Идентификация параметров эрозионного горения топлива по данным огневых стендовых испытаний

УДК 629.7.036.54.001

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭРОЗИОННОГО ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА ПО ДАННЫМ ОГНЕВЫХ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ

О. А. Евланова, А. А. Евланов, Е.В. Николаева

В работе проведена оценка параметров эрозионного горения топлива заряда одного из РДТТ снарядов РСЗО. Методика оценки заключалась в сопоставлении статистически обработанных результатов огневых стендовых испытаний данного РДТТ и результатов расчетного определения внутрибаллистических характеристик данного РДТТ по одномерной теории. Полученные значения параметров эрозионного горения позволили с высокой достоверностью провести прогнозирование характеристик разрабатываемого РДТТ.

Ключевые слова: ракетный двигатель твердого топлива, эрозионное горение.

Ввиду высокой плотности заполнения камеры сгорания топливом рабочий процесс в современных РДТТ снарядов РСЗО является весьма напряженным, в частности, скорости потока продуктов сгорания в каналах зарядов достигают значений 650... 700 м/с.

В общем случае линейная скорость горения твердого топлива зависит от состава, технологии изготовления заряда, температуры заряда, давления в камере, скорости газового потока вдоль горящей поверхности, деформации топлива, ускорения, направленного к горящей поверхности.

Поскольку зависимости скорости горения от температуры и давления определяются экспериментально, то проблема учета данных зависимостей при расчете внутрибаллистических характеристик отсутствует. Влияние деформации растяжения, ускорения, нестационарности давления на скорость горения топлива применительно к условиям РДТТ снарядов РСЗО невелико. В то же время в условиях высоких скоростей движения продуктов сгорания вдоль поверхности заряда скорость горения топлива существенно отличается от скорости горения в приборе постоянного давления, т.к. топливо горит в режиме эрозионного (турбулентного) горения.

Исследование эрозионных характеристик топлив (зависимости скорости горения топлива от скорости газового потока вдоль горящей поверхности топлива) обычно производится с использованием специализированных модельных РДТТ, снабженных устройствами, позволяющими определить величину сгоревшего свода заряда в процессе работы РДТТ.

Ввиду больших материальных и временных затрат данные исследования по ряду топлив не проводились.

Отсутствие данных по эрозионным характеристикам ряда топлив, применяемых в РДТТ снарядов РСЗО, не позволяет проводить достовер-

ную оценку внутрибаллистических характеристик РДТТ на стадии проектирования.

В связи с этим представляется необходимым проведение оценки параметров эрозионного горения топлива по данным огневых стендовых испытаний натурных РДТТ.

В общем случае определение констант эрозионного горения топлива по результатам огневых стендовых испытаний натурных РДТТ представляет принципиальные трудности ввиду сложности оценки перепадов давления, газодинамических потерь в предсопловом объеме, влияния формы канала заряда и т.д. Однако оценка эрозионных характеристик топлив по данным огневых стендовых испытаний и их перенос на другие РДТТ того же калибра с идентичными типами топлив, одинаковыми формами каналов, но отличающиеся длиной зарядов, являются вполне корректным.

Оценку эрозионных характеристик целесообразно проводить по значению максимального давления, так как в этот период времени влияние эрозионного горения на рабочий процесс в РДТТ является наиболее существенным, и по виду зависимости «давление - время».

Идентификация параметров эрозионного горения осуществлялась на основе системы уравнений для определения внутрибаллистических характеристик РДТТ на квазистационарном участке работы и статистической обработки результатов огневых стендовых испытаний натурного РДТТ с зарядом из двух секций.

Система уравнений квазистационарного движения продуктов сгорания в камере сгорания РДТТ с зарядом из двух секций будет иметь следующий вид [1]:

- для расчета газодинамических параметров на входе в канал секции 1

Ул

1

£ т1ыЯТг р

т

р1

Р01^1 ятг'

/о = ЯТг, = д/ кКТг ,

ф

для канала секции 1

и = щ

' р ^

105

ф(У),

dV _ртhu kфк f 0 + k +1 ртhu dx

V

V

a

dF

рF a2 - V2 2

рF a2 - V2 F a2 - V2 dx '

dp _ р V dx

a

dF рт ртhuV 2a + (к - IV

2

dр

dx

F a2 - V2 dx F a2 - V2 F 2(а2 ртЫ kфк/0 ртhu 2a2 -(к - 3)V2 р V

FV a2 - V2 FV 2(a2 - V

+

V 2Т

dF

F a2 - V2 dx

T _

Р

В

02

- на входе в канал секции 2 1

рЯ

а _л[кШ ,

f

Vз _

р 2

P2V2 F2 +

.5

Т,

V10

Р3 _В2,

р3 _р2 ,

Рз

р т + 5 т3и1

^2 ^

10

5

р

3

для канала секции 2

и _ и1

Р

рз Я

10

5

ф^ ),

dV _ртhu kфк f 0 + k +1 ртhu

dx

V

2

V

а

2

dF

В _ р V dx

а2 - V2 ' 2 рF а2 - V2 F а2 - к — а2 dF рт khuфкfoV ртhuV 2а + (k -1^2

F а2 - V2 dx F а2 - V

2

F

2а

2

'-У2)

dр _ ртhu kфк f 0 ртhu 2а2 -(к - 3^2 р V

dx

+

FV а2 - V2 FV

Р04

в предсопловом объеме

2 (а 2 - V 2

Ро^Ы

f (14 ) ,

+

dF

F а2 - V2 dx

О4 _ P4V4F4 + 5т4и1 66

Г Р \п Р4

5

р т:

2

2

2

г = в(к )Ркр Р0кр =

= 1 - 70 (14 )х,

р04

• м к ,2 Л к -1 -л 70 (1) = к+Г1

1 - — 12

к +1

к -1

где У - скорость; Р - давление; Р0 - давление торможения; Т - температура газа; ТГ - температура горения топлива; р - плотность газа, - площади торцев; и - скорость горения топлива; Я - газовая постоянная продуктов сгорания; ^ - площадь проходного сечения; / - сила пороха; а - скорость звука; к - показатель адиабаты продуктов сгорания; ф(У) - эрозионная функция; ку - эрозионный коэффициент; Уп - пороговая скорость; т - показатель степени в эрозионной функции; фк - коэффициент полноты сгорания топлива; И - периметр горения; /X) и 70 (X) - газодинамические функции; V - показатель степени в законе скорости горения; G - расход газа; В(к) - функция показателя адиабаты; - коэффициент газодинамического сопротивления; индекс "1" относится к параметрам на входе в канал секции 1, 2 - к параметрам на выходе из канала секции 1, 3 - к параметрам на входе в канал секции 2, 4 - к параметрам на выходе из канала секции 2, индекс "кр" относится к параметрам в критическом сечении сопла.

К числу основных параметров, определяющих параметры внутри-баллистического процесса, относится коэффициент потерь полного давления в предсопловом объёме.

Для определения данной величины использовались обобщенные экспериментальные зависимости давления в различных сечениях по длине РДТТ и тяги от времени и известные литературные данные. Обобщение этих результатов позволило принять значение коэффициента потерь полного давления в начальный период работы равным 0,82.

Методика оценки эрозионных характеристик топлив по данным огневых стендовых испытаний базировалась на сравнении результатов испытаний (зависимости давления у дна РДТТ и на входе в предсопловой объем от времени) с результатами расчетов соответствующих зависимостей при различных значениях констант эрозионного горения.

Зависимость эрозионной скорости горения топлива от скорости обтекания газового потока принималась в виде [2]

е = 1 + к^У - Уп при У > Уп.

Расчеты проводились с учетом существующих данных о диапазоне значений пороговой скорости для смесевых твердых топлив

50 м/с <Уп < 120 м/с.

1

На рис. 1 и 2 приведены зависимости давления у переднего дна РДТТ от времени соответственно приУп =100 м/с и Уп =50 м/с при различных значениях коэффициента эрозионной скорости ку =0,01; 0,02; 0,03.

Как следует из сравнения расчетных зависимостей давления у переднего дна РДТТ от времени, наилучшее совпадение с соответствующей экспериментальной зависимостью на всем временном интервале обеспечивается при Уп =50 м/с, ку =0,02.

Р, МПа

——о

Л

_ _. - - - ^__ и;

\ V. V. V-

V

\у. V, о,',

\

\

0 - Т -

О 0,5 1 1,5

2 2.5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

— при [«=0,03 ----при ку=0,02 .......при 1оМ),01

Рис. 1. Зависимости давления от времени при УП =100 м/с

Р, МПа

18 16

Т, с

0 0.5 1 1,5

при кл/=0,01 ----при кт=0,02 -при к^=0,ЭЗ

Рис. 2. Зависимости давления от времени при УП =50 м/с

Использование полученных значений эрозионных характеристик позволило на этапе проектирования с высокой достоверностью провести прогнозирование внутрибаллистических характеристик одного из разрабатываемых РДТТ с двухсекционным зарядом.

Список литературы

1. Ерохин Б.Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирование РДТТ. М.: Машиностроение, 1991. 545 с.

2. Газодинамические и теплофизические процессы в РДТТ / под ред. А.С. Коротеева. М.: Машиностроение, 2004. 512 с.

Евланова Ольга Александровна, канд. техн. наук, доц., evl.olg@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Евланов Андрей Александрович, студент, andrey-lato@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Николаева Евгения Викторовна, инженер 1-й категории, ivts. tulgu@rambler. ru, Россия, Тула, ОАО ««Научно-производственное объединение ««СПЛАВ»

IDENTIFICA TION OF THE FUEL EROSIVE BURNING PARAMETERS AS PER FIRING BENCH-TESTS DA TA

O.А. Evlanova, A.A. Evlanov, E. V. Nikolaeva

The work contains evaluations of fuel erosive burning parameters of the charge of one MRLS Rocket Projectile solid-propellant rocket motor. The evaluation procedure consisted in comparison of statically processed results of the firing bench-tests of the solid-propellant rocket motor with the results of the estimated determination of the interballistic characteristics of the solid-propellant rocket motor as per one-dimensional theory. The received values of the erosive burning parameters allowed for carrying out of a high integrity prediction of the characteristics of the solid-propellant rocket motor under development.

Key words: solid-propellant rocket motor, erosive burning.

Evlanova Olga Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, evl. olg@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Evlanov Andrei Aleksandrovich, student, andrey-lato@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Nikolaeva Evgenia Viktorovna, grade 1 engineer, ivts. tulgu@rambler. ru, Russia, Tula, Open Society «SPLAVSPA»