Кубота Н. Твердые ракетные топлива и взрывчатые вещества

Подождите немного. Документ загружается.

421

значение ω составляет 46 радиан/с, когда τ

составляет 0,01 с (L

= 4 м) при

= 3,5 МПа. Кроме того, величина члена n

составляет порядка 0,1 радиана

в зоне колебаний; эта величина получается из аппроксимации уравнения (13.37b),

которая равна

13.4.3 Акустическая нестабильность горения

13.4.3.1 Характер колебательного горения

Когда энергетический материал горит в камере сгорания, снабженной со-

пловым блоком для выхода продуктов сгорания, имеет место колебательное горе-

ние. Наблюдаемая частота этого колебания изменяется от низких (ниже 10 герц)

до высоких частот выше (10 килогерц). Частота зависит не только от физических

и химических свойств энергетического материала, но также от размера и формы

заряда. Имеются многочисленные теоретические и экспериментальные исследо-

вания по нестабильности горения ракетных двигателей. Были разработаны и про-

верены экспериментальные методы для измерения природы нестабильности горе-

ния [6]. Однако природа нестабильности горения еще не до конца понята из-за

сложных взаимодействий между волной горения топлива и видом акустических

волн.

Если нестабильность горения

имеет место у горящего с канала заряда ра-

кетного двигателя, то скорость горения заряда изменяется во времени и также

происходит изменение давления в ракетном двигателе. Кривая давление-время

показывает колебания определенной частоты. Когда вид горения топлива нахо-

дится не в гармонии с формой колебания давления, нестабильность горения имеет

тенденцию к прекращению

. Однако, когда вид горения находится в гармонии с

модой колебаний, колебание давления усиливается.

Имеются много видов или форм колебаний, горящих с канала зарядов твер-

дого топлива в ракетном двигателе [6]. Акустическая волна, перемещающаяся от

переднего конца двигателя к заднему, называется продольной модой. Волна, пе-

ремещающаяся в радиальном направлении в канале твердотопливного

заряда, на-

зывается радиальной модой и волна, перемещающаяся в тангенциальном (по ка-

сательной) направлении в канале, называется тангенциальной модой. Колебатель-

ное горение, по-видимому, становится связанным с акустической волной, пере-

мещающейся над горящей поверхностью топлива в двигателе. В колебательном

горении, связанном с давлением, полость камеры сгорания действует как акусти-

ческий осциллятор

(вибратор) в установившихся акустических волнах давления.

В некоторых случаях из-за колеблющегося потока газа, текущего параллельно по-

верхности горения, имеет место колебательное горение, связанное со скоростью,

которое увеличивает локальную скорость горения топливного заряда. Колеблю-

щийся газовый поток увеличивает скорость теплопередачи от газового потока к

горящей поверхности, подобно явлению горения локального

эрозионного горе-

ния. В результате связанных со скоростью или давлением колебаний среднее дав-

ление в камере часто повышается более чем в два раза по сравнению с расчетным

давлением в камере сгорания ракетного двигателя. Однако, когда горение топлива

не связано с акустической модой, колебательное горение не происходит и ско-

422

рость горения подчиняется закону Вьеля r = ap

, то есть как функции статическо-

го давления ракетного двигателя.

Если предполагается наличие простого синусоидального колебания, то час-

тота колебания

описывается зависимостью

naa 2

, (13.41)

где λ – длина волны, a – акустическая скорость, n – число стоячих волн и x – рас-

стояние от одного конца волны до другого. Давление в камере, представляемое в

виде

()

trp ,, зависит от повышения r и времени t. Предполагается, что давление в

двигателе определяется как

()

ptrp

+=, , (13.42)

где p

– усредненное во времени давление и δ

– изменение давления в зависимо-

сти от положения и времени, обусловленное акустической волной давления, пе-

ремещающейся по камере сгорания.

13.4.3.2 Оценка нестабильности горения

На рис.13.17 показана структура и принцип работы T-камеры, используемой

для измерения функции отклика твердого топлива.

Рис. 13.17. Мода горения в Т-камере

Два образца топлива помещаются на соответствующих концах T-камеры. В

T-камеру подается давление азота до уровня проверяемого давления. Акустиче-

ская мода горения, устанавливаемая в T-камере, специально определяется по ско-

423

рости звука в ней и расстояниями между горящими поверхностями двух образцов.

Когда воспламеняются образцы топлива, волны давления перемещаются от одно-

го конца до другого между горящими поверхностями образцов. Если существует

резонансное давление для определенной длины T-камеры, то топливо является

чувствительным к чистоте [6]. Функция отклика определяется степенью усиления

уровня давления.

Горение топлива

в ракетном двигателе, сопровождаемое высокочастотным

колебанием давления, –наиболее вредное (пагубное) явление в работе ракетного

двигателя. Имеются многочисленные теоретические и экспериментальные иссле-

дования по акустической моде колебаний, касающихся средне-частотного диапа-

зона (100 герц-1 килогерц) и высокочастотного диапазона (1-30 килогерц). При-

рода нестабильности колебательного горения зависит от различных физико-

химических параметров, таких как

характеристики скорости горения, механиче-

ские свойства и плотность энергии твердых топлив, а также физическая форма и

размеры твердотопливного заряда [8, 9].

В общем, когда длина заряда с внутренним горением является относительно

большой (более 2 метров), устанавливается продольная мода от переднего конца

до сопла. Когда канал горящего изнутри заряда небольшой (менее 0,2 м), прояв-

ляются тангенциальная

или радиальная моды поперек внутренней поверхности

канала. Чтобы оценить чувствительность скорости горения к колебанию давления

для различных типов топлив, функция отклика, то есть чувствительность скоро-

сти горения к давлению, для каждого твердотопливного заряда определяется экс-

периментально.

Форма твердотопливного заряда, используемого для проверок нестабильно-

сти горения, представляет собой заряд с каналом

в виде шестиконечной звезды с

реализацией горения с канала или с круглым каналом с внутренним и удвоенным

(двойным) торцевым горением, чтобы получить плоскую кривую зависимости

давления во времени. Воспламенитель помещается в головной части двигателя, а

сужающееся-расширяющееся сопло располагается в задней части. Изменения

давления в двигателе измеряются посредством двух типов

преобразователей, ко-

торые смонтированы на передней крышке. Один тип для измерения параметров

постоянного тока, вызываемого давлением, состоит из датчика деформаций, в то

время как другой тип для измерения параметров переменного тока состоит из пье-

зоэлектрического датчика. Записанные данные передаются на двухлучевой ос-

циллограф, который записывает параметры постоянного и переменного тока, вы

званные изменением давления, одновременно. Записанные данные изменения

давления в виде параметров переменного тока анализируются с использованием

фильтра полосы пропускания частот, чтобы определить спектральную мощность

излучения в процессе нестабильности горения [8, 9].

На рис. 13.18 показаны кривые давления, полученные исходя из изменения

параметров постоянного и переменного токов для смесевого твердого топлива на

основе гексоген-

ПХА в виде заряда, имеющего канал в виде шестилучевой звез-

ды, горящего при давлении 9 МПа. Горение неожиданно становится нестабиль-

ным после воспламенения и прерывается эжекцией сопла, вызванного пиком дав-

ления. Такое быстрое падение давления способствует гашению твердотопливного

424

заряда в двигателе. Поперечные сечения заряда после воспламенения и прерыва-

ния горения также показаны на рис. 13.18. На рис 13.19 представлен ряд кривых

давление-время для стабильного и нестабильного колебательного горения в ра-

кетном двигателе. Было установлено, что твердые частицы в камере сгорания по-

глощают кинетическую энергию колебательного движения продуктов сгорания и,

следовательно

, подавляют это движение. Испытанные смесевые твердые топлива

состояли из ξ

гексогена

(0,43) с размером частиц 120 микрон, ξ

АР

(0,43) с размером

частиц 20 микрон и ξ

HTPB

(0,14) с 0,5-2,0% частиц алюминия и без них с диамет-

ром 5 микрон или 0,5-2,0% частиц циркония с диаметром 5 микрон.

Рис. 13.18. Нестабильность горения заряда с каналом в виде шестилучевой

звезды, показывающая параметры постоянного и переменного тока при измене-

нии давления и поперечные сечения заряда (1) до воспламенения и (2) после вос-

пламенения

Скорость горения составов остается неизменной при добавлении частиц

алюминия или циркония, как показано на рис. 13.20. Показатели закона скорости

горения топлив

составляют 0,46 с частицами алюминия и циркония и без них [9].

Внутренняя геометрия заряда цилиндрическая, заряд горит по этой внутренней

цилиндрической поверхности и также с обоих торцов, чтобы обеспечить плоскую

зависимость на кривой давление-время. Как показано на рис. 13.19 (а), горение

425

твердотопливного заряда без частиц алюминия сопровождается высокочастотным

колебанием давления. Давление при колебательном горении возвращается к нор-

мальному давлению горения после определенного промежутка времени, и затем

топливо продолжает гореть устойчиво до окончания процесса. С другой стороны,

твердотопливный заряд, содержащий частицы алюминия, горит нормально после

воспламенения, и кривая давление-время ожидается такой, как

показано на

рис. 13.19(b).

Рис. 13.19. Кривые давление-время для стабильного и нестабильного горения

в ракетном двигателе

426

Рис. 13.20. Характеристики горения смесевого твердого топлива

с частицами металла и без них

На рис. 13.21 показан другой пример колебательного горения смесевого то-

плива на основе гексогена и ПХА, содержащего 0,40% частиц алюминия. Давле-

ние при горении, которое было подобрано, составило 4,5 МПа. По показанию па-

раметра постоянного тока ясно, что начало нестабильности происходит

через

0,31 с после воспламенения и что нестабильность продолжает проявляться до

0,67 с. Нестабильность давления затем неожиданно прекращается, и давление ус-

танавливается на расчетном уровне 4,5 МПа. Тщательная обработка аномальных

записей отфильтрованных полос пропускания давления показывает, что возбуж-

денные частоты в круглом канале находятся между 10 и 30 кГц. Параметры пере-

менного тока ниже 10 кГц

и выше 30 кГц не меняются, как показано на рис. 13.21.

Частотный спектр наблюдаемой нестабильности горения показан на рис. 13.22.

Здесь расчетная частота стоячих волн в ракетном двигателе показана как функция

внутреннего диаметра канала и частоты. Скорость звука, как полагают, составляет

1000 м/с и L = 0,25 м. Наибольшая возбужденная частота 25 кГц, за ней следуют

частоты 18 и 32 кГц. Когда наблюдаемые частоты сравниваются с расчетными

акустическими частотами, показанными на рис. 13.23, то преобладающая частота,

как видно, является частотой первой радиальной моды с возможным подключени-

ем второй и третьей тангенциальных мод. Повышенное давление, замеренное с

помощью параметров постоянного тока в диапазоне между 0,31 и 0,67 с, как рас-

сматривается, вызывается

связанным со скоростью колебательным горением. Та-

кое связанное со скоростью колебание имеет тенденцию вызывать эрозионное го-

рение вдоль поверхности канала. Максимальная амплитуда давления, замеренная

с помощью параметров переменного тока, составляет 3,67 МПа в диапазоне час-

тот между 20 и 30 кГц [8, 9].

427

Рис. 13.21. Кривые давления, записанные по параметрам постоянного и пе-

ременного тока для оценки нестабильности горения смесевого твердого топлива

на основе гексоген-ПХА, содержащего 0,4% частиц алюминия

428

Рис. 13.22. Частотный спектр колебательного горения, показанного на рис. 13.21

Рис. 13.23. Акустические моды эксперимента по горению, показанные

на рис. 13.21 и представленные как зависимость частоты от диаметра канала

Когда два твердотопливных заряда с частицами алюминия и без них поме-

щаются по оси двигателя, то есть один заряд без частиц алюминия помещается в

передней части, а другой заряд с частицами алюминия размещается

в задней час-

ти, нестабильность при работе двигателя возникает через 0,3 с после воспламене-

ния, как показано на рис. 13.24 (а). Двигатель разрушается за счет быстрого подъ-

ема давления, вызванного нестабильностью, и горение топлива завершается. При

рассмотрении нестабильности горения это подобно тому, когда испытывается

один твердотопливный заряд без частиц алюминия. Когда положение двух

твер-

дотопливных зарядов меняется, то есть заряд с частицами алюминия в топливе

помещается в передней части, а заряд без частиц алюминия располагается в зад-

ней части, нестабильность горения в этом варианте не имеет места, и нормальное

стабильное давление реализуется до тех пор, пока оба полузаряда не сгорят, как

показано на

рис. 13.24 (b). Результаты показывают, что этот тип нестабильности

горения подавляется диспергированием частиц алюминия (возможно, частиц

429

) во внутреннем свободном объеме камеры сгорания. Когда твердотоплив-

ный заряд без частиц алюминия помещается в передней части двигателя, частицы

не выделяются в свободный объем камеры сгорания в процессе горения. Наблю-

даемая нестабильность горения возникает в свободном объеме вокруг заряда без

частиц алюминия, даже если частицы присутствуют в свободном объеме вокруг

заряда, расположенного в хвостовой (задней) части двигателя.

Рис. 13.24. Горение неалюминизированного смесевого топлива на основе

гексоген-ПХА становится стабильным, если алюминизированное топливо на ос-

нове гексоген-ПХА располагается в передней части камеры сгорания

Очевидно, что стоячая волна давления в ракетном двигателе подавляется

твердыми частицами в свободном объеме камеры сгорания. Влияние демпфиро-

вания волны давления зависит от концентрации твердых

частиц, и размер частиц

определяется природой волны давления, такой как частота колебаний и уровень

давления, а также свойствами газообразных продуктов сгорания.

430

Рис. 13.25. Нестабильность горения подавляется по мере увеличения

концентрации частиц алюминия (среднее расчетное давление в камере 4,5 МПа)