Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анали предшествующих работпо даннойтеме, постановка задачисследований 10
1.1. Типы лазерных ракетных двигателей 14
1.2 Характеристики лазеров используемых в качестве источника энергии! для ракетных двигателей 19
1.3 Газодинамическое окно дляввода лазерного излучения в камеру поглощения ЛРД 25
1.4 Процессы поглощения лазерного излучения в камере ЛРД 28
1.5 Инициирование и поддержание непрерывного оптического разряда в камере поглощения ракетного двигателя. 32
1.6 Лучистые тепловые потоки в камере поглощения ЛРД .: 34
1.7 Устойчивость непрерывного оптического разряда 36
1.8 Применение закрученных течений для стабилизации плазмы 40
1.9 Постановка задач исследования 41
ГЛАВА 2 Разработка и экспериментальное исследование эффективности газодинамического окна на основе закрученногопротивоточноголпечения 42
2.1 Определение радиуса вынужденного вихря- .44
2.2 Учет влияния НОР на внутрикамерные процессы ЛРД 44
2.3 Экспериментальное исследование газодинамического окна на основе закрученного противоточного потока 56
2.4 Экспериментальные исследования эффективности ГДО на основе противоточного вихревого течения в зависимости от диаметра минимального сечения и давления на входе з
2.5 Экспериментальные исследования эффективности ГДО, на основе комбинированной организации осевого и закрученного течения в камере ЛРД-1.2 .. 68
ГЛАВА 3 Численное моделирование внутрикамерных теченийв ЛРД 75
3.1 .Физическая областьмоделирования. Расчетная сетка. 76
3.2 Физико-математическая модель : 79
3.3 Результаты численного моделирования течений в ЛРД
3.3.1 Численное моделирование ЛРД - Г в холодном режиме 82
3.3.2 Численное моделирование ЛРД-1.1 - 95
3;3:2;Г Численное моделированиеЛРД -1.1 с моделью турбулентной вязкостик-epsilon realizable 95
3.3.3 Сравнение результатов расчетов моделей ЛРД-1 и ЛРД-1.1 ; 100
ЗіЗі4 Численное исследование влияния сферы, имитирующей НОР в камере поглощения ЛРД -1 104
ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование основных характеристик лазерного ракетного двигателя на основе непрерывного оптического разряда ... 115
4.1. Описание лазерного технологического комплекса 115
4.2 Схемапроведения;«огневых» испытаний 117
4.3 Экспериментальные исследования-инициирования непрерывного оптического разряда .118
4.4 Экспериментальное исследование характеристик ЛРД на основе непрерывного оптического разряда 119
Основные результатыи выводы. 131
Список использованной литературы...
- Процессы поглощения лазерного излучения в камере ЛРД
- Экспериментальное исследование газодинамического окна на основе закрученного противоточного потока
- Результаты численного моделирования течений в ЛРД
- Схемапроведения;«огневых» испытаний
Введение к работе
В настоящей работе представлены результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований варианта организации внутрикамерного рабочего процесса лазерного ракетного двигателя, с газодинамической стабилизацией непрерывного оптического разряда осесимметричным закрученным противоточным потоком.
Актуальность работы. Дальнейшее освоение околоземного пространства неминуемо приведет в ближайшие десятилетия к увеличению грузопотоков на различные околоземные орбиты Земли. Актуальным является перевод значительных грузов из низких орбит на более высокие, что требует, наряду с применяемыми в настоящее время жидкостными и твердотопливными ракетными двигателями, реализации более эффективных способов создания реактивной тяги.
Увеличение энерговооруженности космических аппаратов и создание мощных оптико-волоконных твердотельных лазеров с диодной накачкой имеющих кпд 30-35 % позволяет приступить к реализации идеи высокоэффективных ракетных двигателей с подогревом рабочего тела энергией лазерного излучения. Вместо использования ядерных или химических реакций для нагрева рабочего тела применяется мощный лазерный луч. Поскольку при использовании лазерной энергии рабочее тело можно нагреть до 10-К30-10 К, то практически достижим удельный импульс, превышающий 10 000 м/с. Поэтому лазерный ракетный двигатель (ЛРД) является перспективным типом двигателя для разгонных блоков, для систем ориентации и стабилизации орбитальных космических аппаратов.
Большой вклад в исследование непрерывного оптического разряда в среде различных газов при различных давлениях, скоростях течения потока и мощностях подводимого лазерного излучения внесли известные отечественные ученые: Райзер Ю.П., Прохоров A.M., Бункин Ф.В., Козлов Г.И., Генералов Н.А., Суржиков СТ., Гуськов К.Г., Зимаков В.П., Федоров В.Б., Большаков А.П, Конов В.И., Кулумбаев Э.Б., Лелевкин В.М. и другие.
В настоящее время в РФ исследованием проблемы создания лазерного ракетного двигателя работающего в импульсном и в непрерывном режимах, занимаются Исследовательский Центр им. М.В. Келдыша (научн. рук. Коротеев А.С.), НИИ комплексных испытаний оптико-электронных приборов (г.Сосновый бор, научн. рук. Резунков Ю.А.), Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН (Аполлонов В.В.), Институт лазерной физики СО РАН (Тищенко В.Н.) и КБХА (г. Воронеж).
Из анализа литературных данных следует, что множество вопросов, связанных с организацией рабочего процесса и разработкой модели ракетного двигателя на основе непрерывного оптического разряда в камере, в опубликованных работах практически не рассматриваются. В связи с этим тема диссертационной работы, посвященная созданию и исследованию модели лазерного ракетного двигателя с газодинамической стабилизацией непрерывного оптического разряда является актуальной.
Цель работы состоит в организации рабочего процесса в лазерном ракетном двигателе с газодинамической стабилизацией непрерывного оптического разряда осесимметричным закрученным противоточным потоком на основе исследования внутрикамерных процессов в ЛРД.
Основные задачи диссертационной работы:
Аналитически определить условия стабильного существования плазмы непрерывного оптического разряда в камере поглощения ЛРД для закрученного противоточного потока в зависимости от температуры и типа рабочего газа, от тангенциальной скорости рабочего газа на входе в камеру поглощения ЛРД и числа Росби.
Получить с использованием методов планирования эксперимента уравнения регрессии, связывающие изменение разрежения в приосевой области газодинамического окна (ГДО) от режимных и геометрических параметров модельного ЛРД и оценить оптимальные режимы работы ГДО на основе закрученного противоточного течения в камере поглощения ЛРД.
Создать модельную установку, позволяющую проводить экспериментальные исследования внутрикамерных течений в ЛРД при взаимодействии закрученных и осевых потоков рабочего газа. Результаты исследований на модельной установке должны служить основой для «огневых» испытаний экспериментальных ЛРД.
Провести численное исследование внутрикамерных течений ЛРД в программном пакете Fluent с проведением верификации полученных результатов.
На основе «огневых» испытаний разработанного экспериментального ЛРД с газодинамической стабилизацией непрерывного оптического разряда осесимметричным закрученным противоточным потоком получить характеристики рабочих процессов ЛРД и сравнить полученные результаты с известными результатами других авторов.
Объект исследования - ЛРД с газодинамической стабилизацией непрерывного оптического разряда.
Методы исследований - расчетно-теоретические и экспериментальные исследования влияния режимных и конструктивных параметров на характеристики ЛРД.
Достоверность полученных результатов подтверждается и обеспечивается использованием: измерительной аппаратуры прошедшей метрологическую поверку, экспериментальной верификацией результатов моделирования; проведением «огневых» испытаний экспериментальных образцов ЛРД, удовлетворительным согласованием полученных теоретических результатов с экспериментальными данными автора и с имеющимися результатами других авторов в сопоставимых условиях.
Научная новизна:
1. Получена аналитическая зависимость, позволяющая определить условия стабильного существования плазмы непрерывного оптического разряда в камере поглощения ЛРД для осесимметричного закрученного противоточного
потока в зависимости от температуры и типа рабочего газа, от тангенциальной скорости, числа Росби.
Получено уравнение регрессии на основе использования центрально-композиционного ортогонального плана 2-го порядка, связывающее изменение разрежения в приосевой области ГДО от режимных и геометрических параметров модельного лазерного ракетного двигателя.
Получена полиномиальная зависимость степени разрежения в приосевой области ГДО на основе осесимметричного закрученного противоточного потока от соотношения диаметров газодинамического окна и критического сечения сопла.
Выявлена качественная и количественная картина течения во внутрикамерном пространстве ЛРД для осесимметричного закрученного противоточного потока на основе численных исследований, с использованием программного пакета Fluent, с экспериментальной верификацией полученных результатов.
Полученные в ходе доводки экспериментальных «огневых» испытаний ЛРД эксплуатационные, конструктивные, тепломассобменные, газодинамические параметры и показатели работы ЛРД позволяют сделать вывод об эффективности и конкурентоспособности ЛРД среди тепловых и электроракетных двигателей.
Практическая значимость. Результаты проведенных исследований могут быть использованы для оценки оптимальных режимов работы ГДО и КП и учета влияния параметров потока рабочего газа на устойчивость непрерывного оптического разряда при проектировании и разработке лазерных ракетных двигателей.
Результаты работы рекомендуются к использованию при проектировании лазерных ракетных двигателей на ОАО «Казанское ОКБ «Союз».
Основные положения диссертации использованы при выполнении госконтракта № 02.740.11.053, заключенного научно образовательным центром КГТУ им. А.Н. Туполева (КАИ) с Федеральным агентством по науке и инновациям в области ракетостроения шифр «2010-1.1-410-008» по теме: «Исследование и совершенствование лазерного ракетного двигателя с тягой (0.1 - 0.01 Н), с удельным импульсом /^ = (10 000-15 000) м/с».
Положения выносимые на защиту:
Аналитическую зависимость, связывающую температуру рабочего тела в камере поглощения, тангенциальную скорость газа и число Росби с параметрами осесимметричного закрученного противоточного течения, обеспечивающего стабильный осевой обдув плазмы для устойчивого «горения» НОР.
Результаты модельных экспериментов по оценке оптимальных режимов работы ГДО на основе осесимметричного закрученного противоточного течения, используемого в камере поглощения ЛРД.
Результаты численного моделирования осесимметричного противоточного закрученного потока во внутрикамерном пространстве ЛРД.
Результаты «огневых» испытаний экспериментального ЛРД с газодинамической стабилизацией непрерывного оптического разряда осесимметричным закрученным противоточным потоком, подтверждающие работоспособность экспериментального ЛРД.
Личный вклад. Автором сформулированы цели и задачи исследования; выполнены численные моделирования внутрикамерных течений в ЛРД; созданы модельные и экспериментальные образцы ЛРД; проведены экспериментальные исследования эффективности газодинамического окна; проведены «огневые» испытания экспериментальных ЛРД; обобщены полученные результаты.
Апробация работы. Работа обсуждалась на 10 научно-технических конференциях и семинарах российского и международного уровня:
на Международной научно-практической конференции (АКТО-2010) «Современные технологии и материалы - ключевое звено в возрождении отечественного авиастроения», г.Казань, 2010 г.;
на IX международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт-Петербург, 2010 г.;
на XVII, XVIII Международных молодежных научных конференциях КГТУ-КАИ «Туполевские чтения», г.Казань, 2009, 2010 гг.;
на Международной молодежной научной конференции МАТИ «Гагаринские чтения», г.Москва, 2009 г.;
на 2-й Всероссийской конференции ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике-2009», МАИ, г.Москва, 2009 г.;
на Международной научно-технической конференции СГАУ «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», г.Самара, 2009 г.;
на V Всероссийской научно-технической конференции КГТУ-КАИ «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики», г.Казань, 2009 г.;
на XX, XXI Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях КВАКУ «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, экология», г.Казань, 2008, 2009 гг.
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, изложены в 12 научных публикациях. Из них 2 статьи в журнале, из списка рекомендованного ВАК РФ, 6 докладов на международных конференциях, 4 доклада на Всероссийских конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, выводов и списка использованных литературных
источников. Работа изложена на страницах машинописного текста,
Процессы поглощения лазерного излучения в камере ЛРД
В работе [17] изложены результаты работ по созданию ЛРД, работающего на основе непрерывного лазера с осевым обдувом непрерывного оптического разряда, которые проводились советскими учеными, о чем стало известно по докладу, сделанному ими на 42-ом Международном конгрессе по аэронавтике 1991 году (г. Монреаль). В данной работе приведены геометрические размеры созданного ЛРД и показаны характеристики мощного газодинамического С02 лазера. Однако «огневые» испытания данного двигателя так и не проводились из-за отсутствия финансирования. Как приводилось выше, повышение удельного импульса достигается повышением температуры рабочего тела и использованием рабочего газа с малой молекулярной массой, в свою очередь высокая температура рабочего тела требует организации тепловой защиты стенок конструкции ЛРД, особенно в области критического сечения камеры поглощения.
В работе [18] показано, что конвективные тепловые потоки в камере поглощения ЛРД в зависимости от вкладываемой мощности лазера могут достигнуть значений близких, к показателям тепловых потоков в камере сгорания ХРД -5-Ю7 Вт/м2.
Кроме того, существует проблема стабилизации оптического разряда в камере поглощения (КП). На некоторых режимах при низких давлениях рабочего газа на входе в КП из-за нарушения условия устойчивого «горения» оптического разряда (ОР) наблюдалось движение плазмы, образованной ОР, в направлении подвода лазерного излучения, что приводило к прогару задней стенки камеры поглощения.
В работе [19] сообщается о двух возможных способах организации устойчивого «горения» оптического разряда: газодинамическом и электродинамическом. Электродинамический не требует особых усилий для удержания ОР и реализуется путем использования короткофокусных линз (менее 25 см) для концентрации лазерного излучения в фокусе, для чего используются различные линзы, например из КСГ или ZnSe. Однако при фокусных расстояниях (фокусирующей системы) свыше 25 см НОР не может стабильно гореть, так как нарушается условие электродинамической стабилизации разряда [19]: здесь \i - коэффициент поглощения плазмы на длине волны лазерного излучения, м-1; г - радиус поперечного сечения лазерного пучка в том месте, где локализуется НОР; а - полуугол схождения сфокусированного лазерного пучка. При этом интенсивность лазерного излучения в плазме разряда должна быть выше порогового значения для данного газа. При этом, увеличение мощности лазерного излучения выше 2 кВт, в случае использования в качестве окна для введения лазерного луча в камеру поглощения ЛРД различных линз из твердого вещества, приводит к растрескиванию материала, и линзы быстро выходят из строя, что практически не позволяет получать мощный стационарный разряд.
Поэтому в дальнейшем в данной работе рассматриваются только газодинамические способы стабилизации НОРа. Поскольку использование газодинамической стабилизации НОРа снимает ограничения по верхнему пределу мощности луча; что позволяет значительно увеличить температуру плазмы, и использовать длиннофокусные системы. При этом в работе [19] описывается, что для получения НОРа в газодинамическом режиме (например, при обдуве воздухом), фокусное расстояние фокусирующей системы должно выбираться из условия: [iR 2, (1.3) где \i - коэффициент поглощения плазмы на длине волны лазерного излучения, м""1; R - расстояние от точки фокуса фокусирующей системы до центра разряда, м.
Эти условия обуславливают необходимость изучения газодинамических процессов в камере поглощения ЛРД. Задача усложняется тем, что необходимо разделить полость повышенного давления (в камере поглощения) и пониженного давления (окружающая среда). Так как для ЛРД характерны малые расходы рабочего газа, которые определяются тягой и удельным импульсом конкретного двигателя, при разработке ЛРД возникают существенные проблемы, например создание эффективного ГДО, организации тепловой защиты камеры поглощения и сопла.
Для решения описанных проблем, характерных для ЛРД, возможна более рациональная схема организации рабочего процесса, предлагаемая в настоящей работе на основе исследований, выполненных нами ранее в работе [20]. Схема предлагаемого ЛРД показана на рис. 1.4, где рабочее тело (газ) подается в камеру поглощения со стороны выходного сечения КП, перед соплом, через тангенциальные отверстия;
Экспериментальное исследование газодинамического окна на основе закрученного противоточного потока
При принятой схеме организации рабочего процесса получаем три коаксиальные линии тока (рис.2.3). Линии на рис. 2.3 (В) и (С) отличаются не сильно. При числах Росби 0,286 в углу появляется область отрывного течения и увеличивается в размерах с уменьшением Ro = 0,261 (D). Ядро вихря с радиусом от 0 до 0,45 течет с высокой осевой скоростью к сужающейся части сопла и истекает из камеры поглощения. Малоподвижная область течения (\/ = 1) окружает этот внутренний поток до переднего днища камеры поглощения и перекрывает движение газа из ядра вихря к стенкам камеры поглощения в радиальном направлении.
Вихревой поток с меньшей осевой скоростью снаружи от малоподвижной области течет к стенке переднего днища и далее от неё разворачивается на 180 в направлении к сужающейся части сопла. На рис. 2.4 представлен трехмерный вихревой поток в камере поглощения ЛРД с непрерывным оптическим разрядом в приосевой области, и внешний вид ЛРД.
Рассмотрим возможные отклонения от рассмотренной схемы течения в случае использования полученных результатов для камеры поглощения ЛРД с непрерывным оптическим разрядом в приосевой зоне. В соответствии с изложенными представлениями определено образование при Ro = 0,261 радиально малоподвижной области течения. Данная область (\/ = 1) достигает заднего днища камеры поглощения при = 0. Из рис. 2.4 видно, что вне малоподвижной области реальная скорость направлена наружу с отрицательным градиентом.
Схема функционирования ЛРД с непрерывным нагревом газа в оптическом разряде. /-лазерное излучение, 2- газодинамическое окно, 3 - переднее днище камеры, 4— непрерывный оптический разряд, 5 — периферийный поток, 6 - приосевой поток, 7 — тангенциальные трубки, 8- малоподвижная область течения, 9 - заднее днище камеры, 10-критическое сечение сопла.
Другим существенным отклонением от теории полубесконечной вихревой трубы реального рабочего процесса в камере ЛРД с противоточным осесимметричным закрученным потоком является то, что рабочее тело вводится в камеру с определенной конечной точки тангенциально (р = 1) при = 0, т.е. перед критическим сечением сопла.
Наиболее существенным отклонением теоретического решения от реального процесса является наличие в приосевой зоне низкотемпературной плазмы, образованной непрерывным оптическим разрядом, который влияет на характер течения, приводит к увеличению температуры потока и объема камеры поглощения.
Можно предположить, что только формирование стабильной радиально малоподвижной области течения позволяет получить устойчивое непрерывное «горение» оптического разряда в приосевой зоне камеры поглощения ЛРД. В противном случае (\j/ = 1) после введения рабочего тела при = 0, р = 1 холодный газ истечет радиально в сопло, снижая тем самым удельный импульс. Кроме того, будет отсутствовать обратный ток рабочего тела с отрицательным компонентом скорости мх, который предназначен для удержания плазмы непрерывного оптического разряда в приосевои зоне и предотвращения ее движения в направлении лазерного луча (в сторону переднего днища камеры). «Горение» оптического разряда в камере поглощения ЛРД сопровождается значительным увеличением объема рабочего тела в результате повышения его температуры Тк [86].
Рабочее тело (газ) под воздействием кинетического момента, сообщаемого при подаче через тангенциальные отверстия, формирует потенциальный вихрь с развитым пограничным слоем на переднем днище камеры поглощения ЛРД. Из-за наличия развитого пристеночного слоя поток газа движется по логарифмической спирали в центр камеры поглощения (рис. 2.4) и может далее использоваться для стабилизации плазмы непрерывного оптического разряда в приосевои зоне камеры поглощения.
Условие поворота течения возле переднего днища камеры поглощения, т.е. условие для образования малоподвижной области, имеет вид [85]: V P z/Ro (2.23)
Для течения без потерь из-за трения можно записать: V = V где і - сечение камеры поглощения. Массовый расход газа через критическое сечение сопла ЛРД равен: m = (2 24) где: /? - расходный комплекс (характеристическая скорость); Рк- давление в камере поглощения; FKV- площадь критического сечения сопла. Массовый расход газа через сечение камеры поглощения (0 цг 1): m = Vz рк Fk (2.25) где: рк — плотность газа в приосевои зоне камеры поглощения, зависит от давления Рк и температуры Ть FK - площадь поперечного сечения малоподвижной области, приблизительно равняется площади поперечного сечения камеры поглощения. Из условия неразрывности потока эти массовые расходы должны быть равны, следовательно, из уравнений (2.24)-(2.25) можно получить скорость истечения газа из камеры поглощения:
Меньшие значения приводят к снижению удельного импульса ЛРД из-за перетекания холодного газа из критического сечения в сопло. Перетекание холодного газа приводит также к уменьшению расхода газа через приосевую зону камеры поглощения, в результате чего будет отсутствовать обдув непрерывного оптического разряда; что вызывает движение плазмы; образованной оптическим разрядом в направлении подвода; лазерного луча и приведет к нарушению устойчивого «горения» оптического разряда.
Исходя из анализа решения дифференциального уравнения для функции тока и реальных условиий существования плазмы непрерывного оптического разряда в камере поглощения ЛРД с противоточным осесимметричным; закрученным; потоком получено условие устойчивого непрерывного «горение» оптического разряда в приосевой зоне камеры поглощения ЛРД, предполагая; что для этого необходимо существование в потоке радиально малоподвижной области течения:
Результаты численного моделирования течений в ЛРД
В настоящее время необходимость и важность численного моделирования не подвергается сомнению. Во многом благодаря использованию современных численных методов аэродинамики стали возможны последние достижения в области авиации и энергетических отраслях, а также в машиностроении. Очевидно, что методы вычислительной гидрогазодинамики позволяют получать только частные решения дифференциальных уравнений газовой динамики и не подменяют теоретические подходы, которые предназначены и используются в первую очередь для получения общих решений. Поэтому успехи вычислительной гидрогазодинамики не претендуют на открытие новых физических явлений, а лишь помогают прогнозировать структуру течения. В действительности численное моделирование представляет собой относительно дешевое и в то же время мощное средство, позволяющее понять характер течения, в том числе в камере поглощения лазерного ракетного двигателя (ЛРД) и только это понимание заключает в себе возможности усовершенствований технических решений.
С учетом широкого спектра задач, подлежащих скорейшему решению, и того факта, что разработка программного обеспечения может занять несколько месяцев или даже лет, в настоящее время создаются комплексы программ, предназначенные решать задачи аэродинамики, как для произвольной геометрии объектов, так и с возможностью выбора математической модели течения.
Оптимальное, проектирование геометрических параметров системы камера поглощения — газодинамическое окно требует знания экспериментальных данных и теоретического их обоснования. С учетом особенности задач, подлежащих скорейшему решению, и того факта, что разработка программного обеспечения может занять несколько месяцев и даже лет, в настоящее время создаются комплексы программ (Fluent, Phoenics, CFX и пр.), предназначенные решать задачи газодинамики, как для произвольной геометрии объектов, так и с возможностью выбора математической модели течения.
Среди таких программных продуктов, позволяющих рассчитывать, визуализировать и оптимизировать широкий спектр технологических процессов, можно выделить пакет "Fluent" предназначенный для решения задач механики жидкости и газа.
Численное моделирование течения в камере поглощения лазерного ракетного двигателя (ЛРД) проводились с помощью пакета Fluent 6.3.26 (пакет закуплен КГТУ им. А.Н. Туполева в рамках выполнения инновационного образовательного проекта).
Для проведения численного эксперимента необходимо выделить из физической области (рис. 3.1.X расчетную (рис. 3.2.), в которой будет решаться уравнения математической модели, и границы этого объема, на которых будут заданы граничные условия, необходимые для решения этих уравнений.
Объектом численного исследования являются поведение внутрикамерных течений в камере поглощения (на рис. 3.2 выдел енная область), газодинамического окна ЛРД и сравнение параметров численного эксперимента с натурным. Задача - исследовать изменение газодинамических параметров по длине камеры, при различных режимах с изменяемыми геометрическими параметрами.
Закрученное течение определяется тангенциальным подводом рабочего тела. Избыточное давление в четырех тангенциально подводимых трубках диаметром 0,8 мм меняется от 3 до 12 кгс/см . Объем камеры меняется с изменением длины камеры с 30 мм до 47 мм. Геометрические размеры моделируемого объекта: диаметр камеры поглощения - 45 мм; диаметр критического сечения - 5-10 мм; диаметр ГДО - 5-9 мм. Отношение диаметра критического сечения к диаметру ГДО меняется от 0,5 — 0,9. В качестве рабочего тела рассматривается воздух.
Правильный выбор сетки расчетной области при математическом моделировании камеры поглощения и примыкающих участков к ней является одним из главных критериев создания адекватной и удобной в использовании методики расчета.
Точность численного решения уравнений существенно зависит от ориентации потока жидкости относительно расчетной сетки. В этой связи для исследуемого участка была выбрана "неструктурированная" расчетная сетка, обеспечивающая заданную точность в исходных условиях на численный результат и сходимость итерационного процесса.
На цилиндрической поверхности камеры поглощения построена сетка с уменьшенными ячейками для наилучшего моделирования пограничного слоя. Для построения такой сетки необходимо обеспечить соответствующую топологию геометрии расчетной области [90]. В частности, расчетная область камеры поглощения была разделена в виде цилиндра и представлена несколькими объемами с сечением в виде топологического прямоугольника и тетраидальной сгущенной сетки перед движением в сопло (рис. 3.3).
Численная сходимость фиксировалась при достижении максимальной величины среднеквадратических невязок во всех уравнениях 0,0001, а также при стабилизации расходов и давлений на проницаемых границах расчетной области.
Схемапроведения;«огневых» испытаний
На рис. 4.3 представлена схема экспериментального стенда. Испытания проводились с использованием электроразрядного С02-лазера, мощность которого достигала 8 кВт. Диаметр лазерного луча 1 составляло 60 мм. Распределение интенсивности по сечению луча было достаточно однородным и симметричным. Лазерный пучок фокусировался вогнутым зеркалом 2 с фокусным расстоянием F= 486 мм, в центре камеры 3 на выходе из газодинамического окна (ГДО). Положение ГДО относительно фокуса зеркала могло регулироваться. По периметру камеры, рассчитанной на давление до 10 атм, располагись окна для диагностики плазмы разряда 4: Поток рабочего газа с известным расходом, поступая в камеру, сначала обдувал НОР, затем истекал через сопло в систему вентиляции.
Для измерения массового расхода применялся расходомер переменного перепада давлений с образцовыми манометрами. В качестве сужающего устройства использовали расходные шайбы, изготовленные и калиброванные в ФГУП ВНИИР. Для измерения тяги применяли электронные весы, модель ВСП-3/0,5-1. Класс точности по ГОСТ 29329 и MP МОЗМ №76 - средний (III). Обозначение модификаций, значения наибольшего (Hi 1В) и наименьшего (НмПВ) пределов взвешивания, дискретности отсчета, цены поверочного деления приведены в табл. 4.2 а.
Поджиг разряда осуществлялся введением металлической мишени в область фокусировки лазерного луча (рис.4.4, а). Плазменный факел, образовавшийся в парах испаренного металла, служил первоначальным очагом поглощения лазерного излучения. Затем оптический разряд (ОР) переходил в окружающий газ, и при определенных условиях его распространение завершалось образованием непрерывного разряда (рис.4.4, б).
Для измерения тяги (рис.4.5), ЛРД 1 крепили к основанию 5 посредством ножек 2, после чего данную конструкцию ставили на электронные весы 7, которые стояли на станине 8. Высокотемпературная струя, выходящая из сопла, отводилась в сторону с помощью лотка 4, который в свою очередь с одного конца крепился на стойку 3, связанную со станиной 8, а с другого конца упирался на шпильку 6. Таким образом, исключалось воздействие газов на весы 7. При этом всю конструкцию устанавливали так, чтобы фокус лазерного излучения находился в центре камеры поглощения ЛРД.
Внешний вид экспериментальной установки представлен на рис.5.6. Лазерное излучение от ССЬ-лазера отражается от охлаждаемого зеркала, и падает на выпуклое зеркало 2, от которого равномерно отражается на фокусирующее зеркало 3, и фокусируется в камере ЛРД-1
В фокальную область по оси камеры вводился вольфрамовый стержень диаметром 3,4 мм (применяемый обычно при аргоно-дуговой сварке), так как данный метод признан надежным [53, 54, 55, 56, 57, 58]. Лазерный нагрев вольфрама приводит к эмиссии такого количества электронов с его поверхности, которое обеспечивает поджиг плазмы, поддерживаемой в дальнейшем за счет тормозного поглощения лазерного излучения. ЛРД-1 устанавливался так, чтобы фокус луча лазера попадал непосредственно на вольфрамовую проволоку в центре камеры ЛРД.
Система измерения тяги работала следующим образом. После окончательной установки и настройки ЛРД вес всей конструкции (2,5 кг) равномерно распределялся по платформе весов. Далее в ручную производился «сброс веса тары», и дисплей весов показывал значение «О», после чего начиналось подача аргона Рвх = 6 ати и в результате холодный газ создавал тягу «- 515 гр», т.е. сила тяги, создаваемая ЛРД в результате истечения газа, поднимала всю конструкцию, поэтому вес всей конструкции, действующий на весы, уменьшался на 515 гр (рис.4.7).
После того как вес конструкции переставал изменяться из-за деформации шлангов, под воздействием давления аргона повторно проводили процесс сброса веса тары, и весы вновь показывали значение «О». Только после этого включался лазер, и двигатель начинал работать.
В первом эксперименте внутри камеры создавали осевое течение (рис.2.15), при давлении на входе 6 ати. ЛРД-1 работал неустойчиво, фактически в пульсирующем режиме с частотой пульсации оптического разряда f = 1-4 Гц (рис.4.8).
Двигатель работал 30 сек. Тяга увеличивалась плавно: после включения лазера на первой секунде работы двигателя тяга составляла 100 грамм, на третьей секунде 175 грамм. Как было сказано выше, двигатель работал нестабильно и в моменты, когда ОР погасал, тяга медленно уменьшалась.
