СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНОЙ КОНДЕНСИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2001 года по МПК F02K9/26 

Предложение относится к твердотопливным ракетным двигателям (РДТТ), в частности к физическим способам регулирования баллистических характеристик твердых топлив (ТТ или ВКС) и может быть использовано для построения замкнутых систем автоматического регулирования силы тяги РДТТ.

Известен способ акустического воздействия на реакционную зону конденсированной фазы твердого топлива с целью изменения скорости ее газификации (горения) посредством регулирования мощности акустических волн излучателя в камере сгорания [1] . Однако этот способ, вызывающий турбулизацию газового потока вблизи поверхности разложения ТТ и, как следствие, изменение скорости горения топлива, ведет к заметному снижению удельного импульса двигательной установки, что делает его мало приемлемым для практического использования.

Известен способ регулирования скорости горения ТТ путем пропускания электрического тока через металлические проводники, вмурованные в заряд, посредством которых нагревают окружающую массу твердого топлива до заданных значений температур и изменяют скорость горения локальных областей топлива, входящих в зону горения с повышенной температурой [2]. Однако и этот способ имеет недостатки, т. к. влияет на изменение температуры и скорости горения только приэлектродных областей ТТ, создает внутренние градиенты температур в заряде, при этом электрическая мощность энергоустановки расходуется на изменение начальной температуры твердотопливного заряда, имеющего, как правило, низкую теплопроводность.

Наиболее близким предлагаемому способу по своим физическим признакам является способ, описанный в патенте GB 2028981. Однако в указанном способе электрический ток пропускают кратковременно через нагревательные элементы воспламенительных устройств, инициирующих процесс воспламенения дополнительных поверхностей горения заряда, процесс горения проходит в неуправляемом режиме и вызывает ступенчатое увеличение тяги ракеты, при отсутствии регулирования скорости горения твердотопливного заряда (ВКС).

Задачей предложения является изменение скорости горения ВКС, управляемой и направленной передачей энергии в прогретый реакционный слой конденсированной фазы топлива.

Решение задачи достигается способом регулирования скорости горения высокоэнергетичной конденсированной системы, включающим нагрев при помощи электрического тока, непосредственным пропусканием электрического тока через реакционную зону горения конденсированной системы, являющуюся проводником первого или (и) второго рода.

Реализация способа заключается в том, что в твердотопливный заряд, находящийся в камере сгорания, встроена система металлических электродов, посредством которой в прогретом слое конденсированной системы ТТ создается электрическое поле, вызывающее в нем электрический ток, а также поддерживается постоянный электрический контакт между зоной проводимости и управляемым источником тока, осуществляющим электрохимическое регулирование кинетики начальных стадий реакции горения в прогретом слое конденсированной фазы топлива. При прочих равных условиях (химическом составе, температуре и давлении в камере и др.) скорость разложения (горения) ВКС является функцией тока, протекающего через проводящий слой. Электроды плавятся и выгорают вблизи границы конденсированной и газовой фаз вместе с перемещающимся фронтом горения топлива. Изменение величины тока с помощью внешней системы регулирования позволяет управлять скоростью горения, массовым расходом продуктов сгорания и, в частности, тяговыми характеристиками двигательной установки.

На фиг. 1 показана структурная схема замкнутой системы автоматического регулирования (CAP) расхода продуктов сгорания через сопло двигательной установки с отрицательной обратной связью по давлению в камере сгорания на основании электрохимического способа регулирования скорости горения ТТ заряда. Состав CAP: твердотопливный заряд 1 с электродной системой, находящийся в камере сгорания 2, содержащей датчик давления газовой фазы продуктов сгорания, сигнал от которого p_кс поступает в блок управления 3, выход которого подключен к управляемому источнику тока 4.

Блок управления 3 сопоставляет действительное значение давления продуктов сгорания в камере 2 p_кс с программным p₀, поступающим от задающего устройства верхнего уровня и передает величину рассогласования ε в виде электрического сигнала в управляемый источник тока 4, который по величине ε изменяет ток i в реакционном слое ТТ, соответственно его температуру, скорость горения, давление в камере сгорания и массовый расход продуктов сгорания через сопло, пока рассогласование ε с требуемой точностью не будет устранено. Система автоматического регулирования работоспособна в течение всего времени включения двигательной установки и устраняет влияние всех возмущений (случайных и неслучайных), действующих на давление в камере сгорания.

В зависимости от требований к системе и характеру изменения во времени задающего воздействия замкнутая CAP может выполнять функции стабилизации давления, программного регулирования или следящей системы.

Физическая связь между скоростью горения твердотопливного заряда, давлением в камере и массовым расходом продуктов сгорания определяется по формулам [1]:
Секундный расход продуктов сгорания из камеры:

постоянная расхода,
n - показатель политропы расширения,
ϕ₂ - коэффициент расхода сопла,
F_кр - площадь критического сечения сопла,
R - газовая постоянная,
T - температура продуктов сгорания,
p_кс - давление в камере.

Давление в камере сгорания:

где ρ_т- - плотность топлива,
S - площадь поверхности горения заряда,
ν - константа, определяемая свойствами топлива,
u(T_s) - функция скорости горения топлива от его температуры.

По экспериментальным исследованиям [3], скорость горения заряда имеет степенную зависимость от температуры поверхности газификации.

В зависимости от требований со стороны системы регулирования к общему сопротивлению электропроводной зоны ВКС на фиг. 2(а,б) представлены примеры реализации электродных систем в твердотопливном заряде с внутренним каналом горения. Отсутствуют ограничения к форме заряда, канала горения и числу электродов в заряде.

На фиг. 2а показана схема с поперечным расположением электродов в заряде относительно его продольной оси. Электроды в виде металлических листов или сеток плавятся и выгорают одновременно с зарядом на границе конденсированной и газовой фаз под воздействием высокотемпературного газового потока продуктов сгорания. Для защиты от теплового и эрозионного воздействия продуктов сгорания поверхности торцевых электродов закрыты бронировкой (теплозащитным покрытием).

На фиг. 2б показана схема с продольным расположением электродов. Плоскости электродов расположены радиально относительно продольной оси заряда и соединяются аналогично фиг. 2а параллельно между собой с последующим подключением к управляемому источнику тока.

Источники информации
1. Бабкин А. И., Белов С.И. и др. Основы теории автоматического управления ракетными двигательными установками. М.: Машиностроение, 1978.

2. Фахрутдинов И.Х. Ракетные двигатели твердого топлива. М.: Машиностроение, 1981.

3. Новожилов Б. В. Нестационарное горение твердых ракетных топлив. М.: Наука, 1973.

Способ регулирования скорости горения высокоэнергетичной конденсированной системы относится к твердотопливным ракетным двигателям и включает в себя нагрев при помощи электрического тока, подводимого к системе электродов и пропускаемого через реакционную зону горения конденсированной системы. В прогретом слое конденсированной системы создают электрическое поле, вызывающее в нем электрический ток. Поддерживают постоянный электрический контакт между зоной проводимости и управляемым источником тока. Изменением величины тока с помощью внешней системы регулирования осуществляют электрохимическое регулирование кинетики начальных стадий горения. Изобретение позволяет изменять скорость горения конденсированной фазы. 2 ил.

Способ регулирования скорости горения высокоэнергетичной конденсированной системы, включающий нагрев при помощи электрического тока, подводимого к системе электродов и пропускаемого через реакционную зону горения конденсированной системы, отличающийся тем, что в прогретом слое конденсированной системы создают электрическое поле, вызывающее в нем электрический ток, поддерживают постоянный электрический контакт между зоной проводимости и управляемым источником тока, изменением величины тока с помощью внешней системы регулирования осуществляют электрохимическое регулирование кинетики начальных стадий горения.