздушной среде со скоростью, близкой к звуковой , догоняя волны предшествующего образования и складываясь в более сильную волну давления . Темп нарастания ударно-волнового давления тем выше, чем выше скорость нарастания давления в камере сгорания.

При движении газа двигательной установки в каналах, ограниченных стенками ПУ, интенсивность ударных волн увеличивается. Впервые эти эффекты были исследованы в ЦНИИМАШ С.С. Семенов, Б.Г. Белошенко и другими специалистами.

3.1.1. Схема образования ударно-волнового процесса

Рассмотрим схему образования ударно-волнового процесса в каналах шахтной пусковой установки (рис.3.1).

Примем ряд упрощений, не затрагивающих основу механизма образования и позволяющих получить основные зависимости качественного характера:

Рис.3.1. Образование ударно-волнового процесса в каналах шахтной пусковой установки

• будем рассматривать движение элементарных волн в канале, пренебрегая дифракцией волн на контактной поверхности раздела высокотемпературной и низкотемпературной сред;

• течение будем считать одномерным, без учета взаимодействия газов с элементами пусковой установки, и используем метод характеристик, то есть будем рассматривать движение возмущений по характерным линиям , разделяющим длину канала в рассматриваемые моменты времени на зоны с различным уровнем возмущений;

• будем считать возмущения малыми и для оценок качественного характера можно определять конечное возмущение как сумму малых возмущений (принцип суперпозиции).

Разобьем расходную характеристику двигательной установки на участков (например, ) по времени со ступенчатым нарастанием расхода продуктов сгорания. Каждая дополнительная "порция" газа будет создавать возмущение , распространяющееся по каналу со скоростью . От свободного конца канала (длина , площадь – ) волна давления будет отражаться волной разрежения и распространяться к нижнему сечению канала также со скоростью .

В нижнем сечении канала сначала будут суммироваться волны сжатия в течение времени набора режима двигательной установки . Затем, с момента времени прихода в нижнее сечение волны разрежения, суммарное давление будет уменьшаться воздействием с обратным знаком.

Время начала падения будет равно времени пробега возмущениями двойной длины канала со скоростью :

.

Отношение характерных времен процесса – времени пробега двух длин канала возмущением к времени набора режима – называется числом Струхаля ударно-волнового процесса:

.

Если , то число .