CC BY
75
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ Т о м XX 19 89
№ 4
УДК 629.7.015.3.036 : 533.695.7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЯГОВЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ ХАРАКТЕРИСТИК СОПЕЛ С КОСЫМ СРЕЗОМ
Т. А. Комаров, В. Г. Кехваянц, В. Д. Немыкин
Представлены результаты исследования боковых усилий и потерь тяги, возникающих в сверхзвуковых (Мс = 1,7-нЗ,5) конических и звуковых цилиндрических соплах с косым срезом 1)3=10-7-70°, а также в цилиндрических ступенчатых соплах. На основе весовых исследований и анализа распределений давления в струях получены углы отклонения вектора тяги в зависимости от числа Мс, отношения давления Ро/Рн и угла косого среза 1)3.
Сопла с косым выходным сечением находят применение в двигателях систем стабилизации высотных летательных аппаратов [1] из-за необходимости получения аэродинамически «чистой» внешней поверхности аппарата, а также в целях управления вектором тяги маршевых двигателей [2]. Имеющиеся [3—8] расчетные, приближенные и экспериментальные методы касаются, в основном, исследований параметров струй, истекающих из сопел с косым срезом. Подробные расчетные (на основе метода характеристик) исследования влияния геометрических параметров сопла на осевой компонент тяги представлены в работах [9, 10]. Однако практически отсутствуют аналогичные исследования боковой силы. Приближенные оценки на основе одномерных соотношений (11, 12], как показано в работах [3, 5], дают завышенные величины боковых сил. Данные расчетов по двумерной теории идеальной жидкости боковых сил в плоском сопле с выдвигаемыми козырьками также существенно отличаются от экспериментальных данных (2]. Нам неизвестны работы, в которых одновременно были бы измерены или рассчитаны боковой и осевой компоненты тяги сопел с косым срезом, за исключением работы [13], где приведены экспериментальные данные для одного варианта плоского сопла с Мс = 1,8. В целом можно сказа'гь, что имеющиеся расчетные и экспериментальные исследования тягово-управляющих характеристик сопел с косым срезом носят фрагментарный характер. В настоящей статье проведены экспериментальные исследования характеристик осесимметричных сопел с косым срезом в следующем диапазоне изменения основных параметров: число Мс = 1^3,5, угол косого среза 10-т-70°, относительное давление в сопле ро/рн = 5-^80. Кроме того, получены тягово-управляющие характеристики ступенчатого цилиндрического сопла.
1. Испытания проведены на дифференциальном стенде (рис, 1,о), представляющем собой ресивер 1, к которому крепятся исследуемое сопло 2 с косым срезом и эталонное осесимметричное сопло 3. На гибком трубопроводе 4 наклеены тензода,т-чики 5 для измерения изгибающих моментов от осевой силы АРх, возникающей вследствие разности тяг установленных сопел, и боковой силы /V, являющейся следствием установки сопла с косым срезом. В качестве рабочего тела использовался сжатый воздух комнатной температуры \=1,4, необходимый перепад давления на сопле создавался путем понижения уровня давления рв в барокамере. Все сверхзвуковые сопла были выполнены коническими с полууглом раствора, равным 10°. Разные числа Мс достигались изменением длины сверхзвукового участка.
В литературе нет единого толкования газодинамических и геометрических параметров сопл с косым выходным сечением: в качестве характерных берутся параметры в точке А (тупая кромка), в точке В (острая кромка) или в точке С пересечения оси сопла с плоскостью косого среза. В настоящей работе сопла с косым срезом образовывались поворотом линии квсого среза вокруг точки С (в плоскости чертежа), и
мс=1
=10+70*
М = 1
I -26,97,141
Рис. 1
поэтому естественно неизменные параметры течения в этой точке приписать всему семейству сопел с данным числом М.
В ходе испытаний измерялись величины разности тяг между исследуемым (і|з = =уаг) и соответствующим осесимметричным (і|)=90°) соплами Ь.Р х и значения боковой силы ру. Для каждого числа Мс применялось свое осесимметричное (эталонное) сопло, контуры которого показаны штриховой линией на рис. 1,6. Значения сил отнесены к величине идеального импульса соответствующего осесимметричного сопла:
^ид = ^ т 1 ^кр 2 (^с) Ро >
1
где г(Яс) =А.С + у- — газодинамическая функция, Я,с — приведенная скорость на срезе с
осесимметричного сопла, вычисленная в одномерном приближении, /-"„р — площадь критического сечения сопла, ро — полное давление в форкамере сопла. За положительное значение /V принято направление силы от оси сопла к его острой кромке. За положительное значение ДРх принята осевая составляющая тяги сопла с косым срезом, превышающая тягу соответствующего осесимметричного сопла. Относительная погрешность измерений не превышала ±5%. На рис. 2, а приведены изменения осе-
вой составляющей тяги ДРх для сопла Мс = 2,5 в зависимости от относительного давления в сопле для различных углов среза (относительная тяга эталонного сопла Рх э//ид=0,98 при Ро/Рн>50). Как видно, максимальные отличия не превышают 3% от идеального импульса соответствующего осесимметричного сопла. Примерно такие же результаты получены при исследовании других сопел в диапазоне М0 = 1+3,5 и 1|з= 10+70°.
Таким образом, при различных углах среза г|) интеграл сил давления в осевом направлении на отсутствующей части сопла АМС (см. рис. 1,6) приблизительно компенсируется этой же величиной на дополнительной по сравнению с осесимметричным соплом части ЫВС. При некоторых комбинациях чисел МС) угла среза сопел т|) и относительного давления возможен даже прирост осевой составляющей тяги по сравнению с тягой соответствующего осесимметричного сопла. Величины боковых сил на порядок выше величин относительных потерь тяги (рис. 2, б). Возникает боковая сила за счет разности давлений на стенку несимметричной части внутри и вне сопла, и поэтому ее величина существенным образом зависит от относительного давления в сопле. При малых относительных давлениях направление действия боковой силы может измениться на противоположное, что ранее отмечалось в работах [2, 3]. При больших относительных давлениях течение на несимметричной части сопла стабилизируется (возмущения из района «тупой» кромки перестают попадать внутрь сопла) и некоторый рост относительной боковой силы связан с уменьшением давления окружающей среды рн.
Наибольшие величины боковой силы (50% /ид) получены в цилиндрических соплах с косым выходным сечением (рис. 3). Примерно такие же величины боковой
Рис. 3 Рис. 4
силы и потерь тяги зафиксированы в сгупенчатом сопле, получающимся из цилиндрического удалением половины сопла (рис. У, г). Таким образом, наличие косого среза дает возможность без существенных изменений осевой составляющей тяги получать значительные знакопеременные величины боковой силы при соответствующих относительных давлениях в сопле. Уменьшение угла среза сопла ведет к усилению эффекта несим-метрии течения и, как следствие, к увеличению боковой силы (рис. 4). С увеличением числа Мс уменьшается уровень давлений на стенках сопла при фиксированных углах среза, что приводит к уменьшению величины относительной боковой силы.
2. Были проведены также исследования распределения давления в струе, истекающей из сопла с косым срезом. Гребенка приемников полных давлений располагалась в плоскости симметрии, проходящей через «острую» и «тупую» кромки сопла и ее ось. Профили давлений на некотором расстоянии от среза сопла становятся симметричными относительно прямой, которую можно принять за фактическую ось струи. Отклонение этой прямой от оси сопла и принято за угол разворота струи (рис. 5).
На рис. 6. приведены зависимости угла поворота струи от основных параметров. Там же приведены аналогичные зависимости угла отклонения вектора тяги, получен-
Fy
ные из соотношения a=arctg-р—, где Fx—тяга осесимметричного сопла. Видно удов-
гх
летворительное согласие результатов весовых и дренажных испытаний. Полученный результат позволяет приближенно оценивать управляющие характеристики сопел с косым срезом по геометрическим параметрам струй, истекающих из них.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bora as S. and Ashby R. L. Installed tlrust vector for scarfed
nozzles. —J. Spacecraft and Rockets, 1969, vol. 6, N 12.
2. H о k e n s о n G. J. Thrust vector control utilising asymmetric jet
nozzles. — J. Spacecraft and Rockets, 1986, vol. 23, N 6.
3. Погорелов В. H., Щербанина Г. В. Экспериментальное исследование недорасширенной струи, вытекающей из сопла с косым выходным срезом. — ИФЖ, 1974, т. 27, № 5.
4. Погорелов В. Н., Щербанина Г. В. Особенности истечения сверхзвуковой струи из сопла с косым срезом. — Изв. АН СССР, МЖХ,
1977, № 4.
5. Ш у и н о в А. В. Расчет течения в коническом сопле с косым выходным срезом и в струе за ним. Ученые записки ЦАГИ, 1982, т. 13, № 4.
6. Родионов А. В. Расчет истечения сверхзвуковой струи газа в вакуум из сопла с косым срезом. — Изв. АН СССР, МЖГ, 1982, т. 13, № 3.
7. Родионов А. В. Распределение плотности в сверхзвуковой струе, истекающей в вакуум из сопла с косым срезом. — Изв. АН СССР, МЖГ, 1983, т. 14, № 6.
8. Rо mine G. L. and Noble J. A. Closed-form model for three-dimensional vacuum plumes from a scarfed nozzle. — AIAA Journal, 1984, vol. 22, N 5.
9. L i 11 ey J. S. The design and optimization of propulsion systems scazfed nozzles.—AIAA Paper, 1985, iN 85—1308.
10. Л и л л и Д ж. С., X о ф ф м а н Д ж. Д. Методика расчета характеристик сопл с косым срезом. — Аэрокосмическая техника, № 10, 1986.
11. Орлов Б. В., Мазинг Г. Ю. Термодинамические и баллистические основы проектирования ракетных двигателей на твердом топливе. — М.: Машиностроение, 1968.
12. Шишков А. А. Газодинамика пороховых ракетных двигателей.— М.: Машиностроение, 1974.
13. Dunn В. М. and Emery А. Е. Thrust vectoring produced by a supersonic nozzle with an oblique exit plane. — J. of Spacecraft and Rockets, 1966, vol. 3, N 10.
Рукопись поступила 3/VI 1988
