Экспериментальное исследование концентрации газов в донной области модели ракеты-носителя с горячими струями Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Том XXXVII

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

2 0 06

№ 1—2

УДК 629.76.015.3.024.8

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ В ДОННОЙ ОБЛАСТИ МОДЕЛИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ С ГОРЯЧИМИ СТРУЯМИ

А. Г. ЕРЕЗА, Ю. Н. ЕРМАК, Б. Л. ЖИРНИКОВ, О. К. КУДИН, Е. А. ЛЕЙТЕС, В. Я. НЕЙЛАНД, Ю. Н. НЕСТЕРОВ, ДОНАЛЬД А. НИРШЛ, В. И. ПЛЯШЕЧНИК

Представлены результаты экспериментального исследования в аэродинамической трубе Т-109 содержания различных газов в донной области ракеты-носителя при моделировании геометрии летательного аппарата, параметров внешнего потока, выхлопа реактивных двигателей и турбонасосных агрегатов. Приведены также данные по давлению и температуре смеси газов в донной области.

1. Цель исследования. Носители, используемые для запуска космических аппаратов, имеют значительное количество источников газа, расположенных в донной области. Это, прежде всего, струи реактивных двигателей и выхлоп турбонасосных агрегатов. С поднятием носителя на высоту и реализацией донного течения с обратными токами в донной области носителя может накапливаться газовая смесь, богатая горючим. Расширение реактивных струй на больших высотах может привести к отрыву внешнего потока с боковой поверхности носителя и наполнению срывной зоны горючими газами. Все это представляет определенную опасность для летательного аппарата из-за возможного возгорания выбрасываемых газов вблизи незащищенных поверхностей.

Основная задача исследований заключалась в определении на модели носителя доли участия разных источников в наполнении донной области газами. Рассматривались четыре возможных источника: центральная связка двигателей, боковые подвесные ускорители, турбины насосных агрегатов и внешний поток.

Для решения задачи необходимо смоделировать аэродинамику обтекания модели

летательного аппарата таким образом, чтобы сохранить механизмы,

вызывающие перечисленные эффекты. Это достигалось соблюдением соответствующих параметров

моделирования при выборе геометрии модели и состава источников газов.

2. Модель. На рис. 1 приведена фотография модели ракеты-носителя в аэродинамической трубе Т-109 ЦАГИ с размерами рабочей части 2.25 х 2.25 м. Характерные размеры модели: длина ~2300 мм, размер дна вдоль большой оси ~230 мм. Модель крепится в трубе на боковой державке. При установке под Рис. 1. Модель носителя в аэродинамической трубе Т-109 углом атаки положение модели меняется

так, что носовая часть смещается в сторону боковой стенки трубы, к которой крепится державка, а поверхность модели с приемниками давления становится наветренной. Исследования проводились в диапазоне чисел М набегающего потока 1.2 — 3.5. Для этих режимов числа Re, вычисленные по параметрам невозмущенного потока и линейному размеру 1 м, составляют (21 — 28) ■ 106.

Для имитации струй двигателей на модели используются струи твердотопливных газогенераторов. Характеристики газогенераторов выбраны с учетом требования максимального приближения к натурным следующих модельных параметров:

отношения удельных теплоемкостей продуктов сгорания на срезах сопл уе; отношения статических давлений на срезах сопл и в окружающей среде ре /рш; отношения температур торможения в камере сгорания и в окружающей среде Т0 /Тш; отношения площадей срезов сопл и их критических сечений Ае /А»; угла раскрытия сопла на выходе 0е.

На рис. 2 изображена схема донной части модели. Струи трех центральных двигателей — основного и двух боковых ускорителей имитируются подачей продуктов сгорания в модельные сопла из общей камеры сгорания. Четыре модельных подвесных ускорителя съемные и в зависимости от моделируемого режима полета два из них могут отсутствовать или не работать. Работающие модельные подвесные ускорители имеют каждый свою камеру сгорания. Время работы центрального газогенератора составляет 0.75 с, съемных — 0.5 с. В табл. 1 приведены характеристики модельных газогенераторов.

Таблица 1

Газодинамические и геометрические характеристики модельных газогенераторов

Модельный источник газа р0 • 10-5, н/м2 To, K Ye Ae /A* 0e, град

Основное сопло 85 2833 1.21 25:1 0.717

Сопла 2 ускорителей 85 2833 1.21 8:1 3.33

Сопла 4 подвесных ускорителей 85 3167 1.14 8:1 18.5

Для имитации на модели выброса отработанных газов турбин используется холодный инертный газ аргон. Аргон, моделирующий выхлоп турбины двух боковых ускорителей, выбрасывается через патрубок, форма которого в масштабе повторяет форму натурного патрубка.

Аргон, моделирующий выхлоп турбины основного двигателя, выбрасывается через восемь трубок, расположенных с равномерным шагом вокруг центрального сопла и объединенных одним коллектором. Управление двумя системами выброса осуществляется независимо. Давление

в системах выбиралось из условия сохранения отношения импульсов струй из двигателей и из выхлопных систем турбин на модели и натуре, что увеличивает модельный перепад давлений Pet /рш (Pet — статическое давление на выходе из выхлопного патрубка) по сравнению с натурным. Однако это не приводило к существенным искажениям поперечного размера выхлопной струи. При рассматриваемых перепадах давления характерный поперечный размер струи d ~ (pet /рш)0'5 и d ~ 1 /yet [1]. Использование аргона с у = 1.67 позволяет в некоторой степени компенсировать увеличение поперечного размера струи из-за увеличения перепада давлений.

В процессе эксперимента на модели проводились измерения давления на боковой поверхности, на дне, в камерах сгорания газогенераторов и в системе подвода аргона. Тепловые измерения включали измерения температуры газа

в донной области и теплового потока

на дне и на боковой поверхности вблизи донного среза. Модель была препарирована системой отбора проб газа в пяти точках. Четыре точки расположены на дне и одна вблизи дна на боковой поверхности. Датчики для измерения давления, тепловых измерений и приемники системы отбора проб компактно расположены на дне в четырех зонах. Эти зоны на рис. 2 заштрихованы и обозначены цифрами 1 — 5.

Блок управления и синхронизации обеспечивал определенную последовательность запуска трубы, включения зажигания газогенераторов, клапанов газовых систем и системы сбора информации по командам от ЭВМ.

3. Метод определения долей смесевых газовых источников по результатам анализа проб. Пробы, отобранные в пяти точках поверхности модели, в общем случае могут содержать газы из разных источников. Ставится задача определения пропорций, в которых газы из рассматриваемых источников содержатся в пробах. В табл. 2 приведены объемные концентрации газообразных химических соединений, содержащихся в продуктах сгорания в выходных сечениях сопл.

Таблица 2

Концентрации газообразных веществ в продуктах сгорания

Мольные доли химических соединений Мольные доли химических соединений

Химические соединения Центральный газогенератор Газогенераторы подвесных ускорителей Химические соединения Центральный газогенератор Газогенераторы подвесных ускорителей

Н — 0.0005 N2 0.1331 0.1298

Н2 0.1339 0.2033 со 0.2882 0.4382

н2о 0.2190 0.1541 со2 0.2258 0.0740

Из табл. 2 видно, что в составах продуктов сгорания разных газогенераторов отсутствуют индивидуализирующие их химические соединения, по содержанию которых можно было бы сделать заключение о долях этих источников газа в газовой смеси в месте отбора пробы. Принудительная индивидуализация источников путем добавления к ним газов-меток нецелесообразна, поскольку для целей примеси в газе источника была постоянна во всех точках потока, а это условие трудно выполнить и проконтролировать. Кроме того, в составе продуктов сгорания имеются недоокисленные химические соединения,

в связи с чем в потоке могут продолжаться химические реакции с участием кислорода воздуха

окружающей среды. Это может привести к изменению объемных концентраций химических соединений источников в местах отбора проб.

В связи с изложенными соображениями для количественного определения долей газов

от разных источников, входящих в состав пробы, был использован метод, основанный на том факте, что одинаковые химические элементы в

количественного анализа необходимо, чтобы доля

Рис. 2. Схема донной части модели

разных источниках содержатся в разных пропорциях. Учтено также то обстоятельство, что при образовании смеси даже с протеканием химических реакций не происходит исчезновения исходных и образования новых химических элементов. Эти соображения позволяют для каждого химического элемента записать уравнение баланса, которое выражает собой закон сохранения массы для данного элемента:

V,

у=1

^а1]х] = Ь,

(1)

где ау — массовая концентрация 7-го химического элемента в у-ом источнике; ху — массовая доля у-го источника в смеси; Ь7 — массовая концентрация 7-го элемента в смеси газов от всех источников; п — число источников, участвующих в образовании смеси.

Подобные уравнения записываются для каждого химического элемента, входящего в состав газов-источников. В рассматриваемом случае таких уравнений пять, по числу химических элементов: углерода, кислорода, водорода, азота и аргона.

Составы газов-источников считаются известными, так как использовалось стандартизованное топливо. Концентрации элементов в смеси определяются по результатам химического анализа смеси. Поскольку число уравнений в системе (1) больше числа источников, неизвестные заранее доли источников определяются из решения системы уравнений (1) методом

п

наименьших квадратов с учетом следующих ограничений: ^ху -1, ху > 0.

у-1

Исходный состав газов-источников и состав газовой смеси обычно задаются объемными концентрациями химических соединений. Поэтому предварительно проводится переход к массовым концентрациям химических элементов по известным формулам. Подробно метод исследований и его точность рассматриваются в [2, 3].

Данные по концентрациям отдельных соединений в смеси газов получаются в результате анализа проб газовой смеси, взятых в процессе эксперимента. Для отбора газовых проб используется система, собранная с учетом особенностей эксперимента: малого времени работы источников струй и пониженного относительно атмосферы уровня давления в точках отбора. В каждой из пяти точек проба отбиралась в две емкости объемом по 0.001 м3. Перед экспериментом система отбора проб вакуумировалась до давления не выше 0.1 мм ртутного столба.

Анализ состава проб проводился на

Таблица 3

Результаты анализа концентраций химических соединений в контрольной смеси

газовом хроматографе с детектором по теплопроводности. Калибровка хроматографа проводилась как с использованием чистых газов, так и

с использованием калибровочных смесей. Окончательная проверка осуществлялась на основе анализа контрольных смесей. В табл. 3 приведен пример согласования данных по концентрациям химических соединений в составленной контрольной смеси и данных, полученных в результате ее анализа.

При обработке эксперимента смесь газов из каждой емкости пробоотборника подавалась

в хроматограф для анализа последовательно тремя порциями. Таким образом, смесь газов, отобранная в каждой из точек 1 — 5 модели, подвергалась шестикратному анализу и полученные данные осреднялись.

Химическое соединение Концентрация соединений в контрольной смеси, % Концентрация соединений в контрольной смеси по данным анализа, %

02 10.52 10.41

39.20 39.85

Лг 0.47 0.48

со2 49.05 49.71

н2о 0.74 0.78

М-3.5 а " О ^ЯМ ■

I I I 1"1

Юш , Шш , -Шт , шЛт , Ж.

12 3 4 5

Точки измерений

лш

1 2 3 4 5

Точки измерений

Рис. 4. Объемные доли газа от разных источников в местах отбора проб

4. Результаты экспериментальных исследований на модели. Представленные ниже результаты исследований соответствуют компоновке модели, в которой работают два подвесных ускорителя в квадрантах QИ и QIV, а ускорители в квадрантах QI и QШ отсутствуют (см. рис. 2). На рис. 3 для одного из режимов испытаний показаны данные анализа химического состава смеси газов в точках измерения 1 — 5. Такие данные использовались при определении объемных долей газов от рассматриваемых источников, наполняющих донную область. Примеры результатов определения объемных долей газов в зонах 1 — 5 приведены на рис. 4. Здесь и ниже используются следующие обозначения: EAF — воздух окружающей среды, ТЕ — газ из турбонасосных агрегатов, SRM — продукты сгорания подвесных ускорителей, В^Е — продукты сгорания основного двигателя и боковых ускорителей. Анализ экспериментальных данных свидетельствует

о том, что практически во всех экспериментах в составе анализируемой газовой смеси отсутствует свободный водород в сколько-нибудь заметных количествах, хотя в составе продуктов сгорания он имеет довольно высокую концентрацию. Вероятно, что в процессе образования газовой смеси происходит химическая реакция водорода с кислородом воздуха внешнего потока.

В подавляющем большинстве опытов результаты анализа показывают, что в местах отбора проб в составе газовой смеси практически отсутствуют продукты сгорания, вытекающие из подвесных ускорителей. Зона 5, расположенная на боковой поверхности модели, заполнена, в основном, воздухом внешнего потока.

80 :

« -

г л 60 :

Г :

я И 40 :

к -

о М 20 :

2 3 4

Точки измерений

Рис. 3. Концентрация химических соединений в анализируемой смеси

Рис. 7. Донное давление при разных условиях отбора проб газа

Рис. 8. Наполнение донной области газами и температура газов при разных числах М набегающего потока

С использованием результатов, аналогичных приведенным на рис. 4, получены зависимости относительных долей различных источников от числа М внешнего потока и угла атаки модели (рис. 5). В проведенных исследованиях наблюдается тенденция к уменьшению доли воздуха в составе исследуемой смеси по мере увеличения числа М внешнего потока. Наиболее заметна эта тенденция в донной части модели (зоны 1 — 4). Доля выброса турбин в газовой смеси увеличивается с ростом числа М. Увеличение угла атаки также приводит к росту доли турбинного выброса в смеси.

При рассмотрении полученных результатов может возникнуть вопрос, не влияет ли отбор проб на параметры течения в донной области модели, в том числе и на состав газа. Ответ на этот вопрос дают результаты испытаний при разных условиях отбора проб. На рис. 6 приведены данные, полученные при одновременном отборе проб во всех пяти зонах измерений или только в отдельных зонах. На основании полученных данных можно утверждать, что отбор

проб не оказывает влияния на состав газа в донной области в пределах ошибки определения долей источников. По оценкам [2, 3] погрешность определения долей источников для данных экспериментов составляет ~3%.

Величины донного давления в точках измерения, расположенных в зонах 1 — 4, весьма близки между собой. Донное давление, полученное в результате осреднения измерений в этих точках, приведено на рис. 7 в виде зависимости от числа М набегающего потока. Видно, что отбор проб не оказывает влияния и на величину донного давления.

Рис. 5. Количество газов от разных источников в донной области модели

Рис. 6. Доли источников газа у донного экрана в зоне 3 при разных условиях отбора проб

Температура донного газа более чувствительна к деталям течения в донной области. На режиме течения с М = 3.5 а = 0 в компоновке модели с двумя боковыми ускорителями, расположенными в квадрантах QИ и QIV, разброс температур газа у донного экрана между зонами измерений 1 — 4 достигает ~20%. В целом, температура газа следит за наполнением донной области продуктами сгорания, приходящими с обратными токами от струй. На рис. 8 приведены данные по максимальным значениям температур, зарегистрированным на модели в зонах 1 — 4. Там же приведены кривые, характеризующие наполнение донной области газами от центральной группы двигателей и от турбин. При получении последних зависимостей использовались результаты осреднения по четырем зонам измерений. Количество газа в объемных долях отнесено к количеству воздуха в донной области, а температура — к температуре торможения внешнего потока, которая в настоящих экспериментах составляла 280 — 290 К.

Влияние струй на внешнее обтекание модели на исследуемых режимах имеет локальный характер. Оно заметно только вблизи донного среза. Это иллюстрируют приведенные на рис. 9 результаты измерений распределения давления вдоль поверхности модели без истечения струй и со струями. (Координата г отсчитывается от носика модели и обезразмерена отнесением к полной длине модели.)

5. Заключение. Использование разработанной методики исследований позволяет определить доли участия разных источников в наполнении донной области газами и тем самым получить количественное представление о рециркуляции истекающих газов. Отбор проб газа не нарушает течение в донной области, не влияет на величину донного давления и состав донного газа.

В конкретном случае исследуемой модели интенсивное наполнение донной области газами происходит при М > 2.6. На режиме М = 3.5 а = 0, которому соответствует компоновка модели с двумя подвесными ускорителями, доля турбинного выброса в смеси донных газов составляет ~11% и доля центральной группы двигателей ~16%. В смеси практически отсутствуют газы от подвесных ускорителей.

Работа выполнена в ЦАГИ в 1993 г. по контракту с Отделением космических систем фирмы Дженерэл Дайнэмикс.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авдуевский В. С., Ашратов Э. А., Иванов А. В., Пирумов У. Г. Газодинамика сверхзвуковых неизобарических струй. — М.: Машиностроение. — 1989.

2. Ермак Ю. Н., Жирников Б. Л., Кудин О. К., Лейтес Е. А., Нестеров Ю. Н. Способ количественного определения долей смешивающихся газов или газовых смесей, истекающих из нескольких источников // Патент Российской Федерации № 2077049. — 1997.

3. Ермак Ю. Н., Жирников Б. Л., Кудин О. К., Лейтес Е. А., Нестеров Ю. Н. Метод экспериментального исследования концентрации газов в донной области летательного аппарата // Ученые записки ЦАГИ.

— 1998. Т. XXIX, №3—4. „ .__

Рукопись поступила 3/¥ 2005 г.

1.5 ■ 1 ■

0.5 0

■ - ■:■■.!, ^ г :

Рис. 9. Распределение давления вдоль поверхности модели

М=3.5 а = 0 <р =270°