СПОСОБ СОЗДАНИЯ ИМПУЛЬСОВ ДАВЛЕНИЯ В АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛОСТЯХ КАМЕР СГОРАНИЯ И ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
METHOD OF GENERATING PRESSURE PULSES IN ACOUSTIC CHAMBERS OF COMBUSTION CHAMBERS AND GAS GENERATORS OF LIQUID-PROPELLANT ROCKET ENGINES

Изобретение относится к испытательной технике и, в частности, к испытанию камер сгорания и газогенераторов жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) с целью оценки высокочастотной устойчивости процесса горения.
Одной из важных характеристик работы камер сгорания и газогенераторов ЖРД является высокочастотная устойчивость рабочего процесса к возникающим в их полостях колебаниям давления. Это связано с тем, что в камерах сгорания при самопроизвольном возбуждении высокочастотных акустических колебаний давления большой амплитуды нарушается рабочий процесс горения, что приводит к ухудшению условий защиты стенок камер сгорания от высокой температуры, а также к возникновению вибрационных колебаний, приводящих к разрушению камер сгорания.
В связи с этим все создаваемые камеры сгорания и газогенераторы ЖРД необходимо проверять на склонность к самовозбуждению высокочастотных колебаний давления. Наиболее надежный способ определения устойчивости рабочего процесса камеры сгорания ЖРД и газогенератора к высокочастотным колебаниям давления заключается в введении во внутреннюю полость камеры сгорания импульса давления [см. Неустойчивость горения в ЖРД. Под ред. Д.Т.Харрье и Ф.Г.Рирдона. М.: «Мир», 1975 г., стр.752] от внешнего источника. Как правило, это внешние возмущающие устройства с навеской взрывчатого вещества [Неустойчивость горения в ЖРД. Под ред. Д.Т.Харрье и Ф.Г.Рирдона.: М., «Мир», 1975 г., стр.774].
Известен способ создания импульса давления в акустических полостях камер сгорания газогенераторов ЖРД, основанный на кратковременном выделении тепловой энергии в этих полостях.
Известный способ реализуется, например, устройством [Combustion Instabilities in Liquid Rocket Engines. Testing and Development Practices in Russia. Mark L.Dranovsky. Edited by Vigor Yang, Fred E.C.Culick, Douglas G.Talley. Progress in Astronautics and Aeronautics. Frank K. Lu, Editor-in-Chief. Volume 221, p.135]. Устройство содержит корпус с камерой, в которой размещен заряд взрывчатого вещества, патрубок, через который в камеру сгорания вводится импульс давления, и мембрану, разделяющую камеру и патрубок. Заряд взрывчатого вещества поджигается с помощью электрического тока.
Работает устройство следующим образом. При выходе камеры сгорания на заданный режим работы поджигается заряд взрывчатого вещества. Вследствие его сгорания в камере устройства происходит кратковременное выделение тепловой энергии с образованием газообразных продуктов сгорания, что обеспечивает резкий подъем давления. При достижении определенного уровня давления мембрана прорывается и через патрубок в камеру сгорания поступает в виде импульса волна давления, которая, отражаясь от стенок камеры сгорания, возбуждает в камере акустические колебания. При этом если рабочий процесс в камере сгорания не поддерживает колебания давления, они прекращаются. В противном случае колебания будут продолжаться, что указывает на склонность рабочего процесса в камере сгорания к возбуждению от случайных импульсов давления высокочастотных акустических колебаний, и, как следствие, это приводит к нарушению рабочего процесса и к разрушению камеры сгорания.
К недостаткам известного способа создания импульсов давления в камерах сгорания ЖРД следует отнести низкую стабильность величины импульса для одинаковых по массе навесок взрывчатого вещества, что связано с нестабильными характеристиками этого вещества и мембран. Характеристики взрывчатого вещества зависят от плотности заряда, от влажности, от длительности хранения, от его состава. Характеристики мембран, в свою очередь, зависят от материала, из которого они изготовлены, от технологии изготовления, от величины разброса ее толщины. К недостаткам также следует отнести взрывоопасность зарядов взрывчатого вещества, от которых при случайных взрывах может пострадать обслуживающий персонал.
Кроме того, к недостаткам этого способа следует также отнести сложность регулирования величины импульса давления, т.е. создания импульса давления строго заданной (расчетной) величины, это связано с тем, что величина импульса давления может изменяться ступенчато, т.к. определяется величиной навесок взрывчатого вещества, масса которых от навески к навеске изменяется ступенчато.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа создания импульсов давления в акустических полостях камер сгорания и газогенераторов ЖРД, обеспечивающего высокую стабильность величины импульса давления и простоту регулирования величины импульсов.
Это достигается тем, что в способе создания импульсов давления в акустических полостях камер сгорания и газогенераторов ЖРД, основанном на кратковременном локальном выделении тепловой энергии в этих полостях, согласно изобретению, тепловую энергию выделяют при взрыве тонкой металлической проволочки диаметром d=0,02…0,5 мм при прохождении через нее электрического тока («Взрывающиеся проволочки». Перевод с английского. - М., Издательство иностранной литературы, 1963 г., стр.239).
Экспериментальные исследования показывают [см. там же, стр.149], что «тонкие проволочки взрываются значительно быстрее толстых». Минимальный диаметр проволочки - 0,02 мм - выбран из технологических соображений: проволочки диаметром меньше 0,02 мм затруднительно использовать по причине их малой механической прочности. Использование проволочки с диаметром больше 0,5 мм нежелательно [см. там же, стр.77], поскольку «время, необходимое для того, чтобы ток в центре проволочки достиг половины его установившегося значения, может составлять значительную часть времени, необходимого для взрыва проволочки». Это явление не обеспечит тем самым ее мгновенного испарения.
При этом взрыв металлической проволочки осуществляют разрядом через нее электрического конденсатора, а величину и длительность импульса давления регулируют путем выбора емкости конденсатора и плавного изменения величины напряжения на нем. При этом диаметр проволочки и величины напряжения выбираются такими, чтобы при разряде конденсатора проволочка мгновенно испарилась (взорвалась). При взрыве проволочки возникает ударная волна, за фронтом которой давление может достигать величины Р=16 МПа [ЖТФ, 2007, том 33, вып.15, стр.53]. Расчеты показывают, что для выделения тепловой энергии, соответствующей взрыву одного грамма тротила, требуется выделить при взрыве проволочки 4390 Дж электрической энергии, запасенной в конденсаторе, например, имеющем емкость 100 мкФ и заряженном до 10 кВ.
На чертеже показана схематично установка, на которой реализуется предлагаемый способ создания импульсов давления в акустических полостях камер сгорания и газогенераторов жидкостных ракетных двигателей.
Установка представляет собой работающую при атмосферном давлении модельную камеру сгорания 1 с форсунками для подачи компонентов 2. В штуцере 3 камеры сгорания 1 в электроизоляторе 6 герметично установлены электроды, соединенные металлической проволочкой 5. При этом электроды подключены к устройству подачи высокого напряжения 4 к проволочке 5, включающему конденсатор 7, ключ 8 и источник высокого напряжения (ИВН) 9. Конденсатор 7 заряжается от ИВН 9, рабочее напряжение которого может плавно регулироваться в широком диапазоне.
Реализуется способ создания импульсов давления следующим образом.
На форсунку 2 подают компоненты топлива, которые распыляют их в полости 10 камеры сгорания 1, где они смешиваются и поджигаются. После этого выводят камеру сгорания 1 на заданный режим работы. С помощью источника высокого напряжения 9 заряжают до определенного напряжения конденсатор 7. Замыкают ключ 8. Вследствие прохождения по проволочке 5 большого тока (например, при напряжении на конденсаторе 7 U>2 кВ величина тока может достигать больше 2 кА) проволочка взрывается. На месте проволочки образуется плазма, через которую окончательно разряжается конденсатор 7.
Таким образом, запасенная на конденсаторе 7 электрическая энергия в момент замыкания с помощью ключа 8 электрической цепи переходит в тепловую энергию, которая превращает в пар металлическую проволочку, а также передается в окружающую проволоку среду, мгновенно увеличивая на несколько тысяч градусов ее температуру, что приводит к возникновению импульса давления с последующим распространением его в виде волны давления по акустической полости 10 камеры сгорания 1. Изменяя режим работы камеры сгорания 1 и параметры импульса тока и, соответственно, импульса давления, проводят оценку устойчивости камеры сгорания к высокочастотным колебаниям давления в широком диапазоне режимов ее работы.
Предложенный способ создания импульсов давления в акустических полостях камер сгорания и газогенераторов ЖРД обеспечит, благодаря установлению плавно регулируемого строго заданного и стабильного напряжения на одном и том же конденсаторе, высокую стабильность параметров импульса, широкий диапазон изменения параметров импульса, простоту регулирования величины импульса.