CC BY
97
дит на расстоянии 40 см от разделительного днища, при этом заглушки в момент удара обладают кинетической энергией 4 кДж.
M.G. Bogatyreva, E.P. Polyakov
RESEARCH OF THERMGAZDINAMICHESKY PARAMETERS IN ROCKET ENGINE
Results of research of combustion products multijet current in the two-chamber two-regime are presented
Key words: missile, propulsion system, combustion products, multijet current.
УДК 621.455
B.A. Дунаев, д-р техн. наук, проф., проф., (4872) 35-18-79, dunaev@ tsu. tula.ru,
В.А. Никитин, канд. техн. наук, доц., доц., (4872) 35-18-79, nikitin [email protected],
В.Н. Столбовской, асп., (4872) 35-18-79, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ ГАЗОВОГО РУЛЯ НА ВЕЛИЧИНУ ПОТЕРЬ ТЯГИ В ПРОЦЕССЕ РАБОТЫ РДТТ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Математическим моделированием обтекания газовым потоком органов управления ракетного двигателя твёрдого топлива выбрана конструкция, обеспечивающая минимальные потери тяги в начале работы и максимальные боковые усилия в течение всего времени работы.
Ключевые слова: ракетный двигатель твёрдого топлива, газовый руль, потери тяги, управляющие усилия, математическое моделирование.
Для управления большинства современных зенитных управляемых ракет (ЗУР), как отечественных, так и зарубежных, функционирующих в верхних слоях атмосферы, в основном используют газодинамические органы управления (ГОУ), так как при режимах полёта ЗУР применение аэродинамических органов управления неэффективно.
Газовые рули (ГР) применяются, как правило, в следующих случаях:
- на участке разгона ЗУР, когда аэродинамические рули неэффективны из-за малых скоростных напоров;
- при функционировании ЗУР в верхних слоях атмосферы, так как в таких случаях применение аэродинамических органов управления неэффективно;
- при «холодном» вертикальном старте с запуском двигателя в воздухе за счёт собственного двигателя с последующим склонением в направлении стрельбы.
Использование ГОУ, в том числе и ГР, для управления вектором тяги применительно к ЗУР корабельного базирования с «холодным» вертикальным стартом позволяет разместить их в транспортно-пусковом контейнере в модульных подпалубных пусковых установках сотового типа (рис. 1), что придает комплексу совершенно новое качество - существенно повышается огневая производительность и темп стрельбы, уменьшается время реакции, снижается заметность палубных конструкций в радио- и оптическом диапазонах.
Рис. 1. Схема вертикальной пусковой установки с ЗУР 9М317МЭ
Управление ЗУР по трем каналам (рысканья, тангажа и крена) осуществляется с помощью четырех ГР, симметрично расположенных в поперечном сечении проточного тракта двигателя на срезе сопла (рис. 2).
АзрадиН!№Шский ру//ь не похиш
Рис. 2. Установка блока газовых рулей:
1 - газовый руль, 2 - защитный козырек, 3 - силовая рама, 4 - сопло,
5 - отсек, 6 - качалка, 7 - поводок, 8 - подшипник, 9 - тяга
Снижение вырабатываемого управляющего усилия со временем связана с ограниченной стойкостью рулей, особенно в двухфазном потоке. ГР изготавливают из эрозионно-стойких материалов, обладающих высокой прочностью и минимальными скоростями эрозионного разрушения в вы-
сокотемпературных двухфазных сверхзвуковых потоках продуктов сгорания, на основе углерод-углеродных композиционных материалов и сплавов тугоплавких металлов. При малых временах управления с помощью ГР или работы РДТТ могут использоваться конструкционные углепластики или стеклопластики.
В ряде случаев блок газовых рулей выполняется в виде отделяемого модуля (рис. 3), что позволяет в целом уменьшить массу конструкции ЛА.
Рис. 3. Блок газовых рулей:
1 - газовый руль, 2 - защитный козырек, 3 - силовая рама,
4 -узлы закрепления газового руля, 5 -узлы поворота газового руля
Основная задача при проектировании соплового блока с ГР состоит в выборе:
- геометрических параметров проектируемого органа управления, обеспечивающего максимальный уровень боковых усилий при минимальной величине потерь тяги в течение всего времени работы двигателя;
- оптимального места расположения органов управления, исходя из оценки их влияния на конструктивные элементы соплового блока;
- материала, обладающего высокой прочностью и минимальными скоростями эрозионного разрушения и обеспечивающего стабильность величины управляющего усилия во времени.
При взаимодействии газового руля с высокотемпературным двухфазным потоком, возникает сложная система скачков уплотнения и отрывных зон, перераспределение давления на поверхности сопла и возникновение в связи с этим боковой управляющей силы. Уровень нулевых потерь тяги определяют размеры газового руля и форма лобовой кромки. Измене-
ние площади и формы руля происходит в области торможения потока и интенсивного осаждения частиц, что приводит к нестационарному нагреву газового руля и его абляции за счет эрозии и химических реакций. Таким образом, в процессе функционирования форма газового руля значительно изменятся, поэтому управляющая сила и сила сопротивления, создаваемые рулем, изменяются по времени.
Прогнозирование указанных явлений требует математического моделирования. В основу математической модели положены уравнения нестационарного пространственного движения многокомпонентной, теплопроводной, вязкой, сжимаемой, двухфазной смеси [1].
По разработанным моделям созданы алгоритм и программа численного моделирования рассматриваемых процессов в трехмерной постановке, реализованная на языке С++. При численном решении уравнений использовался трехмерный модифицированный вариант метода крупных частиц [2, 3], применение которого наиболее целесообразно при моделировании сложных трехмерных течений с отрывными зонами, скачками уплотнения, дозвуковыми областями, что типично для процессов, протекающих при функционировании газовых рулей. Оценка справедливости предложенных соотношений и алгоритма вычислений осуществлена решением ряда тестовых задач, доказавшим сходимость и устойчивость решений. Сопоставление полученных расчётных результатов с экспериментальными данными показало их удовлетворительное совпадение.
На рис. 4 показана схема исследуемого блока газовых рулей в нейтральном положении и сечения, в которых фиксируются результаты расчета.
Рис. 4. Схема исследуемого блока газовых рулей
При математическом моделировании рассмотрены различные типы газовых рулей (таблица) с учетом изменения геометрии передней кромки в процессе работы. Изменение геометрии передней кромки ГР в процессе работы в результате воздействия высокотемпературных продуктов сгорания представлено в таблице. Величина обгара передней кромки ГР в различные моменты времени взята из экспериментальных исследований.
Типы газовых рулей
Типы рулей 1 2 3
До испытаний и 0 0
После испытаний ш
Изменение параметров газового потока на передней кромке поперечного сечения газового руля с течением времени показано на рис. 9.
Рис. 9. Изменение параметров газового потока на передней кромке газового руля в процессе работы: а - давления; б - скорости
Изменение поперечных и продольных размеров для различных типов ГР, выполненных из одного материала, но имеющих разные варианты ис-
полнения профиля поперечного сечения вследствие эрозионного износа, по данным экспериментальных исследований с течением времени, представлено на рис. 10, а изменение площади в плане - на рис. 11.
Рассчитанная зависимость нулевых потерь тяги от времени для различных типов газовых рулей с учетом изменения геометрии профиля представлено на рис. 12.
а Р5 I* 2 25 врчй'.Ц. £
*
►
? -ь
I '■ц-
а і 'і *4.
! ®
Ї ч *4 ’киї
5
3 , .
=
>
■
I
і
т -іі
а б
Рис. 10. Изменение размеров различных типов газовых рулей в процессе работы: а - продольных; б - поперечных
Рис. 11. Изменение площади рулей Рис. 12. Изменение потерь тяги в плане в процессе работы в различные моменты времени
При функционировании ГР максимальную тепловую нагрузку при нулевом положении газового руля несет передняя кромка. Значения параметров газового потока (давления, скорости, температуры) на передней кромке ГР и их изменение во времени зависят от варианта её исполнения. Увеличение угла наклона «фаски» передней кромки ГР (тип 1 и тип
2), а также переход к исполнению передней кромки в виде скругления (тип
3) приводят к росту давления, температуры и снижению скорости газового потока. В процессе работы ГР вследствие эрозионного износа материала
происходит «притупление» передней кромки, влекущее за собой повышение давления, следовательно, и температуры, а также снижение скорости (см. рис. 9), и приводящее к росту потерь тяги (см. рис. 12).
Повышение температуры приводит к увеличению скорости эрозионного износа материала, уменьшению площади газового руля в плане (см. рис. 11), и, как следствие, к снижению величины боковых усилий.
В независимости от варианта исполнения передней кромки ГР в процессе работы профиль передней кромки приобретает форму «скругления». Это приводит к тому, что отличия величин параметров газового потока (см. рис. 9), а также потерь тяги (см. рис. 12) в конце времени работы - незначительны.
Следует отметить незначительный эрозионный износ материала ГР на боковых поверхностях (см. рис. 10, б) и задней кромке при нахождении его в нулевом положении, что подтверждается данными экспериментальных исследований (см. таблицу).
Основываясь на результатах математического моделирования и данных экспериментальных исследований, при проектировании ГР следует отдать предпочтение типу 1, так как в этом случае обеспечиваются минимальные потери тяги в начале работы (см. рис. 12) и максимальные боковые усилия в течение всего времени работы.
Список литературы
1. Дунаев В.А., Никитин В.А., Столбовской В.Н. Течение газового потока с горящими частицами в камере РДТТ //Сборник докладов 3-й научной конференции Волжского регионального центра РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения. г. Саров Нижегородской обл. 2004. Т.1. С.101-108.
2. Дунаев В.А. Численное моделирование сопряженных процессов термомеханики в теплоэнергетических установках // Материалы докладов Всероссийской научно-практической конференции "Первые Окуневские чтения", г. С.-Петербург, 1997. С.106-108.
3. Comparison of Different k-s Models For Indoor Air Flow Computations // Numerical Heat Transfer, Part B, 28:353-369, 1995.
V.A. Dunaev, V.A. Nikitin, V.N. Stolbovskoy
THE RESEARCH OF THE GAS RUDDER FORM INFLUENCE ON DRAUGHT LOSSES SIZE IN THE COURSE OF FIRM FUEL ROCKET ENGINE WORK BY MEANS OF MA THEMA TICAL MODELING
By means of gas dynamics mathematical modeling of the firm fuel rocket engine controls the design ensuring minimal traction loss at the working start and maximum lateral efforts while operating time, is defined.
Key words: firm fuel rocket engine, gas rudder, the draught losses, lateral efforts, mathematical modeling.
