Физические процессы, происходящие при работе РДТТ

В предыдущем разделе рассмотрено общее устройство РДТТ. Ниже приводится качественное описание основных процессов в твёрдотопливном ракетном двигателе после его запуска. Временные интервалы при последующем рассмотрении соответствуют определениям, приведённым в Приложении А.

Воспламенение в РДТТ осуществляется путём подачи электрического импульса на пиропатрон, при срабатывании которого зажигается воспламенительный состав (ВС). Форс пламени от пиропатрона нагревает воспламенительный состав и постепенно зажигает его. Сам процесс зажигания воспламенительного состава протекает во времени: сначала зажигаются элементы заряда воспламенительного состава, на которые непосредственно воздействует форс от пиропатрона, после чего пламя распространяется на соседние зёрна (элементы) заряда ВС. Продукты сгорания воспламенительного состава через газорасходные отверстия корпуса воспламенительного устройства (ВУ) поступают в камеру сгорания двигателя. Начиная с этого момента, давление в камере повышается. Время от подачи командного импульса тока на пиропатрон до начала устойчивого подъёма давления в камере сгорания называется временем задержки зажигания (задержки появления тяги) [4].

После воспламенения горение элементов заряда ВС происходит либо в свободном объёме камеры (в случае использования разрушаемого корпуса), либо в самом корпусе ВУ, из которого продукты сгорания поступают в камеру сгорания двигателя через газорасходные отверстия.

Продукты сгорания воспламенительного состава заполняют свободный объём у переднего днища двигателя и вытесняют воздух из канала заряда. При этом фронт горячих газов ВС, обычно представляемый для газодинамических расчётов в виде плоской поверхности, разделяющей продукты горения ВС и воздух, перемещается вдоль канала [4].

В то же время волна давления, скорость которой в обычных условиях выше скорости указанного фронта, также распространяется по каналу, вызывая повышение давления воздуха в канале и в предсопловом объёме камеры сгорания. В дальнейшем волна давления, отражённая от заднего днища, распространяется в обратном направлении и взаимодействует с контактным разрывом; в этот период в свободном объёме камеры сгорания имеет место сложная картина взаимодействия ударных волн. В определённых условиях волна давления, распространяющаяся по воздушной среде, может выродиться в ударную волну [4].

Повышение давления воздуха в предсопловом объёме вызывает разрушение герметизирующей сопловой заглушки, после чего начинается процесс истечения воздуха, продолжающийся до тех пор, пока контактный разрыв не достигнет выходного сечения сопла и продукты сгорания ВС не заполнят весь свободный объём двигателя. Разрушение заглушки приводит к возникновению волны разрежения, распространяющейся по свободному объёму камеры сгорания.

На следующей стадии происходит нагрев поверхности топливного заряда продуктами горения воспламенительного состава, которые омывают её и истекают через сопло. Нагрев осуществляется путём конвекции, излучения и непосредственного контакта горящих частиц воспламенительного состава, вовлечённых в поток и осаждающихся на поверхность заряда. Эта стадия продолжается до тех пор, пока условия на некотором участке поверхности топливного заряда, подвергнувшемся наиболее интенсивному нагреву, достигнут критических условий воспламенения твёрдого топлива [4].

После воспламенения части топливного заряда газообразные продукты, образующиеся в процессе горения, смешиваются с продуктами горения ВС и продолжают нагревать оставшуюся часть заряда. В результате данного процесса зона, в которой достигаются критические условия воспламенения, распространяется по поверхности канала заряда в виде фронта пламени. Дополнительное поступление продуктов сгорания от воспламенившейся части топлива в канал вызывает распространение по потоку перемещающейся со скоростью звука волны давления, непрерывно изменяющей параметры потока в канале [4].

Картина однонаправленного перемещения фронта пламени сама по себе гипотетична. Применение пиротехнических воспламенительных составов, имеющих значительное содержание конденсированных частиц в продуктах сгорания, может привести к локальному очаговому воспламенению участков поверхности, подвергшихся нагреву от частиц, оказавшихся на поверхности под воздействием сил тяжести, турбулентных пульсаций в потоке или в связи с наличием начальной поперечной составляющей скорости [4].

Распространение пламени по поверхности топлива в этом случае носит характер смыкания очагов воспламенения, а понятие скорости распространения фронта пламени носит условный характер в связи с отсутствием единого фронта.

Продукты сгорания топливного заряда и остатков воспламенительного состава частично истекают из двигателя и частично идут на заполнение свободного объёма камеры. Последнее обусловлено тем, что поверхность заряда охватывается пламенем при сравнительно низких давлениях, обычно существенно меньших стационарного давления в камере, поэтому приход продуктов сгорания превышает расход, и давление в камере повышается [4].

Как видно из вышерассмотренного, течение продуктов сгорания в канале двигателя, а в ряде случаев и в сопле является существенно нестационарным [29]. Спустя некоторое время все процессы устанавливаются и достигается основной режим работы двигателя, который можно рассматривать квазистационарным [36], а давление камере рассчитывать по методике, изложенной в Приложении А.

Изменение зазоров в передней и задней полостях двигателя в зонах, раскрепляющих манжет между корпусом и зарядом в зависимости от неоднородного внутрикамерного давления по не скреплённым поверхностям заряда, может приводить к изменению свободного внутрикамерного объёма и суммарной поверхности заряда вследствие раскрытия его свободных, не скреплённых с корпусом, поверхностей. Увеличение свободного внутрикамерного объёма за счёт деформирования корпуса и заряда не превышает 3–5 % при номинальном уровне внутрикамерного давления [29].

В камере сгорания РДТТ с относительно высокой объёмной плотностью заряжания, достигаемой путём уменьшения площади проходного сечения камеры, параметры газового потока могут существенно изменяться по длине вследствие уменьшения статического давления и проявления эффекта турбулентного (эрозионного) горения. Кроме того, при течении продуктов сгорания в камере имеют место гидродинамические потери, особенно существенные в предсопловом объёме многосоплового блока. С течением времени степень проявления этих явлений будет уменьшаться, так как отношение площади проходного сечения канала заряда к площади критического сечения сопла увеличивается. К концу работы двигателя скорость газового потока намного меньше скорости звука, относительный перепад статического давления по длине камеры становится небольшим, а гидродинамические потери практически отсутствуют [4].

Остановимся на процессе стационарного горения топлива. Структура смесевых твёрдых топлив существенно неоднородна (частицы окислителя в горючем – связующем веществе), поэтому механизм горения этих топлив в самом общем случае можно представить следующим образом. При установившемся (стационарном) горении СРТТ (рассматриваются топлива на основе перхлората аммония) в волне горения протекают преимущественно следующие процессы:

1) в конденсированной фазе: разложение окислителя и горючего с образованием газообразных продуктов;

2) в газовой фазе:

а) перемешивание продуктов разложения окислителя и горючего;

б) высокотемпературная химическая реакция между ними - горение.

Поверхность горения конденсированной фазы не является плоской вследствие различной скорости разложения горючего и окислителя, частицы окислителя выступают над поверхностью горючего, находясь в области более высоких температур. Весь процесс горения осуществляется в узкой (до 1 мм) пространственной области [36, 4].
В общем случае стационарное горение поддерживается тепловыми потоками, поступающими из газовой (пародымогазовой) зоны, и суммарно экзотермическими реакциями в конденсированной фазе.

В РДТТ при использовании СРТТ, содержащих металлические добавки, в процессе горения в камере сгорания образуется двухфазное рабочее тело. Оно отличается от однофазного («чистого» газа) наличием в газовом потоке достаточно мелких твёрдых и жидких частиц различных форм и размеров, обменивающихся с газом теплотой и кинетической энергией и могущих переходить из одного агрегатного состояния в другое. Движение двухфазных сред сопровождается теплообменом между частицами и газом, образованием новых частиц, их ростом, коагуляцией и др. В зависимости от физико-химических свойств горючего - связующего, окислителя и их соотношения воспламенение и горение частиц алюминия может происходить как на поверхности горящего топлива, так и в свободном объёме камеры сгорания. В первом случае при достижении определённой температуры происходит процесс укрупнения или спекания частиц, во втором воспламенение частиц алюминия не происходит до тех пор, пока они не покинут поверхность горения. Прилегающая зона реакции содержит частицы Al₂O₃ размером 0–2 мкм, а в свободном объёме камеры сгорания могут находиться и частицы окислов алюминия размером 5–20 мкм. При этом наибольшие изменения в среднемассовом диаметре частиц Al₂O₃ наблюдается в зоне, не превышающей 20–30 мм от поверхности горения заряда. В этой зоне наиболее активно протекают процессы горения частиц металла. Средняя скорость сгорания частицы алюминия по её радиусу с диаметром 20 мкм составляет 5–10 мм/с. Температура плавления окисла алюминия составляет 2315 К, температура кипения Аl 2070 К, объём окисла алюминия в 1,45 раза больше объёма расплавленного металла. Размеры частиц окислов алюминия зависят от давления в камере сгорания, от расположения поверхности горения относительно обтекающего газового потока и других факторов. Размеры частиц оказывают, прежде всего, существенное влияние на так называемые двухфазные потери удельного импульса тяги. Они вызываются отставанием конденсированных частиц от несущего их газового потока и температурной неравномерностью между газом и конденсированными частицами [4, 29].

Многофазный поток продуктов сгорания топлива воздействует на элементы газовой полости двигателя следующим образом [7]:

- путём силового нагружения внутрикамерным давлением;

- конвективным тепловым потоком от продуктов сгорания к поверхности газовой полости двигателя;

- радиационным (лучистым) тепловым потоком;

- транспортированием теплоты в стенку осаждающимися конденсированными частицами;

- высокоскоростным соударением конденсированных частиц с поверхностью стенки.

В результате этого происходит как прогрев материалов, так и их разрушение:

- вследствие воздействия химически активных компонентов потока продуктов сгорания;

- вследствие действия сил трения и динамического воздействия потока на элементы шероховатости поверхности;

- вследствие действия термических и усадочных напряжений в процессе нагрева материалов, а также перепада давлений газа по толщине прококсованного слоя (для тепловой защиты).

Так как в РДТТ происходит интенсивная передача тепла от продуктов сгорания к элементам конструкции двигателя, то тепловое состояние конструкции двигателя практически полностью определяет его работоспособность. Оно характеризуется пространственным распределением температурных полей в различных элементах РДТТ. Сложность тепломассообмена в двигателе обусловлена большими градиентами давления по его газовой полости, взаимодействием скачков уплотнения с пограничным слоем, наличием зон отрывного течения и существенными отличиями скоростей обтекания различных элементов конструкции, а также наличием различных режимов гетерогенного окисления углеграфитовых материалов и фазовых переходов в композиционных материалах, подверженных пиролизу [7].

Процессы теплообмена протекают в очень широком диапазоне температур (2000–3800 К) и давлений (5–20 МПа в камерах сгорания и 0,005–0,1 МПа в соплах); скорости продуктов сгорания достигают
3000 м/c; концентрации мелкодисперсных частиц могут составлять около 35 % [29]. Следствием столь широкого диапазона изменения физических параметров является реализация самых различных режимов теплообмена как на отдельных участках проточного тракта двигателя, так и в зависимости от времени работы двигателя. Процессы теплообмена в РДТТ имеют нестационарный характер, поскольку выгорание заряда в камере приводит к изменению геометрии и размеров проточной части двигателя и уменьшению скорости потока. Непрерывное газообразование с топливного заряда, отток массы с поверхности уносимых теплозащитных покрытий усложняют газодинамическую структуру газовых потоков в РДТТ [29].

Опыт отработки РДТТ показал, что на участках проточного тракта двигателей существуют зоны, где скорость уноса массы теплозащитных материалов существенно (до нескольких раз) превышает величину, рассчитанную в предположении химического воздействия на материалы покрытия активных компонент газовой фазы продуктов сгорания [29]. В сверхзвуковой области сопла это зоны стыков деталей (особенно из материалов с различной эрозионной стойкостью), концевые участки раструбов и высотных сопловых насадков, рули для управления вектором тяги. В дозвуковой области это зоны растекания по поверхности ТЗП двухфазного потока, поступающего в предсопловую область из канала заряда (сопловое днище, входные кромки утопленной части сопла т.п.).

Для всех перечисленных областей повышение уноса массы материалов обусловлено осаждением частиц конденсированной фазы.
В зоне контакта с теплозащитным покрытием частицы конденсированной фазы, преимущественно Аl₂О₃, оказывают на него дополнительное тепловое, химическое и механическое воздействия. Количественный эффект такого воздействия и степень реализации каждой из его составляющих зависят от скорости потока, весового содержания частиц конденсированной фазы, функции распределения частиц по размерам, кривизны линий тока газа, эрозионной стойкости материала стенки, которая существенно зависит от состава и структуры материала [29, 46, 47].

Воздействие частиц конденсата различных фракций, содержащегося в продуктах сгорания металлизированных топлив, на поверхность раструба оказывает существенное влияние на эффективность и работоспособность сопла [29]. Часть сопла, подвергшаяся бомбардировкам конденсированных частиц, интенсивно изнашивается, и сопло может оказаться неработоспособным. Вариационная задача с учётом условия недопустимости выпадения конденсированных частиц на контур сопла решена профессором Томского госуниверситета И.М. Васениным и другими специалистами [4]. Показано, что соблюдение данного условия может привести к возникновению участков краевого экстремума и изломам контура. Избежать осаждения частиц на концевую часть сопла можно выбором контура с конической концевой частью, чтобы частицы двигались параллельно концевой части контура [29].

Участок окончания работы двигателя характеризуется возрастанием концентрации продуктов разложения теплозащиты камеры сгорания в составе газа, заполняющего камеру и вытекающего через сопло. Сопоставление данных наземной отработки и лётных испытаний по величине удельного импульса тяги ряда РДТТ выявило их существенное различие. Причиной такого расхождения является увеличение пассивной массы двигателя в конце его работы за счёт накопления под действием лётных перегрузок остатков конденсированных продуктов сгорания (КПС) в области утопленного сопла. При наземной отработке в камерах сгорания ряда РДТТ обнаруживалось значительное количество шлаков, содержащих Аl₂O₃, Al, а также SiO₂ из теплозащитного покрытия и др. Опыты, проведённые с осевой перегрузкой, показали, что она вызывает увеличение массы шлаков. Ближе к концу работы РДТТ при полёте ракеты перегрузки возрастают, характерные скорости газа в камере падают, поэтому этот период наиболее опасен с точки зрения накопления остатков. В зонах, где характерные скорости малы, например, в конце работы над утопленной частью сопла, также создаются благоприятные условия для накопления остатков.

Анализ опытных данных позволил отметить следующие факторы, способствующие снижению размеров агломератов и величины остатков КПС [29]:

- увеличение содержания мелкой фракции окислителя;

- увеличение скорости горения твёрдого топлива;

- снижение содержания связующего;

- снижение содержания алюминия.

Использование РДТТ в качестве двигателя верхних ступеней баллистических ракет порождает необходимость использования специальных методов сброса тяги в момент достижения ракетой требуемой скорости полёта. В качестве основного средства сброса тяги в двигателях на твёрдом топливе применяется вскрытие дополнительных отверстий в камере сгорания, что приводит к созданию противотяги, равной или даже большей, чем тяга, создаваемая соплом, или прекращению работы двигателя в связи с гашением заряда, обусловленным резким спадом давления в камере. Подобный процесс именуют обычно отсечкой или обнулением тяги. В крупногабаритных РДТТ отсечка тяги путём вскрытия дополнительных отверстий с целью создания реверсивной тяги не приводит к гашению заряда, если площадь вскрываемых отверстий является небольшой, поэтому в период отсечки тяги в таких двигателях наблюдается переходной процесс, в течение которого давление понижается от исходного до некоторого второго уровня [4].

Этот процесс сопровождается существенной перестройкой потока продуктов сгорания в камере и процесса горения твёрдого топлива. Начало переходного газодинамического процесса имеет волновой характер. По продуктам сгорания, заполняющим свободный объём камеры, распространяется по направлению к сопловому блоку волна разряжения, происходит изменение скорости потока и его направления. Отражённая от соплового днища волна, распространяясь по свободному объёму камеры в обратном направлении, взаимодействует с волнами разрежения, излучаемыми со стороны вскрытых на переднем днище отверстий. Волна разрежения распространяется со скоростью звука в условиях камеры сгорания. Течение газа, устанавливающееся в результате сложного взаимодействия волн, близко к квазистационарному [4].

Это краткое рассмотрение работы РДТТ показывает всю сложность протекающих в нём процессов при внешней простоте конструкции. Поэтому конструктор РДТТ должен не только знать устройство и назначение его составных частей и узлов, но и глубоко понимать протекающие процессы в двигателе и на высоком научном уровне делать постановку задачи специалистам по прочности, горению, газовой динамике и др.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: