СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ ВИБРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧНЫХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ Российский патент 2003 года по МПК F02K9/26 

Изобретение относится к твердым ракетным топливам (ТРТ), в частности к физическим способам подавления вибрационного горения твердых ракетных топлив (ТРТ или высокоэнегетичных конденсированных систем - ВКС) в камерах сгорания, и может быть использовано в системах автоматического регулирования внутридвигательных параметров ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ).

Известен способ предотвращения вибрационного горения (нестационарного режима горения) ВКС в камере сгорания [1, 2], в случае его возникновения, экспериментальным варьированием физико-химического состава ТРТ, например, изменением (подбором) размера частиц фракций окислительных и (или) горючих (металлов) компонентов в твердотопливном заряде. Однако процесс возникновения и развития вибрационного горения надежному прогнозированию не поддается и в каждом конкретном случае исследуется и по возможности устраняется экспериментально. Поэтому этот эмпирический способ требует многочисленных огневых испытаний и в дальнейшем не позволяет полностью исключить возможность возникновения вибрационного горения, способного привести к отказам в системе управления полетом и к аварийному режиму работы РДТТ.

Известен способ противодействия развитию вибрационного горения ТРТ [2] размещением в камере сгорания ракетного двигателя специальных акустических диафрагм и звукопоглощающих экранов, нарушающих процессы возникновения и развития акустических мод колебаний в свободном объеме камеры сгорания двигателя, т. е. пародымогазовой фазе ВКС. В виду высокой сложности моделирования процесса и механизмов возникновения колебаний в конденсированной и пародымогазовой фазе ВКС, способ также требует длительных экспериментальных исследований по акустической неустойчивости двигателя и может использоваться в качестве дополнительных мер к упомянутому ранее способу.

Наиболее близким к предлагаемому способу по своим физическим признакам является способ акустического воздействия на пародымогазовую и конденсированную фазы ВКС искусственной генерацией акустических волн в свободном объеме камеры сгорания [1, 3]. Генерируемые акустическим излучателем в камере сгорания волны совпадают по частоте, но находятся в противофазе с возникшими резонансными колебаниями, что может привести в результате их взаимного сложения к ослаблению или устранению колебательных процессов горения твердотопливного заряда и давления.

Однако и этот способ имеет недостатки. Экспериментально установлено, что воздействие звуковых волн из пародымогазовой фазы на реакционную зону горения топлива вызывает существенное снижение удельного импульса РДТТ [3]. При этом на борту ракеты еще необходим мощный излучатель акустических волн.

Задачей предложения является подавление вибрационного режима горения твердотопливного заряда (ВКС) внутри камеры сгорания, сопровождающегося периодическими акустическими колебаниями давления в пародымогазовой фазе ВКС.

Решение задачи достигается способом подавления вибрационного горения высокоэнергетичной конденсированной системы (ВКС), включающим пропускание электрического тока через реакционную зону конденсированной фазы топлива [5] и генерацию противофазных акустических волн в камере сгорания, при котором управляемым изменением амлитудофазочастотных характеристик (АФЧХ) тока, пульсационно изменяют скорость горения и мгновенные значения массового расхода продуктов сгорания ВКС, излучают термоакустические волны с поверхности горения заряда и демпфируют амплитуду вынужденных колебаний давления продуктов сгорания в камере и процесс вибрационного горения твердотопливного заряда.

Реализация способа заключается в том, что в случае возникновения признаков развития вибрационного режима горения ВКС, т.е. нарастания амплитуды колебательных процессов давления в пародымогазовой фазе ВКС, величину скорости горения твердотопливного заряда изменяют синхронно и в противофазе с колебаниями (пульсациями) давления в камере, при этом
во-первых, противофазно изменяется передача энергии в реакционную зону конденсированной фазы ВКС и продукты разложения (сгорания) ВКС, устраняя положительную обратную связь в колебательной системе между реакционной зоной конденсированной и пародымогазовой фазами ВКС;
во-вторых, поверхность горящего твердотопливного заряда (ВКС) сама становится источником (излучателем) термоакустических волн [4], при взаимном противофазном сложении с которыми резонансные колебательные процессы в пародымогазовой и конденсированной фазах твердого топлива могут быть полностью устранены.

На чертеже показана структурная схема системы автоматического регулирования (CAP), реализующая контроль и подавление нестационарного (вибрационного) режима горения ВКС. Из камеры сгорания 1 высокоэнергетичной конденсированной системы (РДТТ) величина акустических колебаний давления пародымогазовой фазы ВКС P(t) анализируется (обрабатывается) в блоке управления скоростью горения ТРТ 2 (ВКС). В случае появления признаков колебательного возрастания давления в камере сгорания и развития нестационарного (вибрационного) горения ТРТ блок управления 2 изменяет амплитудофазочастотные характеристики (АФЧХ) электрического тока i(t), управляющего скоростью горения твердотопливного заряда (ВКС) 3 и подавляет (демпфирует) вибрационный режим горения ТРТ, снижая опасную величину амплитуды пульсаций давления продуктов сгорания ВКС в камере. Возможны различные специальные алгоритмы изменения тока управления скоростью горения ВКС i(t) (с изменением или без изменения секундного массового расхода m(t) ВКС в камеру сгорания и др.) с целью минимизации влияния аномального процесса вибрационного горения на программу работы РДТТ.

Литература
1. М.С. Штехер. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1976, стр. 178, 179.

2. Орлов Б. Ю. , Мазинг Г.Ю. Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетных двигателей на твердом топливе: Учеб. пособие для вузов. М.: Машиностроение, 1979, стр. 228-230.

3. Основы теории автоматического управления ракетными двигательными установками / А.И. Бабкин, С.И. Белов, Н.Б. Рутовский и др. М.: Машиностроение, 1986, стр. 256.

4. Л.К. Зарембо, B.А. Красильников. Введение нелинейную акустику. - М.: Наука, 1966. Гл.12.

5. Заявка 99116758/06, приор. 29.07.99 г., пол. реш. 01.06.01 г.

Способ предназначен для подавления вибрационного горения высокоэнергетичной конденсированной системы (ВКС). Способ осуществляют генерацией противофазных термоакустических волн в объеме камеры сгорания, возбуждаемых электрическим током с управляемыми амплитудофазочастотными характеристиками пропускаемого через электропроводную реакционную зону конденсированной фазы топлива. Пульсационным изменением скорости горения и массового расхода продуктов сгорания ВКС подавляют (демпфируют) амплитуду вынужденных колебаний давления и процесс вибрационного горения твердотопливного заряда. Такой способ позволит осуществлять подавление вибрационного режима горения твердотопливного заряда (ВКС) внутри камеры сгорания, сопровождающегося периодическими акустическими колебаниями давления в пародымогазовой фазе ВКС. 1 ил.

Способ подавления вибрационного горения высокоэнергетичной конденсированной системы (ВКС), включающий пропускание электрического тока через реакционную зону конденсированной фазы топлива и генерацию противофазных акустических волн в камере сгорания, отличающийся тем, что управляемым изменением амплитудофазочастотных характеристик тока пульсационно изменяют скорость горения и мгновенные значения массового расхода продуктов сгорания ВКС, излучают термоакустические волны с поверхности горения заряда и демпфируют амплитуду вынужденных колебаний давления продуктов сгорания в камере и процесс вибрационного горения твердотопливного заряда.