Введение к работе
Актуальность работы. Создание ракетного двигателя на твердом топливе (РДТТ) с заданными характеристиками, несмотря на существенную простоту его конструкции, является сложной, нерешенной до конца задачей, включающей теоретические, технические и технологические, научные аспекты.
Среди многих требований предъявляемых к РДТТ является устойчивость его работы в течение предусмотренного цикла, определяемого программой полета летательного аппарата (ЛА).. Обеспечение стабильных характеристик РДТТ начинается с момента начала его проектирования и разработки твёрдого ракетного топлива, его рецептуры многокомпонентного состава, технологии изготовления для получения заданных физико-механических, физико-химических, энергетических характеристик и которые затем контролируются огневыми стендовыми испытания-ми,дающнми определенную вероятностігую гарантию надежности.
Одним пз видов проявления неустойчивости РДТТ является возникновение Бибрационного горения труднопрогнозируемого до настоящего времени. В каждом конкретном случае спроектированного двигателя на стадии его отработки взаимодействуют комплекс факторов, связанные с конструктивными особенностями, составом топлива, конструкцией его заряда, составом продуктов сгорания, акустическими характеристиками камеры сгорания и т.д Особую группу проблем составляют вопросы неустойчивых процессов в камере сгорания в виде низко, высоко-частотных неуправляемых колебаний давления в продольном, поперечном и тангенциальном направлениях с частотой от нескольких герц до нескольких десятков килогерц, влияющих на надежность двигателя, а также на сроки проектирования, отработки и доводки.Следует отметить, что процесс горения во многом зависит от характера химической кинетики, интенсивности тепловой диффузии и радиации, их взаимосвязи,пониманне процессов горения имеет практическое значение для решения задач, связанных с условиями возникновения нестойчивых режимов работы ракетных двигателей..
Известные теоретические модели вибрационного горения в основном разработаны в одномерной постановке, н ограниченно позволяют выявить отдельные механизмы сложного процесса и проводить параметрические расчеты. Например, модели MeClu-re, Hart, Cantrell, Culick, Coates, Horton в различной степени включают взаимосвязь между акустическими колебаниями и потоком продуктов сгорания, а также есть модели позволяющие объяснить влияние отдельных добавок (алюминия, перхлората аммония и д.р.) в ТРТ ( Krier ) и влияние экзотермических реакций на поверхности твердой фазы ( Brown, Muzzu ) на колебания.
2 Широко известны теории, разработанные для обоснования лабораторных методов изучения вибрационного горения: Т-камеры, импеданс-ной трубы и модельных лабораторных РДТТ. Наибольшее применение, как метод исследования, получила Т-камера. С помощью Т-камер можно исследовать взаимосвязи между характеристиками вибрационного горения, составом ТРТ и давлением.
Анализ многих результатов исследований показывает, что влияние состава ТРТ на характеристики вибрационного горения носит сложный характер. И поэтому до настоящего времени не получены надежные и универсальные критерии, которые позволили бы прогнозировать гарантию соответствия ТРТ для нового РДТТ с целью достижения устойчивого режима работы. Этот факт дает право утверждать о том, что любaя постановка задачи исследования по выявлению влияния отдельного фактора или группы факторов, связанных, например, с составом ТРТ, на характеристики вибрационного горения, с общих позиций является метафизичной. В действительности же возникновение вибрационного горения ( колебательного режима горения ) обуславливается комплексным взаимодействием всех факторов.
Таким образом научная актульаность обсуждаемой проблемы очевидна. Однако, есть еще актуальность этой проблеммы с точки зрения снижения трудоёмкости экспериментальных исследований,. Например, для построения диаграммы в координатах скорость горения-частота, устанавливающей границу устойчивости горения, необходимо проводить около 30 огневых испытаний.
Следует отметить, что в основном ТРТ являются диэлектриками. В открытой литературе имеются лишь некоторые сведения о диэлектрических характеристиках ТРТ.
Исследование свойств ТРТ, а также установление зависимости между изменениями свойств ТРТ и динамической неустойчивостью горения, используя электрофизические параметры: сопротивление, проводимость, диэлектрическую проницаемость, тангенсы угла диэлектрических и магнитных потерь, комплексную диэлектрическтю проницаемость, как показано впервые в этой работе, является информативным, и практическая значимость контроля стабильности качества изготовления зарядов ТРТ по электрофизическим параметрам является очевидной.
Следует отметить, что важнейшее положение широко применяемое как базовое для описания взаимосвязи между электрофизическими параметрами диэлектрика гласит.Дпя тела любой формы, и любых размеров может быть найден геометрический параметр Л - "приведенная длина", м; однозначно определяющий соотношения электрических параметров:
- электрической проводимости G;
-электрического сопротивления R, Ом; электрической емкости С, Ф и параметров материала:
6=?A; С = є0-є,-Л ;R = -^;; К= p/A,me
у - удельная проводимость материала, См/м;
So- электрическая постоянная, Ф/м;
Єг- относительная диэлектрическая проницаемость;
1 р - удельное электрическое сопротивление р = —, Ом м.
У Важнейшим фактором влияющим на динамические характеристики РДТТ являются технологические загрязнения поверхности заряда (случайные образования в виде инертных пленок, шероховатая поверхность, присутствиe влаги на поверхности и т.п.), которые могут вызвать следующие последствия:
изменение характеристик воспламенения;
изменение скорости горения;
изменение эффективной площади поверхности горения. Количественная оценка влияния технологических загрязненпй на
динамические характеристики РДТТ в настоящее время проводятся путем дорогостоящих огневых испытаний. Поскольку все виды загрязнений в конечном итоге оценивается временем задержки относительно фиксированного момента времени от номинального переходного процесса, то целесообразно идентифицировать вид загрязнения электрофизическими методами, например, временем спада электростатического заряда, специально нанесенного на поверхность образца (заряда) ТРТ. Такой подход к проблеме идентификации качества ТРТ может существенно снизить трудоёмкость контрольных операций.
Изложенное не исчерпывает все возможные пути комплексного подхода к проблеме идентификации динамической неустойчивости горения ТРТ в РДТТ. Остается проблемой создание надежного метода определения отклика горящей поверхности за счет использования модельного РДТТ, так как использование Т-образных камер для решения таких задач является дорогостоящим.
Таким образом комплексный подход к решению проблемы идентификации динамической неустойчивости горения в РДТТ является актуальным, в частности, и остается таковым при идентификации динамических систем в общей постановке.
4 Цель работы. Исследование динамических характеристик горения твёрдых ракетных теплив.
Основные задачи исследования.
-
Анализ возможных направлений идентификации многомерной системы. (Исследование и установление зависимостей между диэлектрическимн и баллистическими характеристиками ТРТ. Разработка метода отбора образцов для исследования динамических характеристик).
-
Исследование динамики возбуждения колебаний с учётом многостадийного механизма горения.
3. Разработка физических основ модели неустойчивого горения.
Научная новизна работы состоит в следующем:
На основании проведенных экспериментальных исследований можно сформулировать следующие выводы:
-
Разработана концептуальная модель исследования качества ТРТ на основе предварительного установления электрофизических характеристик с последующими огневыми испытаниями с целью получения параметров горения и выявления влияния отклонении рецептурного состава на неустойчивость протекания процессов в камере сгорания, как многомерного объекта.
-
Разработан новый метод создания колебаний давления внешним источником с целью инициирования неустойчивости горения в малоразмерных РДТТ.
-
Разработана математическая модель неустойчивого горения ТРТ на основе метода дискретизации, позволяющая моделировать возможные виды нелинейности в процессах горения.
4.Выявлен механизм возникновения колебаний давления, объединяющий неакустический, акустический и импульсный механизмы воздействия, характеризующийся динамикой распада разрывов.
5. Выявлен обобщённый критерий, учитывающий совокупность
влияния мнопгх факторов одновременно, в виде периода дискретизации
процессов и длительности дискретных процессов разложения и горения
ТРТ, отражающих характер разрывов.
-
Разработан новый метод воспламенения заряда ТРТ, исключающий возмущения давления в процессе выхода на стационарный режим горения.
-
Предложен и испытан новый метод инициирования неустойчивости горения ТРТ воздействием точечными электрическим разрядом.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием метрологачески аттестованного оборудования, приборов, датчиков и применением отраслевых стандартов по технологии экспериментов, проверкой результатов многими исследованиями гипотезы дискретизации процесса горения.
5 Практическая ценность работы заключается в следующем: 1.Результаты работы могут быть использованы при разработке новых составов ТРТ.
2.Полученные результаты способствуют дальнейшему развитию экспериментальных методов исследования динамических характеристик горения.
На защиту выносятся следующие положения:
1.Концептуальная модель исследования качества ТРТ.
2. Новый метод создания колебаний давления в малоразмерных РДТТ: воздействием на динамику распада разрывов, воздействием электрического поля.
3.Математическая модель неустойчивого горения ТРТ.
4.Механизм возникновения колебаний давления, объединяющий иеакустическнй, акустический и импульсный механизмы воздействия, характеризующийся динамикой распада разрывов.
Апробация работы . Результаты исследований доложены на XI и XII Всесоюзной конференции по электрофизике горения, 1988г., 1989г., г.Караганда;
XIII Всесоюзном семинаре по электрофизике горения, 1990г., г.Чебоксары;
XIY Всесоюзном семинаре по электрофизике горения, 1991г., г.Челябннск.
Международной научно-технической конференции "Методы и средства преобразования и обработки аналоговой информации" 1999г., г. Ульяновск.
Информационно-измерительная техника. Сборник научных трудов. - Уфа, изд. Уфимского государственного авиационно-технического университета им. С. Орджоникидзе , 1999 г. с.4.
Публикации . По результатам работ имеется 11 публикаций. Научная новизна защищена 20 авторскими свидетельствами.
Объем работы . Диссертация объемом 145 стр., состоит из введения, четырех глав, заключения и включает 53 рисунков, 3 таблиц. Список работ содержит 120 наименований отечественных и зарубежных авторов.