МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫГОРАНИЯ ДВУХСОСТАВНЫХ ЗАРЯДОВ

Николай Юрьевич Кочетков, аспирант

С целью повышения удельного импульса тяги в РДТТ переходят на высокотемпературные топлива. Углеродные конструкции при повышенных температурах не позволяют решить проблему стойкости материальной части. С целью ее защиты используются двухсоставные заряды, обеспечивающие "холодный" слой продуктов сгорания вблизи омываемых стенок.

Внедрение высокотемпературных топлив в РДТТ (Т > 4500 К) с целью увеличения удельного импульса тяги ставит под вопрос надежность использования углерод-углеродных композитных материалов в конструкциях сопловых блоков. В качестве одного из вариантов решения данной проблемы были предложены двухсоставные заряды, состоящие из высокотемпературных (ВТТ) и низкотемпературных (НТТ) топлив. НТТ, расположенное вблизи соплового блока, создает более холодную область из продуктов сгорания - газовую завесу, которая омывает стенку и снижает ее температуру. Надежность работы сопла при этом увеличивается, а разгары проточной части уменьшаются. Недостатком данного способа является частичное снижение удельного импульса тяги. Поэтому с целью оптимизации удельного импульса и других внутрибаллистических характеристик двигателя необходимо точное знание динамики выгорания двухсоставного заряда и, в том числе, зависимостей указанных характеристик от соотношения расходов G (величины подмеса).

Для исследования процессов выгорания таких зарядов были разработаны методика и программа, позволяющие определить основные внутрибаллистические характеристики: давление, расход, удельный импульс и др. При этом была принята следующая модель расчета. Считалось, что двухсоставный заряд формирует двухслойное течение, ограниченное разделительной линией, первоначальная форма которой в последующем уточнялась. Вблизи этой линии в достаточно тонком слое потоки полностью перемешиваются и реализуется стехиометрическое соотношение компонентов. Соотношение нарушается при удалении от этой линии. При приближении к стенке конструкции преобладают продукты сгорания НТТ, а при удалении от разделительной линии в сторону ядра потока - продукты сгорания ВТТ. При этом поперек камеры сгорания выстраивается определенный гладкий профиль концентраций со значениями, равными 100-процентной концентрации продуктов сгорания ВТТ в ядре потока и такой же концентрацией продуктов сгорания НТТ у стенки. Начальная (ламинарная) форма разделительной линии рассчитывалась по аналитической зависимости, в которой использовались скорости горения, полученные из решения одномерных балансовых соотношений без учета нелинейности основополагающих уравнений, описывающих стратифицированные течения вблизи контакта потоков. При малых различиях в скоростях горения этого было достаточно. При существенной разнице скоростей зависимость усложнялась и решение приобретало вид градиентных волн Кельвина-Гельмгольца, либо соответствовало области смешения спутных турбулентных струй.

В программе используется принцип соответствия статических давлений потоков на границе и полных давлений по длине разделительной линии. В состав программы входят несколько взаимосвязанных блоков, обеспечивающих выполнение расчета в реальном масштабе времени. Используется подпрограмма для расчета на каждом шаге термодинамических параметров при заданном соотношении продуктов сгорания ВТТ и НТТ. Результаты расчета используются для определения характеристик в непосредственной близости от разделительной линии.

Моделирование процесса выгорания зарядов осуществляется с привлечением программы "Геометрия" (автор М.Л. Филимонов), предназначенной для расчета монозарядов и используемой в качестве процедуры. На каждом шаге определяются скорости горения ВТТ и НТТ. При этом моделируется отставание по своду горения из-за существенной разности скоростей горения топлив. В процессе выгорания разделительная линяя меняет свое положение в пространстве и во времени. От расположения этой линии зависит организация теплообмена продуктов сгорания со стенкой соплового блока. Интегральные характеристики: расход, удельный импульс и др. рассчитываются по параметрам разделительной линии.

Эффективная работа двухсоставного заряда определяется оптимальной величиной подмеса G(t) = Gопт , при которой форма разделительной линии достаточно стабильна, параметры выгорания постоянны, а величина линейного уноса в критическом сечении такова, что потери удельного импульса тяги за все время работы минимальны. С целью обеспечения постоянства этой величины в процессе выгорания был разработан специальный метод и создана программа профилирования образующей разделительной поверхности двухсоставного заряда. Метод и программа основаны на принципе погашения дефицита поверхности горения, необходимого для обеспечения соответствующего соотношения расходов со стороны ВТТ и НТТ. Для более точного воспроизведения стабильного выгорания необходимо спроектировать заряд с постоянной по времени поверхностью выгорания.

Литература

1. Кочетков Н.Ю. Методы математического моделирования процессов выгорания двухсоставных зарядов РДТТ. // Аэрокосмические технологии, Реутов, 2009.
2. Кочетков Н.Ю. Методы расчета энергетических характеристик РДТТ с двухсоставными зарядами. // Информационные технологии в авиационной и космической технике, Москва, 2009.