Введение к работе
Работа направлена на исследование процессов горения струй нагретого водорода в гнперзвуковых ракетно-прямогочных двигателях, являющихся двигателями нового класса гиперзвуковых летательных аппаратов: Воздушно-космических самолетов(ВКС), Гиперзвуковых самолетов, конкретно направлена на создание пшерзвуховых ракетно-прямоточных двигателей (ГРПД), включая гиперзвуковыа атомные ракетно-прямоточные двигатели (ГАРПД).
Первые попытки разработки ВКС были предприняты начиная с I960 г. [1,16,17,18,20], однако они были безуспешными по ряду причин, в том числе из-за того, что не были исчерпаны другие, более простые, технические средства для создания космических летательных аппаратов многократного применения с экипажей, большой полезной нагрузкой и возможностью выбора экипажем места посадки [21].
Современное состояние проблемы характеризуется разработкой крупной летающей модели пшерзвукового прямоточного двигателя.
В качестве будущей задачи для ВКС может рассматриваться, например, предотвращение возможной катастрофы, которая может быть вызвана соударением Земли с астероидами [62 ].
Возможно также применение ВКС с ГАРПД для удаления с Земли в дальний космос высокорадиоактивных отходов атомной энергетики [62].
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является исследование процессов горения струй водорода и приложение нх к процессам в камере смешения и горения ГАРПД для обеспечения устойчивости воспламенения и горения струн водорода и выявления методов достижения высокой полноты тепловьиеления наразличных режимах полетаВКС.
Работа, краткие результаты которой излагаются в диссертации, в различное время выполнялась по ряду планов и по инициативе автора.
Конкретные экспериментальные результаты по горению струй водорода были получены при проведении работ по планам создания системы поджигания выхлопной струи для обеспечения взрывобезопасностн испытаний Исследовательского ядерного реактора ИВГ-1 [20].
Проблема создания Гиперзвукового атомного ракетно-
пряыоточного двигателя включает две основные группы задач.
Первая группа задач огносптся к созданию высокотемпературного ядерного реактора для нагрева водорода до температуры ~2000К-2500К.
Сюда относятся задачи создания высокотемпературных материалов
для тепловыделяющих элементов, высокотемпературных
конструкционных материалов, теплоизоляции, и обеспечения условий ІГХ работы [17,24,20].
К этим задачам следует также отнести создание собственно конструкции ядерного реактора, системы регулирования, соплового аппарата и радиационной защиты.
Современное состояние работ по этой группе задач в диссертации рассматривается в разделе обзора литературы.
Вторая группа задач относится к изучению процессов
воспламенения в камере смешения н горения гиперзвукового
прямоточного воздушного контура двигателя и горения отдельных струй водорода
Эта часть проблемы создания ГАРПД и является основным предметом диссертационной работы. Выполненные исследования в этом направлении состоят из экспериментальных работ по горению струй водорода [1,4], теоретических работ по анализу результатов экспериментов, изложенных в [2,3,5,6,7,8,9 н др.] и расчетных исследований процессов в камере ГАРПД
Разработка воздушного контура ГАРПД для ВКС предпринималась в США несколько раз, однако ни разу не была доведена до практического завершения [18], настоящей причиной этого являлось отсутствие понимания поведения пограничного слоя в диффузоре, камере
сгорания н сопле при больших сверхзвуковых н гяперзвуковых скоростях полета [18].
Диссертант включился в исследование этого вопроса в 1964т, когда проводил эксперименты по горению струй нагретого водорода в лаборатории С.АКлевцура [1]. Тогда эксперименты показали существенное отлнчне механизма горения струй холодного водорода от механизма горения струй нагретого водорода, заключающееся в появлении самовоспламенения смеси в пограничном слое струн нагретого водорода.
Эксперименты выявили, что при самовоспламенении происходит возннквовепне крупномасштабных вихрей даже в пограничном слое факела горения ламинарной струн нагретого водорода
Проведенные дополнительные эксперименты подтвердили первоначальные выводы о возникновении крупномасштабных вихрей в процессах самовоспламенения н горения струй нагретого водорода
Поэтому основной задачей дальнейших исследований стала разработка теоретической модели течения вещества в крупномасштабных вихрях на начальном участке плоской струн н построение на этой основе модели процессов воспламенения и горения в камере ГАРПД [2,3,5,6].
Прикладной задачей этих работ являлось создание системы поджигания выхлопной струн водорода, истекающей нз сопла экспериментального ядерного реактора ИВГ-1 , и обеспечение взрывобезопасностн выхлопа прн его испытаниях [20].
Важной задачей, возникшей впоследствии, явилась задача
приложения полученных теоретических результатов по
крупномасштабным вихрям к решению конкретных технических задач, например в области обеспечення взрьвобезопаскостя накопителей тепла на фазоЕьк переходах хлоридов металлов.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Методика проведення исследований по теме диссертации строилась в следующем порядке.
На первом этапе работ решалась задача экспериментального
исследования особенностей процесса горения струй нагретого водорода в
воздухе [1,4,7]. ч
После проведения опытов экспериментальные результаты были обработаны с помощью известных расчетных методов, вытекающих из теории пограничного слоя и из теории струй [25,33,34,35,36,37,38], с целью сопоставления экспериментально измеренных размеров факелов горения струя водорода с размерами, рассчитываемым по известным из литературы [ 8,54,57] зависимостям.
Результаты сравнения показали существенные отличия
экспериментальных данных по длинам факелов горения струй нагретого водорода от длины факелов горения струй холодного водорода.
На втором этапе работ были проведены экспериментальные исследования горения крупномасштабных струй водорода в воздухе , зафиксированные с помощью киносъемки, подтвердившие основные результаты первого этапа работ в части протекания горения струй в крупномасштабных вихрях н соответствия размеров факелов горения этих струй тем же зависимостям, что н факелы горения струй с малым расходом водорода.
На третьем этапе работ были проведены теоретические исследования модели процесса смешения вещества струн с окружающей средой в крупномасштабных вихрях, названного вихревым соударением веществ [2,3,5,6,7].
Этот процесс является частным случаем процесса движения сплошной среды с обменом механической энергией [9].
Теоретические исследования позволили выполнить анализ н понять результаты ранее проведенных экспериментов по горению струй водорода и обобщить нх расчетными методами [4,6,7]. На этой основе были спрогнозированы условия обеспечения устойчивого воспламенения и горения в камере ГАРПД [1,4,7,8] н методы управления процессами горения в камере.
На четвертом этапе работ полученные теоретические результаты по крупномасштабным вихрям были применены также к анализу ряда практических задач, в том числе к анализу проблем взрывобезопасностн накопителей тепла на фазовых переходах рабочего тела.
В ходе работы над диссертацией были получены новые экспериментальные и теоретические научные результаты.
Первым новым экспериментальным результатом стало то, что проведенные опыты выявили возникновение явления самовоспламенения в пограничном слое факела горения струи нагретого водорода, приводящего к возникновению крупномасштабных вихрей н изменению формы и размеров факела Дальнейшее выгорание водорода в факеле горения происходит в этих крупномасштабных вихрях [19,37,42,46,47,48,49,50,51,52].
Вторым новын результатом стала разработанная автором теоретическая модель развития крупномасштабных вихрей, названная вихревым соударением веществ. Для описания этого процесса бьша привлечена полная система уравнений сохранения включая уравнение сохранения (генерации) момента импульса [2,3,5,6,7,9,26,27,28,29] .
Для обоснования проведенных теоретических исследований вихревого соударения веществ бьша разработана система уравнений движения сплошной среды с обменом механической энергией между отдельными частями сплошной среды [7,9,29,30,31,32,33,34].
Третьим новым научным результатом стали разработанные азтором представления о методах обеспечения устойчивости процессов самовоспламенения и горения в камере ГАРПД и управления процессом тепловыделения по длине камеры сгорания с помощью изменения состава н параметров рабочего тела в кольцевых соплах, расположенных вокруг сверхзвуковых сопел нагретого водорода [19,22,23,52,53,54,55,56,57]. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ Первым практически важным результатом следует считать создание 'системы поджигания н обеспечение азрывобезопасностп выхлопной струи водорода при работе экспериментального ядерного реактораИВГ-1 [20].
Вторым практически важным результатом следует считать разработанную методику расчета процессов самовоспламенения струи нагретого водорода [5,6,7].
Третьим практически важным результатом следует считать предложения по обеспечению устойчивости самовоспламенения струй водорода и полноты тепловыделения в камере горения ГАРПД
Четвертым практически важным и также реализованным результатом следует считать применение модели вихревого соударения веществ к анализу взрывобезопасности накопителя тепла на фазовых переходах, использующего в качестве теплонакопительного материала смесь солей [11,12].
Все перечисленные вопросы являются практически значимыми н новыми как по постановке задач.так н по полученным результатам.
Достоверность результатов работы подтверждена
согласованностью результатов, полученных автором, с известными частными решениями, экспериментальной проверкой новых конструкций систем поджигания выхлопной струи экспериментального ядерного реактора ИВГ-1, а также работоспособностью созданных изделий, подтвержденной результатами натурных испытаний системы поджигания и натурных испытаний бытовых накопителей тепла.
Основные результаты работы опубликованы во Всесоюзных научных журналах начиная с 1974г: двух Препринтах ИАЭ, двух монографиях, в ряде сборников научных статей. Полученные промежуточные и итоговые результаты докладывались на ряде научных семинаров и конференций:
В ГНИЙ НПО "ЛУЧ", в ЦИАМ, Троицком филиале института им И.В.Курчатова, в ЦНИИМАШ, в МАИ, в МТУ, в Институте Проблем Механики РАН, в Институте Прикладной Математнкн им М.В. Келдыша РАН, на четвертой Всесоюзной школе- семинаре "Методы гидрофизических исследований" в г. Светлогорске 1-7 мая 1992г, наХХП научных чтениях по космонавтике в Москве 27-30 января 1998г. на 27 Конференции инженерного общества США, Ргос. of 27 ГЕСЕ Conference
Vol 3 page 433, 1992, на Всероссийском семинаре памяти А.С. Предводителева в 1997г.
Основные практические результаты работы были апробированы на предприятиях: ГНИЙ НПО "ЛУЧ", НИИХИММАШ, в СЕМИПАЛАТИНСКОМ Филиале НИИ НПО "ЛУЧ", КБХИММАШ, в ООО РК 'Теновацня".
По результатам работы было опубликовано!6 печатных работ, приведенных в конце автореферата, в том числе 2 Патента РФ н четыре доклада на конференциях.
