ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТРОЙСТВ СОЗДАНИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ УСИЛИЙ В РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

4.4.

ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТРОЙСТВ СОЗДАНИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ УСИЛИЙ В РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

4.4.1. ОБТЕКАНИЕ ВЫДВИЖНОГО ЩИТКА И ДЕФЛЕКТОРА В РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

При погружении выдвижного щитка в сверхзвуковую струю в области среза сопла часть потока отклоняется от стенки соплами обтекает щиток (рис. 4.9).

Пограничный слой перед линией отрыва обычно турбулентный, высота ступеньки (глубина погружения щитка) больше толщины пограничного слоя б. В косом скачке линии тока отклоняются от первоначального направления, между отклоненным потоком и стенкой образуется турбулентная область (см. подразд. 4.5).

Общая картина турбулентного отрыва не зависит от того, каким способом он создается: ступенькой (различного вида), противодавлением, падающей ударной волной, поперечным вдувом газа или впрыском жидкости.

Боковая сила, вызванная турбулентным отрывом плоского сверхзвукового потока перед ступенькой, может быть записана в виде суммы интегралов прироста давления по области перед отрывом (примерно 2,5) и по области отрыва (около 4,5h).

Приближенно

где Р- пустотная тяга двигателя при выведенном щитке; h_a — высота поперечного сечения плоского сопла шириной, равной 1; К_у=2,3- коэффициент относительной боковой силы; F_m=h/h_a— относительная площадь погружения щитка.

Рис. 4.9. Обтекание сверхзвуковым потоком препятствий на стенке:

а - выдвижного щитка; б -распределение давления; в -струйного препятствия.

Потери тяги вследствие погружения щитка в поток (или относительное сопротивление щитка) без учета давления на его тыльной стороне

где - коэффициент относительных потерь (табл. 4.12).

В последней колонке табл. 4.12 для сравнения приведены значения коэффициента в формуле для относительной боковой силы газового руля, установленного на срезе сопла .

Выдвижной щиток РДТТ имеет не только верхнюю, но и боковые кромки.

В области отрыва возникают течения, параллельные линии пересечения плоскостей щитка и сопла. Трехмерные эффекты становятся особенно существенными, если высота щитка превышает размах в пять и более раз.

Опытные, характеристики щитка, вводимого в поток в выходном сечении, приведены в табл. 4.13.

Обтекание дефлектора аналогично рассмотренной картине течения в сопле с выдвижным щитком. Однако поверхность дефлектора составляет отличный от нуля угол с направлением оси у, перпендикулярной к оси сопла. Поэтому равнодействующая сил давления на дефлектор является не только сопротивлением, но и имеет составляющую по оси у. Кольцо дефлектора воспринимает примерно 2/3 полной боковой силы, а около 1/3 боковой силы приходится на стенку сопла в области отрыва потока.

Таблица 4.12

Характеристики выдвижного щитка и газового руля

1,9

6,4

0,80

0,59

0,46

0,55

0,34

0,24

1,5

1,7

1,9

0,81

0,50

0,36

Таблица 4.13

Опытные характеристики выдвижного щитка

Относительная площадь щитка

0,05

0,10

0,15

Угол отклонения вектора тяги

Относительные потери тяги

0,02

0,05

0,08

При увеличении утечки газа через зазор между срезом сопла и дефлектором уменьшаются, размер отрывной зоны, образующейся на стенках сопла при повороте дефлектора, и поперечная сила, а также увеличиваются Р.

4.4.2. ВДУВ ГАЗА И ВПРЫСК ЖИДКОСТИ В СОПЛО В РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Если через отверстие в стенке сопла втекает в поток вторичная струя жидкости или газа, то часть потока отклоняется от стенки; а вверх по течению от отверстия образуется зона повышенного давления. При этом возникает боковая сила, которая складывается из реактивной силы вторичной струи и равнодействующей сил давления в области отрыва потока.

v Обтекание струйного препятствия в сопле сопровождается не только возникновением боковой силы, то и приростом тяги, так как сопротивление вторичной струи не передается соплу, а равнодействующая сил повышенного давления по зоне отрыва имеет осевую составляющую (боковая стенка сопла наклонена к оси РДТТ).

Вторичная струя жидкости или газа воздействует на основной поток как источник массы, количества движения и энергии. Так, в плоском сверхзвуковом сопле (с выходным сечением высотой h_a) воздействие вторичной струи бесконечно малой интенсивности dm приводит к повышению давления в потоке:

где Н, р - энтальпия и давление в потоке; v=Ма - скорость потока; v_BT - скорость вторичной струи; v_BTcos - осевая составляющая скорости вторичной струи; N - молярная масса.

Равнодействующая сил давления по возмущенной области длиной , а соответствующий удельный импульс определяется соотношением

Удельный импульс боковой силы при вдуве (впрыске) газа (жидкости) в закритическую часть сопла (табл. 4.14. к=1,24, Т=300К, М=2,5):

где I_вт - собственный удельный импульс вдуваемой (впрыскиваемой) струи.

Коэффициент усиления при вдуве инертного газа в закритическую часть сопла. Возмущенную пристенную зону, возникающую при вдуве газа в закритическую часть сопла, можно разделить на две части: вверх и вниз по течению от отверстия вдува, находящегося на расстоянии l от выходного сечения сопла. Коэффициент усиления для первой части области, характеризуемой отрывом потока перед трехмерным струйным препятствием, равен 1,5...1,8, а коэффициент усиления для второй области увеличивается пропорционально (l/d_э)^0,5. В результате анализа экспериментальных данных имеем

где - угол между осью канала вдува и осью сопла ракетного двигателя; — эквивалентный диаметр отверстия (здесь — расходные комплексы для газов вторичного и основного потоков; ).

Приведенная формула для К_у справедлива до тех пор, пока центральный угол охвата возмущенной области в выходном сечении сопла 2_а менее 160°. При распространении возмущения на противоположную вдуву сторону сопла (2_а>160°) коэффициент усиления уменьшается, и уменьшение пропорционально _а160°):

Таблица 4.14

Удельный импульс струи, втекающей

в закритическую часть сопла при взаимодействии с потоком

Вдуваемое рабочее тело

Тепло, поглощаемое впрыскиваемым веществом при нагреве до температуры потока (1700 К), кДж/моль

, м/с

*с

Инертные газы:

продукты сгорания твердого топлива

нейтральные жидкости:

реагирующие жидкости и газы (содержится в потоке):

41,8

-54

144

156

83,6

-426

-860

210

7300

2320

4260

1240

1560

1700

6600

4700

1470

0,06

0,27

7,1

1,2

2,0

5,3

0,9

6,8

2,2

Примечание. - плотность рабочего тела. Газы хранятся при давлении 10,3 МПа и впрыскиваются со звуковой скоростью под углом к оси сопла.

Поэтому после того как угол охвата возмущенной области достиг значения 2=160°, увеличивать расход вдуваемого газа целесообразно только через дополнительные отверстия, расположенные в области разрежения, находящейся вниз по потоку от струйного препятствия. Тоща в этой области повышается давление, и размеры возмущенной области не увеличиваются (в определенных пределах роста m_вт); коэффициент усиления при этом остается приблизительно на прежнем уровне, а боковая управляющая сила возрастает.

Удельный импульс боковой управляющей силы при впрыске жидкости. Характеристики систем впрыска четырехокиси азота (стартовые РДТТ ракеты "Титан-ЗС", табл. 4.15) и впрыска фреона-12 (третья ступень ракеты "Минитмен") таковы:

а) при впрыске N₂ О₄ Р_у/Р);

б) при впрыске фреона-12 Ру/Р; К_у=0,6.

Таблица 4.15

Боковая сила и удельный импульс при впрыске                                                   в сопло четырехокиси азота

0,02

0,05

0,10

0,15

0,20

0,30

м/с

0,02

2600

0,045

2400

0,075

2000

0,10

1700

0,115

1600

0,14

1200

В системе вытеснения фреона имеется стабилизатор давления (4,5±0,2) МПа с пропускной способностью 0...0,45 кг/с (см. рис. 1.12). Расход газа или жидкости на парирование случайных эксцентриситетных возмущений по каналам тангажа и рыскания пропорционален сумме абсолютных значений проекций управляющего усилия на каждую из взаимно перпендикулярных плоскостей стабилизации z =|Х|+\y\=и+v>0, причем

, при ,

а  (v) записывается аналогично. Плотность вероятности распределения суммы двух модулей нормальных случайных величин z=\x\+\у\ (при =)

,

где .

Для вероятности получаем , так, вероятности 0,997 соответствует отклонение, равное примерно 4,2.

4.4.3. ИСТЕЧЕНИЕ НЕДОРАСШИРЕННОЙ СТРУИ НАВСТРЕЧУ СВЕРХЗВУКОВОМУ ПОТОКУ В РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

При работе тормозных двигателей (предназначенных для отделения нижней ступени) и сопел отсечки тяги струи продуктов сгорания истекают вперед и разворачиваются в набегающем воздушном сверхзвуковом потоке. Форма поверхности раздела (контактного разрыва) близка к поверхности вращения цепной линии:

.

Начало координат (х, r) находится в точке пересечения осевой линии сопла с поверхностью раздела, причем положительным является направление х к выходному сечению сопла или к блоку сопел с тем же массовым расходом газа т и той же площадью выходного сечения сопла Fa=d²_al4 (рис. 4.10).

Реактивная струя расширяется до давления окружающей среды. Прямой скачок уплотнения в реактивной струе снижает полное давление в струе до значения, равного полному давлению за прямым скачком в набегающем потоке (по осевой линии). Число М на оси струи перед центральным скачком уплотнения определяется соотношением

,

где (М) и (М_оо)—коэффициенты восстановления в прямых скачках в струе и набегающем потоке;

.

Скоростной напор в струе после прямого скачка q отличается от скоростного напора в набегающем потоке после прямого скачка q. Осевое положение поверхности раздела рассчитывается методом последовательных приближений в предположении, что эта поверхность представляет собой полусферическое препятствие реактивной струе. По известному распределению числа М по оси недорасширенной струи определяется расстояние l от среза сопла до места пересечения прямого скачка в струе с осевой линией.

Приближенно

,

где  - интенсивность фиктивного источника; К= - параметр, определяющий течение вдали от сопла; а=arcsin1/М_а - угол Маха на срезе сопла.

Толщина слоя между прямым скачком в реактивной струе и контактной поверхностью (по осевой линии)

.

Таким образом, начало координат с вершиной цепной линии находится на осевой линии на расстоянии() от среза сопла, из которого вытекает струя во встречный сверхзвуковой поток.

Рис. 4.10. Истечение струй тормозных двигателей во встречный поток:

1 - тормозные двигатели;   2 - отделяемая ступень;    3 - линия контактного разрыва.

содержание   .. 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19  20 ..