Для отделения последней ступени ракеты-носителя от разгонного блока широко используются твердотопливные ракетные двигатели (РДТТ) торможения. Струи продуктов сгорания этих двигателей, содержащие металлы и их соединения в газообразной и конденсированной фазах, попадая на поверхность космических аппаратов (КА), покрывают ее налетом. Воздействуя на оптику бортовой аппаратуры, продукты сгорания вызывают в ней напряжения и загрязняют поверхности прозрачных окон, что ведет к ухудшению характеристик приборов. В связи с этим актуальной является задача уменьшения интенсивности струй продуктов сгорания РДТТ в местах расположения иллюминаторов.

Исследования воздействия струй тормозных РДТТ на космический аппарат проводились для схемы с четырьмя двигателями, расположенными в плоскости отделения последней ступени. Продукты сгорания выходили из сопел в виде отдельных струй, постепенно сливаясь в одну. Исследователей интересовали параметры этой кольцевой струи, состав и характер движения в ней полидисперсных частиц конденсированной фазы. Следует заметить, что газовое течение имело наиболее сложное поведение на начальном участке до момента смыкания струй. На значительном расстоянии от двигателей суммарное газовое поле моделировалось осесимметричной струей с центральным телом.

Исследования показали, что в реальных условиях газовое течение являлось неравновесным с переменной степенью приближения к равновесному из-за незавершенности целого ряда химических реакций и процесса конденсации паров металлов и их окислов. Это приводило к образованию, по сути, двухфазной кольцевой струи.

В Центре Келдыша на экспериментальных установках было смоделировано распределение частиц конденсированной фазы продуктов сгорания РДТТ. Изучение спектра частиц конденсированной фазы проводилось с помощью специального испытательного стенда, содержащего устройство для отбора, сепарации и осаждения частиц. Основным требованием к такого рода устройствам является изокинетичность - равенство скоростей составляющих двухфазного потока на входе в отборник и при движении в нем. На рис. 1 показан отборник частиц конденсированной фазы из потока продуктов сгорания модельного твердотопливного газогенератора с вкладными зарядами.

Для получения представительной функции распределения было проведено три независимых испытания с отбором частиц непосредственно из камеры сгорания и за срезом сопла. Эксперименты проводились при значениях давления и времени работы РДТТ, близких к реальным (7 МПа и 0,5 с, соответственно). Одновременно с этими исследованиями проводились огневые испытания натурного двигателя с отбором проб продуктов сгорания в четырех сечениях за срезом сопла. При сжигании в барокамере маломасштабного заряда твердого топлива имитировалось развитие струи в вакууме и осуществлялся отбор проб осажденных продуктов сгорания.

Исследования показали, что продукты конденсированной фазы представляли собой мельчайшие компактные образования, имеющие характерный для окиси свинца болотный цвет (рис. 2). На основе результатов экспериментов по методике, разработанной отделением Института химической физики РАН, с использованием дисперсионного анализа впервые были получены функции распределения частиц продуктов сгорания баллиститного твердого топлива (рис. 3).

Анализ спектров частиц показал, что функции распределения геометрических размеров осаждаемых частиц имели бимодальный характер, причем первая мода находилась в диапазоне значений 0,8:1,2 мкм, а более крупная - в диапазоне 5:7 мкм. Среднемассовые размеры частиц составляли 8:10 мкм. Полученные спектры частиц использовались в качестве исходных данных для проведения комплекса расчетов двухфазного (газовая и конденсированная фазы) течения продуктов сгорания тормозных РДТТ.

Экспериментальные исследования процессов осаждения частиц на пластины, имитирующие поверхности разгонного блока и КА, проводились в барокамере, размеры которой позволяли моделировать полное, без искажений, развитие струи от тормозного двигателя (рис. 4). Количественный химический анализ выпавших продуктов сгорания показал наличие окиси свинца, а также присутствие следов окислов титана.

Для численного моделирования процессов обтекания КА продуктами сгорания тормозных РДТТ в Центре Келдыша была разработана уникальная методика расчета и создан соответствующий комплекс программ. Результаты расчетов обладают хорошей сходимостью с данными, полученными в экспериментах. В основу методики положено раздельное решение уравнений для газовой и конденсированных фаз, которые описывают осесимметричное сверхзвуковое течение полидисперсной смеси газа и частиц без учета фазовых превращений. Методами численного моделирования определялись траектории движения частиц. В качестве исходных данных для получения интегральных параметров течения использовались спектры массового распределения частиц, полученные экспериментально.

Основной задачей моделирования являлось определение характера взаимодействия частиц с границей потока (стенкой). В связи с этим вычислительный метод предусматривал максимально возможное повышение точности расчетов вблизи ограничивающей поверхности. Другой особенностью уравнений, описывающих движение, являлось то обстоятельство, что для частиц небольших размеров они принимают вид дифференциальных уравнений с малым коэффициентом при производной высшего порядка. Применяя метод М. Филимонова, использующий для решения такого рода уравнений монотонную разностную схему, удалось добиться требуемой точности вычислений.

Для иллюстрации возможностей разработанного метода и программы расчета двухфазного течения смеси газа и полидисперсных частиц конденсированной фазы в сверхзвуковой области выполнена оценка уровня загрязнения поверхности КА. Рассматривался случай работы четырех тормозных двигателей с выпадением продуктов сгорания твердого топлива на расстоянии примерно 10 м от них (рис. 5). Для потока частиц по указанным методикам рассчитывались траектории движения, отличающиеся положением точки старта по отношению к центральному телу (корпусу КА).

В корпусе корабля на расстоянии примерно 4 м от твердотопливных тормозных двигателей имелся уступ. Сверхзвуковая кольцевая струя, образующаяся при истечении в вакуум продуктов сгорания, при движении в районе уступа создавала область разрежения. Отклонение частиц от прямолинейного движения вызывалось влиянием именно этой области. Частицы, пролетая вблизи области разрежения, получали составляющую скорости, направленную к поверхности КА. Одновременно пограничный слой оказывал на частицы слабое тормозящее воздействие.

На увеличенном расстоянии от места истечения струи поток газа влиял на траектории частиц существенно слабее, что связано с уменьшением коэффициента сопротивления почти на порядок. Для разреженной среды длина свободного пробега молекул газа существенно превышала диаметр частиц конденсированной фазы. Таким образом, наблюдался случай свободно-молекулярной бомбардировки, когда значительная часть импульса относительного движения молекул передавалась частицам.

Расчет скорости потока осаждения частиц и плотности распределения их по поверхности КА показал, что различные отсеки аппарата загрязняются неодинаково. В результате моделирования было установлено, что на степень загрязнения поверхностей существенным образом влияет динамика корабля и то обстоятельство, что КА в процессе отделения перемещается в зону, свободную от частиц. Выявленные закономерности поведения продуктов сгорания твердотопливных зарядов позволяют с хорошей точностью и полнотой обосновать адекватные меры, направленные на исключение осаждения частиц на корабль. Одно из предложений предусматривает коррекцию траекторий движения частиц на достаточно ранней стадии, в результате чего при дальнейшем их движении полностью исключается выпадение на поверхность КА.

Рис. 1	Рис. 2
Рис. 3	Рис. 4
Рис. 5