Разгар сверхзвуковой части сопла РДТТ локализуется в закритической области и в области среза. В указанных областях основными факторами являются существенные положительные градиенты давления и потоки конденсированных частиц. Установлено, что в рассматриваемых случаях параметром, определяющим величину уноса материала сопла, является значение угла наклона контура сопла на входе в сверхзвуковую часть. Правильный выбор величины данного угла позволяет оптимизировать конструкцию двигателя.
Разгар сверхзвуковой части сопла, формирующийся в процессе работы двигателя, во многом определяет стойкость и энергомассовые характеристики РДТТ. Линия разгара вдоль образующей сопла представляет собой немонотонную кривую, форма которой зависит от исходного профиля сопла, значений термогазодинамических параметров продуктов сгорания топлива и содержания в последних конденсированной фазы. Величина конвективной составляющей уноса теплозащитного материала сопла достигает максимума ближе к критическому сечению сопла и монотонно уменьшается к его срезу. Величина твердофазной составляющей монотонно возрастает к срезу сопла и практически равна нулю непосредственно в закритической части.
В процессе развития разгара непосредственно за критическим сечением (где обычно расположен стык из разноуносимых материалов) образуется "закритическая яма". Величина ее с течением времени увеличивается, приводя к уменьшению толщины стенки раструба и снижению конструкционной прочности сопла. На концевой части сопла (в области инерционного осаждения частиц конденсированной фазы продуктов сгорания топлива) при разгаре образуется "сверхзвуковая ложка", деформирующаяся со временем вдоль контура сопла. При этом стенка сопла вырабатывается таким образом, что последующее воздействие частиц на сопло не приводит к уносу его материала. С этого момента частицы летят параллельно стенке. Образующая ее предельной поверхности имеет сложную форму и соответствует огибающей траекторий пролетающих частиц.
Типичная картина уноса материала сопла вдоль его центральной оси для двухфазных потоков представлена на рис. 1. Наличие областей локальных уносов свидетельствует о возможности возникновения прогаров сопла, следствием которых будет полное разрушение конструкции. На рис. 2 и 3 виден характер разрушения стенки сопла в области закритической и сверхзвуковой его части. Так, на рис. 2 в закритической части зафиксирован прогар, расположенный в месте, соответствующем максимальной величине уноса материала стенки сопла. После работы двигателя внутри сопла отмечается явно выраженная вогнутая поверхность большой кривизны.
В области уносов материала существуют мощные градиентные течения, определяющие повышенную интенсификацию тепло- и массообмена при конвективном воздействии газовой составляющей потока. Конденсированная составляющая потока в этой области практически отсутствует, т.к. частицы размером более 1…2 мкм под действием инерционных сил двигаются к стенке у среза сопла и осаждаются, а частицы размером менее 0,1 мкм, увлекаясь газообразными продуктами сгорания, облетают закритическую часть сопла, образуя зону "чистого газа".
Систематическое исследование уносов материалов сопла в закритической области и вблизи среза проводилось с применением модельных твердотопливных двигательных установок и использованием обширного материала анализа испытаний сопел натурных двигателей. В результате проведенных работ были установлены механизмы разрушения сопла и получены основные закономерности.
Экспериментально и теоретически было показано, что основным параметром, влияющим на разгар сопла в исследуемых областях, является величина максимального угла входа qвх - угла наклона контура, расположенного в разгонной части потока в районе критического сечения сопла, относительно оси двигателя. Из условий безотрывного истечения газа из сопла величина этого угла не должна превышать 35…40°.
Установлено, что форма "закритической ямы", выраженная в безразмерных уносах, может быть описана универсальным выражением вида
d/dmax = sin(p·S/2·Smax) .
Положение точки максимума на кривой, характеризующей унос вдоль образующей dmax (Smax), со временем смещается по образующей конической поверхности и удовлетворяет соотношению
d/Smax = 0,525 - 0,25· tgqВХ.
Приведенные зависимости были подтверждены в экспериментах на сверхзвуковых соплах при варьировании размеров сопел, материалов их стенок и состава продуктов сгорания.
При воздействии потока на стенку концевой части сопла определяющее влияние оказывают частицы конденсированной фазы, поскольку относительная и абсолютная величины газовой составляющей уноса крайне малы.
В результате решения траекторной задачи для частиц в сопле и последующего сопоставления с результатами дефектации сопловых блоков РДТТ после их испытаний была установлена следующая зависимость угла подлета частиц, осаждающихся на сопле:
tgq = 1,3 tgqВХ ((l(x) - 1)/(ll(x) + 1)).
Локальное значение безразмерной скорости потока l(х) определяется для соответствующей степени расширения исходного контура y(x). Интегрирование данного соотношения позволяет определить предельную линию контура, при которой осаждения частиц на стенку не будет,

Начиная с координаты хS (начало осаждения) справедлива зависимость для величины уноса материала в этой области

Значения максимального уноса в промежуточные моменты времени соответствуют координате предельной выработки сопла и по-прежнему зависят от угла qВХ.
С увеличением угла на входе уменьшается унос в закритической области, но растет унос из-за осаждения частиц и наоборот. При этом существует некий оптимальный угол, который в каждом конкретном случае может быть выбран применительно к данной конструкции. В частности, при отработке конструкции одного крупногабаритного двигателя возникла проблема с доведением сверхзвукового сопла до работоспособного состояния. Все предыдущие испытания заканчивались разрушением сопла. Уменьшение угла qВХ приводило к снижению уносов на раструбе и прогарам в закритической области, а увеличение - к прямо противоположной картине уносов и прогаров. Оптимизация, выполненная расчетным путем, позволила определить необходимую величину угла (qВХ ~ 25°) и довести конструкцию до работоспособного состояния. Рис. 4 иллюстрирует динамику процесса отработки и прогнозируемые на ранних этапах расчетов значения и хорошую сходимость результатов расчета и эксперимента.
Созданные в Центре Келдыша методы и программы расчетов термогазодинамических, тепловых и термонапряженных процессов в конструкциях РДТТ основаны на многочисленных экспериментах, проверках на натурных изделиях и позволяют надежно прогнозировать процессы в различных двигателях.