METHOD OF INSTANTANEOUS DETERMINATION OF MINIMUM OPERATING PRESSURE STABILITY IN SOLID PROPELLANT ROCKET ENGINE
СПОСОБ БЕЗЫНЕРЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА МИНИМАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ТРДУ

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./.
пр.
При давлении в камере ниже некоторого предела (p) процесс работы ТРДУ становится неустойчивым, в результате чего наступает резкое падение давления и прекращается процесс горения заряда ТРТ в камере двигателя.
1
пр.
ν
Для ТРТ с высокой чувствительностью скорости горения от давления с показателем степени ν более 1,0 в законе скорости горения U=Up 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) 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/.
1
ν
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=Up. 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).
пр.
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) устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки. При этом условием устойчивости рабочего режима работы модельного двигателя является зависимость
и
и
и
г
г
г
пр.
где S - площадь поверхности горения заряда; ρ - плотность имитирующего заряда; U - скорость горения имитирующего заряда; ν - показатель степени в законе скорости горения имитирующего заряда с низкой чувствительностью скорости горения от давления; ρ - плотность заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; U - скорость горения заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; ν - показатель степени в законе скорости горения заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; р - предел минимального давления устойчивого горения, ниже которого наблюдается пульсационное горение.
пр.
Технической задачей изобретения является разработка способа определения предела минимального давления (р) 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.
кон.
пр.
пр.
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 горения значительно меньше предела минимального давления (р) устойчивости рабочего процесса твердотопливной регулируемой двигательной установки. Из дегрессивной диаграммы p(t) определяется предел минимального давления (р) устойчивости рабочего процесса модельного двигателя по началу возникновения пульсационного характера диаграммы "давление-время".
пр.
и
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) 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, удовлетворяющим условию
и
и
и
г
г
г
пр.
где S - площадь поверхности горения заряда; ρ - плотность имитирующего заряда; U - скорость горения имитирующего заряда; ν - показатель степени в законе скорости горения имитирующего заряда с низкой чувствительностью скорости горения от давления; ρ - плотность заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; U - скорость горения заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; ν - показатель степени в законе скорости горения заряда с высокой чувствительностью скорости горения от давления; р - 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.
пр.
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) 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.
пр.
Исследования определения предела минимального давления (p) устойчивости рабочего процесса в модельном двигателе и натурной твердотопливной регулируемой двигательной установки показали удовлетворительное согласование результатов испытаний модели и натуры.
пр.
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=3 МПа, ниже которого модельный двигатель работал в неустойчивом (пульсационном) режиме при частоте колебаний ѓ=2 Гц и амплитуде Δр=0,4 МПа.
пр.
пр.
пр.
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<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) устойчивости работы двигателя, величина которого с высокой точностью моделируется и прогнозируется на натурную твердотопливную регулируемую двигательную установку. Ошибка в определении предела минимального давления (p) 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.