0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое сопло в реактивном двигателе

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРОМ ТЯГИ РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ И СВЕРХЗВУКОВОЕ СОПЛО

Способ управления вектором тяги реактивного двигателя заключается в повышении давления на боковой поверхности сопла путем поперечного вдува газа в его сверхзвуковую часть и понижении давления на противолежащей поверхности для увеличения управляющей силы. Понижение давления осуществляют путем отсоса газа, а отсасываемый газ используют для поперечного вдува. Для вдува и отсоса газа используют симметрично расположенные насадки с косым или ступенчатым срезом выходного сечения, являющиеся продолжением основной части сверхзвукового сопла. Вдув осуществляют на поверхности одного насадка, а понижение давления — на поверхности противолежащего насадка и основной части сопла, причем для изменения направления действия управляющей силы вдув и отсос осуществляют попеременно с поверхности любого насадка. Другое изобретение группы относится к сверхзвуковому соплу реактивного двигателя с управляемым вектором тяги с отверстиями для вдува и отсоса газа на внутренней поверхности, содержащему устройство для вдува и отсоса газа и насадки с косым или ступенчатым срезом выходного сечения. Устройство для вдува и отсоса газа соединено трубками с соответствующими отверстиями и снабжено регулирующими клапанами. Насадки симметрично расположены относительно оси сопла и включают круглые отверстия для отсоса газа и расположенные рядами на краю насадков прямоугольные отверстия для вдува газа. Большая сторона прямоугольных отверстий перпендикулярна оси сопла, а круглые отверстия для отсоса газа дополнительно расположены на основной части сопла. Группа изобретений позволяет увеличить управляющие силы в сверхзвуковом сопле реактивного двигателя. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления вектором тяги реактивного двигателя с помощью создания управляющих сил в сверхзвуковом сопле, состоящий в повышении давления на боковой поверхности сопла путем поперечного вдува газа в его сверхзвуковую часть и понижении давления на противолежащей поверхности для увеличения управляющей силы, причем понижение давления осуществляют путем отсоса газа, а отсасываемый газ используют для поперечного вдува, отличающийся тем, что используют симметрично расположенные насадки с косым или ступенчатым срезом выходного сечения, являющиеся продолжением основной части сверхзвукового сопла, вдув осуществляют на поверхности насадка, а понижение давления — на поверхности противолежащего насадка и основной части сопла, причем для изменения направления действия управляющей силы вдув и отсос осуществляют попеременно с поверхности любого насадка. 2. Сверхзвуковое сопло реактивного двигателя с управляемым вектором тяги с отверстиями для вдува газа и отверстиями для отсоса газа на внутренней поверхности, содержащее устройство для вдува и отсоса газа, соединенное трубками с соответствующими отверстиями и снабженное регулирующими клапанами, отличающееся тем, что оно содержит насадки с косым или ступенчатым срезом выходного сечения, симметрично расположенные относительно оси сопла, с круглыми отверстиями для отсоса газа и расположенными рядами на краю насадков прямоугольными отверстиями для вдува газа, причем большая сторона прямоугольных отверстий перпендикулярна оси сопла, а круглые отверстия для отсоса газа дополнительно расположены на основной части сопла. 3. Сверхзвуковое сопло реактивного двигателя по п.2, отличающееся тем, что устройство для вдува и отсоса газа выполнено в едином блоке.

Изобретение относится к авиационно-ракетной технике, в частности к устройствам для управления вектором тяги (УВТ) двигателя летательного аппарата (ЛА).

Известны способы и устройства УВТ, связанные с поворотом двигателя, сопла или его части (Володин В.В., Лисейцев Н.К., Максимович В.З. Особенности проектирования реактивных самолетов вертикального взлета и посадки. М.: Машиностроение, 1985).

Недостатками этих устройств является то, что управляющие (боковые) силы создаются за счет соответствующего уменьшения силы тяги вдоль направления полета ЛА, необходимы сложные механизмы поворота и большие энергетические затраты для его осуществления. При поворотах двигателя или сопла на взлетно-посадочных режимах ЛА выходное сечение сопла приближается к поверхности земли, что может ухудшить тяговые характеристики двигателя и аэродинамические характеристики ЛА, а также вызвать эрозию взлетно-посадочной полосы.

Известен способ управления вектором тяги двигателя путем вдува газа или впрыска жидкости в сверхзвуковую часть сопла (Основы прикладной аэрогазодинамики. Книга 2, под ред. Краснова Н.Ф., М.: Высшая школа, 1991 г., с.с.232-239). При инжекции струи в поперечный сверхзвуковой поток взаимодействие двух течений создает на поверхности стенки сопла перед отверстием вдува область повышенного давления. Управляющая сила, вызванная этим повышением давления, направлена в ту же сторону, что и сила реакции вдуваемой струи, и в некоторых случаях оказывается больше этой силы. Величины управляющих сил достигают 5-6% от тяги основного сопла при примерно таком же соотношении массовых расходов инжектируемого и основного потоков (Энциклопедия «Космонавтика», М.: Советская энциклопедия, 1985, с.53).

Недостатком этого способа и устройств на его основе являются небольшие величины управляющих усилий, связанные с ограничением по интенсивности вдува в сверхзвуковую часть осесимметричного сопла, так как возможно «запирание» сечения сопла и соответствующее уменьшение тяги двигателя из-за разрушения сверхзвукового течения в сопле.

Известен способ УВТ путем вдува газа в сверхзвуковую часть сопла (Патент RU №2046202, 1995 г., МПК F02K 9/82), где дополнительно к вдуву предложен способ увеличения управляющей силы за счет увеличения давления в зоне разрежения, которая образуется за отверстием вдува.

Недостатком этого изобретения являются небольшие величины управляющих сил из-за отмеченного выше ограничения по интенсивности вдува газа, а также необходимость отбора газа из газодинамического тракта двигателя.

Существенно большие управляющие силы получены в силовой установке ЛА вертикального или укороченного взлета и посадки (Патент RU 2126904, 1997 г., МПК F02K 1/00), где вдув газа осуществляется в соплах с косым или ступенчатым срезом выходного сечения. Размещая отверстия для инжекции газа на достаточном удалении от симметричной части сопла, можно добиться того, что течение здесь будет независимо от течения на несимметричном участке и, соответственно, не будет ограничений, связанных с интенсивностью вдува газа или жидкости.

Недостатком этого устройства является то, что на создание управляющих сил используется только часть кинетической энергии струи, истекающей из симметричной в несимметричную части сверхзвукового сопла, и управление положением ЛА возможно только по одному направлению.

Наиболее близким аналогом предложенной группы изобретений является техническое решение, раскрывающее способ управления вектором тяги реактивного двигателя с помощью создания управляющих сил в сверхзвуковом сопле, состоящий в повышении давления на боковой поверхности сопла путем поперечного вдува газа в его сверхзвуковую часть и понижении давления на противолежащей поверхности для увеличения управляющей силы, причем понижение давления осуществляют путем отсоса газа, а отсасываемый газ используют для поперечного вдува (Патент US 6298658 B1, МПК F02K 1/00, 2001).

Указанное техническое решение раскрывает также сверхзвуковое сопло реактивного двигателя с управляемым вектором тяги с отверстиями для вдува газа и отверстиями для отсоса газа на внутренней поверхности, содержащее устройство для вдува и отсоса газа, соединенное трубками с соответствующими отверстиями и снабженное регулирующими клапанами (Патент US 6298658 B1, МПК F02K 1/00, 2001).

Недостатком этого способа УВТ и устройства являются небольшие величины управляющих сил из-за отмеченного выше ограничения по интенсивности вдува газа, так как вдув и отсос газа осуществляются в симметричном сверхзвуковом сопле. Кроме того, поперечный вдув газа в основной поток происходит не навстречу основному потоку сопла и из отверстий неоптимальной формы.

Задачей изобретения является расширение арсенала технических средств для управления вектором тяги реактивного двигателя.

Техническим результатом изобретения является увеличение управляющих сил в сверхзвуковом сопле реактивного двигателя.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в способе управления вектором тяги реактивного двигателя с помощью создания управляющих сил в сверхзвуковом сопле, состоящем в повышении давления на боковой поверхности сопла путем поперечного вдува газа в его сверхзвуковую часть и понижении давления на противолежащей поверхности для увеличения управляющей силы, причем понижение давления осуществляют путем отсоса газа, а отсасываемый газ используют для поперечного вдува, используют симметрично расположенные насадки с косым или ступенчатым срезом выходного сечения, являющиеся продолжением основной части сверхзвукового сопла, вдув осуществляют на поверхности насадка, а понижение давления — на поверхности противолежащего насадка и основной части сопла, причем для изменения направления действия управляющей силы вдув и отсос осуществляют попеременно с поверхности любого насадка.

Читать еще:  Давление в форсунках дизельного двигателя опель

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются также тем, что сверхзвуковое сопло реактивного двигателя с управляемым вектором тяги с отверстиями для вдува газа и отверстиями для отсоса газа на внутренней поверхности, содержащее устройство для вдува и отсоса газа, соединенное трубками с соответствующими отверстиями и снабженное регулирующими клапанами, содержит насадки с косым или ступенчатым срезом выходного сечения, симметрично расположенные относительно оси сопла, с круглыми отверстиями для отсоса газа и расположенными рядами на краю насадков прямоугольными отверстиями для вдува газа, причем большая сторона прямоугольных отверстий перпендикулярна оси сопла, а круглые отверстия для отсоса газа дополнительно расположены на основной части сопла.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются также тем, что в сверхзвуковом сопле реактивного двигателя с управляемым вектором тяги устройство для вдува и отсоса газа выполнено в едином блоке.

Реализация предложенных способа и устройства поясняется чертежами, на которых, в частности, представлены:

фиг.1 — основная часть сверхзвукового сопла с насадками для двигателя с УВТ;

фиг.2 — формы насадков, на которых производятся вдув или отсос газа;

фиг.3 — расположение и формы отверстий для отсоса и вдува газа;

фиг.4 — схема вдува струи в сверхзвуковой поток.

Отметим, что на ЛА может располагаться один или несколько предложенных двигателей с УВТ, которые могут действовать комбинированно или независимо друг от друга. Работу устройства рассмотрим на примере единичного двигателя.

Осуществление предложенного способа создания управляющих сил проиллюстрируем на примере работы двигателя со сверхзвуковым соплом с насадками, имеющими ступенчатые срезы выходного сечения (фиг.1). Сопло содержит основную часть 1 для ускорения сверхзвукового потока, насадки 2 и 3 для вдува и отсоса газа. Насадки могут быть выполнены со ступенчатым срезом (фиг.2а), с косым срезом (фиг.2б) или с комбинацией косого и ступенчатого срезов (фиг.2в и фиг.2г).

Ступенчатый срез (фиг.2а) характеризуется длиной L и высотой H ступеньки. Косой срез (фиг.2б) характеризуется углом Ψ, который может изменяться в диапазоне 0 2 -1)dw/w=-dG/G,

где М, w и dw — соответственно число Маха, скорость и изменение скорости потока в сечении отсоса, G и dG — соответственно величина расхода и изменение расхода из-за отсоса газа. Учитывая, что в сверхзвуковой части сопла М>1, a dG 0.

Увеличение скорости потока приводит к падению давления по сравнению с вариантом без отсоса, причем возникающие в результате отсоса силы совпадают по направлению с силами, возникающими из-за вдува газа на противоположной стороне сопла. Таким образом, все три компонента управляющей силы: разрежение, вызванное отсосом газа; повышение давления на противоположной поверхности, вызванное вдувом газа; реактивная сила, вызванная истечением газа через отверстия вдува — все они действуют в одном направлении, что позволяет получить управляющие усилия, превышающие силы, реализуемые при наличии только вдува газа той же интенсивности.

Учитывая отсутствие ограничений на интенсивность вдува, предлагаемые способ и устройство получения управляющей силы могут применяться не только для управления вектором тяги двигателя, но и в качестве силовой установки ЛА вертикального или укороченного взлета и посадки.

Отметим, что выше мы в качестве примера рассматривали создание управляющих усилий в вертикальной плоскости, т.е. для целей получения подъемной силы. Можно получить управляющие усилия в любой плоскости, добавляя соответствующую пару насадков с косым или ступенчатым срезом выходного сечения, симметрично расположенных относительно оси сопла. Комбинируя управляющие усилия, можно добиться управления ЛА по любому направлению.

Предлагаемые способ и устройство УВТ отличаются быстродействием, недоступным таким аналогам, как поворот двигателя или сопла, так как скорость изменения вектора тяги здесь определяется временем срабатывания клапанов.

Что такое сопло в реактивном двигателе

Изобретение относится к турбореактивным двигателям для авиационной техники, в частности к конструкции реактивных сопел.

Известно поворотное осесимметричное сопло турбореактивного двигателя, содержащее неподвижный корпус со сферической законцовкой на нем и подвижное относительно нее поворотное устройство, размещенное с возможностью поворота относительно оси, установленной поперек продольной оси двигателя, систему гидропереброса, выполненную в виде двух втулок, шарнирно закрепленных одна на неподвижном корпусе, а другая на поворотном устройстве, гидравлически соединенных между собой заведенными в них и телескопически соединенными между собой полыми угольниками, при этом полость одной втулки соединена с гидросистемой двигателя, а полость другой — с гидросистемой поворотного устройства, а каждый из угольников снабжен зубом, заведенным в паз ответной втулки.

/RU №2250383, МПК F02K 1/78, опубликовано: 20.04.2005/ — прототип.

Недостатком известного устройства является консольное крепление угольника относительно опорной поверхности втулки, что приводит к односторонней выработке контактирующих поверхностей угольника и втулки от момента, появляющегося в соединении от осевой силы, вследствие чего возникают взаимные перекосы в соединении втулка — угольник, а также в телескопическом соединении угольников, в результате могут появится протечки в гидросистеме. Перекос в телескопическом соединении увеличивает силу трения при взаимном перемещении угольников, что приводит к повышенному износу контактирующих поверхностей, вследствие этого происходит эффект схватывания в соединении, что при длительной циклической наработке может привести к разрушению конструкции.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, является повышение надежности и работоспособности системы гидропереброса поворотного реактивного сопла.

Указанный технический результат достигается тем, что поворотное осесимметричное сопло турбореактивного двигателя, содержащее неподвижный корпус со сферической законцовкой на нем и подвижное относительно нее поворотное устройство, размещенное с возможностью поворота относительно оси, установленной поперек продольной оси двигателя, систему гидропереброса, выполненную в виде двух втулок, шарнирно закрепленных одна на неподвижном корпусе, а другая на поворотном устройстве, гидравлически соединенных между собой заведенными в них и телескопически соединенными между собой полыми угольниками, при этом полость одной втулки соединена с гидросистемой двигателя, а полость другой — с гидросистемой поворотного устройства, а каждый из угольников снабжен зубом, заведенным в паз ответной втулки, согласно изобретению каждый из угольников снабжен дополнительным пазом, в который заведен соответствующий дополнительный зуб, выполненный на ответной втулке с противоположенной стороны от имеющегося на ней паза, причем зуб и паз каждой втулки лежат, в параллельных плоскостях.

Такое конструктивное решение системы гидропереброса позволяет вдвое снизить удельные нагрузки в месте контакта сочлененных поверхностей втулок и угольников, за счет применения двухопорной схемы крепления шарнирного соединения, в результате значительно уменьшается износ элементов конструкции, что позволяет избежать перекосов и, как следствие, возникновение протечек в гидросистеме, тем самым повышается надежность и работоспособность системы при большом количестве циклов поворота поворотного устройства реактивного сопла.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, на которых изображено поворотное осесимметричное сопло с системой гидропереброса.

На фигуре 1 показан продольный разрез поворотного устройства поворотного осесимметричного сопла.

На фигуре 2 — сечение А-А — продольный разрез системы гидропереброса.

На фигуре 3 — вид сверху на систему гидропереброса.

Поворотное осесимметричное сопло турбореактивного двигателя содержит неподвижный корпус (1) со сферической законцовкой (2) на нем и подвижное относительно нее поворотное устройство (3), размещенное с возможностью поворота относительно оси (4), установленной поперек продольной оси (5) двигателя. С поворотным устройством (3) жестко соединено сверхзвуковое регулируемое сопло (6) с гидросистемой (7). Гидросистема (7) сверхзвукового регулируемого сопла (6) соединена системой гидропереброса (8) с гидросистемой (9) двигателя в области оси поворота (4) поворотного устройства (3) с другой стороны двигателя. Система гидропереброса (8), выполненная в виде шарнирно — телескопического соединения, содержит две зеркально установленных втулки (10) и (11), шарнирно закрепленных одна на неподвижном корпусе (1), а другая — на поворотном устройстве (3). Втулки (10) и (11) гидравлически соединены между собой заведенными в них и телескопически соединенными между собой полыми угольниками (12) и (13), при этом полость втулки (10) соединена с гидросистемой (9) двигателя, а полость втулки (11) — с гидросистемой (7) сверхзвукового регулируемого сопла (6). Угольник (12) снабжен зубом (14), заведенным в паз (15) ответной втулки (10), которая снабжена с противоположной стороны от паза (15) дополнительным зубом (16), заведенным в соответствующий паз (17) угольника (12). Угольник (13) снабжен зубом (18), заведенным в паз (19) ответной втулки (11), которая снабжена с противоположной стороны от паза (19) дополнительным зубом (20), заведенным в соответствующий паз (21) угольника 13. Пазы (17) и (21) на угольниках (12) и (13), а также пазы (15) и (19) на втулках (10) и (11) выполнены сквозными, цилиндрической формы. Зубья 14 и (18) на угольниках (12) и(13)и зубья (16) и (20) на втулках (10) и (11) соответственно выполнены в виде цилиндрических секторов с центральными углами 90 градусов в частном случае реализации.

Читать еще:  Влияние свечей зажигания на запуск двигателя

Для поворота поворотного устройства (3) имеются две пары силовых цилиндров (22), закрепленных на неподвижном корпусе (1). При работе двигателя силовые цилиндры (22) поворачивают поворотное устройство (3) относительно оси поворота (4). При этом угольники (12) и (13) системы гидропереброса (8) поворачиваются относительно соответствующих втулок (10) и (11) и линейно перемещаются друг относительно друга, поэтому при повороте поворотного устройства (3) со сверхзвуковым регулируемым соплом (6) не нарушается связь гидросистем двигателя и сопла.

Поворотное осесимметричное сопло турбореактивного двигателя, содержащее неподвижный корпус со сферической законцовкой на нем и подвижное относительно нее поворотное устройство, размещенное с возможностью поворота относительно оси, установленной поперек продольной оси двигателя, систему гидропереброса, выполненную в виде двух втулок, шарнирно закрепленных одна на неподвижном корпусе, а другая на поворотном устройстве, гидравлически соединенных между собой заведенными в них и телескопически соединенными между собой полыми угольниками, при этом полость одной втулки соединена с гидросистемой двигателя, а полость другой — с гидросистемой поворотного устройства, а каждый из угольников снабжен зубом, заведенным в паз ответной втулки, отличающееся тем, что каждый из угольников снабжен дополнительным пазом, в который заведен соответствующий дополнительный зуб, выполненный на ответной втулке с противоположенной стороны от имеющегося на ней паза, причем зуб и паз каждой втулки лежат в параллельных плоскостях.

Расчёт сопел современных ракетных двигателей

Введение

Сопло ракетного двигателя- техническое приспособление, которое служит для ускорения газового потока, проходящего по нему до скоростей, превышающих скорость звука. Основные виды профилей сопел приведены на рисунке:

По причине высокой эффективности ускорения газового потока, нашли практическое применение сопла Лаваля. Сопло представляет собой канал, суженный в середине. В простейшем случае такое сопло может состоять из пары усечённых конусов, сопряжённых узкими концами:

В ракетном двигателе сопло Лаваля впервые было использовано генералом М. М. Поморцевым в 1915 году. В ноябре 1915 года в Аэродинамический институт обратился генерал М. М. Поморцев с проектом боевой пневматической ракеты.

Ракета Поморцева приводилась в движение сжатым воздухом, что существенно ограничивало ее дальность, но зато делало ее бесшумной. Ракета предназначалась для стрельбы из окопов по вражеским позициям. Боеголовка оснащалась тротилом.

В ракете Поморцева было применено два интересных конструктивных решения: в двигателе имелось сопло Лаваля, а с корпусом был связан кольцевой стабилизатор. Подобные конструкции используются и в настоящее время, но уже с твёрдотопливным двигателем и системой автоматического наведения:

Однако проблемы остались старые, но уже в современном исполнении: ограниченная дальность до 3 км., наведение и удержание цели в условиях хорошей видимости, что для настоящего боя не реально, не защищённость от электромагнитных заградительных помех и, наконец, но не в последнюю очередь, высокая стоимость.

Теоретические основы

Эффективные сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании специальных газодинамических расчётов. Основное уравнение, связывающее градиент площади сечения, градиент скорости и число Маха, следующее:

где: S – площадь сечения сопла; v – скорость газа; M – число Маха (отношение скорости газа в какой-либо точке потока к скорости звука в этой же точке).

Анализируя это соотношение, получаем, что в сопле Лаваля могут осуществляться следующие режимы течения:

1) M 0 (из уравнения). Дозвуковой поток в сужающемся канале ускоряется.
б) >0, тогда 1 – поток на входе сверхзвуковой:
а) 0, тогда >0. Сверхзвуковой поток в расширяющемся канале ускоряется.
3) = 0 – самое узкое место сопла, минимальное сечение.
Тогда возможно либо М = 1 (поток переходит через скорость звука), либо = 0 (экстремум скорости).

Какой из режимов реализуется на практике, зависит от перепада давлений между входом в сопло и окружающей средой.

Если давление, достигаемое в критическом сечении, превышает наружное давление, то поток на выходе из сопла будет сверхзвуковым. В противном случае он остается дозвуковым. [2]

— условие сверхзвукового истечения.

где: p* – давление торможения (давление в камере); pкр – давление в критическом сечении сопла; pнар – давление в окружающей среде; k – показатель адиабаты.

Если известны параметры в камере сгорания, то параметры в любом сечении сопла можно узнать по следующим соотношениям:

или ;

температуру:

или ;

или ;

или .

В этих формулах – λ – приведенная скорость, отношение скорости газа в данном сечении сопла к скорости звука в критическом сечении, R – удельная газовая постоянная. Индексом «*» обозначены параметры торможения (в данном случае – параметры в камере сгорания).

Постановка задачи

1. Рассчитать параметры течения потока газов в сопле Лаваля: для этого профиль сопла Лаваля разбивается на 150 контрольных точек – . Разбиение осуществляем таким образом, чтобы минимальное сечение располагалось в точке . Определяются значения газодинамических функций давления, плотности и температуры в каждом сечении.

2. Расчёты выполнить средствами высокоуровневого свободно распространяемого языка программирования Python по следующей расчётной схеме и исходным данным:

Рисунок 1-Профиль сопла Лаваля

Таблица 1-Исходные данные

Приведенные исходные данные носят демонстрационный характер.

Расчёт сопла Лаваля средствами Python

Для продолжения решения задачи на Python, нужно связать λ – приведенную скорость газа с координатой x вдоль продольной оси. Для этого я воспользовался функцией fsolve из библиотеки SciPy со следующей инструкцией:

fsolve( , ,xtol=1.5 · 10^8)

Привожу фрагмент программы для управления решателем с одной стартовой точкой:

Это единственно возможное на Python решение сложного алгебраического уравнения со степенной функцией от показателя адиабаты k. Например, даже для упрощённого уравнения с использованием библиотеки SymPy, получим недопустимое время расчёта только одной точки:

Время работы решателя: 195.675
0.16
1.95

Время работы программы: 0.222

Полученная эпюра распределения скоростей газового потока полностью соответствует изложенной выше теории. При этом, по предложенному алгоритму и библиотеке, время расчёта в 150 точках в 1000 раз меньше, чем для одной точки с использованием solve sympy.

Время работы программы: 0.203

Вывод

Температура на выходе из сопла уменьшается по приведенному в листинге уравнению газодинамики. Время выполнения программы приемлемое —0.203.

Время работы программы: 0.203

Читать еще:  Чем моют двигатель мотоцикла

Вывод

Давление на выходе из сопла уменьшается по приведенному в листинге уравнению газодинамики. Время выполнения программы приемлемое -0.203.

Возникновение силы тяги от действия давления газа схематично показано на рисунке:

Время работы программы: 0.203

Вывод

Плотность газа на выходе из сопла уменьшается по приведенному в листинге уравнению газодинамики. Время выполнения программы приемлемое.

Что такое сопло в реактивном двигателе

Вадим Миронов,
начальник отделения Центра Келдыша РКА, дтн, профессор
Юрий Кочетков,
начальник отдела Центра Келдыша РКА, дтн
Николай Давыденко,
начальник сектора Центра Келдыша РКА

Проведенные в Центре Келдыша исследования подтвердили, что углекомпозиты и углерод-керамические материалы, широко используемые для изготовления элементов конструкций носителей, газогенераторов и топливных баков, могут применяться также и в соплах современных ракетных двигателей, в том числе и ЖРД.

Из композиционных материалов (КМ) различных классов, прежде всего из углерод-углеродных (УУКМ) и углерод-керамических (УККМ), по современным технологиям изготавливаются прочные тонкостенные оболочки больших размеров. Целый ряд достоинств УУКМ и УККМ делают их весьма перспективными для использования в элементах проточных трактов ЖРД. Американская компания Pratt & Whitney и французская SEP разрабатывают крупногабаритные сопла из УУКМ CarboSEP для двигателя 3-й ступени РН «Дельта-3». В России комплексные работы в этом направлении ведутся по заказам РКА на ведущих предприятиях отрасли – в Центре Келдыша, КБХА, КБХМ, РКК “Энергия”.
Композиционные материалы на основе углерода обладают небольшой удельной массой. Наряду с этим они имеют значительную эрозионную стойкость и высокую прочность (?р и ?сж более 100 МПа), которая с ростом температуры до 2500 К даже возрастает. В настоящее время разработаны технологии изготовления каркасов УУКМ из углеродных нитей или тканей с последующим их насыщением и созданием углеродной или углерод-карбидной матрицы. Промышленность освоила производство сравнительно недорогих двумерных и объемных (3D) образцов с уникальными физико-механическими свойствами и, в частности, сопел диаметром до 3 м, длиной до 2,6 м и толщиной стенки 1,5…2 мм.
В настоящее время новейшие технологии, нашедшие широкое применение в области ракетных твердотопливных двигателей, активно вторгаются в сферу создания ЖРД. Сравнительно недорогие неохлаждаемые сопла из композиционных материалов жидкостных реактивных двигателей почти в два раза легче металлических охлаждаемых сопел.
Однако возникли новые проблемы. Требовалось обеспечить:
— химическую стойкость углеродсодержащих КМ;
— механическую прочность и устойчивость оболочек сопел, в том числе при нестационарных и циклических силовых и тепловых нагрузках;
— совместимость КМ стационарных и сдвигающихся сверхзвуковых сопловых насадков с металлическими элементами сопел.
Проблема химической стойкости УУКМ и УККМ обусловлена взаимодействием углерода с окисляющими компонентами продуктов сгорания. Следует отметить особенность керамических материалов, у которых при высокой температуре происходит формирование на огневой поверхности оксидных пленок. Эти пленки предотвращают диффузию окислителя к углероду и его унос. Для ЖРД, работающих на компонентах кислород-водород, кислород-метан, кислород-керосин существует минимальная величина расширения ra min (размер, определяющий взаиморасположение стыка охлаждаемой части сопла и неохлаждаемого насадка), начиная с которой процессы тепломассообмена и химического уноса не отражаются на работе сопла. При этом температура огневой стенки сопла из КМ не превышает 2100 К, а скорость эрозии меньше наперед заданной критической величины Vmin.

Схема сопла ЖРД, оснащенного насадкой из КМЗависимость rа min сопла с неохлаждаемым насадком из УУКМ и УККМ от давления в камере при Vmin = 5×10 -4 мм/с

Величину ra min следует минимизировать. При этом, во-первых, увеличится длина легкой неохлаждаемой части сопла из КМ, и, во-вторых, узел стыка и коллектор подачи охлаждающего компонента будут иметь меньший диаметр, что также снизит вес конструкции.
Добиться уменьшения величины rа min можно прежде всего за счет применения УККМ. Однако в этом случае остаются ограничения по температуре (2100 К). Второй способ уменьшения ra min основан на использовании эффекта завесного охлаждения. Для этого перед узлом крепления насадка организуется подача небольшого количества горючего вдоль образующей сопла. Это приводит, с одной стороны, к охлаждению корневого участка насадка, с другой стороны, к уменьшению концентрации окисляющих компонентов на огневой стенке, причем уменьшение ra min пропорционально расходу горючего.

Наилучшие результаты достигаются при совместном использовании завесы и материала УККМ. Расход горючего для организации завесы до 0,3 % от суммарного практически не влияет на энергетические характеристики двигателя.
Достижение требуемых прочностных характеристик насадка из КМ и динамической устойчивости оболочки может быть обеспечено несколькими способами. Первый заключается в выборе структуры КМ и способа его армирования высокопрочными углеродными нитями. В этом отношении могут быть рекомендованы:
— УУКМ, изготавливаемые по тканевой технологии с поперечной прошивкой слоев для повышения межслоевой прочности каркаса (?p = 65 МПа, ?сж = 94 МПа);
— объемносилицированные УУКМ и УККМ, изготавливаемые методом круглого ткачества 3D структуры (?p = 102 МПа, ?сж = 120 МПа);
— УККМ сэндвичной структуры, изготавливаемые по комбинированной тканевой технологии с послойным объемным силицированием поверхностных слоев (?p = 160 МПа, ?сж = 316 МПа).
Второй способ может быть основан на разработанных в Центре Келдыша методах оптимального профилирования тонкостенных оболочек (насадка) при определенном выборе контура проточной части сопла. Сочетание обоих способов обеспечивает возможность многократного применения сопел из КМ, обладающих большим временным ресурсом и высокой надежностью при циклических нагрузках.

Огневые испытания сопел из УУКМ и УККМ проводились в составе ЖРД (кислород-метан и кислород-водород) тягой 0,4 и 3,0 т. Исследовались работоспособность изготовленных по перечисленным выше технологиям неохлаждаемых сопел при максимальных тепловых нагрузках (темп нагрева 2?103 К/с) и высотных условиях работы (давление 0,06…0,1 атм), а также эффективность завесного охлаждения.

Сопло из УККМ в сборе (с технологической оснасткой, выходной диаметр 650 мм)Фрагмент видеозаписи огневого испытания экспериментального сопла из УККМ
(давление в камере сгорания 80 атм, температура продуктов сгорания 3560 К, температура огневой стенки 2100 К). Сопло выдержало 7 включений ЖРД без механических повреждений

Анализ нагружения сопел из КМ показал, что максимальные сжимающие и растягивающие тепловые напряжения в оболочке возникают в первые 3…7 с работы двигателя и их амплитуда не превышает 40…60 % от допустимого значения. Суммарное время наработки на каждом сопле превышало 400 с, причем максимальная скорость эрозии огневой стенки была не выше 10-4 мм/с (УУКМ) и 10-5 мм/с для УККМ. Отличные результаты по эрозионной стойкости продемонстрировали сопла из УККМ сэндвичной структуры.
В экспериментальных исследованиях завесного охлаждения расход водорода составил 0,2…0,3 % от суммарного, температура стенки уменьшилась на 400…500 К, а эрозия УУКМ полностью отсутствовала.

В целом экспериментальные исследования подтвердили работоспособность и эффективность сопел ЖРД из углеродных и углерод-керамических КМ, стойкость к циклическим нагрузкам, длительным тепловым и химическим воздействиям. В полной мере это относится к линейным, тарельчатым соплам (с внешним или внутренним расширением), а также к соплам с промежуточной угловой точкой большой степени расширения для двигателей нетрадиционных компоновок.
Неохлаждаемые сопла из КМ могут быть внедрены и на уже разработанных двигателях. Примером может служить кислород-водородный ЖРД (на базе маршевого крупногабаритного двигателя разработки КБХА), работающий при переменном атмосферном давлении. Применение выдвигающегося неохлаждаемого насадка из КМ позволит обеспечить высотные условия, уменьшить массу сопла (на 160 кг) и увеличить среднетраекторный удельный импульс тяги (на 4…5 с). Разработанные сопла могут быть также эффективно использованы на многих ЖРД зарубежного производства для улучшения их энергетических характеристик и значительного уменьшения веса.
Внедрение существующих и создание перспективных КМ позволяют надеяться на значительное улучшение энерго-массовых характеристик новых двигателей, отвечающих самым высоким требованиям по эффективности и надежности.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector