3.3.2. Схемы теплового воздействия на агрегаты пусковых устройств

Агрегаты пусковых устройств имеют сложную геометрию, поэтому при рассмотрении воздействия на них струй целесообразно выделить отдельные элементы, чтобы свести схемы воздействия к некоторым изученным случаям.

Воздействие на газоотражатель

Схема теплосилового нагружения газоотражателя показана на рис.3.28. Аналогом здесь является обтекание клина внешним потоком. Параметры струи неравномерны по сечению и по длине. При расчетах применяют осреднение по сечению струи.

Рис.3.28. Теплосиловое нагружения газоотражателя

Вследствие неравномерности параметров по длине струи, изменение нагрузок на отражателе в зависимости от подъема ракеты имеет характер, показанный на рис.3.29, где представлено изменение теплосиловых нагрузок в точке газоотражателя при отходе ракеты от старта ( – расстояние среза сопла от вершины газоотражателя).

Рис.3.29. Изменение теплосиловых нагрузок в точке газоотражателя при отходе ракеты от старта:

– расстояние среза сопла от вершины газоотражателя

Типовые параметры нагрузок на отражатель:

, , .

Воздействие на пусковые контейнеры

Схема теплового воздействия на стенку транспортно-пускового контейнера показана на рис.3.30. Воздействие локальное с перемещением зоны по длине трубы. Максимальное значение было названо "ударным". Ввиду того, что зона действия перемещается при движении ракеты в стволе, по экспериментальным данным были составлены эмпирические зависимости, позволившие проводить расчеты по осредненным параметрам.

Рис.3.30. Тепловое воздействие на стенку транспортно-пускового контейнера

Обтекание контейнера аналогично обтеканию пластины, так как , .

Воздействие на преграды

Схема воздействия на преграду показана на рис.3.31.

Рис.3.31. Натекание струи на преграду

Воздействие около критической точки зависит от градиента давления .

Рассмотренные характерные случаи имеют аналогию с теплообменом при обтекании тел внешним потоком в отношении формирования погранслоя и в связи с этим возможно использование зависимости , полученной для этого общего случая (в качестве опорной).

Однако для условий старта имеет место дополнительное воздействие на пограничный слой мощных акустических полей от излучения струй двигательной установки и от процессов взаимодействия струй с элементами пускового устройства, а, вследствие этого, – усиление интенсивности теплообмена. Это явление было обнаружено впервые при натурных испытаниях, так как оно проявляется в условиях действия больших амплитуд и низких частот пульсаций давления.

3.3.3. Зависимости для расчета теплового воздействия

Условия теплового воздействия при старте характеризуются:

• высокими значениями чисел ;

• большим диапазоном изменения температуры в пограничном слое , при высоких значениях до ;

• высоким уровнем пульсаций давления в потоке вследствие действия акустического излучения струй двигательной установки ().

Последнее существенно отличает условия теплообмена при старте от условий теплообмена при обтекании тел невозмущенным потоком.

Однако, несмотря на отмеченную специфику, закономерности изменения теплового воздействия, вызываемого изменением газодинамических и теплофизических параметров газа, аналогичны закономерностям теплообмена при обтекании поверхностей внешним потоком. Это выражается известной формулой Эккерта для коэффициента теплообмена в турбулентном потоке

.

Однако значения , полученные при натурных испытаниях тепловыми измерениями, оказывались выше, чем рассчитанные по приведенной формуле, в несколько раз, а иногда на порядок. Натурные данные находились в противоречии также с данными модельных испытаний.

Исследования этого процесса позволили выявить новый, ранее неизвестный механизм воздействия на турбулентный пограничный слой акустических пульсаций большой мощности, генерируемых струями двигательной установки в каналах стартового сооружения (М.В. Сенкевич, Г.Ф. Куровский).

Исследования потребовали проведения обширного комплекса измерений параметров тепловых, газодинамических и тепловых процессов на натурных шахтных сооружениях при различных режимах пусков, обширных экспериментальных исследований на лабораторных газодинамических установках.

Обработка комплекса данных позволила установить связь коэффициента теплообмена с акустическими характеристиками. Механизм интенсификации теплового воздействия в натурной шахте было предложено учитывать введением акустического числа , которое характеризует отношение амплитуды перемещения частиц к толщине акустического пограничного слоя при колебаниях газа. Механизм усиления интенсивности теплообмена состоит в воздействии на турбулентный пограничный слой поперечного к нему перемещения частиц потока при акустических колебаниях и проявляется наиболее сильно при автоколебаниях на дискретных частотах. При этом число пропорционально квадрату амплитуды акустического давления и обратно пропорционально частоте колебаний. Последнее обстоятельство весьма важное, так как приводит к качественно новым результатам и зависимостям в изменении коэффициента от линейного размера элементов, подвергающихся нагреву, и от масштабного фактора.

Так, вместо известной закономерности

,

при увеличении масштаба может наблюдаться рост коэффициента теплообмена с ростом масштаба вследствие уменьшения частоты при увеличении масштаба . Наоборот, с уменьшением масштаба интенсификация теплообмена уменьшается и полностью исчезает при некотором критическом значении и соответствующем значении масштаба . Этим, в частности, объясняется то обстоятельство, что явление усиления теплообмена было обнаружено впервые на крупных натурных объектах (пусковых шахтах).

Для учета влияния пульсаций на теплообмен были разработаны зависимости для двух видов условий по акустическим процессам, которые имели место при старте:

• при реализации автоколебательных резонансных процессов;

• при акустических процессах с шумовым спектром.

При реализации в каналах пусковой установки автоколебательных процессов на резонансной частоте усиление интенсивности теплообмена определяется формулой

,

где ;

,

; ; . При .

Для воздуха , для водяного пара .

Для условий воздействия акустических колебаний с шумовым спектром в диапазоне частот усиление теплообмена может быть определено по формуле

,

где – спектральная плотность в полосе .

В этой формуле пороговое значение , при котором начинается влияние акустических колебаний, составляет .

Определение зависимостей по влиянию на теплообмен акустических пульсаций с шумовым спектром было особенно актуальным для прогнозирования тепловых нагрузок на кормовую часть ракеты при минометном старте. Экспериментальные исследования этого вопроса были проведены Г.Ф. Куровским и М.В. Сенкевич на моделях достаточно крупного масштаба с измерениями газодинамических, тепловых и акустических параметров. В соответствии с данными критериальной обработки более полный учет влияния шумовых акустических пульсаций на турбулентный теплообмен осуществляется зависимостью от комплекса , являющегося безразмерной спектральной плотностью и учитывающего соотношения между и погранслоя:

,

,

,

где – толщина акустического погранслоя.

Этот комплекс можно представить через , и число потока:

.

Из формулы видно, что при увеличении числа влияние акустических пульсаций уменьшается. На основании полученных закономерностей можно рекомендовать формулы для расчета следующих случаев

1. Тепловой поток к пусковому контейнеру (слабо градиентное течение):

; ; ,

.

2. Обтекание отражателя (градиентное течение):

,

где или .

Иногда применяют формулу

.

В расчете берутся , при ,

; ,

где – угол наклона отражателя.

Параметры струи изменяются скачкообразно на длине струи :

• в зоне первой газодинамической структуры струи ;

• на длине шести структур струи .

За время старта .

3. При натекании струи на преграду коэффициент теплоотдачи зависит от градиента скорости растекания потока

.

Представленные закономерности для прогнозирования конвективного турбулентного теплообмена при старте являются концентрированной формулировкой новых свойств теплообмена для реальных натурных условий воздействия струй двигательной установки большой мощности на элементы пусковых установок. Эти новые свойства (влияние акустических пульсаций, "оребрения" обтекаемых поверхностей) в ходе исследований были специально выделены на фоне классических зависимостей, установленных для исследованных течений конвективного турбулентного теплообмена.

Следует отметить, что для получения новых данных по теплообмену при старте потребовалось создание специальной комплексной системы измерений, пригодной для проведения исследований в натурных условиях. Необходимо было разработать специальные датчики теплового режима натурных конструкций и параметров высокотемпературных газов. Необходимо было проведение специальных исследований в лабораторных условиях на моделях крупного масштаба. Методика проведения таких работ рассматривается в четвертой главе.