702

бания давления частотой 20 кГц. Исследования показали, что эти колебания вызывают увеличение теплового потока к поверхности горения, что увеличивает скорость горения топлива. Кроме того, в потоке продуктов сгорания появляются вихри со временем существования 0,1 с. Прохождение такого вихря через сопло сопровождается уменьшением эффективного сечения сопла, что также ведет к появлению пиков давления. Предотвратить вибрационное горение можно следующими мероприятиями [35]:

-размещение вдоль канала заряда стержней из негорючего материала. Считается, что стержень демпфирует колебания газовой фазы своими колебаниями;

-применение каналов некруглого сечения, что предотвращает появление колебаний газа;

-сверление радиальных отверстий в теле заряда диаметром 0,4 от диаметра канала. Отверстия должны быть расположены по винтовой линии вдоль оси заряда;

-введение демпфирующих частиц. Экспериментально установлено, что тонкодисперсные частицы алюминия, сажи способствуют стабилизации процесса в камере сгорания двигателя.

Эрозионное (турбулентное) горение проявляется при больших скоростях потока продуктов сгорания, что ведет

кувеличению теплового потока, подводимого к поверхности горения топлива, и увеличению скорости горения [12,

35]. Эффект проявляется в виде резкого пика давления в начальный период работы двигателя. Далее оно плавно уменьшается до номинального режима работы заряда вследствие увеличения диаметра канала заряда, что ведет к уменьшению скорости движения продуктов сгорания. Эрозионное горение возникает при определенной скорости газового потока, называемой пороговой скоростью (100…400 м/с), что объясняется началом турбулентного переноса тепла в зону газификации твердого топлива. Данная физическая модель справедлива и для смесевых, и для баллиститных твердых топлив. Одно время для определения возможности проявления эрозионного горения использо-

321

вался критерий Победоносцева, который представляет собой отношение поверхности горения к площади поперечного сечения канала заряда. Этот критерий давал достаточно надежные результаты, так как по своей сути он есть удельный массовый расход продуктов сгорания (отношение расхода газа, т.е. произведения поверхности заряда, скорости горения и плотности топлива, к площади проходного сечения), который дает косвенную оценку скорости газового потока. При близких значениях скорости горения и плотности у различных топлив данный критерий хорошо предсказывает появление эрозионного горения. Однако

внастоящее время скорость горения топлив может менять-

ся в 50 раз (2…100 мм/с), а плотность в 1,5 раза (1600…2000 кг/м3), что приводит к невозможности переноса с помощью этого критерия экспериментальных данных, полученных при испытаниях одного двигателя, на решения, принимаемые при проектировании нового изделия. Поэтому данный критерий в настоящее время практически не используется. Зависимости скорости горения даются только

вфункции от скорости газового потока.

Эрозионное горение в общем случае не является аномальным случаем работы двигателя. В некоторых случаях двигатель специально проектируется с использованием этого эффекта. Однако здесь надо иметь в виду, что кроме полезного вклада в работу конструкции (увеличение объемного заполнения камеры топливом, достаточно простое получение дегрессивных зависимостей тяги) существует и отрицательный (увеличение разбросов внутрибаллистических характеристик вследствие плохой воспроизводимости процесса эрозионного горения и увеличение потерь единичного импульса в начальный момент работы двигателя из-за малого времени пребывания продуктов сгорания в камере).

Пик в начальный момент работы двигателя может возникнуть и вследствие неправильного выбора навески воспламенителя, но в этом случае спад давления происходит более интенсивно, чем при эрозионном горении. Следует

322

учитывать, что пик давления возможен только при использовании излишней массы навески из дымного пороха. Пиротехнические воспламенительные составы являются малогазовыми и пика давления, даже при излишней массе, как правило, не дают.

Акустическая неустойчивость работы РДТТ ха-

рактеризуется появлением синусоидальных колебаний давления и, как следствие, тяги двигателя с частотой 100…300 Гц. Причиной возникновения этой неустойчивости является возбуждение и усиление звуковых волн в камере сгорания. Эти волны оказывают влияние на процесс горения топлива и изменение теплоприхода от поверхности горения и при определенных условиях приводят к преобразованию теплоты в энергию колебаний газа [3]. На акустическую неустойчивость сильно влияет форма заряда и камеры сгорания, так как они определяют частоту собственных колебаний. Для демпфирования колебаний применяют устройства, увеличивающие потери колебательной энергии: экраны, диафрагмы, решетки, резонансные поглотители

ит.д. Наличие в камере горящих частиц металла может привести к двоякому эффекту, когда наличие конденсированной фазы в продуктах сгорания демпфирует колебания.

Сдругой стороны, горящая частица металла в газе является источником тепловой энергии, что может возбуждать колебания. Применение утопленного сопла повышает риск появления акустических колебаний давления. Вопрос определения причин появления акустических колебаний давления

имер борьбы с ним требует дальнейшего изучения.

Низкочастотная неустойчивость работы двигателя

связана с проявлением нестационарной скорости горения топлива, которая начинает влиять на скорость горения при больших градиентах давления ( 100 МПа/с) [10]. При малых градиентах давления толщина прогретого слоя, от которой зависит значение скорости горения топлива, меняется с изменением давления в камере сгорания. При больших – изменение этой толщины начинает отставать от изменений давления. При положительных градиентах (вы-

323

ход двигателя на режим) нестационарная скорость горения может быть больше стационарной на 10…15 %, при отрицательных градиентах (режим спада) – уменьшается примерно на ту же величину [10]. При низких давлениях этот эффект проявляется в виде загасания заряда твердого топлива, далее под действием теплового потока от стенок камеры заряд воспламеняется снова и снова гаснет и т.д. В двигателе происходят колебания давления с частотой несколько герц [3]. Эффект проявляется в основном в двигателях с зарядом из баллиститного топлива. Меры борьбы – держать давление в двигателе больше предельно допустимого, которое для проявления этого эффекта составляет величину 2…4 МПа в зависимости от марки применяемого топлива.

Влияние эффекта миграции компонентов топлива в защитно-крепящий слой прочноскрепленного заряда проявляется в беспорядочных пиках давления в конце работы двигателя. Объясняется это тем, что вследствие миграции меняется химический состав топлива в пристеночном слое, что ведет к изменению скорости горения. Меры борьбы – выравнять концентрации компонентов в топливе и ЗКС, чаще всего пластификатора топлива. Возможна также миграция нитроглицерина в баллиститном топливе в бронирующее покрытие, что при больших концентрациях ведет к тому, что покрытие начинает гореть и двигатель разрушается при работе.

324

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ РДТТ

Основные направления развития РДТТ – это улучшение энергетических и физико-механических характеристик топлива, массовых параметров двигателя и его систем, управление вектором тяги, увеличение сроков службы двигателя и уменьшение его стоимости.

Единичный импульс как основная энергетическая характеристика топлива может превысить величину 3000 м/с при перепаде давлений в камере сгорания и на срезе сопла 70:1. Это может быть получено только за счет применения перспективных связующих и высокоэнергетических пластификаторов. Надо отметить, что указанная величина единичного импульса близка к предельно теоретически возможной. Величина плотности топлива может превысить значение 2000 кг/м3, а скорости горения топлива превысить величину 100 мм/с также за счет совершенствования химического состава топлива. Более активно будут применяться не только химические (катализаторы скорости), но и физические методы (тепловые ножи, теплопроводящие элементы в топливе). Последние могут увеличивать скорость горения в 1,5…5 раз [3]. Особое место будут занимать термостойкие топлива, способные выдерживать аэродинамический нагрев до температуры 470 °С. Для достижения этих целей в качестве окислителей будут шире использоваться перхлорат калия, нитрат калия, октоген, гексоген, а в качестве связующих – полиакриловые, фторуглеродные и силиконовые полимеры. Для гидрореагирующих топлив можно ожидать появления составов с содержанием порошкообразных металлов до 75 % и обеспечивающих высокую полноту сгорания. Содержание в топливах для прямоточных воз- душно-реактивных двигателей металлического горючего может достичь уровня 65…70 %. Изменение физикомеханических характеристики топлив будет направлено на уменьшение модуля топлива и увеличение его предельных напряжений и критических деформаций.

325

Развитие конструкции двигательной установки пойдет по пути более широкого применения композиционных материалов, сохраняющих работоспособность до температуры 700 °С, что позволит уменьшить массу теплозащитных покрытий. Сами теплозащитные покрытия за счет применения высокоэффективных полимеров и углеродных наполнителей будут иметь плотность на 15 % меньше [3]. Ожидается появление новых материалов типа углерод-углерод

играфит-графит, которые можно применять для сопел, не имеющих наружной оболочки и специальных вкладышей в критическом сечении сопла. Это позволит уменьшить массу сопла на 35…60 %. Предполагается, что более широко будут применяться сопла, раскрывающиеся при запуске двигателя. Развитие систем управления вектором тяги пойдет по пути увеличения угла его отклонения и улучшения быстродействия систем управления.

Втехнологии изготовления топлив радикальных изменений не предполагается. Развитие пойдет по пути уменьшения трудоемкости изготовления зарядов и двигателей

иих стоимости.

Вчасти конструкций зарядов и двигателей следует ожидать более широкого применения конструкций комбинированного заряда, который дает возможность получать более эффективные двигатели. Более широко будут применяться гибридные двигатели на гидрореагирующем топливе

ипрямоточные воздушно-реактивные двигатели как обычной схемы, так и многократного включения.

Дальнейшее развитие методов расчета пойдет по пути еще большего усложнения математических моделей и более широкого применения САПР.

326

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Фахрутдинов И.Х. Конструкция и проектирование РДТТ / И.Х. Фахрутдинов, А.В. Котельников. – М.: Машиностроение, 1987. – 328 с.

2.Липанов А.М. Проектирование ракетных двигателей твердого топлива / А.М. Липанов, А.В. Алиев. – М.: Машиностроение, 1995. – 400 с.

3.Абугов Д.И. Теория и расчет ракетных двигателей

твердого топлива / Д.И. Абугов, В.М. Бобылев − М.: Машиностроение, 1987. – 272 с.

4.Шапиро Я.М. Теория ракетного двигателя на твердом топливе / Я.М. Шапиро, Г.Ю. Мазинг, Н.Е. Прудников. – М: Воениздат, 1966. – 256 с.

5.Шапиро Я.М. Основы. проектирования ракет на твердом топливе / Я.М. Шапиро, Г.Ю. Мазинг, Н.Е. Прудников – М: Воениздат, 1968. – 352 с.

6.Конструкция ракетных двигателей на твердом топливе / под ред. Л.Н. Лаврова. – М.: Машиностроение, 1993. – 215 с.

7.Виницкий А.М. Ракетные двигатели на твердом топливе / А.М. Виницкий. – М.: Машиностроение, 1973. – 348 с.

8.Конструкция и отработка ракетных двигателей на

твердом топливе / А.М. Виницкий [и др.]. – М.: Машино-

строение, 1980. – 230 с.

9.Ракетные двигатели / М. Баррер [и др.]. – М.: Обо-

ронгиз, 1962. – 799 с.

10.Соркин Р.Е. Газотермодинамика ракетных двигателей на твердом топливе / Р.Е. Соркин. – М.: Наука, 1967. – 368 с.

11. Соркин Р.Е. Теория внутрикамерных процессов

вракетных системах на твердом топливе / Р.Е. Соркин. −

М.: Наука, 1983. − 288 с.

12.Райзберг Б.А. Основы теории рабочих процессов

вракетных системах на твердом топливе / Б.А. Райзберг,

Б.Т. Ерохин, К.П. Самсонов. − М.: Машиностроение, 1972. – 384 с.

327

13.Газодинамические функции / Ю.Д. Иров [и др.] – М.: Машиностроение, 1965. – 399 с.

14.Некоторые вопросы конструирования твердотопливных тактических и оперативно-тактических ракетных

снарядов / В.С. Вельгорский [и др.]. – Л.: Ленуприздат, 1973. – 168 с.

15. Основы проектирования ракетно-прямоточных двигателей для беспилотных летательных аппаратов / Е.Б. Орлов [и др.]. – М.: Машиностроение, 1967. – 424 с.

16.Волков Е.Б. Ракетные двигатели на комбинированном топливе / Е.Б. Волков, Г.Ю. Мазинг, Ю.Н. Шишкин. – М.: Машиностроение, 1973. – 184 с.

17.Ritchey Harold W. Rocket Motor with Blast Tube and Case Bonded Propellant / Harold W. Ritchey, John M. McDermott. – United States Patent № 3765177, 1973.

18.Ракетный двигатель на твердом топливе / Ю.Б. Ев-

грашин [и др.]. Заявка на предполагаемое изобретение

№2006114921 от 02.05.06.

19.Евграшин Ю.Б. Основы теории надежности. Параметрическая надежность РДТТ: учеб. пособие / Ю.Б. Евграшин / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2007. – 197 с.

20.Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических це-

лей. ГОСТ 16350–80. – М.: Изд-во стандартов, 1980. – 232 с.

21.Агейкин Д.И. Датчики контроля и регулирования / Д.И. Агейкин, Е.Н. Костина, Н.Н. Кузнецова. – М.: Машиностроение, 1965. – 928 с.

22.Орлов П.И. Основы конструирования: учебник: в 2 кн. / П.И. Орлов. – М.: Машиностроение, 1988. – Кн. 1. 560 с.

23.Орлов П.И. Основы конструирования: учебник: в 2 кн. / П.И. Орлов. – М.: Машиностроение, 1988. – Кн. 2. 544 с.

24.Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методология / Е.С. Вентцель. – М.: Высшая школа, 2001. – 208 с.

328

25. Основы	испытаний летательных аппаратов /
Е.И. Криницкий	[и др.]. – М.: Машиностроение, 1989. –

312с.

26.Новиков В.Н. Основы устройства и конструирования летательных аппаратов / В.Н. Новиков, Б.М. Авхимович, В.Е. Вейтин. – М.: Машиностроение, 1991. – 368 с.

27.Разумеев В.Ф. Основы проектирования баллистических ракет на твердом топливе / В.Ф. Разумеев, Б.К. Ковалев. – М.: Машиностроение, 1978. – 356 с.

28.Ерохин Б.Т. Теоретические основы проектирования РДТТ / Б.Т. Ерохин. – М.: Машиностроение, 1982. – 206 с.

29.Основы строительной механики ракет / Л.И. Бала-

бух [и др.]. – М.: Высшая школа, 1969. – 494 с.

30.Проектирование и испытание баллистических ракет / под ред В.И. Варфоломеева и М.И. Копытина. – М.:

Воениздат. 1970. – 386 с.

31.Анурьев В.И. Справочник конструктора-машино- строителя. / В.И. Анурьев. – М.: Машиностроение, 2006. –

т. 1. 927 с.

32.Шишков А.А. Газодинамика пороховых ракетных двигателей / А.А. Шишков. – М.: Машиностроение, 1968. – 148 с.

33.Вентцель Е.С. Теория вероятности / Е.С. Вентцель. – M.: Высшая школа, 1999. – 576 с.

34.Пальчиковский В.Г. Проектировочный расчет на прочность скрепленного заряда: учеб. пособие / В.Г. Пальчиковский; Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 1998. – 40 с.

35.Орлов Б.В. Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетных двигателей на твердом топливе / Б.В. Орлов, Г.Ю. Мазинг. – М.: Машиностроение, 1968. – 536 с.

36.Ингерсол Л.Р. Теплопроводность и ее приложения в технике и геологии / Л.Р. Ингерсол, О.Дж. Зобель, А.К. Ингерсол. – М.: Машгиз, 1959. – 259 с.

37Волков Е.И. Основы теории надежности ракетных

двигателей / Е.И. Волков, Р.С. Судаков, Т.А. Сырицын. − М.: Машиностроение, 1974. – 400 с.

329

38.Чуян Р.К. Методы математического моделирования двигателей летательных аппаратов. / Р.К. Чуян. – М.: Машиностроение, 1988. – 288 с.

39.Литвинов Б.В. Основы инженерной деятельности / Б.В. Литвинов. – М.: Машиностроение, 2005. – 282 с.

40.Васильев Л.М. Высшая математика. Специальные главы. Исследование операций / Л.М Васильев, Э.Г. Нелюбин, В.М. Суслонов; ПВКИУ. – Пермь. 1995. – 125 с.

41.Васильев Л.М. Ресурсосберегающее планирование и оперативное управление эксплуатацией сложных технических комплексов / Л.М. Васильев, Э.Г. Нелюбин, В.А. Трефилов; ПВМ РВ. – Пермь, 2001. – 348 с.

42. Ерохин Б.Т. Теория внутрикамерных процессов и проектирования РДТТ / Б.Т. Ерохин. – М.: Машинострое-

ние, 1991. – 559 с.

43. Зельдович Я.Б. Теория горения пороха и приложение ее к реактивным снарядам / Я.Б. Зельдович // Теория горения порохов и взрывчатых средств. – М.: Наука, 1982. – 226 с.

330