3.2.3. Акустика старта ракет-носителей

Акустические нагрузки являются основным источником вибраций на борту ракеты. Для первых ступеней ракет они, как правило, носят максимальный характер по сравнению с акустическими нагрузками на других участках траектории. Основной источник вибраций ракеты при старте обусловлен звуком, создаваемым струями двигательной установки, взаимодействующими с газоотражателем и стартовой площадкой. Этот звук имеет максимум направленности по нормали к поверхности взаимодействия и с подъемом ракеты резко падает.

Во многих случаях воздействие акустических нагрузок высоких уровней, особенно на приборы и органы управления, невозможно прогнозировать и может быть выявлено только в ходе натурной отработки ракеты. Однако экспертиза уровней акустических нагрузок, ожидаемых на ракете при старте, обязательно проводилась для большинства отечественных носителей в ходе проектных работ. В последующем эти оценки использовались при отработке приборов на акустических стендах.

Так, надежное прогнозирование акустических нагрузок на ракету-носитель "Энергия" и на орбитальный корабль "Буран" в ходе экспериментов на лабораторной базе ЦНИИМАШ и крупномасштабных испытаний на газодинамических стендах НИИХСМ, а затем испытания отсеков и агрегатов ракеты-носителя и орбитального корабля на вибрационных и акустических стендах, во многом способствовали успешному уникальному пуску в автоматическом режиме комплекса "Энергия – Буран".

Для радиоэлектронной и микроэлектронной аппаратуры, расположенной на борту ракеты-носителя или на стартовом сооружении, опасным считается уровень акустического шума, начиная со . Если на аппаратуру предполагается воздействие до и выше, то испытания на акустическую устойчивость считаются обязательными. Максимальное воздействие по действующим ГОСТ на радиоэлектронную аппаратуру составляет .

Эксперименты показали, что главная причина отказов радиоэлектронной аппаратуры при действии акустического шума – это возбуждение в конструкции аппаратуры недопустимо больших вибраций. Большинство радиоэлементов может нормально функционировать, если на плате, где они установлены, уровень вибраций не превышает . Отдельные элементы (резисторы) допускают .

Однако есть целый ряд элементов (типа кварцевых генераторов, реле, клистронов и т.п.), которые отказывают при уровне вибраций, не превышающем . Уровень вибраций при действии акустического шума, например, , даже на небольшой плате достигает сотен ( и более). Это особенно опасно при одновременном воздействии вибраций и шума, так как частотные диапазоны акустического и вибрационного внешних воздействий на аппаратуру перекрываются: вибрации – от до , акустический шум – от до .

При этом экспериментально установлено, что бегущая волна опаснее для радиоэлектронной аппаратуры, чем диффузный шум, хотя и при диффузном шуме уровень вибраций, возбуждаемый им в радиоэлектронной аппаратуре, в раза больше допустимого.

Кроме того, в плоских элементах конструкций радиоэлектронной и микроэлектронной аппаратуры при широкополосном воздействии акустического шума могут возбуждаться и частоты волнового совпадения, что еще более ухудшает виброрежим работы радиоэлектронной и микроэлектронной аппаратуры.

Известно, что для защиты радиоэлектронной и микроэлектронной аппаратуры от внешней вибрации применяют приборные амортизаторы различных конструкций. Однако, акустические шумы возбуждают конструкцию радиоэлектронной аппаратуры, проходя одновременно как через амортизаторы, так и, минуя их, прямо через кожух к платам. Поэтому аппаратура, защищенная от вибраций, может оказаться не работоспособной при действии внешнего акустического шума.

Основные виды отказов радиоэлектронной аппаратуры при действии акустического шума:

• потеря выносливости несущих конструкций, нарушение герметичности корпусов блоков, срез винтов, усталостные разрушения выводов радиоэлементов и паяных соединений;

• деформация кабелей, электрических контактных устройств, печатных плат;

• нарушение нормальной работы (электронные шумы, сбои) переключателей, реле, гироскопов, электронных ламп, кварцевых резонаторов, полупроводниковых приборов.

Акустические процессы при старте, как открытом, так и защищенном (шахтном) можно, в основном, разделить на два класса:

• случайные колебания, обусловленные турбулентными пульсациями со сплошным спектром частот;

• детерминированные процессы (автоколебания) с ярко выраженными по уровню давления отдельными частотами (дискретными составляющими) в спектре шума.

Перейдем к рассмотрению источников шумообразования при старте ракет, в первую очередь автоколебательных, поскольку автоколебательные процессы, как показывает практика, наиболее опасны.

Автоколебательные процессы при старте могут сводиться к процессам с двумя видами обратной связи: акустической и газодинамической. Первый вид связи осуществляется в известном эффекте Пауэлла, характерном для холодных струй с малым давлением в камере, второй тип обратной связи реализуется в эффекте Гартмана. К этим двум типам можно отнести, вскрытые для условий старта ракет из шахт, так называемый шахтный акустический эффект и акустический эффект, возникающий при взаимодействии сверхзвуковой струи, втекающей в цилиндрическую полость шахты.

Особым видом автоколебаний является процесс пульсирующего догорания компонентов топлива. Этот процесс, как показали эксперименты, может реализовываться в межструйных зонах четырех сопловых компоновок ракетных двигателей твердого топлива, в которых сопла имеют сведение осей к центральной оси на . Такой процесс был обнаружен при экспериментах на крупномасштабной модели комплекса "Энергия – Буран".

Все это свидетельствует о сложности и многогранности акустических процессов при старте, поэтому их сколько-нибудь полное описание не представляется возможным. Большой вклад в изучение акустических процессов внесли ученые и инженеры ЦНИИМАШ, АКИН (А.В. Римский–Корсаков, В.М. Батенчук–Туско, А.Г. Семенов), ЦАГИ (А.Г. Мунин, Л.С. Крылов), НИИТП (А.Н. Антонов, А.А. Сергиенко, В.М. Купцов, Д.А. Мельников) и другие специалисты.

Акустический шум при старте из шахтной пусковой установки

Картина генерации звука в стартовой шахте с кольцевыми газоходами состоит в следующем. В зазоре между ракетой и стартовым стволом шахты реализуется в результате действия струй двигательной установки эжектируемый поток, а значительный градиент давления, образуемый при повороте потока в основании шахты и смене направления течения на обратное, приводит к появлению рециркуляционных зон с развитыми участками потока обратного направления. Основным источником звуковых полей в шахтном стволе является сверхзвуковой участок струй двигательной установки. Звуковые волны частично излучаются в открытое пространство из кольцевого зазора на верхнем срезе шахты, часть звука проходит в массу ракеты, а часть, через стенку стакана стартового ствола, – в газоход. Звуковое давление в стартовом стволе достигает .

При этом следует иметь в виду, что при использовании, в плане конверсии, в качестве носителей космических аппаратов ранее созданных ракет, запускаемых из шахтных установок, необходимо осуществлять, как правило, дополнительное снижение уровней акустических нагрузок на ракету-носитель и космический аппарат для обеспечения надежности работы аппаратуры космического аппарата.

Экспериментальные исследования позволили получить зависимости уровня звука от диаметра шахтного ствола и от мощности струй двигательной установки (ЦНИИМАШ – А.М. Семенов).

Эксперименты проводились на моделях шахт со стаканами четырех размеров и пятью моделями ракет, имеющими различные диаметры сопел и параметры на срезе сопел, которые варьировались в следующих пределах:

; .

Мощность струй модельных двигателей изменялась в пределах от до .

1. Было выявлено два режима течения:

• первый режим – свободное течение струи в эжектируемом потоке с вихрями при соотношениях ;

• второй режим – замыкание зоны смешения струи на стенки стартового ствола при соотношениях .

Первый режим дает уровень звукового давления в стволе на больше второго. Это объясняется тем, что в режиме замыкания струи на стенку в шахту поступает около мощности излучения струи на ее длине калибров, а в первом режиме – практически вся акустическая мощность струи.

Было установлено, что с возрастанием мощности струи возрастает уровень звука до предельного уровня . Этот вывод был получен с привлечением данных натурных измерений (см. рис.3.10).

Рис.3.10. Результаты натурных измерений

2. Была получена зависимость спектрального состава от реализуемых режимов:

• для первого режима при спектральный состав зависит от диаметра; при этом максимум спектра приходится на низкие частоты (кривая 1 на рис.3.11), но при широких стаканах поднимается уровень и высоких частот (кривая 2 на рис.3.11);

• для второго режима при узких стволах спектр имеет максимум в области высоких частот (кривая 3 на рис.3.11).

Рис.3.11. Зависимость спектрального состава от реализуемых режимов

Автоколебания в шахтной пусковой установке ("шахтный" акустический эффект)

Акустические исследования при старте ракет из шахт с газоходами начались в 1961 году одновременно со строительством экспериментальных натурных шахт.

Первые старты в 1961 году ракет с тягой из шахтной системы "Двина" происходили с недопустимо высокими угловыми отклонениями ракет , так как газовые рули под действием системы управления отклонялись до "упоров" в плоскости тангажа в обе стороны. В результате анализа данных внутришахтных измерений было установлено, что причиной такого поведения ракет являлась выдача командным прибором системы управления ложного сигнала при воздействии на него повышенных вибраций. Отмечались и другие следствия действия вибраций.

Акустические и вибрационные измерения, проведенные в 1962–1963 годы в шахтной пусковой установке "Двина", показали идентичность характера вибраций акустическим нагрузкам по спектральному составу и изменению во времени.

Отмечался аномально высокий уровень акустического давления до с частотой , зафиксированного в нижней части шахтного ствола (отметка ), а на уровне приборного отсека – до . Виброускорения корпуса приборов на этих частотах возрастали более, чем на порядок. Принятие конструктивных мер по амортизации прибора "Гирогоризонт" и отключение на шахтном участке программного механизма, выдававшего "ложные" команды, позволили обеспечить стабилизацию ракеты, однако и на дальнейших пусках продолжали проявляться различные аномалии в системе управления.

Для их исключения необходимо было разработать мероприятия по подавлению аномально высоких акустических процессов в шахте на основании, проведенных к тому времени, экспериментальных лабораторных исследований, которые были развернуты на газодинамических установках ЦНИИМАШ и позволили объяснить аномалии в работе приборов на борту ракеты при шахтных пусках еще до проведения натурных акустических измерений.

Так, параметрические экспериментальные исследования показали, что уровень акустического давления в стартовом стволе шахты существенно зависит от его диаметра. При относительных диаметрах стартового ствола шахты в спектрах шума появляются ярко выраженные дискретные составляющие (рис.3.12-г), частота которых существенно зависит от диаметра стартового ствола шахты (рис.3.12-а).

Рис.3.12. Результаты экспериментальных исследований акустического давления в стартовом стволе шахты:

ОУЗД – общий уровень звукового давления.

Для выявления закономерностей процесса путем вариации различных параметров исследования проводились на геометрически подобных моделях шахтного стартового комплекса () с воздушными струями, газодинамически подобными натуре. Модель двигательной установки выполнялась в двух вариантах: с четырехсопловым блоком (, , , ) и с односопловым блоком (, , ).

Модель шахтной пусковой установки была изготовлена со съемным днищем (рис.3.13-а). Специальная модель была выполнена восьмигранной с прозрачными стенками для проведения оптико-физических исследований (рис.3.13-б). На этой модели были получены уникальные кино- и фотоснимки потери устойчивости сверхзвуковых струй (рис.3.14).

Основные результаты исследований на модели сводятся к следующему:

• начиная с высоты подъема модели ракеты в стартовом стволе модели шахты наблюдается резкое повышение общего уровня звукового давления на выше уровня шума свободных струй при соответствующих параметрах (рис.3.12-в);

• шум сопровождается характерным высокочастотным звуком – "свистом", а в спектре частот наблюдаются ярко выраженные дискретные составляющие с амплитудой на основной частоте лишь на ниже общего уровня звукового давления, при этом частоты дискретных составляющих практически не зависят от высоты подъема модели ракеты в шахте;

• начиная с высоты общий уровень звукового давления, по мере последовательного увеличения высоты подъема ракеты, претерпевает периодические спады и максимумы с постоянным шагом по высоте, кратным половине длины волны звука на основной частоте;

а) модель стартовой шахты (68) со съемным днищем (модель ракеты с четырьмя струями)

б) модель шахты с прозрачными стенками

в) зависимость общего уровня звукового давления от высоты подъема модели ракеты в шахте (модель ):

1 – полная модель шахты

2 – модель шахты без дна

3 – общий уровень звукового давления для свободной струи

 – длина волны звука на основной частоте

Рис.3.13. Результаты модельных исследований по звуковому давлению

а) сверхзвуковая струя (; ; ) в свободном пространстве

б) потеря струями устойчивости в модели шахты (воздушная струя)

Рис.3.14. Результаты исследований по потере устойчивости сверхзвуковых струй

• максимальный уровень шума (общий уровень звукового давления), измеренный в районе среза сопел, составил , а в верхней точке зазора между ракетой и стартовым стволом – ;

• акустический процесс на высотах сопровождается потерей струей и системой четырех струй устойчивости (рис.3.14), а также колебаниями струй с частотой основного тона акустического излучения.

Следует отметить, что частоты вибраций и шума и , полученные позднее при натурных измерениях, близко соответствуют частотам модели и с учетом масштабного фактора. Таким образом, было экспериментально обнаружено новое в акустическом и газодинамическом плане явление в шахтном канале со сверхзвуковыми струями, объясняющее аномалии, с которыми встретились испытатели на натуре. Здесь следует отметить такой важный для исследования механизма эффекта факт, что процесс аномально высокого уровня акустических пульсаций воспроизводился и при снятом днище модельной шахты (рис.3.13-а), так как основным фактором было наличие вокруг струи цилиндрического стакана.

Этот фактор был в дальнейшем использован и для упрощения модельных крупномасштабных исследований и сведения условий геометрического подобия от полносистемных к фрагментарным.

В 1961 году в ходе анализа механизма явления было сделано предположение о том, что в шахтном акустическом эффекте существенную роль играют некоторые характерные свойства эффекта Пауэлла. Исследования, проведенные в 1961–1962 годы, показали, что дискретные составляющие в спектре шума свободных одиночной струи и системы четырех струй, обусловленные действием эффекта Пауэлла, практически совпадают с частотами в модели шахты. В то же время, это имеет место при нерасчетности , а при нерасчетности свободная струя становится устойчивой и дискретное излучение пропадает. Однако было сделано предположение о том, что и при нерасчетности , когда действие эффекта Пауэлла прекращается, струя остается источником дискретного излучения, частоты которого могут быть рассчитаны по зависимости:

,

где – длина "бочки" сверхзвуковой струи; – скорость звука в эжектируемой газовой среде (меняется по мере подъема ракеты);

,

где – скорость движения возмущения по струе; – скорость истечения на срезе сопла.

Анализ также показал, что частоты в модели шахты соответствуют собственным частотам поперечных колебаний в системе "труба – стартовый ствол шахты".

Поскольку автоколебания протекают на собственных частотах системы, то было естественно предположить, что условием его реализации является совпадение собственных частот струи и газа в стволе шахты:

,

где – собственные частоты струи (обусловленные эффектом Пауэлла); – собственные частоты поперечных колебаний газа в стартовом стволе шахты; – корни функций Бесселя; – диаметр стартового ствола шахты.

Выбор корней функции Бесселя предполагает, какая мода колебаний газа в стволе может быть осуществлена при колебаниях струи (рис.3.15). В натурных условиях интенсивность и частота акустического процесса зависят также и от положения ракеты по высоте шахты, то есть от продольных размеров, причем расстояние между максимумами совпадает с длиной волны основного тона (рис.3.12-в). Это является вторым условием для возникновения резонанса. Все вышеизложенное говорит о том, что шахтный акустический эффект не может быть просто сведен к эффекту Пауэлла, но может быть объяснен с учетом механизма последнего.

Рис.3.15. Моды колебаний струи

В соответствии с этим может быть предложена следующая схема образования шахтного акустического эффекта (рис.3.16):

• при входе в стартовый ствол первой "бочки" струи ее слабое излучение (собственной или Пауэлловской частоты) усиливается при условии резонанса;

Рис.3.16. Шахтный акустический эффект

• возбужденное в трубе акустическое поле, воздействуя на основание струи, усиливает ее колебания и излучение до амплитуд, приводящих к потере устойчивости струи в целом.

До настоящих исследований не были установлены условия дискретного излучения и потери устойчивости струями жидкостного ракетного двигателя. Поэтому были проведены специальные исследования с натурными струями. Исследования велись с одиночной струей () и связкой четырех струй жидкостного ракетного двигателя (; ; ; ) при истечении в свободное пространство и при наличии имитатора стартового стакана. Исследования показали, что свободные струи жидкостного ракетного двигателя устойчивы, а в стакане теряют устойчивость и колеблются с частотой основного тона акустического излучения. На схемах рис.3.16 выделены следующие элементы системы "струя – цилиндрический канал":

1 – основание струи;

2 – конец первой бочки – скачок – источник дискретного акустического излучения;

3 – волны дискретного (Пауэлловского) излучения;

ИЭ – источник энергии (сверхзвуковая струя);

К – "клапан" системы (участок струи, прилегающей к срезу сопла;

КС – колебательная система (сверхзвуковая струя и окружающий газовый объем);

ОС – обратная связь;

У – усилитель (резонансный газовый объем).

Схема шахтного акустического эффекта сводится к следующей схеме автоколебательного процесса:

• тон колебаний (частота) задается отражением возмущений от пересечений скачков первой структуры струи со свободной поверхностью 2;

• возмущения усиливаются резонаторным эффектом газового объема вокруг струи при условии совпадения собственных частот объема с частотой излучения струи на дискретной частоте (элемент схемы У);

• эти усиленные возмущения передаются через газовый объем в шахте на основание струи 1, устанавливая обратную связь;

• основание струи, воспринимая колебания, приводит к подпитке колебаний энергии из струи (ИЭ), при условии совпадения частот и моды колебаний.

Основание струи, таким образом, является клапаном К этой колебательной системы, при этом коэффициент акустической отдачи в системе может быть больше на порядок, чем для свободной струи.

Установленная на основании экспериментальных данных схема развития автоколебательного процесса сверхзвуковых струй в шахте была весьма важна для объяснения аномалий в натурных объектах при пусках, а также весьма плодотворна при разработке рекомендаций для подавления колебаний высокого уровня.

Подавление процесса, как следовало из его схематизации, должно было основываться на разрыве обратной связи на каком-либо участке ее реализации или на "уходе" от условия резонанса путем изменения соответствующих параметров системы струя – шахтный стакан. Последующие исследования этих путей подтвердили правильность разработанной схематизации.

Так, исследования на модели показали следующее:

• подача газообразного водорода в стартовый ствол шахты приводит к повышению частот дискретных составляющих и к снижению их уровня (рис.3.17) из-за некоторого несовпадения собственных частот струи и газового объема стакана;

• экранирование начального участка струй приводит к прекращению действия шахтного акустического эффекта (рис.3.18) из-за разрыва обратной связи;

• при установке в стартовом стволе шахты резонансных звукопоглотителей действие шахтного эффекта прекращается.

В дальнейшем, при экспериментальной отработке средств глушения аномальных пульсаций для натурной шахтной пусковой установки использовался тот факт, что эффект воспроизводится в шахтном стакане без днища и газоходов шахты. Поэтому средства глушения отрабатывались на фрагменте стартового ствола крупного масштаба (, ) с натурными жидкостными ракетными двигателями.

а) спектр шума: – – – – свободной струи  при автоколебательном процессе	б) схема установки
в) спектр шума струи при установленном на сопло экране	г) схема установки с экраном

Рис.3.18. Экранирование начального участка струй

Основным эффективным средством подавления акустических колебаний в шахте, отработанным на крупномасштабной модели, являлись секционные резонансные экраны (рис.3.19). Были определены их параметры: диаметр и количество отверстий, эффективный зазор между стенкой и экраном . Здесь следует отметить, что натурные испытания экранов с уменьшенным, по сравнению с рекомендованным зазором , не дали должного эффекта. Отработанные на крупномасштабных моделях (), проверенные с подтверждением высокого положительного эффекта на натурном пуске со специальными акустическими измерениями резонансные звукопоглотители были установлены в стартовом стволе шахты системы "Двина" и "Маяк", из которой производились пуски космических аппаратов "Космос". Это позволило полностью подавить действие акустического эффекта и снизить уровень вибраций до допустимых. Аномалии в функционировании приборов системы управления ракеты, а также в системах космического аппарата более не появлялись.

Рис.3.19. Отработка на крупномасштабной модели секционных резонансных экранов

Автоколебания при втекании струй двигательной установки в контейнер

При выходе ракеты-носителя из шахтной пусковой установки или контейнера, имеющего глухое днище, с работающим двигателем может возникнуть автоколебательный процесс помпажного типа. Одним из условий его возникновения является неравномерное распределение параметров по сечению струи, что имеет место в конце первой и начале второй волновой структуры струи. Неравномерность параметров сечения струи служит физической предпосылкой образования нестационарных противотоков за днищем ракеты-носителя. Частота колебаний будет соответствовать равенству

.

При стационарных условиях испытаний амплитуда колебаний давления на дне контейнера может достигать нескольких атмосфер.

При стационарных, длительных, в пределах одной минуты, испытаниях, даже на холодном воздухе, наблюдается высокий нагрев стенок моделей вследствие эффекта адиабатического сжатия части воздуха, находящегося в придонной части модели контейнера.

Процесс автоколебаний описывается уравнениями газодинамики для идеального газа, которые решаются численно разностным методом (Я.А. Ваграменко, В.М. Устинов). Однако, на практике необходимо экспериментально определять возможность реализации процесса с учетом скорости движения ракеты при прохождении участка возбуждения.

Автоколебательный процесс сопровождается эффектом повышения температуры газа у дна трубы до весьма высоких значений () вследствие многократно повторяющегося адиабатического сжатия части газов в донном объеме.

Автоколебания при взаимодействии струй двигательной установки с конструктивными элементами пускового устройства

Процесс пульсаций донного давления был открыт при экспериментальной отработке газодинамики старта модели многодвигательной ракеты-носителя Н-1 и заглубленной пусковой установки на стендах с газогенераторами на твердом топливе (, ) и воздухе. Процесс характеризовался появлением узкополосной составляющей в спектре пульсаций донного давления с уровнем и частотой колебаний в пересчете на натурные условия от до .

Схема автоколебаний при взаимодействии кольцевых струйных компоновок с пусковой установкой имела признаки, присущие автоколебательному процессу в шахтном пусковом устройстве с акустической обратной связью и процессу в системе "струя – глухая труба" с газодинамической обратной связью.

Внутри цилиндрического объема, образованного плотно расположенными сверхзвуковыми струями, возникали поперечные колебания на собственной частоте. Вследствие этого подвижные "стенки" струи раздвигались и сдвигались в фазе с колебаниями.

При этом при сближении струи своими внутренними поверхностями попадали на кромки опорного тюбингового кольца пускового устройства, вследствие чего происходило отражение газов от кромки внутрь межструйного объема.

Это наблюдалось при определенной высоте подъема в пределах , так как до высоты кольцевые струи не касались кромки опорного кольца, а выше – полностью затопляли его.

Частота процесса уменьшалась с увеличением высоты подъема и увеличением длины стоячей волны продольных колебаний. Максимальный уровень пульсаций наблюдался на высоте подъема, на которой частота продольных колебаний равнялась частоте поперечных. Процесс был весьма чувствителен к изменению соосности компоновки струй и кольца. При смещении оси струйной компоновки относительно стартового сооружения пульсации прекращались.

В соответствии с экспериментальными данными и рабочей гипотезой были предложены следующие способы снижения (подавления) уровня узкополосной составляющей:

• отключение части наружных сопел – уменьшение уровня пульсаций – наблюдалось при отключении двух диаметрально расположенных двигателей, а при отключении двух пар двигателей они прекращались вследствие разомкнутого состояния кольцевой струйной компоновки;

• изменение импеданса днища (предложение АКИН) – уровень узкополосной составляющей может быть снижен либо в результате изменения фазы отраженной от днища ракеты-носителя звуковой волны, либо в результате поглощения части падающей на днище звуковой энергии;

• создание водяной завесы – вблизи струи создается мелкодисперсная водяная завеса, капли которой частично поглощают звуковые волны, в результате чего ослабляется обратная акустическая связь. Эксперименты показали, что для существенного снижения уровня узкополосной составляющей необходимо впрыскивать воду в количестве от расхода газа в струях.

Результаты натурных испытаний подтвердили данные прогнозирования на основе модельных экспериментов.

Пульсации давления на элементах пусковой установки при старте и некоторые характеристики акустического поля, связанные с этими пульсациями

1. Пульсации давления в зонах воздействия струй на элементы пусковой установки.

Наиболее интенсивные пульсации давления имеют место в зонах максимального воздействия струй на агрегаты пускового устройства, на газоотражатель и элементы, расположенные перпендикулярно оси струи.

Распределение уровней пульсаций давления на таких поверхностях подобно распределению давления за прямым скачком в струе, натекающей на плоскость. На рис.3.20 даются распределения пульсаций давления на преграде для случаев воздействия струи сечениями с максимальной и минимальной площадью при расстояниях среза сопла от преграды, соответственно, и калибров.

В первом случае струя воздействует расширенным сечением и эпюра давления на преграде имеет два максимума, как и эпюра пульсаций давления.

Во втором случае () эпюры имеют один узкий максимум, больший по величине, чем максимумы при .

Обобщенная экспериментальная зависимость для определения пульсаций давления на плоской преграде, полученная в ЦНИИМАШ (Т.В. Шувалова, М.В. Сенкевич) для различных расстояний преграды от среза сопла и различных уровней давления на преграде, представлена на рис.3.20. Безразмерный -октавный спектр пульсаций давления на преграде представлен на рис.3.21. При этом расстояние от среза сопла до преграды входит в число Струхаля согласно эмпирической формуле

.

Пульсации давления на элементах оборудования, расположенного на пусковом устройстве, при непосредственном воздействии струи достигают и выше.

2. Акустическое излучение из зон пульсаций давления на поверхностях агрегатов наземного оборудования.

Зоны сильного взаимодействия струй двигательной установки с поверхностями агрегатов наземного оборудования и пусковой площадки являются источниками излучения акустических волн, воздействующих на ракету и агрегаты наземного оборудования, не попадающие в зону непосредственного воздействия струй.

Рис.3.20. Распределения пульсаций давления на преграде

Рис.3.21. Спектр пульсаций давления на преграде

Уровни звукового давления в точках на различных расстояниях от зоны пульсаций на преграде могут быть определены по эмпирической формуле в зависимости от максимальных уровней пульсаций давления на преграде (А.Ф. Сырчин, В.М. Купцов):

.

Распространение акустических волн из зон взаимодействия струй с преградой фиксируется на шлирен-фотографиях. На рис.3.22 представлены фотографии акустического поля свободной сверхзвуковой струи с фронтами акустического излучениями от сверхзвуковых вихрей (рис.3.22-а) и фотографии акустических полей с излучением от зоны взаимодействия струи с плоскостью (рис.3.22-б) и отражателем (рис.3.22-в). На фотографиях видна направленность фронта волн от зон взаимодействия.

Таким образом, пульсации в зонах взаимодействия являются дополнительным источником акустической мощности. Хотя этот источник имеет малые объем и протяженность, и его мощность, по-видимому, невелика по сравнению с мощностью, излучаемой всей поверхностью сверхзвуковой струи, он вносит существенный вклад в мощность ближнего акустического поля, особенно в уровень акустического давления в точках, близких к источнику излучения.

Для холодных струй, имеющих скорости газа , и, соответственно, малые мощности акустического излучения при , вклад от зон взаимодействия струй с преградами может быть весьма существенным не только в ближнем, но и в дальнем поле.

Однако и для горячих струй, для которых акустический коэффициент полезного действия достаточно высок, вклад акустической мощности в ближнее поле необходимо учитывать при определении акустического давления на элементах стартующей ракеты, в особенности на кормовой части.

а) свободная струя

б) струя, взаимодействующая с плоскостью

в) струя, взаимодействующая с отражателем

Рис.3.22. Акустические поля сверхзвуковых струй

Этим эффектом, в частности, помимо отражения звука от поверхности площадки и т.п., объясняется повышенный уровень звукового давления при запуске и работе двигателей на старте перед подъемом.