Экспериментальные исследования модели комбинированного воздушно-ракетного двигателя с пульсирующей камерой сгорания

УДК 629.7. 036.22

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛИ КОМБИНИРОВАННОГО ВОЗДУШНО-РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ

А.В. Солодовников, Е.Н. Вышегородцев, В.В. Голубятник, Д.В. Сопин

В статье представлены результаты испытаний модели комбинированного воздушно-ракетного двигателя на воздушном и ракетном режимах, получены основные её технические характеристики

Ключевые слова: комбинированный двигатель, пульсирующая камера сгорания, модель, испытания, технические характеристики

При освоении околоземного пространства возникла необходимость решения научно - технической проблемы по созданию комбинированного воздушно - ракетного двигателя (КВРД), работающего как в атмосфере, так и в космосе.

На современном этапе решение этой задачи является ключевой в технологии создания воздушно - космического самолета (ВКС) .

Отсутствие успешных отечественных системных исследований в области комбинаций воздушно - реактивных и ракетных двигателей подчеркивает актуальность и важность темы.

Целенаправленный поиск [1 - 2] авторами в Серпуховском военном институте ракетных войск (СВИ РВ) перспективной схемы КВРД показал, что одним из направлений развития мирового двигателестроения является использование синтеза двух установок: пульсирующего воздушно - реактивного двигателя - для полета ВКС в атмосфере и жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) - для полета летательного аппарата (ЛА) в безвоздушном пространстве.

Специалистами СВИ РВ в 2008 - 2010 годах был спроектирован, изготовлен и испытан модельный КВРД (рис. 1), основу конструкции которого составляет совокупность пульсирующей камеры сгорания (ПКС) и универсального комбинированного насадка (УКН) [2].

ПКС оборудована механическим мембранным клапаном, расположенным перпендикулярно к оси камеры, и резонансной трубой, которая обеспечивает устойчивый пульсирующий режим горения топливной смеси (V = const).

Солодовников Алексей Витальевич - СВИ РВ, соискатель, тел. 8-903-192-45-99, е-шай: аЬквеу. solod@mail.ru Вышегородцев Евгений Николаевич - СВИ РВ, канд. техн. наук, доцент, тел. (4967) 78-95-07

Голубятник Вячеслав Васильевич - СВИ РВ, канд. техн. наук, научный консультант, тел. (473) 292-09-29 Сопин Дмитрий Владиславович - СВИ РВ, соискатель, тел. 8-903-030-69-95

Универсальный комбинированный насадок в своей конструкции совмещает эжекторный увеличитель реактивной тяги - ЭУРТ (для воздушного режима работы) и камеру сгорания (КС) с соплом Лаваля (для ракетного полёта ЛА).

Авторами статьи были сформулированы следующие технические требования к КВРД:

1. На воздушном режиме агрегат должен работать на топливе - атмосферный воздух + бензин, при соотношении компонентов ~ 14,8, удельном импульсе ~ 5000 с и времени функционирования не менее 6000 с. Двигатель используется с момента старта ЛА и до высоты 25 км.

2. На ракетном режиме агрегат должен работать на топливе - газообразный кислород + бензин, при соотношении компонентов ~ 3,5, удельном импульсе ~ 300 с и времени функционирования не менее 500 с. Двигатель функционирует в диапазоне высот от 25 км до 100 км.

Рис. 1. Схема и общий вид модели комбинированного воздушно - ракетного двигателя с ПКС и УКН

В результате исследований были сформулированы следующие задачи демонстрационных испытаний модели КВРД:

- приобретение практического опыта работы на агрегате, который реализует различные термодинамические циклы;

- получение экспериментальных данных по функционированию модели на воздушном и ракетном режимах;

- создание научно - технического задела для будущих разработок полноразмерных силовых установок нового поколения.

Для решения вышеуказанных задач была подготовлена экспериментальная демонстрационная модель двигателя и проведено два вида огневых испытаний (ОИ):

1. На воздушном режиме (установка работает на топливе: атмосферный воздух + бензин);

2. На ракетном режиме (установка работает на топливе: газообразный кислород + бензин).

При проведении ОИ модели КВРД в качестве горючего использовался бензин АИ-95, соответствующий требованиям на топливо для двигателей внутреннего сгорания и газообразный кислород, соответствующий техническим условиям для применения в медицинской технике.

Конструктивные особенности модели следующие.

Модель КВРД сконструирована так, чтобы обслуживание, ремонт или замена отдельных элементов не требовала снятия её со стенда.

Сборка экспериментального агрегата выполнялась с использованием материальной части пульсирующей камеры сгорания, которая ранее прошла цикл испытаний на компонентах топлива атмосферный воздух + бензин [1].

С целью уменьшения габаритных размеров двигательной установки резонансная труба камеры пульсирующего горения была изогнута под углом 180 градусов (рис. 1).

В результате конструкция модели КВРД предусматривает легкий доступ ко всем сборочным единицам для осмотра внутренних и наружных поверхностей, а также замены отдельных агрегатов при необходимости.

Для обеспечения более эффективной работы КВРД авторами был разработан и установлен универсальный комбинированный насадок [2], который на воздушном режиме работы используется как эжекторный увеличитель реактивной тяги, а на ракетном режиме полета применяется в качестве корпуса камеры сгорания с соплом Лаваля.

УКН (рис. 2А), работающий в режиме ЭУРТ, может в зависимости от своих относительных геометрических размеров увеличивать тягу в 1,5...2 раза. Одновременно, ЭУРТ на воздушном режиме работы (V = const) позволяет исключить эффект «провала» тяги из - за возникновения зон пониженного давления между импульсами при пульсирующем горении топливной смеси, за счет «подсоса» атмосферного воздуха из окружающей среды.

УКН, работающий на ракетном режиме, используется как ракетная камера сгорания с соплом Лаваля (р = const), где сжигается окислитель и бензин. При этом газообразный кислород беспрепятственно проходит через конструктивные элементы ПКС, резонансную трубу и попадает в КС УКН, а бензин впрыскивается непосредственно в зону горения (рис. 2Б).

ОИ модели КВРД проводились на специальном стенде, разработанном специалистами СВИ РВ.

Рис. 2. Принцип действия модели КВРД: А - воздушный режим работы

Результаты огневых испытаний модели на воздушном режиме работы следующее.

Запуск модели осуществляется при помощи сжатого воздуха, поступающего из компрессора. На времени равном 4 с агрегат выходит на устойчивый пульсирующий режим. Частота пульсации давления в ПКС составляет ~ 80 Гц.

После осуществления запуска модели КВРД и выхода на режим, подача сжатого воздуха из компрессора прекращается. Система зажигания отключается. Пульсационное горение осуществляется в режиме автомодельности.

В результате, проведённых экспериментальных исследований [2] модели на воздушном

режиме, были получены осредненные значения параметров, представленные в табл. 1 и рис. 3, 4.

Одновременно, проводились испытания по эффективности применения УКН в модели КВРД на режиме ЭУРТ и, соответственно, был проведен сравнительный анализ работы агрегата с УКН и без него (рис. 3).

Таблица 1

Основные значения параметров модели КВРД на воздушном режиме

Наименование параметров, размерность Значение

Тяга, Н И 2,5

Расход горючего, кг/с 0,00035

Расход воздуха в ПКС, кг/с 0,0044

Расход воздуха в УКН, кг/с 0,005

Температура в ПКС, К И 1200

Количество включений 10

Продолжительность работы, с 6000

300

250

200

150

100

50

— р xl0-J , КГ 2 /

/ / і к-* **

/ 1

[ У /

тг ХІ0"4, ЕГ/С

Рис. 3. Дроссельные характеристики модели КВРД на воздушном режиме

4 1

-

\ 1

\ —

3

/ / L, ь їм

/

Рис. 4. Распределение теплового потока по длине камеры и резонансной трубы (топливо: атмосферный воздух + бензин): 1 - экспериментальные данные, 2 - теоретический расчет, 3 - ПКС

Результаты ОИ модели на ракетном режиме работы, показали, что УКН эффективно работает в режиме камеры сгорания (р = const) с соплом Лаваля. Особенностью схемы испыта-

ния является то, что переход от воздушного режима работы к ракетному осуществляется через останов двигателя. При этом проходное сечение воздушного клапана ПКС перекрывается и в систему подается газообразный кислород. Конструкция ПКС и резонансной трубы используется как удлинительный газовод по которому движется газообразный кислород. Учитывая, что основные потери будут происходить только за счёт трения и для поверхностей со средней шероховатостью коэффициент трения примерно равен 0,005, то уменьшение давления газообразного окислителя в КС УКН не будет превышать 2 % [2].

Поддержание оптимального соотношения компонентов топлива в зоне горения КС УКН осуществляется расходом кислорода. Расход бензина постоянный. Горение топливной смеси происходит в КС УКН при р = const.

Рис. 5. Огневые испытания модели КВРД с УКН: А -воздушный режим

В результате успешно проведённых экспериментальных исследований на ракетном режиме были получены осредненные параметры модели КВРД, приведенные в табл. 2 и на рис. 6, 7.

Таблица 2

Основные значения параметров модели КВРД на ракетном режиме

Наименование параметров, размерность Значение

Тяга, Н 4,5

Расход горючего, кг/с 0,0013

Расход окислителя, кг/с 0,019

Температура в КС, К и 1700

Количество включений 2

Продолжительность работы, с 200

Проводился сравнительный анализ работы модели КВРД на ракетном режиме с УКН и без него. Результаты эффективности применения универсального комбинированного насадка приведены на рис. 6.

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

P X io-3. 1 КГ

/

1/ . - k

.. - >

\

1

r ХІ0 2, кг/

1

Рис. 6. Дроссельные характеристики модели КВРД на ракетном режиме

Рис. 7. Распределение теплового потока по длине УКН (топливо: газообразный кислород + бензин): 1 - экспериментальные данные, 2 - теоретический расчет, 3 - ПКС, 4 - КС УКН

Анализ материалов по испытаниям модели комбинированного воздушно - ракетного двигателя в целом показал, что агрегат имеет высокую работоспособность, простоту конструкции и эксплуатации на всех задаваемых режимах.

Экспериментальные исследования позволили получить зависимость тяги модели КВРД от расхода топлива (дроссельные характеристики) на воздушном (рис. 3) и ракетном (рис. 6) режимах; распределение тепловых потоков по длине ПКС и УКН (рис. 4, 7), а также другие технические параметры (табл. 1 и 2). Согласно программе испытаний на воздушном режиме установка проработала непрерывно 6000 с, а на ракетном режиме из-за ограниченного запаса газообразного кислорода, модельный КВРД наработал в сумме 200 с.

Таким образом, заданные технические требования результатами испытаний модели в основном подтверждены.

Дальнейший пересчет основных параметров показал, что полноразмерный прототип модели КВРД удовлетворяет требованиям разработчиков аэро - космической техники при создании перспективных ЛА горизонтального старта и посадки.

В итоге проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность создания полноразмерного комбинированного воздушно -ракетного двигателя (с пульсирующей камерой сгорания и универсальным комбинированным насадком), предназначенного для работы как в атмосфере, так и в безвоздушном пространстве.

Литература

1. Солодовников А.В. и др. Исследование пульсирующих камер сгорания и их применение в аэрокосмической технике, Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, № 3(19), часть 2, г. Самара, 2009, с. 335 - 344.

2. Вышегородцев Е.Н., Солодовников А.В. и др. Аппарат пульсирующего горения - основа комбинированного пульсирующего воздушно - ракетного двигателя. М.: ЦВНИ МО РФ, 2009.

Серпуховской военный институт ракетных войск

THE EXPERIMENTAL RESEARCH OF COMBINED AIR-ROCKET ENGINE MAK-UP WITH PULSING COMBUSTION CHAMBER

A.V. Solodovnikov, E.N. Vishegorodcev, V.V. Golubyatnik, D.V. Sopin

This paper describes the test results of combined air-rocket engine mak-up at air (V = const) and rocket modes (p = const), the main technical characteristics have been obtained

Key words: combined engines, pulsing combustion chamber, mak-up, testing, technical characteristics