Исследование рабочих процессов в гибридном ракетном двигателе прямой схемы
ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ ………………………… 4
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 6
1. ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ ГИБРИДНЫХ
РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ……………………………………………………………………………. 18
ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ ……………………………………………………………………… 32
2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ
ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ДЛЯ РДТТ И ГРД ……………………………. 34
2.1. ТВЕРДОТОПЛИВНЫЕ КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ РДТТ …………………………………………….. 34
2.1.1. Характеристики исследуемых компонентов ……………………………………… 35
2.1.2. Исследуемые составы ………………………………………………………………………. 36
2.1.3. Анализ результатов расчетов ……………………………………………………………. 37
2.2. ТВЕРДОТОПЛИВНЫЕ КОМПОЗИЦИИ ДЛЯ ГРД……………………………………………….. 40
2.2.1. Основные компоненты топливных композиций ………………………………… 41
2.2.2. Исследуемые составы ………………………………………………………………………. 43
2.2.3. Анализ результатов расчетов ……………………………………………………………. 45
ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ ……………………………………………………………………… 54
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЖИГАНИЯ И ГОРЕНИЯ
ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ВЭМ …………………………………………………….. 55
3.1. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ …………………………………………………….. 55
3.2. ЗАЖИГАНИЕ ОБРАЗЦОВ ВЭМ …………………………………………………………………….. 60
3.2.1. Методы исследования образцов ВЭМ ………………………………………………. 60
3.2.2. Результаты исследования …………………………………………………………………. 65
3.2.3. Определение констант формальной кинетики …………………………………… 68
3.2.4. Зажигание ВЭМ при динамических режимах нагрева ……………………….. 79
3.3. ГОРЕНИЕ ОБРАЗЦОВ ВЭМ …………………………………………………………………………. 85
3.3.1. Методика исследования горения образцов ВЭМ при изменении
внешнего давления ……………………………………………………………………………………. 85
3.3.2. Результаты исследования горения образцов ВЭМ …………………………….. 86
ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ …………………………………………………………………….. 93
4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ФАКЕЛА РАСПЫЛА ЖИДКОГО КОМПОНЕНТА
ТОПЛИВА ………………………………………………………………………………………………………. 94
4.1. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ………………………………………. 95
4.1.1. Пневмогидравлический стенд …………………………………………………………… 95
4.1.2. Метод измерения дисперсности капель …………………………………………….. 96
4.1.3. Метод измерения структуры факела распыла ………………………………….. 102
4.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ………………………………………………………………….. 107
4.2.1. Модельные жидкости……………………………………………………………………… 107
4.2.2. Исследуемые форсунки ………………………………………………………………….. 109
4.2.3. Структура факела распыла ……………………………………………………………… 114
4.2.4. Дисперсность капель в факеле распыла…………………………………………… 119
ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ ……………………………………………………………… 125
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ ТВЕРДОТОПЛИВНОГО ЗАРЯДА
В ГИБРИДНОМ РАКЕТНОМ ДВИГАТЕЛЕ ………………………………………………….. 127
5.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРЕНИЯ ТВЕРДОТОПЛИВНОГО ЗАРЯДА
ГРД ……………………………………………………………………………………………………………. 127
5.1.1. Модель горения твердотопливного заряда ………………………………………. 128
5.1.2. Оптимизация твердотопливного заряда ГРД …………………………………… 132
5.1.3. Анализ результатов моделирования ………………………………………………… 134
5.2. РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ
В МОДЕЛЬНОМ ГРД ………………………………………………………………………………………. 137
5.2.1. Лабораторный стенд для исследования модельного ГРД …………………. 137
5.2.2. Результаты отработки стенда ………………………………………………………….. 145
ВЫВОДЫ ПО ПЯТОЙ ГЛАВЕ ……………………………………………………………………… 148
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 150
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………… 152
ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
а – коэффициент температуропроводности;
с – удельная теплоемкость;
D – диаметр капель;
D32 – средний объемно-поверхностный диаметр капель;
Е – энергии активации;
F(D) – интегральная функция счетного распределения капель по размерам;
f (D) – дифференциальная функция счетного распределения капель по размерам;
G – массовый секундный расход;
Iуд – удельный импульс;
I(θ) – индикатриса рассеяния;
p – давление;
Q̅ – усредненный фактор эффективности ослабления;
q – поверхностная плотность потока излучения;
R – газовая постоянная продуктов сгорания;
T – температура;
t – время;
tign – время задержки зажигания;
u – линейная скорость горения твердотопливного заряда;
y – плотность потока окислителя;
z – предэкспоненциальный множитель;
δ – толщина пленки жидкости в выходном сечении сопла форсунки;
θ – угол рассеяния;
ρ – плотность;
λ – коэффициент теплопроводности, длина волны излучения;
μ – коэффициент динамической вязкости;
σ – коэффициент поверхностного натяжения жидкости;
φ – коэффициент расхода;
A – геометрическая характеристика центробежной форсунки;
Oh – число Онезорге;
Re – число Рейнольдса;
We – число Вебера;
α – параметр дифракции (параметр Ми);
β – число Аррениуса;
ВЭМ – высокоэнергетический материал;
ГРД – гибридный ракетный двигатель;
ГСВ – горючее-связующее;
ЖРД – жидкостной ракетный двигатель;
РДТТ – твердотопливный ракетный двигатель;
ТГМ – твердый горючий материал;
ТРТ – твердое ракетное топливо;
ЦБФ – центробежная форсунка;
ЭФ – эжекционная форсунка.
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
По результатам исследований, проведенных по теме диссертационной
работы, можно сделать следующие выводы:
1. По результатам расчета компонентного состава и термодинамических
характеристик ТГМ и ВЭМ на активном ГСВ предложены перспективные
компонентные составы базовых топливных композиций для ГРД, содержащие
40 % тетразола и 60 % металлического горючего. Выявлено, что в качестве
металлического горючего наиболее эффективно использование смесей Al/B в
соотношениях 60/40, 50/50 и 40/60.
2. На основании экспериментальных исследований определены
характеристики зажигания перспективных компонентных составов ВЭМ и ТГМ
при воздействии кондуктивного и лучистого теплового потока. Исследование
зажигания лучистым тепловым потоком проведено для интегрального (установка
«Уран-1») и монохроматического (CO2-лазер) теплового потока. По измеренным
значениям времени задержки зажигания получены константы формальной
кинетики для исследуемых составов ВЭМ.
3. Проведены экспериментальные исследования и получены новые данные о
скорости горения образцов рассматриваемых ВЭМ при атмосферном и
повышенном давлении, в диапазоне давлений (0.1 ÷ 2.0) МПа.
4. Для экспериментального исследования закономерностей распыливания
жидких компонентов топливных композиций ГРД сконструирован и отработан
пневмогидравлический стенд и разработан лазерно-диагностический комплекс
для измерения пространственного распределения концентрации капель в факеле
распыла и функции распределения капель по размерам.
5. Получены новые экспериментальные данные по структуре факела
распыла модельных жидкостей при распыливании центробежной и эжекционной
форсунками. Выявлено, что концентрация капель в факеле распыла существенно
неравномерна как по радиальной координате, так и по длине факела.
6. Установлены особенности формирования факела распыла при
распыливании жидкости ЦБФ и ЭФ: наличие газового вихря в ЦБФ и
вращательное движение вытекающей струи жидкости приводят к формированию
струи в форме полого тела вращения; факел распыла эжекционной форсунки
характеризуется большей дальнобойностью и наличием максимальной
концентрации капель в приосевой области.
7. Получены новые объективные данные по дифференциальной функции
счетного распределения капель по размерам при распыливании ЦБФ и ЭФ.
Установлено, что для обоих типов форсунок функция распределения является
унимодальной и описывается распределением Розина-Раммлера.
8. Предложена математическая модель и представлены результаты расчетов
параметров потока окислителя и скорости горения одноканального
твердотопливного заряда в типичном ГРД “прямой схемы”. Установлено, что
плотность потока окислителя вдоль оси канала снижается на порядок, а скорость
горения ТГМ снижается в ~ 5 раз, что приводит к снижению полноты сгорания
заряда.
9. Предложен способ оптимизации характеристик гибридного ракетного
двигателя “прямой схемы” путем введения в состав твердого горючего материала
дополнительного окислителя с заданным распределением по длине
твердотопливного заряда. Получена аналитическая зависимость для определения
распределения содержания окислителя, обеспечивающего равномерность и
высокую полноту сгорания твердотопливного заряда.
10. Разработаны модельный ГРД “прямой схемы” и экспериментальный
стенд для исследования процесса горения в ГРД. Модульная конструкция стенда
реализует два варианта подачи окислителя. При отработке модельного ГРД с
зарядом ТГМ получены данные о температуре газа в форкамере, температуре и
давлении в камере двигателя, данные измерений тяги двигателя.
Результаты исследований опубликованы в работах [111–155]
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!