Основные процессы в сопловом блоке

Глава 5. СОПЛОВОЙ БЛОК

 

В зависимости от назначения, габаритных ограничений, формы камеры сгорания и общих компоновочных требований сопловые блоки ГРД могут иметь различные формы:

– классическое сопло Лаваля (рис. 5.1а);

– частично утопленное в камеру сгорания сопло (рис. 5.1б);

– тарельчатое (штыревое) сопло с центральным телом (рис. 5.1в).

Могут также рассматриваться многосопловые компоновки (рис. 5.2).

 

рис. 5.1

рис. 5.2

рис. 5.3

 

Аналогично другим типам ракетных двигателей преимущества и недостатки этих схем сопловых блоков сводятся к следующему:

· Сопло Лаваля обеспечивает минимальные потери удельного импульса, однако при фиксированном диаметре среза сопла обладает максимальной длиной.

· Утопленное сопло позволяет на 15…20% сократить длину соплового блока, а также применить устройства для управления вектором тяги – типа поворотного сопла на эластичном шарнире (рис. 5.3).

· Тарельчатое сопло позволяет уменьшить длину СБ на 25…40%, а также при использовании подвижных элементов в составе центрального тела регулировать тягу и давление в двигателе, частично перекрывая критическое сечение; однако недостатком такой схемы являются технические сложности обеспечения центрирования подвижных элементов, необходимость применения дополнительных приводов и тепловая защита элементов конструкции соплового блока.

· Многосопловые компоновки также позволяют сократить длину двигателя. Однако они достаточно сложны в конструктивном исполнении и обладают рядом недостатков, типичных для РДТТ с четырехсопловыми камерами, ранее применявшимися, например, в ДУ системы Minithmаn.

Выбор формы профиля дозвуковой и сверхзвуковой части сопла проводится с учетом схемно-компоновочных решений, о которых говорилось выше, а также с учетом свойств и состава продуктов сгорания. Как отмечалось в главе 3, в ГРД могут эффективно использоваться как углеводородные твердые горючие, так и их механические смеси с добавками металлов. В первом случае продукты сгорания являются однофазными, и профилирование сопел может быть проведено с использованием известных методов [5.1,5.2]. В основе этих методов лежат различные способы оптимизации удельного импульса тяги при заданных ограничениях на длину и диаметр сопла, в том числе:

–  методы прямой оптимизации [5.3];

–  решение обратной задачи сопла [5.4].

При использовании металлизированных горючих продукты сгорания наряду с газовыми компонентами содержат мелкодисперсные частицы окислов металлов. В этом случае применяются комбинированные методы профилирования сопел [5.2, 5.6].

Проточное охлаждение

 

Наличие жидкого или газообразного компонента в ГРД позволяет использовать проточное (внешнее) охлаждение стенок соплового блока и камеры сгорания [5.30, 5.31]. В этом случае в металлических стенках сопла делаются каналы для протока охладителя (рубашка охлаждения). Жидкий или газообразный компоненент, протекая по этим каналам, воспринимает тепловой поток, идущий в стенки, подогревается и затем подается в камеру сгорания. Преимуществом этой системы является то, что тепло не накапливается материалами, а посредством охладителя возвращается в камеру сгорания. Данная система работает на стационарном режиме и может использоваться при длительной работе двигателя.

Однако реализовать такую систему теплозащиты не просто, и не только из-за сложной конструкции рубашки охлаждения, но и часто из-за свойств жидкого компонента в качестве хладагента. Бывают вещества, допускающие очень незначительный нагрев или агрессивные по отношению к материалу рубашки охлаждения, для такого двигателя проточное охлаждение или, по крайней мере, с использованием имеющегося жидкого компонента, будет невозможным.

Поэтому для каждого конкретного гибридного двигателя вначале расчетным путем должен выбираться способ теплозащиты, а при выборе проточного охлаждения – параметры рубашки охлаждения (материал, толщина стенки, ребра, каналов) и охладителя (расход, давление).

Рассмотрим метод расчета проточного охлаждения при низких скоростях течения жидкого или газообразного компонента. Для расчета проточного охлаждения необходимо совместно решить задачи течения и тепломассообмена в пограничном слое сопла, прогрева тонкой, оребрённой стенки, течения и теплообмена жидкости (или газа) в каналах охлаждения, потерь полного давления в каналах (рис. 5.20).

В такой системе при высоких тепловых потоках быстро достигается стационарное состояние всех процессов.

 

Рис.5.20.

 

 

Течение и теплообмен продуктов сгорания в пограничном слое соплового блока подробно рассмотрены в разделах 5.3, 5.4 и описываются интегральными уравнениями турбулентного пограничного слоя (5.1).

В стационарных условиях удельный тепловой поток через оребренную стенку и температуру поверхностей этой стенки [5.30, 5.31] можно описать соотношениями (плоский случай, справедливый при больших радиусах сопла и малых размерах каналов):

;                                                                    (5.53)

, ,                                                   (5.54)

где T_e – температура восстановления в потоке продуктов сгорания, – температура торможения охладителя; , – температура стенки сопла и коэффициент теплообмена со стороны потока продуктов сгорания, d, l – толщина стенки и коэффициент теплопроводности ее материала.

Теплообмен в каналах рубашки охлаждения при турбулентном течении в соответствии с [5.31, 5.32] можно определить как:

,                                               (5.55)

где  – коэффициент теплопроводности охладителя;  –эквивалентный диаметр каналов рубашки охлаждения; F, P – их площадь поперечного сечения и периметр; ,  – температура охладителя и стенки сопла со стороны охладителя;  – число Прандтля; ,  – вязкость и теплоемкость охладителя;  – число Рейнольдса; u – скорость течения охладителя. Учет оребрения делается с помощью коэффициента h, который определяется соотношениями:

, где , .                          (5.56)

Здесь a, h – ширина и высота каналов рубашки охлаждения, b – толщина ребра.

Стационарное течение и прогрев охладителя в каналах рубашки охлаждения описываются законами сохранения массы, импульса, энергии и уравнением состояния газа. Эти уравнения позволяют определить четыре неизвестные переменные: , u, , p.

При умеренных скоростях течения, характерных для замкнутых рубашек охлаждения, при использовании газообразного охладителя эту систему уравнений можно записать в виде:

;                                                                               (5.57)

;                                                                (5.58)

 с начальным условием ;                    (5.59)

,                                                                              (5.60)

где ,  – давление и температура торможения охладителя на входе в рубашку охлаждения;  – температура торможения охладителя в текущем сечении рубашки; R – радиус сопла в данном сечении;  – газовая постоянная охладителя; – его молекулярный вес; – универсальная газовая постоянная; – расход охладителя; x – коэффициент сопротивления трения для рассматриваемого элемента [5.33]. При турбулентном течении .                (5.61)

При охлаждении жидкостью вместо уравнения состояния идеального газа (5.60) используется условие:

.                                                                               (5.62)

Дифференциальное уравнение (5.59) решается совместно с системой уравнений пограничного слоя (5.1), например, методом Рунге-Кутта. Зависящие друг от друга соотношения (5.53 и 5.54) определяются методом последовательных приближений. Остальные алгебраические соотношения используются для расчета соответствующих параметров в процессе решения задачи. В результате расчетов в каждом сечении можно определить: тепловое состояние рубашки охлаждения, температуру, скорость течения и давление охладителя, коэффициенты теплообмена со стороны продуктов сгорания и охладителя и другие параметры системы, например, потерю полного давления и подогрев охладителя.

На основании изложенной методики можно оптимизировать конструкцию рубашки охлаждения, выбрать материал, определить охладитель и его параметры.

В последнее время применительно к ЖРД начинают рассматривать схемы с автономным охлаждением камеры сгорания. Под автономностью понимают, что хладагент может быть любым, то есть не обязательно одним из компонентов топлива. Он должен циркулировать в замкнутой системе тракта охлаждения, что обеспечивается специальным насосом. Тепло из камеры сгорания, воспринятое хладагентом, должно в дальнейшем сбрасываться в камеру сгорания в специальном теплообменном аппарате, чтобы поступать в тракт охлаждения с фиксированной начальной температурой. Возможными претендентами на такой хладагент могли бы быть: водород, метан, вода, аммиак, водоаммиачная смесь, гелий.

К положительным качествам такой схемы можно отнести:

1. Возможность использования в тракте охлаждения компонента с эффективными охлаждающими свойствами.

2. Использование нейтрального газа, что способствует повышению надежности системы охлаждения.

Такой подход позволяет создать схему, в которой вместо жидкого (газообразного) компонента используется хладагент. Возможная принципиальная схема ГРД с автономным контуром охлаждения приведена на рис. 5.21. В ней по рубашке охлаждения циркулирует хладоагент, снимая тепло с соплового блока и части камеры сгорания, вращает турбину, срабатывая часть полученного, оставшуюся часть теряет на теплообменнике, поступает на турбину и назад в рубашку охлаждения.

 

Рис. 5.21.

 

Использование этой схемы для длительно работающих ГРД (250 с и более) позволит:

– отказаться от вытеснительной системы подачи, что улучшит массовые характеристики двигателя;

– осуществить надежную тепловую защиту наиболее теплонапряженных мест двигателя;

– отказаться от газогенератора, что повысит надежность двигателя.

 

Завесное охлаждение

 

В области завесы из-за вдува холодного газа тепловой поток в стенку снижается, при соответствующем выборе охладителя уменьшается окислительный потенциал смеси, оба фактора приводят к снижению химического уноса материала стенки. Из-за перемешивания вниз по потоку воздействие завесы ослабевает, но уменьшаются и тепловые потоки.

Математическое моделирование расчета теплозащиты с применением тепловых и газовых завес заключается в совместном (сопряженном) решении следующих задач:

1. Расчет параметров турбулентного пограничного слоя на непроницаемой (или охлаждаемой) части сопла (раздел 5.4) до места начала завесы.

2. Расчет параметров турбулентного пограничного слоя в зоне завесы: коэффициента тепломассообмена, энтальпии восстановления и концентрации вдуваемого газа (раздел 5.5).

3. Расчет нестационарного теплового состояния материалов стенки, расположенных в зоне завесы (раздел 5.6).

4. Расчет уноса материалов в зоне завесы (раздел 5.6).

 

Снижать равновесную температуру газа вблизи стенок сопла и концентрацию активных компонентов продуктов сгорания топлива (как и при других видах завесного охлаждения) можно с помощью размещения в дозвуковой части сопла различных твердых охладителей.

Характерным для этого способа организации завесного охлаждения является разрушение специальных материалов – охладителей за счёт теплового, химического и механического взаимодействия с продуктами сгорания топлива, вдув в турбулентный пограничный слой с протеканием возможных химических реакций. В результате смешения продуктов разложения материала-охладителя с продуктами сгорания твёрдого топлива у стенки образуется область с более низкой температурой газа.

В Центре Келдыша в течение ряда лет проводились экспериментальные и теоретические исследования широкого класса материалов, которые могут быть применимы в качестве охладителей: высокомолекулярные полимеры (полиметилметакрилат, полистирол, фторопласт, капрон, полиэтилен, полиамид), низкотемпературные топлива (НТТ), соли с полимерными связующими (NH₄CL, инертные сублиматоры), теплозащитные покрытия (углепластики, асбопластики) [5.10, 5.34]. Оценка пригодности материалов в качестве газовой завесы производилась путём экспериментального определения параметра уноса В _о и расчётным определением эффективности завесного охлаждения применительно к ряду наиболее часто используемых топлив в стендовых установках.

Для использования в ГРД с большими временами работы может рассматриваться схема завесного охлаждения сопловых блоков с помощью твёрдых охладителей, располагаемых в предсопловом объёме. Вставка из охладителя располагается либо на днище, когда между ним и торцем заряда твёрдого горючего имеется свободный объём, либо в зазоре между соплом и топливом или перед соплом в специальном защитном кожухе (в случае утопленного сопла). Данный тип системы охлаждения является конструктивно достаточно простым и эффективным способом обеспечения надёжной долговременной работы сопловых блоков. Проводились исследования применения в качестве элементов завесного охлаждения вставок из легкоуносимых сублимирующих материалов (фторопласт, полипропилен, полиэтилен и др.), расположенных на входной части утопленного сопла. Показано, что завесное охлаждение данного типа для целого ряда двигателей, например при относительном расходе охладителя-полиэтилена G _охл= (G _охл/ G _пс)=1…1,2 % позволяет снижать равновесную температуру газа в критическом сечении сопла на 400¸600 ^оC, тепловые потоки на 40…60 %, в 2…5 раз уменьшать скорость уносов графитовых и теплозащитных коксующихся материалов стенки сопла. Необходимо отметить, что для устойчивой работы завесы охладитель следует размещать возможно ближе к критическому сечению сопла.

 

Проникающее охлаждение

 

В условиях больших тепловых потоков в стенку сопла при продолжительном времени работы двигателя и высоком окислительном потенциале продуктов сгорания топлива возникает необходимость в применении систем, обеспечивающих массообмен непосредственно на теплонапряженном участке, т.е. проникающих методов теплозащиты.

Эти методы могут быть реализованы в самых разнообразных конструкциях (рис. 5.22). Необходимым элементом любой из них является наличие расходуемого охладителя.

Рассмотрим системы проникающего охлаждения, состоящие из проницаемых экранов, охлаждаемых твердыми или пастообразными (возгоняющимися), жидкими или газообразными охладителями, размещаемыми вне стенки сопла [5.35].

 

рис. 5.22.

 

Изучая физические процессы в таких системах теплозащиты можно выделить процессы внутреннего, в проницаемых стенках и зазорах между стенкой и поверхностью охладителя, и внешнего, в пограничном слое, течения и теплообмена.

Тепловой поток от продуктов сгорания топлива конвекцией, излучением и, возможно, от выпадения конденсированной фазы передается в стенку, при этом его величина зависит от параметров пограничного слоя и вдува охладителя. Вдув изменяет профиль скорости, трение и теплообмен в пограничном слое, может снижать равновесную энтальпию газа вблизи стенки, уменьшать окислительный потенциал продуктов сгорания за счет  вдува инертных компонентов химического взаимодействия вдуваемого газа с продуктами сгорания.

Дальнейшее распределение теплового потока внутри системы зависит от конкретного способа теплозащиты. На основе особенностей внутреннего теплообмена можно выделить пять основных схем проникающего охлаждения сопловых блоков:

а) перфорированная стенка (с щелевой или цилиндрической перфорацией) охлаждается твердым или пастообразным охладителем без системы подачи (саморегулируемая система охлаждения), зазор между стенкой и поверхностью охладителя оптически прозрачен;

б) саморегулируемая теплозащита перфорированной стенки при наличии в газовом зазоре твердых частиц, поглощающих и рассеивающих лучистый тепловой поток;

в) перфорированная стенка охлаждается твердым или пастообразным сублимирующим охладителем, поджимаемым к ней;

г) пористая стенка с прижатым твердым или пастообразным охладителем;

д) охлаждение перфорированной стенки за счет принудительной подачи жидкого или газообразного охладителя.

В схемах а, б и в тепловой поток, прошедший в стенку, частично проводится ею и идет на прогрев и сублимацию твердого или пастообразного охладителя, частично снимается образовавшимся газообразным охладителем в каналах перфорации стенки [5.36].

В схеме а тепловой поток, прошедший через стенку, расходуется на прогрев газообразного охладителя в зазоре за счет теплопроводности. Теплопроводностью и излучением через оптически прозрачный газ подводится тепло к поверхности твердого или пастообразного охладителя и идет на его прогрев и сублимацию, при этом величина газового зазора все время увеличивается по мере вырабатывания охладителя. Механизмы разложения охладителей под действием теплового потока могут быть различными: химическое разложение, деполимеризация, сублимация и т.п.

В схеме б зазор между стенкой и поверхностью охладителя не является оптически прозрачным. Лучистый тепловой поток, излучаемый стенкой, поглощается и рассеивается твердыми частицами сажи, с помощью которой окрашивается охладитель для увеличения его степени черноты или которая содержится в продуктах разложения охладителя.

На разных частотах излучение поглощается и рассеивается частицами с разной интенсивностью. Нагретые частицы отдают тепло газу. Кроме того, газ может прогреваться в зазоре за счет теплопроводности.

В схеме в охладитель постоянно поджимается к стенке, при этом между ними образуется достаточно узкий газовый зазор, который, по-видимому, можно считать оптически прозрачным. Из-за малости зазора в данной схеме теплообмен теплопроводностью может преобладать над излучением, тогда как в схемах а и б он обычно мал.

Течение в таком зазоре идет, в основном, вдоль стенки, в ранее рассмотренных схемах преобладало течение от поверхности охладителя к экрану.

В схеме г сублимирующий охладитель прижат к пористой стенке. Теплообмен осуществляется теплопроводностью при непосредственном контакте теплообменных поверхностей. Часть теплового потока со стенки снимается газообразным охладителем при протекании его по порам. Весь тепловой поток, прошедший через стенку, идет на начальный прогрев и сублимацию охладителя.

В схеме д тепловой поток, прошедший в стенку, идет на прогрев жидкого охладителя, его испарение и прогрев пара.

Во всех схемах теплозащиты в зазорах, каналах или порах возможны химические реакции, дальнейшее разложение и диссоциация охладителя, что также окажет влияние на распределение тепла внутри системы.

Теплообмен в системах проникающей (транспирационной) теплозащиты сопловых блоков осложняется переменностью вдоль сопла параметров пограничного слоя, температуры и давления продуктов сгорания, температуры стенок и тому подобное. Особенно опасен градиент давления, который может привести к перетеканию охладителя вдоль зазора в сторону раструба сопла и даже затеканию в зазор продуктов сгорания, что существенно скажется на работоспособности соплового блока. Переменность коэффициента тепломассообмена и температуры в потоке приведет к неравномерному вдуву, который, в свою очередь, повлияет на температуру стенки и параметры пограничного слоя. Общая физическая схема процессов в системе проникающего охлаждения приведена на рис. 5.23.

 

рис. 5.23.

 

Математическое описание задачи теплообмена в проницаемых охлаждаемых экранах распадается на следующие более или менее самостоятельные части:

– теплообмен в пограничном слое;

– прогрев проницаемой стенки и охладителя внутри нее;

– прогрев и течение охладителя в зазоре;

– первоначальный прогрев и разложение твердого или пастообразного сублимирующего охладителя.

В качестве примера приведем систему уравнения для саморегулируемой системы с оптически прозрачным зазором между перфорированным экраном и охладителем.

Для описания пограничного слоя используются интегральные уравнения для непроницаемого участка и участка со вдувом, приведенные в разделе 5.4.

Прогрев перфорированной стенки и охладителя внутри нее в стационарных условиях можно описать уравнениями:

;                                                 (5.63)

,                                                               (5.64)

где

. (5.65)

Прогрев охладителя в газовом зазоре определяется уравнением:

                                            (5.66)

Рассмотрим граничные условия. Баланс тепла на поверхности стенки, омываемой потоком продуктов сгорания (r=r ₀ на рис. 5.23) можно записать в виде:

,                                              (5.67)

где J_e – равновесная энтальпия стенки в отсутствии теплообмена;

J_w – энтальпия газа при температуре стенки;

q _луч– лучистый тепловой поток;

q_k – тепловой поток, передаваемый конденсированной фазой.

Баланс тепла на поверхности стенки со стороны охладителя (при r=r ₁) можно определить выражением:

,                           (5.68)

где     s – постоянная Стефана-Больцмана;

 e_пр – приведенная степень черноты системы.

В рассматриваемом случае , e₁, e₂ – степени черноты поверхностей стенки и охладителя соответственно.

На рассматриваемой (r=r ₁) поверхности необходимо также задать температуру охладителя:

 

Баланс тепла, определяющий расход охладителя, запишется в виде:

,                             (5.69)

где               (5.70)

S_S, S ₁ – теплообменные поверхности.

Полученная система уравнений решается численно.

Рассмотрим возможное снижение температуры стенки соплового вкладыша при использовании различных способов активной теплозащиты в одних и тех же условиях  (давление в камере    р _к =60 кг/см²,   температура     Т _к =3570 K, радиус критического сечения сопла r _кр =0,2 м, длина проницаемого участка L =100 мм, толщина стенки d =10 мм).

Саморегулируемая система теплозащиты с использованием наиболее теплопроводных материалов стенки (пирографит) и известных охладителей с минимальными теплотами разложения позволяет снизить температуру экрана со стороны потока  продуктов сгорания  (рис. 5.24)  максимально на 300…400 К, при относительном расходе охладителя »0,01%. Для снижения температуры на 700 К потребуется охладитель с теплотой разложения h_s»125 кДж/кг.

Попытка увеличить расход охладителя в саморегулируемой системе теплозащиты, а следовательно, и ее эффективность за счет увеличения степени черноты поверхности твердого охладителя не дала желаемых результатов. Таким образом, анализ полученных данных показывает, что саморегулируемая система теплозащиты обладает небольшой эффективностью, но конструктивно проста, поэтому в ряде случаев может найти практическое применение в области критического сечения сопел ГРД.

При использовании системы с поджатием снижение температуры экрана зависит от усилия поджатия и числа отверстий (щелей) перфорации на единицу поверхности (при заданных материалах стенки и охладителя).

Расчеты и эксперименты [5.10] (рис. 5.24, 5.25) показывают, что усилие поджатия перестает оказывать существенное влияние на тепловое состояние системы при P_Т/P >2.

 

рис. 5.24.

рис. 5.25.

 

При уменьшении относительного усилия поджатия до единицы тепловое состояние экрана и охладителя стремится к их состоянию в саморегулируемой системе. Увеличение числа отверстий (щелей) на единицу площади ведет к снижению температуры экрана.

Так, при охлаждении фторопластом щелевого вкладыша из пирографита с перфорацией 1 щель на 1 см снижение температуры экрана (при P_Т/P =2) составляет D Т»1500 К при  ~ 0,15 %, с перфорацией 3 щели на 1 см это снижение возрастает до 1700 К при ~ 0,16 %. Предельное снижение температуры экранов, охлаждаемых сублимирующими охладителями, может быть получено при использовании пористых стенок с прижатым охладителем. Это максимальное снижение в рассмотренных условиях составляет ~2000 К при ~0,2 %.

Таким образом, при использовании системы с поджатием изменением усилия поджатия и проницаемости экрана можно получать заданное снижение температуры стенки в пределах 300<D Т <2000 К.

Выбранная толщина стенки для данных материалов с учетом конструктивных требований близка к оптимальной, с ее увеличением возможное снижение температуры экрана будет убывать.

Любое заданное снижение температуры экрана позволяет обеспечить система с принудительной подачей охладителя. Преимуществом этого метода теплозащиты является и то, что он допускает регулирование теплового состояния соплового вкладыша даже в процессе работы при наличии соответствующей системы подачи.

Толщина проницаемого экрана по-разному влияет на состояние различных систем теплозащиты (рис. 5.26). Там, где в качестве охладителя используются возгоняющиеся вещества, уменьшение толщины экрана до некоторого предела ведет к снижению его температуры из-за роста расхода, в системах с принудительной подачей охладителя эта зависимость обратная. Оптимальная толщина экрана в системах с возгоняющимся охладителем существенно зависит от усилия его поджатия. Так, в рассматриваемых условиях для саморегулируемой системы теплозащиты эта величина составляет 3…5 мм, в системах с поджатием при P_Т/P» 2 оптимальная толщина экрана менее миллиметра. В этим случае решающее значение при выборе толщины экрана будут иметь конструктивные соображения и его прочность. В системах с принудительной подачей охладителя увеличение толщины экрана больше характерной (при относительном расходе воды  » 0,1% d»13 мм для пирографита) не оказывает влияния на температуру поверхности экрана со стороны сопла и прогрев охладителя в системе.

рис. 5.26.

 

Большее снижение температуры стенки в одних и тех же условиях позволяет выявить более эффективные охладители. Для возгоняющихся материалов определяющим параметром эффективности охладителя является теплота его разложения. Эффективность использования выбранного охладителя характеризуется его прогревом в системе. Расчеты показывают, что система с щелевым вдувом в этом плане эффективнее, так как даже при вдвое большем расходе охладителя с единицы поверхности (7,3 кг/с/м²) в сравнении с 3,0 кг/с/м²)) относительный прогрев охладителя составляет =0,65 (при d=0,2 мм и l =3 мм) по сравнению с = 0,62 в системе с цилиндрической перфорацией 3…6 отверстий Æ 0,7 на см².

Прогрев охладителя существенно зависит от усилия его поджатия и при уменьшении P_Т/P от 2 до 1 (саморегулируемая система) возрастает от ~0,65 до ~ 0,99, а также от расхода охладителя, особенно в системе с принудительной подачей (при =0,025% =0,92 и при =0,1% =0,74).

Существенное снижение температуры экрана, а также возможное уменьшение окислительного потенциала продуктов сгорания при соответствующем выборе охладителя может позволить при использовании проникающего охлаждения отказаться от применения в области критического сечения сопла ГРД вольфрама и его сплавов и широко использовать различные углеграфитовые материалы. В целом транспирационное охлаждение способно за счет снижения температуры и окислительного потенциала газовой смеси вблизи стенки устранить унос массы материалов конструкции и обеспечить допустимую температуру для выбранного материала экрана, кроме того, оно не допускает накопления тепла в конструкции. Применение такого охлаждения позволяет обеспечить работоспособность области критического сечения сопла ГРД при любой длительности его непрерывной работы и при циклическом нагружении с любой длительностью пауз и большим суммарным временем работы (более 2000 с).

 

Пример численного анализа пределов применимости пассивной теплозащиты.

 

Расчетным путем [5.6, 5.27, 5.28, 5.37] оценены возможности пассивной тепловой защиты области минимального сечения соплового блока длительно или циклически работающего гибридного двигателя. Для примера рассмотрен ГРД с тягой порядка 30 кН, компоненты его топлива каучук и кислород с соотношением компонентов k_m =2,3 и давлением в камере сгорания 2,94 МПа.

Сначала проанализирована работа вкладыша критического сечения в течение 250 с из углерод - углеродного композиционного материала (УУКМ) толщиной в минимальном сечении 120 мм и подложкой из углепластика 5 мм, по краям он уменьшается до 75 мм, образуя внешнюю цилиндрическую поверхность. Результаты расчетов приведены на рис 5.27, 5.28.

 

рис 5.27.

рис 5.28.

 

 Расчеты показывают, что недопустимо велики линейные уносы материала (до 82 мм в минимальном сечении) и прогрев внешней поверхности подложки по краям вкладыша до 1500…2000 К. Прогрев внешней поверхности подложки можно уменьшить увеличением ее толщины, унос материала, облицовкой сплавом из вольфрама. Поэтому рассчитан пакет материалов: 10 мм сплава из вольфрама, 42 мм графита, 15 мм углепластика (подложка). Результаты приведены на рис. 5.29, на котором показаны профили температуры в слоях материалов в минимальном сечении. Температура всех слоев материалов к концу работы двигателя очень высокая. Увеличение толщин материалов для снижения температуры в реальных конструкциях вряд ли возможно. Если за допустимую температуру на клеевых швах между подложкой и несущей конструкцией (здесь внешняя поверхность пакета материалов) принять равной 573 К, то в области минимального сечения конструкция остается работоспособной примерно до 110 с.

рис. 5.29

Рассмотрим циклическое нагружение вкладыша критического сечения. В минимальном сечении примем тот же пакет материалов: 10 мм вольфрамовый сплав; 45 мм графит; 15 мм углепластик. Для анализа рассчитаны по два цикла включения, через 500 с от начала первого включения и варьированием времени работы от 50 до 0,5 с. Результаты приведены на рис. 5.30. Видно, что после первого включения клеевые швы в период последействия не перегреваются лишь при времени работы не более 5 с. Длительное время (до 2000 с) конструкция может оставаться работоспособной лишь в случае полного остывания во время пауз. При паузах менее 500 с конструкция перегревается уже после второго включения. Набрать время работы 2000 с при паузах менее 500 с (то есть без значительного остывания) невозможно даже при длительности включения порядка 0,5 с.

 

рис. 5.30.

 

Снизить количество тепла, накапливающегося в конструкции, можно при использовании разрушающихся материалов, однако, при этом изменяется геометрия проточных трактов. Результаты расчетов в минимальном сечении для вкладыша из УУКМ, углепластика и стеклопластика, приведены на рис. 5.31… 5.35.

 

рис. 5.31… 5.35.

 

Минимальные линейные уносы имеет углерод-углеродный композиционный материал (рис. 5.35), однако он накапливает значительное количество тепла (рис. 5.31). Минимальное количество тепла накапливают угле- и стеклопластики (рис. 5.32, 5.33). При этом стеклопластик практически не реагирует с окисляющими компонентами продуктов сгорания. Однако в его объеме происходит термодеструкция связующего и взаимодействие стекловолокна с коксовым остатком, образующимся при термодеструкции смолы. В результате материал становится пористым, а при его плавлении происходит уменьшение толщины слоя материала (рис. 5.35), то есть также возникает унос. Величина этого уноса занимает промежуточное место между УУКМ и углепластиком. В целом линейные уносы материалов столь велики, что не позволят обеспечить работоспособность материалов в области минимального сечения при суммарном времени работы порядка 2000 с.

Каждую реальную конструкцию необходимо подробно анализировать, точно учесть состав продуктов сгорания, геометрические особенности конструкции и все возможные стоки тепла при остывании. В ряде случаев при коротких включениях и длительных паузах или при низких температурах в камере сгорания возможно обеспечение работоспособности вкладыша критического сечения ГРД методами пассивной теплозащиты. В остальных случаях необходимо использовать более интенсивные методы охлаждения.

 

Графит МПГ-6

На МПГ-6 проведены экспериментальные исследования на первом и втором режиме испытаний. Для этих же режимов выполнены расчеты.

 

Рис. 5.36…5.37

 

На рис.5.36 приведены расчетные изменения во времени линейных уносов этого материала на первом и втором режимах испытаний и соответствующих эксперименту временах работы. Расчетный унос графита в критическом сечении на конец работы двигателя на первом режиме составляет ~ 3,6 (опыт №9) и 2,7 мм (опыт №10), на втором режиме – ~ 0,7 мм (опыт №11). Из эксперимента эти величины получены равными 3,3; 3,5 и 0,98 мм соответственно, что хорошо согласуется с расчетом.

Скорость уноса материала, как показывают расчеты (рис. 5.37), существенно изменяется во времени. Экспериментально определены лишь средние скорости уноса 0,18; 0,19 мм/с для двух опытов на первом режиме и 0,046 – на втором. Как видно (рис. 5.37), они хорошо согласуются с расчетными данными.

Из расчетных кривых на рис. 5.37 видно, что сущест