О РАЗРАБОТКЕ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ "ЭНЕРГИЯ" И О РОЛИ В.П. ГЛУШКО В СОЗДАНИИ ДВИГАТЕЛЯ РД-170 (171)

 

Юрий Михайлович Кочетков, д.т.н.

Валерий Наумович Наумов - талантливый российский ученый, исследователь в областях трехмерной газовой динамики, внутренней баллистики РПДТ, РДТТ, ГРД и рабочих процессов автономных энергоустановок различного назначения. Его экспериментально-теоретические работы отличают завершенность и создание инженерных методов с компьютерным обеспечением, используемых в конструкторских бюро при создании изделий ракетной техники. Деятельность экспериментатора он начинал в 1960-е годы, когда создал установку, позволившую изучить характеристики течения в донных областях многосоплового блока двигателя лунной ракеты Н1.

В.Н. Наумов экспериментально выявил особенности течений в каналах, околосопловых объемах и дозвуковых частях четырехсопловых РДТТ и РДТТ с утопленными поворотными соплами. Впервые объяснил аномальные эффекты пиков давления в камере сгорания и повышенных уносов теплозащитных материалов (ТЗМ) четырехсопловых днищ. Впервые экспериментально показал и объяснил трансформацию течения и открыл эффект инверсии картины течения и уносов ТЗМ при обтекании продуктами сгорания лобовой части утопленного сопла РДТТ со звездообразным каналом заряда. Важным этапом научной деятельности явилось создание методов и программ расчета расходных характеристик двигателей, что позволило, в частности, совершенствовать методы создания РДТТ и адаптивного управления ракетой. При этом В.Н. Наумов активно участвовал в создании маршевых РДТТ как на стадии эскизного проектирования, так и на стадии отработки.

Применительно к перспективным жидко-капельным теплообменникам для сброса избыточного тепла энергоустановок космических аппаратов Валерий Наумович экспериментально исследовал каплеобразование при вынужденном капиллярном распаде струй теплоносителя и показал, в частности, границы области монодисперсных капель.

В.Н. Наумов с успехом применил свой научный багаж и в конверсионной технике. На базе проведенных им экспериментальных исследований разработаны концептуальные проекты актуальных автономных энергоустановок, использующих газификацию углесодержащих материалов и биомассы. Созданные им оригинальные аэраторы позволили существенно увеличить производительность дрожжерастильных аппаратов. В.Н. Наумов - кандидат технических наук, автор более 100 научных трудов и 20 патентов.

При модернизации маршевых РДТТ с целью увеличения тяговооруженности ракеты конструкторская мысль шла двумя путями: совершенствования заряда (улучшение свойств топлива, увеличение поверхности горения) и совершенствования соплового блока. От простых зарядов с цилиндрическим каналом перешли к канально-щелевым и к зарядам с каналами звездообразного сечения. От четырехсопловых блоков с разрезными (для управления) соплами перешли к односопловым с более высокой степенью расширения сопла (такие сопла в четырехсопловом варианте не вписывались в мидель ракеты) и вдвинули сопло в камеру сгорания (сопло не вписывалось по длине в строительную высоту ракеты), получив так называемое утопленное сопло с клапанами вдува для управления ракетой в полете. Затем утопленное сопло сделали поворотным (ПУС) для изменения направления вектора тяги. В результате компоновки камер сгорания претерпевали существенные изменения.

Турбулентность в пространственных компоновках можно выделить в отдельный раздел. Отличительная особенность такого рода турбулентности от турбулентности в простых формах состоит в том, что внешние или внутренние воздействия могут приводить к появлению качественно новых ситуаций в турбулентном течении. При этом не исключена возможность интерференции потоков, их дисперсии, поглощения одного потока другим и просто локальной остановки течения. Математический аппарат в данном случае остается прежним, но сами задачи существенно усложняются. Они становятся сопряженными, нестационарными и сильно зависят от начально-краевых условий. Такого типа задачи требуют максимально точного соблюдения физического подобия и практически всегда решаются экспериментально путем исследований на модельных установках.

Проиллюстрируем результатами исследований В.Н. Наумова турбулентность, возникающую в некоторых характерных компоновках. Турбулентная структура течения исследовалась им экспериментально на газодинамических моделях при помощи визуализации линий тока методом масляной пленки с порошком-наполнителем и измерением полных и статических давлений вдоль линий тока.

Турбулентность в области четырехсоплового днища

Изначально четырехсопловая компоновка применялась в РДТТ для уменьшения строительной высоты ракеты и, одновременно, использования сопел в качестве органов управления и стабилизации. Как выяснилось, течение продуктов сгорания в таких двигателях может сопровождаться увеличением давления в камере сгорания, а также увеличением уноса ТЗМ днища.

Линии тока имеют характерную картину вблизи четырехсоплового днища при разной геометрии околосоплового объема (h - расстояние от торца заряда до днища, d_к - диаметр канала заряда). При малых h/d_к, характерных для начальных моментов работы РДТТ, растекание веерной струи по днищу происходит с сильным поджатием, что приводит к повышению полного давления в этом сечении и, как следствие, к повышению давления (пикам) в двигателе. Эффект сопровождается также повышением скоростей обтекания днища, резким увеличением градиента давления на периферии днища и образованием обширной периферийной отрывной зоны с парными вихрями, стекающими в сопла. Эти факторы приводят к увеличению уносов ТЗМ днища и уменьшению коэффициента расхода сопла.

По мере выгорания заряда h/d_к увеличивается и происходит бифуркация (смена) режима обтекания днища: околосопловой объем становится свободным настолько, что веерная струя перестает поджиматься, полное давление и коэффициент расхода приходят к нормальному уровню, скорости обтекания днища уменьшаются. Периферийная отрывная зона пропадает, и турбулентная структура потока на входе в сопло упрощается. Если раньше в сопло входили четыре жгута - по два с каждой стороны, то теперь - два, по одному с каждой стороны. Следовательно, забросы давления исчезают, а уносы ТЗМ уменьшаются.

Турбулентность в камерах сгорания двигателей с ПУС

Проведенные на газодинамической модели при меняющихся отношениях встречных расходов m и углах поворота ПУС α эксперименты показали, что поворот сопла приводит к существенному усложнению течения в камере. На линии растекания в месте лобового натекания с наветренной стороны поток из центрального канала разделяется. Часть его уходит в сопло, другая часть затекает в кольцевой с наветренной (по отношению к основному потоку) стороны, образуя линию стекания со встречным потоком. Локальная область затекания увеличивается при увеличении угла α и уменьшении m. При этом возможны режимы потери устойчивости кольцевого потока. Встречный поток выходит из кольцевого канала, обтекая область затекания основного потока.

Дренажные испытания показали, что, по сравнению с ситуацией при α = 0, скорости обтекания внешней поверхности утопленной части сопла, приобретая при α > 0 неоднородное распределение, повсеместно (кроме, естественно, критической точки) увеличиваются. При этом характерно, что с наветренной стороны внешней поверхности поворотной части и скорость и давление выше, чем с подветренной (полные давления двух обтекающих потоков не одинаковы). В дозвуковой части сопла скорости выше вдоль подветренной образующей (заметим, что вдоль сопла термины "наветренная" и "подветренная" меняются на противоположные на внешней и внутренней поверхностях сопла).

В целом, перераспределение статического давления на стенке дозвукового участка повернутой части ПУС создает составляющую газодинамического момента, помогающую повороту сопла.

Эксперименты, связанные с исследованием влияния конденсированной фазы (к-фазы) на турбулентность, проведенные автором данной статьи на модельном двигателе с применением натурного заряда, продукты сгорания которого содержали к-фазу (что характерно практически для всех современных РДТТ), зафиксировали границу отсепарированной части к-фазы, осевшей на дозвуковую поверхность сопла с четко отслеживаемой линией стекания. Картина обтекания ПУС в этом случае согласуется с полученной на газодинамической модели, поскольку отставание к-фазы от газа при уровнях скоростей, характерных для этой области, невелико.

Следует отметить, что турбулентность здесь достаточно специфическая. Отмечаются вялые линии вращения потока и линии ламинарного натекания, характерные для дозвукового потока. Как показано в предыдущих статьях, интенсивное вращение (вихри Тейлора-Гертлера) и кручение потока наблюдаются, как правило, в трансзвуковых областях.

Существенная неоднородность потока в сопле, инициируемая поворотом сопла, может, как показали газодинамические эксперименты, существенно (до 3,5 %) уменьшить коэффициент расхода сопла в начальные моменты работы РДТТ.

Турбулентность в компоновках с канально-щелевыми (звездообразными) зарядами

В первых стендовых испытаниях РДТТ с зарядами, имеющими канал звездообразной формы, разработчики столкнулись с парадоксом. В двигателе одной компоновки повышенные уносы (поперечные канавки) на лобовой части ПУС наблюдались в окрестности плоскостей "по щелям", а в двигателе другой компоновки - "между щелями".

Но, как показал В.Н. Наумов, на самом деле это не парадокс, а газодинамическая закономерность. Оказалось, что изменение геометрии компоновки (диаметра центрального канала d_цк, расстояния торца заряда до сопла) может приводить к инверсии картины обтекания входной части утопленного сопла.

Экспериментальное параметрическое исследование выявило три основные принципиально различные картины: 1 - дискретно-перемежающаяся с лобовым натеканием основного потока "по лучам" и дискретным вытеканием встречного потока "между лучами"; 2 - дискретно-перемежающаяся с лобовым натеканием основного потока "между лучами" и дискретным вытеканием из надсоплового канала "по лучам" и 3 - сплошная с вытеканием встречного потока по всему кольцевому каналу. Естественно, между основными наблюдались переходные режимы. Заметим, что зарисовки отпечатков линий тока, максимально приближенны к фотографиям (см. статью в журнале "Двигатель", № 5 (17), 2001).

Возникновение той или иной картины (1, 2, 3) определяет угол α между границей струи из центрального канала и касательной к входной кромке сопла: при α > 90° реализуется картина 1, при α < 90° - 2, а при α = 90° - картина 3.

Описанные особенности течения инициируют сложную турбулентную структуру потока с пристеночными жгутами в транс- и сверхзвуковой частях сопла, что способствует неравномерному повышенному уносу ТЗМ. При этом, как показали эксперименты, структура обтекания поперечных канавок такова, что они в процессе работы двигателя продолжают "рыть" сами себя. Добавим, что при повороте сопла в рассмотренной компоновке основные закономерности течения остаются в силе (реальные α невелики), хотя и несколько трансформируются.

Коэффициент расхода РДТТ

Знание такого важного параметра, как реальный секундный массовый расход РДТТ, подразумевает возможность определения коэффициента расхода с высокой точностью. Именно В.Н. Наумов разработал соответствующий метод расчета.

Секундный массовый расход РДТТ представляется в виде зависимости: т=Р_изм×F_кр.0×μΣ(τ)×b₀-1; μΣ(τ)=Пj=1μ_j(τ), где Ризм - давление в месте замера в двигателе; F_кр.0 - начальная площадь критического сечения сопла; b₀ - удельный импульс давления (расходный комплекс), посчитанный при фиксированном давлении Р₀ для исходного состава продуктов сгорания; μΣ - суммарный коэффициент расхода РДТТ; μj - составляющая суммарного коэффициента расхода, учитывающая влияние j-го фактора, действующего в процессе работы РДТТ; n - число действующих факторов; t - текущее время работы РДТТ.

Для удобства расчета и анализа результатов μΣ(τ) последовательно разбивается на укрупненные составляющие, которые, в свою очередь, дробятся на произведения частных составляющих, учитывающих влияние отдельных факторов.

Следует подчеркнуть, что данный метод расчета, в отличие от ранее существовавших, учитывает влияние на коэффициент расхода подавляющего большинства факторов, включая особенности компоновок двигателей, уносы теплозащиты, отставание и осаждение частиц конденсированной фазы и др. Кроме того, такая форма представления коэффициента расхода увеличивает точность его расчета по сравнению с ранее принятой, например для газодинамического коэффициента расхода, формой, основанной на сложении разностей эталонного и реального частных коэффициентов расхода.

Влияние отдельных факторов определялось как теоретически, так и, в большинстве случаев, экспериментально. Например, в частном случае РДТТ с центральным каналом и утопленным соплом влияние потерь давления по тракту рассчитывалось по соответствующим формулам.

Влияния, например, локальных искажений входного контура сопла при обтекании утопленного сопла РДТТ со звездообразным зарядом, скругления входной кромки сопел РДТТ с четырехсопловым блоком, угла поворота утопленного сопла и соотношения встречных расходов в околосопловой области, учитывались на основе полученных экспериментально на газодинамических моделях частных составляющих.