Исследование рабочих процессов в гибридном ракетном двигателе прямой схемы

Гибридный ракетный двигатель (ГРД) относится к классу двигательных
установок на комбинированном топливе с пространственно разделенными
горючим и окислителем. В ГРД “прямой схемы” в качестве горючего
используется заряд твердого горючего материала (ТГМ), горящий в потоке
распыленного жидкого или газообразного окислителя. В ГРД “обратной схемы”
используют распыленное жидкое или газообразное топливо в качестве горючего и
твердый окислитель. Впервые гибридный ракетный двигатель ГИРД-9,
работающий на сгущенном бензине и газообразном кислороде, был создан
С. П. Королевым и М. К. Тихонравовым в 20-х годах прошлого века.
В дальнейшем интенсивные исследования в области разработки ГРД проводились
как в Европе, так и в США.
В связи с созданием смесевых металлизированных твердых топлив,
конкурентоспособных по энергетическим характеристикам с жидкими ракетными
топливами, ключевое направление в развитии ракетного двигателестроения
связано, в основном, с разработкой твердотопливных (РДТТ) и жидкостных
ракетных двигателей (ЖРД) широкой номенклатуры. Следует отметить попытку
применить гибридный ракетный двигатель в частном пилотируемом
суборбитальном космическом корабле SpaceShipTwo с горючим на основе
гранулированного полиамида и закисью азота (окислитель).
Интенсификация космических программ в последнее десятилетие
стимулирует интерес к исследованиям рабочих процессов в гибридных схемах
ракетных двигателей, о чем свидетельствует возрастающий объем публикаций в
этой области. Это связано с тем, что ГРД обладает рядом преимуществ по
сравнению с классическими схемами ЖРД и РДТТ.
По сравнению с ЖРД гибридный ракетный двигатель имеет преимущества:
• простота конструкции;
• отсутствие сложной системы охлаждения камеры сгорания;
• более низкая стоимость и короткий цикл производства.
По сравнению с РДТТ гибридный ракетный двигатель имеет преимущества:
• отсутствие взрывчатых веществ в составе ТГМ;
• нечувствительность к дефектам твердотопливного заряда;
• более высокие значения удельного импульса тяги;
• возможность регулирования тяги и многократного включения.
Указанные преимущества позволяют использовать ГРД в качестве
космических двигательных установок разного назначения – от тяговых
двигателей первых ступеней ракет до регулируемых двигателей систем
ориентации, управления, мягкой посадки и др. Для практической реализации
данного класса двигателей необходимо обеспечить высокие энергетические
характеристики, устойчивость процесса горения твердотопливного заряда и
эффективность процесса распыливания жидкого компонента топлива.
Актуальность тематики исследования связана с необходимостью
разработки одной из наиболее перспективных схем ракетного двигателя –
ГРД “прямой схемы”, обладающего рядом преимуществ по сравнению с
жидкостными ракетными двигателями и ракетными двигателями на твердом
топливе. Для практической реализации гибридного ракетного двигателя
необходимо проведение детальных исследований рабочих процессов в двигателе
(экспериментально-теоретическое исследование характеристик зажигания
перспективных топливных композиций, процесса распыливания жидкого
компонента топлива, закономерностей горения твердотопливного заряда в потоке
окислителя), которые более сложны и гораздо менее исследованы, чем для
классических схем ракетных двигателей на жидком и твердом топливах.
Исследование рабочих процессов в гибридном ракетном двигателе экономически
целесообразно осуществлять на модельных экспериментальных установках с
использованием методов теории подобия и анализа размерностей.
Целью диссертационной работы является экспериментально-теоретическое
исследование рабочих процессов в гибридном ракетном двигателе прямой схемы.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
1. Выбор новых перспективных составов высокоэнергетических
материалов (ВЭМ) и зарядов ТГМ, содержащих в качестве металлических
горючих порошки алюминия, бора, диборида алюминия (AlB2), полиборида
алюминия (AlB12) и диборида титана (TiB2), и термодинамические расчеты
характеристик указанных составов.
2. Разработка лабораторных стендов и методик для исследования
процессов зажигания и горения образцов ВЭМ и зарядов ТГМ, изготовление
экспериментальных образцов рассматриваемых ВЭМ и зарядов ТГМ.
3. Проведение комплекса экспериментальных исследований процессов
зажигания и горения образцов ВЭМ и зарядов ТГМ. Определение основных
характеристик зажигания и горения образцов ВЭМ и зарядов ТГМ в зависимости
от следующих условий: источник воздействующего теплового потока;
интенсивность воздействующего теплового потока; изменение давления в
диапазоне (0.1 ÷ 2.0) МПа.
4. Проведение экспериментального исследования характеристик
распыливания жидкого компонента топлива ГРД на модельных компонентах.
Определение пространственного распределения концентрации и дисперсности
капель в факеле распыла центробежной (ЦБФ) и эжекционной (ЭФ) форсунки в
лабораторных условиях.
5. Разработка математической модели процесса горения твердотопливного
заряда в потоке окислителя, оптимизация твердотопливного заряда ТГМ,
обеспечивающая высокую полноту сгорания. Разработка лабораторного стенда
для исследования рабочих процессов в модельном ГРД.
Новизна результатов исследований, проведенных в рамках
диссертационной работы, состоит в предлагаемом подходе, включающем
изучение комплекса рабочих процессов в ГРД “прямой схемы”. Проведен выбор и
получены результаты термодинамических расчетов новых перспективных
твердотопливных композиций с борсодержащими компонентами.
Получены новые экспериментальные данные по характеристикам зажигания
постоянным и переменным тепловым потоком рассмотренных составов ВЭМ и
ТГМ. Определены константы формальной кинетики процесса зажигания
твердотопливного заряда интегральным и монохроматическим потоком
излучения.
Разработаны модифицированные установки для лазерной диагностики
характеристик процесса распыливания жидкого компонента топлива в
лабораторных условиях с использованием метода малых углов индикатрисы
рассеяния и метода спектральной прозрачности. Получены новые результаты по
дисперсности и пространственному распределению капель в факеле распыла
центробежной и эжекционной форсунок.
Разработана математическая модель процесса горения твердотопливного
заряда в потоке окислителя на основе которой впервые проведена оптимизация
характеристик заряда ТГМ введением дополнительного окислителя. Проведена
разработка и отладка экспериментального стенда для исследования рабочих
процессов в модельном ГРД.
Степень достоверности результатов экспериментально-теоретических
исследований, положений и выводов, полученных в работе, следует из
применения современных взаимодополняющих методов экспериментального
исследования, использования бесконтактных оптических методов диагностики
факела распыла, сопоставлением полученных результатов с данными других
исследователей в пересекающихся диапазонах параметров, статистической
обработкой результатов измерений.
Научная значимость диссертационной работы заключается в том, что:
– расширены представления о характеристиках и механизмах зажигания в
условиях постоянного и переменного потока, процессах горения ВЭМ и ТГМ с
новыми перспективными борсодержащими компонентами;
– получены уточненные характеристики дисперсности распыливаемого
жидкого компонента топлива ГРД для разных типов форсунок;
– обоснована возможность обеспечения равномерного горения заряда ТГМ
в потоке окислителя путем введения дополнительного окислительного
компонента в состав твердотопливного заряда.
Практическая значимость диссертационного исследования обусловлена
потребностями ракетно-космической отрасли в повышении эффективности
гибридного ракетного двигателя как одного из наиболее перспективных типов
двигательных установок космического назначения.
Полученные результаты по константам формальной кинетики позволяют
прогнозировать характеристики зажигания перспективных композиций ВЭМ и
ТГМ с борсодержащими компонентами.
Модель горения заряда ТГМ в потоке окислителя может быть использована
для расчета рабочих процессов как в модельных, так и в натурных ГРД “прямой
схемы”.
Использование метода оптимизации твердотопливного заряда, полученного
в рамках диссертационного исследования, позволяет повысить полноту сгорания
и энергетические характеристики гибридного ракетного двигателя.
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту.
1. Результаты экспериментального исследования характеристик зажигания
новых перспективных образцов высокоэнергетических материалов, содержащих
порошки алюминия, бора, диборида алюминия, полиборида алюминия и
диборида титана, при нагреве лучистым тепловым излучением и излучением
CO2-лазера.
2. Определение констант формальной кинетики процесса зажигания
перспективных образцов высокоэнергетических материалов на основе решения
обратной задачи химической кинетики.
3. Результаты экспериментального исследования стационарной скорости
горения новых перспективных образцов высокоэнергетических материалов в
камере постоянного давления в диапазоне (0.1 ÷ 2.0) МПа.
4. Методики и результаты экспериментального исследования
пространственного распределения концентрации и дисперсности капель в факеле
распыла жидкого компонента топлива гибридного ракетного двигателя для
центробежной и эжекционной форсунки в лабораторных условиях.
5. Математическая модель процесса горения твердого горючего материала
в потоке газообразного окислителя.
6. Метод и результаты оптимизации твердотопливного заряда гибридного
ракетного двигателя “прямой схемы” введением дополнительного окислительного
компонента, обеспечивающий высокую полноту сгорания.
7. Методика и результаты отработки экспериментального стенда,
имеющего модульную конструкцию, для исследования процессов горения
твердотопливного заряда в модельном гибридном ракетном двигателе.
Связь работы с научными программами и грантами.
Диссертационное исследование проведено в соответствии с тематикой
научно-исследовательской работы кафедры прикладной газовой динамики и
горения физико-технического факультета и отдела газовой динамики и физики
взрыва Научно-исследовательского института прикладной математики и
механики Национального исследовательского Томского государственного
университета, соответствующей приоритетным направлениям развития науки,
технологий и техники в Российской Федерации, утвержденным указом
Президента Российской Федерации от 07.07.2011 № 899, п. 8 «Транспортные и
космические системы».
Результаты диссертационного исследования получены в том числе:
– при выполнении научно-исследовательских работ по гранту Российского
научного фонда, проект № 15-19-10014 «Экспериментально-теоретическое
исследование процессов динамического взаимодействия консолидированной
системы частиц дисперсной фазы в двухфазных потоках», руководитель –
В. А. Архипов, в составе исполнителей – Н. Н. Золоторёв (2014–2017 гг.);
– при проведении прикладных научных исследований в рамках
Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным
направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–
2020 годы», проект № 14.578.21.0034 «Разработка новых высокоэнергетических
материалов (ВЭМ) и технических решений для перспективных схем гибридных
двигателей космического назначения», по теме «Разработка теоретических
моделей и методик по расчету параметров физических процессов в ГРДТТ и при
получении нанокомпонентов ВЭМ», руководитель – А. С. Жуков, в составе
исполнителей – Н. Н. Золоторёв (2014–2016 гг.).
Апробация работы.
Основные положения и результаты исследований, приведенные в
диссертационной работе, представлены на следующих конференциях и
семинарах:
 X Международная конференция «Высокоэнергетические материалы:
демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение» (Бийск,
03–05 сентября 2014);
 7-я Международная конференция «Космический вызов XXI века. Новые
материалы, технологии и приборы для космической техники» (Севастополь,
Крым, 22–26 июня 2015);
 XXI Международная научная конференция студентов и молодых ученых
«Современные техника и технологии» (Томск, 05–09 октября 2015);
 Всероссийская конференция «XXXII Сибирский теплофизический семинар»
(Новосибирск, 19–20 ноября 2015);
 Всероссийская научно-техническая конференция «Авиадвигатели ХХI века»
(Москва, 24–27 ноября 2015);
 VI Всероссийская научная конференция с международным участием
«Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск,
13–15 октября 2015);
 XV Минский Международный форум по тепло- и массообмену (Минск,
Беларусь, 23–26 мая 2016);
 XI Международная конференция по неравновесным процессам в соплах и
струях (Алушта, Крым, 25–31 мая 2016);
 XII Международная конференция «Высокоэнергетические материалы:
демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение» (Томск,
07–09 сентября 2016);
 International Congress on «Energy Fluxes and Radiation Effects» (Tomsk,
Russia, October, 2–7, 2016);
 IX Всероссийская научная конференция, посвященная 55-летию полета
Ю.А. Гагарина «Фундаментальные и прикладные проблемы современной
механики» (Томск, 21–25 сентября 2016);
 Международная молодежная научная конференция «Тепломассоперенос в
системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического
и технологического оборудования» (Томск, 26–28 апреля 2017);
 Юбилейная конференция Национального комитета РАН по тепло- и
массообмену «Фундаментальные и прикладные проблемы
тепломассообмена» : труды конференции и XXI Школы-семинара молодых
ученых и специалистов «Проблемы газодинамики и тепломассообмена
в энергетических установках» (Санкт-Петербург, 22–26 мая 2017);
 XX Юбилейная Международная конференция по вычислительной механике
и современным прикладным программным системам (Алушта, Крым,
24–31 мая 2017);
 Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодых
ученых «XXXIII Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск,
06–08 июня 2017);
 9th International Seminar on «Flame Structure» (Novosibirsk, Russia,
July 10–14, 2017);
 XII Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики:
теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск–Шерегеш,
16–22 марта 2018);
 VI Всероссийская научно-техническая конференция «Фундаментальные
основы баллистического проектирования» (Санкт-Петербург, 05–10 июня
2018);
 Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодых
ученых «XXXIV Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск,
27–30 августа 2018).
Основные результаты по теме диссертации представлены в 43 работах,
в том числе 5 статей в журналах, включенных в Перечень рецензируемых
научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные