Введение к работе
Актуальность проблемы
Перспективы развития современных ракетно-космических ЖРД, в том числе многоразовых, определяются улучшением их энергомассовых характеристик, высокой надёжностью на протяжении всего срока эксплуатации, экологической чистотой компонентов топлива, минимальной стоимостью затрат но разработке, производству и обслуживанию двигателей. К числу основных параметров, задаваемых при проектировании ЖРД, относятся тяга и геометрическая степень расширения сопла камеры. Более высокие давления в камере сгорания дают возможность увеличивать тягу двигателя без чрезмерного увеличения его габаритных размеров. Отечественные ЖРД большой тяги выполнены по замкнутой схеме, в которой генераторный газ после привода турбин турбонасосного агрегата (ТНА) дожигается в камере сгорания. Замкнутая схема позволяет получать максимальные энергетические характеристики двигателя вследствие полного использования химической энергии топлива при оптимальном для двигателя соотношении его компонентов. Гем не менее такая схема имеет ряд особенностей, связанных с необходимостью достижения предельных режимов работы газогенератора и турбин за счёт интенсификации рабочих процессов и значительного повышения давления в агрегатах системы подачи топлива. Использование современных конструкционных материалов и техноло 1-ий препятствует дальнейшему повышению давления в проточных трактах ЖРД в первую очередь из соображений надёжности. Поэтому в последнее время в нашей стране и за рубежом при проектировании и создании новых мощных ЖРД обращаются к открытой схеме.
В существующих ЖРД открытой схемы (например, С5.92 (Россия), РД-861 (Украина), Vulcain (Франция) (см, рис.1)) генераторный газ после привода турбин ТНА без дожигания в камере сгорания истекает из выхлопных сопел, создавая дополнительную тягу. Особенностью данной
Рис, 1. ЖРД открытой схемы с соплами сброса генераторного газа
схемы является относительная независимость параметров камеры и газогенератора, что позволяет проводить автономную отработку агрегатов системы подачи до огневых испытаний двигателя. Вследствие совершения работы по приводу турбин энергетические параметры генераторного газа значительно уменьшаются Величина расхода низконапорного и низкоэнтальпийного генераторного газа составляет несколько процентов от полного расхода продуктов сгорания, истекающих из сопел двигательной установки Открытая схема ЖРД имеет пониженный удельный импульс тяги (УИТ), но конструктивно существенно проще и экономически более выгодна в отношении затрат по доводке двигателя до высокого уровня надежности по сравнению с замкнутой схемой ЖРД
Результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в Центре Келдыша и КБ отрасли, позволили сделать вывод о том, что наиболее целесообразной схемой маршевого ЖРД для оснащения российских средств выведения нового поколения является открытая схема с восстановительным газогенератором В качестве топливной пары предполагается использовать кислород и сжиженный природный газ, состоящий на 98% из метана Для увеличения УИТ ЖРД открытой схемы следует подавать отработанный генераторный газ в сверхзвуковую часть сопла тангенциально основному потоку продуктов сгорания Этот способ позволяет использовать энергетически слабый генераторный газ не только для повышения тяговой эффективности двигателя, но и для внутреннего завесного охлаждения стенки сверхзвуковой части сопла Тангенциальный вдув генераторного газа в сверхзвуковую часть основного сопла ЖРД позволяет также уменьшить массу двигателя как за счет убираемой массы выхлопных сопел и газоводов к ним, так и за счет снижения массы сопла ниже по потоку от места вдува заменой охлаждаемой (регенеративно или автономно) стенки сопла на относительно более легкий тонкостенный насадок радиационного охлаждения (НРО)
Следует отметить, что в настоящее время исследования течений в соплах с газовой завесой в сверхзвуковой части являются актуальными также для ЖРД замкнутой схемы Разрабатываемая модификация кислородно-водородного ЖРД КВД-1 (Россия), работающего по замкнутой схеме, предполагает тангенциальный вдув водорода после системы регенеративного охлаждения в сверхзвуковую часть сопла с целью дополнительного завесного охлаждения НРО
Таким образом, существует потребность создания универсального программного и методического обеспечения (ПМО) для определения основных газодинамических, тепловых и энергетических характеристик, необходимых на этапах проектирования, стендовых огневых испытаний камер, в том числе имеющих тангенциальный вдув газа в сверхзвуковую часть сопла, и ЖРД в целом
Цель работы
создание расчетного метода, позволяющего с высокой точностью определять потери УИТ, связанные с пограничным слоем, в обычных соплах ЖРД без вдува, потери УИТ из-за вязкости в соплах ЖРД при тангенциальном вдуве одного или нескольких различных газов в сверхзвуковую часть сопла, рассчитывать температуру стенки сопла ЖРД, не имеющей системы наружного проточного охлаждения и охлаждаемой за счет внутреннего завесного охлаждения и/или излучения,
разработка способа профилирования сверхзвуковой части сопла ниже по потоку от места тангенциального вдува газа с целью проведения сравнительного анализа энергетических характеристик сопел,
расчетное исследование влияния определяющих параметров газовой завесы на энергетические характеристики и тепловое состояние стенки сверхзвуковой части сопла ЖРД,
выработка рекомендаций по оптимальному выбору местоположения тангенциального вдува генераторного газа в сверхзвуковую часть сопла и параметров вдуваемого генераторного газа для ЖРД открытой схемы
Научная новизна работы
Разработано универсальное ПМО для расчета газодинамических и тепловых характеристик, потерь УИТ в соплах ЖРД и профилирования сверхзвуковой части сопла при наличии тангенциального многощелевого вдува различных газов
Для течений в сверхзвуковых соплах при тангенциальном вдуве одного или нескольких различных газов дана математическая формулировка задачи и разработана алгебраическая модель турбулентной вязкости, основанная на решении уравнений концентрации примеси
Получено аналитическое решение задачи определения потерь УИТ из-за вязкости при тангенциальном многощелевом вдуве в сопло различных газов
На основании анализа экспериментальных исследований процессов в соплах натурных ЖРД, модельных установках и прямыми расчетами установлено, что потери УИТ из-за вязкости в соплах с тангенциальным вдувом газа меньше, чем в исходных соплах без вдува
Определена область автомодельности и показано, что уменьшение потерь УИТ из-за вязкости и максимальная температура теплоизолированной стенки сопла ниже по потоку от места подачи газовой завесы практически не зависят от числа Рейнольдса, определенного по параметрам в критическом сечении основного сопла, в диапазоне 2,33 10б 2,33 107
Практическая ценность работы
Разработанное ПМО используется при анализе результатов стендовых огневых испытаний камер и ЖРД в целом, при выборе профилей НРО сопел
существующих ЖРД верхних ступеней, в модификациях существующих и проектных разработках перспективных ЖРД открытой схемы
Достоверность
Достоверность результатов, полученных расчетно-теоретическим путем, подтверждается экспериментальными данными в широком диапазоне изменения определяющих параметров, характерных для сопел ЖРД, включая данные, полученные на модельных установках и натурных двигателях
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на межотраслевых семинарах НИИТП (Центр Келдыша) с 1988 г по 1995 г, на конференциях «Propulsive Flows in Space Transportation Systems» (Bordeaux, Франция) в 1995 г, «32nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit» (Lake Buena Vista, США) в 1996 г, «33rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit» (Seattle, США) в 1997 г, «Актуальные вопросы планетных экспедиций» (Москва, Россия) в 2006 г
Публикации
Работа содержит результаты, полученные в период с 1988 г по 2006 г и опубликованные в 6 статьях и 18 научно-технических отчетах
Объем работы
Диссертация состоит из списка условных обозначений, введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников из 94 наименований и приложения, изложенных на 152 страницах, 48 иллюстраций, 15 таблиц
