СПОСОБ БЕЗЫНЕРЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА МИНИМАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ТРДУ Российский патент 2009 года по МПК F02K9/96 

Изобретение относится к ракетной технике, в частности к способу безынерционного определения предела минимального давления устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки (ТРДУ).

В ТРДУ при использовании твердого ракетного топлива (ТРТ) с показателем степени ν более 1,0 обеспечивается ступенчатый режим работы по заданной циклограмме с помощью автоматической системы регулирования проходного сечения сопла. При работе ТРДУ возникают трудности с обеспечением устойчивости (стабильности) рабочего процесса. Неустойчивость в ТРДУ возникает, главным образом, при низком давлении и сопровождается колебаниями давления в камере сгорания и вибрациями элементов конструкции, которые могут вызвать повреждения двигателя и ракеты, снижение ресурса двигателя, нарушение работы, чувствительной к вибрациям аппаратуры системы управления и других систем /Артамонов К.И. Термогидроакустическая устойчивость. - М.: Машиностроение, 1982; Нестационарные процессы горения в ракетных двигателях. Итоги науки и техники. Авиационные и ракетные двигатели. /Под ред. А.З.Чулкова. Т.2 М.: ВИНИТИ АН СССР, 1977. 199 с./.

При давлении в камере ниже некоторого предела (p_пр.) процесс работы ТРДУ становится неустойчивым, в результате чего наступает резкое падение давления и прекращается процесс горения заряда ТРТ в камере двигателя.

Для ТРТ с высокой чувствительностью скорости горения от давления с показателем степени ν более 1,0 в законе скорости горения U=U₁p^ν нет способа определения предела минимального давления устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки, при котором процесс горения заряда прекращается. Особенно эта проблема возникает при низком давлении на участках ступенчатого регулирования в режиме работы ТРДУ по заданной циклограмме с помощью автоматической системы регулирования. При достижении предела минимального давления (p_пр.) в момент спада автоматическая система регулирования не успевает предупредить, т.е. дать команду на исполнительный орган на подъем давления; происходит резкое падение давления и отказ работы ТРДУ.

В настоящее время известны способ и устройство стабилизации давления РДТТ с помощью автоматической системы регулирования давления в камере типа пружинного клапана и модельного двигателя для определения скорости горения ТРТ /Д.Абугов и В.Бобылев. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива. - М.: Машиностроение, 1987, стр.164-165, 169, 171 и Сало Н.В., Калашников В.И., Ключников А.Н., Меркулов В.М., Милехин Ю.М. Модельный двигатель для определения скорости горения твердого ракетного топлива, RU №2215170 С1 МПК F02K 9/96, 2003/.

Этот способ и модельный двигатель могут быть использованы для автоматической стабилизации давления в камере РДТТ с зарядами ТРТ с высокой чувствительностью скорости горения от давления с показателем v более 1,0 в законе скорости горения U=U₁p^ν. Однако способ /Д.Абугов и В.Бобылев. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива.- М.: Машиностроение, 1987, стр.169/ обладает инерционностью системы стабилизации давления в камере РДТТ, связанной со статической неравномерностью регулирования и невозможностью его использования для многоступенчатого или многорежимного РДТТ.

За прототип изобретения принят способ газодинамической стабилизации давления в камере модельного двигателя с зарядом твердого ракетного топлива с высокой чувствительностью скорости горения от давления, заключающийся в создании дополнительного источника расхода продуктов сгорания путем введения в камеру модельного двигателя имитирующего заряда с низкой чувствительностью скорости горения от давления (см. RU №2215170 С1, МПК F02K 9/96, 2003, л. 3, кол. 2).

Выбор прототипа обусловлен тем, что этот способ может быть применен для обеспечения безынерционного дегрессивного или прогрессивного характера диаграммы "давление-время" p(t) при постоянном критическом сечении сопла путем введения в камеру модельного двигателя имитирующего заряда с низкой чувствительностью скорости горения от давления и дегрессивной поверхностью горения заряда, с помощью которого можно определить предел минимального давления (p_пр.) устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки. При этом условием устойчивости рабочего режима работы модельного двигателя является зависимость

где S - площадь поверхности горения заряда; ρ_и - плотность имитирующего заряда; U_и - скорость горения имитирующего заряда; ν_и - показатель степени в законе скорости горения имитирующего заряда с низкой чувствительностью скорости горения от давления; ρ_г - плотность заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; U_г - скорость горения заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; ν_г - показатель степени в законе скорости горения заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; р_пр. - предел минимального давления устойчивого горения, ниже которого наблюдается пульсационное горение.

Технической задачей изобретения является разработка способа определения предела минимального давления (р_пр.) устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки. В модельном двигателе с зарядом твердого ракетного топлива с высокой чувствительностью скорости горения от давления должен быть создан дополнительный источник расхода продуктов сгорания путем введения в камеру модельного двигателя имитирующего заряда с низкой чувствительностью скорости горения от давления и дегрессивной поверхностью горения.

Поставленная задача решается путем создания в модельном двигателе с зарядом твердого ракетного топлива с высокой чувствительностью скорости горения от давления и дополнительного источника расхода продуктов сгорания введенного в камеру модельного двигателя в качестве имитирующего заряда с низкой чувствительностью скорости горения от давления, в котором поверхность горения дегрессивная. Имитирующий заряд с низкой чувствительностью скорости горения от давления и дегрессивной поверхностью горения изготовлен в виде дисков либо кольцевых проточек с размером конечной минимальной поверхностью (площадью) S_кон. горения значительно меньше предела минимального давления (р_пр.) устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки. Из дегрессивной диаграммы p(t) определяется предел минимального давления (р_пр.) устойчивости рабочего процесса модельного двигателя по началу возникновения пульсационного характера диаграммы "давление-время".

В частности, поставленная задача решается в способе безынерционного определения предела минимального давления устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки (ТРДУ) с зарядом твердого ракетного топлива с высокой чувствительностью скорости горения от давления, заключающемся в создании дополнительного источника продуктов сгорания путем введения в камеру модельного двигателя имитирующего заряда с низкой чувствительностью скорости горения от давления. При этом используют имитирующий заряд с дегрессивной поверхностью горения, обеспечивающий дегрессивный характер диаграммы "давление-время", из которой по началу пульсационного режима работы определяется предел минимального давления (р_пр.) устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки и с температурой продуктов сгорания, равной температуре продуктов сгорания заряда твердого ракетного топлива и показателем степени в законе скорости горения ν_и, удовлетворяющим условию

где S - площадь поверхности горения заряда; ρ_и - плотность имитирующего заряда; U_и - скорость горения имитирующего заряда; ν_и - показатель степени в законе скорости горения имитирующего заряда с низкой чувствительностью скорости горения от давления; ρ_г - плотность заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; U_г - скорость горения заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; ν_г - показатель степени в законе скорости горения заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; р_пр. - предел минимального давления устойчивого горения, ниже которого наблюдается пульсационное горение.

На фиг.1 представлен модельный двигатель с наиболее простой формой заряда 1 с высокой чувствительностью скорости горения от давления, в который вводится имитирующий заряд 2 с низкой чувствительностью скорости горения от давления и дегрессивной поверхностью горения, выполненный в виде отдельных дисков либо кольцевых проточек. Заряды 1 и 2 скреплены с корпусом двигателя по наружной цилиндрической поверхности с помощью бронирующего состава. Горение обоих зарядов или отдельных дисков осуществляется с канала и двух торцов.

При работе модельного двигателя с имитирующим зарядом с дегрессивной или прогрессивной поверхностями горения образуются дегрессивная или прогрессивная диаграммы "давление-время" (фиг.2), из которых по началу пульсационного характера процесса на указанных диаграммах определяется предел минимального давления (р_пр.) устойчивости рабочего процесса модельного двигателя. Простота конструкции модельного двигателя (см. фиг.1) позволяет варьировать газодинамические параметры газового потока по каналу в широких пределах при изучении влияния того или иного физико-химического или газодинамического фактора, имеющих место в камере сгорания твердотопливной регулируемой двигательной установки.

Исследования определения предела минимального давления (p_пр.) устойчивости рабочего процесса в модельном двигателе и натурной твердотопливной регулируемой двигательной установки показали удовлетворительное согласование результатов испытаний модели и натуры.

Пример. При огневом стендовом испытании модельного двигателя с зарядом-спутником твердого ракетного топлива с высокой чувствительностью скорости горения от давления от натурного заряда №1 и дополнительного источника расхода продуктов сгорания введенного в камеру модельного двигателя в качестве имитирующего заряда с низкой чувствительностью скорости горения от давления по диаграмме "давление-время" определен предел минимального давления p_пр.=3 МПа, ниже которого модельный двигатель работал в неустойчивом (пульсационном) режиме при частоте колебаний ѓ=2 Гц и амплитуде Δр=0,4 МПа.

Огневое стендовое испытание натурной твердотопливной регулируемой двигательной установки с зарядом №1 по циклограмме изменения давления, предусматривающее снижение рабочего давления до 2,9 МПа, подтвердило аномальный характер работы натурной твердотопливной регулируемой двигательной установки при ρ<3 МПа. При ступенчатом переходе с режима работы при ρ=3,8 МПа на режим работы при ρ=2,9 МПа работа твердотопливной регулируемой двигательной установки перешла в пульсационный режим при p_пр.<3 МПа (фиг.3), ниже которого заряд погас из-за инерционности управляющих блоков системы стабилизации давления натурной твердотопливной регулируемой двигательной установки. В этом отношении безынерционный газодинамический способ стабилизации давления позволяет на участке дегрессивного характера диаграммы "давление-время" в камере модельного двигателя по началу пульсационного режима определять предел минимального давления (p_пр.) устойчивости работы двигателя, величина которого с высокой точностью моделируется и прогнозируется на натурную твердотопливную регулируемую двигательную установку. Ошибка в определении предела минимального давления (p_пр.) устойчивости рабочего процесса натурной твердотопливной регулируемой двигательной установки может привести к отказу работы натурной ТРДУ и отрицательно повлияет на выполнение тактико-технического задания ракетного комплекса.

Изобретение относится к ракетной технике. Способ безынерционного определения предела минимального давления устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки с зарядом твердого ракетного топлива с высокой чувствительностью скорости горения от давления, заключающийся в создании дополнительного источника продуктов сгорания и определении предела минимального давления устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки. Создание дополнительного источника продуктов сгорания осуществляют путем введения в камеру модельного двигателя имитирующего заряда с низкой чувствительностью скорости горения от давления, при этом используют имитирующий заряд с дегрессивной поверхностью горения, обеспечивающий дегрессивный характер диаграммы "давление-время", с температурой продуктов сгорания, равной температуре продуктов сгорания заряда твердого ракетного топлива, и показателем степени в законе скорости горения, удовлетворяющим условию, защищаемому настоящим изобретением. Из диаграммы "давление-время" по началу пульсационного режима работы определяют предел минимального давления устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки. Изобретение позволяет повысить точность определения предела минимального давления устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки. 3 ил.

Способ безынерционного определения предела минимального давления устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки (ТРДУ) с зарядом твердого ракетного топлива с высокой чувствительностью скорости горения от давления, заключающийся в создании дополнительного источника продуктов сгорания путем введения в камеру модельного двигателя имитирующего заряда с низкой чувствительностью скорости горения от давления, отличающийся тем, что используют имитирующий заряд с дегрессивной поверхностью горения, обеспечивающий дегрессивный характер диаграммы "давление-время", из которой по началу пульсационного режима работы определяется предел минимального давления (p_пр.) устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки и с температурой продуктов сгорания, равной температуре продуктов сгорания заряда твердого ракетного топлива и показателем степени в законе скорости горения ν_и удовлетворяющим условию

где S - площадь поверхности горения заряда; ρ_и - плотность имитирующего заряда; U_и - скорость горения имитирующего заряда; ν_и - показатель степени в законе скорости горения имитирующего заряда с низкой чувствительностью скорости горения от давления; ρ_г - плотность заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; U_г -скорость горения заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; ν_г - показатель степени в законе скорости горения заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; p_пр. - предел минимального давления устойчивого горения, ниже которого наблюдается пульсационное горение.