CC BY
11ЭКСПЛУАТАЦИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
УДК 629.7.085.2; 532.529.5; 533.6.011.72
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМ ВОДОПОДАЧИ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ НАГРУЗОК ПРИ СТАРТЕ РАКЕТ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
B. П. Зюзликов1, Б. Е. Синильщиков1, В. Б. Синильщиков1, Т. О. Абдурашидов2, А. Б. Бут3
1 Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Санкт-Петербург, Российская Федерация
2 Филиал АО «ЦЭНКИ» - «НИИ СК», Москва, Российская Федерация
3 Московский авиационный институт, Москва, Российская Федерация
Аннотация. Статья носит обзорный характер и посвящена рассмотрению различных аспектов использования водоподачи в стартовых комплексах ракет космического назначения. Анализируются физические процессы, вызывающие действие тепловых, акустических и удар-новолновых нагрузок на элементы стартового комплекса и ракету при старте. Описываются принципы и физические механизмы, приводящие к снижению этих нагрузок при использовании водоподачи, а также факторы, влияющие на эффективность водоподачи в отношении снижения нагрузок. Рассматриваются различные виды систем водоподачи: внутриструйные, внешнеструйные, пристеночные и генераторы завес, а также их влияние на каждый из видов нагружения. Приводятся результаты численного моделирования газокапельных течений при работе систем водоподачи. Кратко рассматриваются методы исследования эффективности таких систем.
Ключевые слова: ракета космического назначения, стартовый комплекс, водоподача, газокапельные течения, нагрузки.
Для цитирования: Зюзликов В. П., Синильщиков Б. Е., Синильщиков В. Б., Абдурашидов Т. О., Бут А. Б. Использование систем водоподачи для снижения нагрузок при старте ракет космического назначения // Аэрокосмическая техника и технологии. 2023. Т. 1. № 1.
C.35-62.
UTILISING WATER-SUPPLY SYSTEMS TO REDUCE STRESSES AT LAUNCHING SPACE ROCKETS
V. P. Zyuzlikov1, B. E. Sinilshchikov1, V. B. Sinilshchikov1, T. O. Abdurashidov2, A. B. But3
1 Baltic State Technical University "VOENMEH", Saint Petersburg, Russian Federation
© Зюзликов В. П., Синильщиков Б. Е., Синильщиков В. Б., Абдурашидов Т. О., Бут А. Б., 2023
2 Branch of Centre for Ground-Based Space Infrastructure Facilities Operation, Launch Complexes Research Institute named after V. P. Barmin., Moscow, Russian Federation
3 Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russian Federation
Abstract. The article is an overview of various aspects of water supply in launch complexes of space rockets. It analyzes the physical processes which cause thermal, acoustic and shock-wave loading on the elements of launch complex and the rocket during the launch. The physical mechanisms and principles leading to reduction of these loads when water supply system is used are described, as well as the factors influencing the efficiency of water supply system with respect to load reduction. Different types of water supply systems: in-jet, out-of-jet, swirl and curtain generators - and their influence on each type of loading are studied. The results of numerical simulation of gas-drop currents in the operation of water supply systems are presented. The methods of investigating the efficiency of such systems are briefly examined.
Keywords: space rocket, launch complex, water supply, gas-drip currents, loads.
For citation: Zyuzlikov V. P., Sinilshchikov B. E., Sinilshchikov V. B., Abdurashidov T. O., But A. B. Utilising water-supply systems to reduce stresses at launching space rockets. Aerospace Engineering and Technology. 2023. Vol. 1. No. 1, pp. 35-62.
Введение
Системы водоподачи (СВ) используются в стартовых комплексах (СК) практически всех современных ракет космического назначения (РКН) среднего, тяжелого и сверхтяжелого класса, а также в большинстве СК РКН легкого класса (за исключением самых легких РКН и РКН на основе конверсионных боевых ракет). Среди них можно отметить отечественные СК РКН «Энергия» (включая «стенд-старт»), «Зенит» (в том числе Sea Launch), «Ангара», а также зарубежные комплексы «Сатурн» (начиная с Сатурн-1), Space Shuttle, Atlas, KSLV, Antares, Falcon, Starship и др. Несмотря на то, что первые СВ появились в 60-е годы XX века, до настоящего времени вопросы их эффективности остаются во многом нерешенными. Публикаций, в которых систематически рассматриваются разные варианты СВ или проводится анализ физической картины процессов при их работе в условиях старта, также немного. В большинстве работ приводятся конкретные задачи применительно к конкретным схемам СВ существующих или разрабатываемых СК.
Из русскоязычной литературы можно отметить прежде всего монографию, посвященную газодинамике старта [1] (авторы - сотрудники АО ЦНИИМаш и ФГУП КБТМ, филиал АО «ЦЭНКИ» - НИИ СК), а также составленное в ФГУП ЦНИИМаш (АО ЦНИИМаш) «Руководство для конструкторов» [2]. В [1] при описании схем существующих СК приводятся характеристики расхода воды. Качественно описан эффект водоподачи по снижению силовых и тепловых нагрузок на стартовое сооружение, а также ударно-волновых и акустических нагрузок
на РКН. Приводятся интегральные оценки параметров струй ракетных двигателей (РД) после введения в них воды с использованием внутриструйных или внешнеструйных СВ, основанные на предположении о равномерном перемешивании воды с выхлопными газами РД.
В руководстве [2] и статьях [3, 4] рассматривается влияние работы СВ на величины ударно-волновых давлений (максимальные значения и общий уровень пульсаций избыточного давления на днище и боковой поверхности РКН при запуске РД). В [ 2, 3] приводятся результаты измерений при проведении модельных экспериментов и в натурных условиях для разных СК, полученные при наличии и отсутствии водоподачи. В [4] предложен метод расчета ударно-волновых давлений, основанный на решении уравнений динамики многофазных сред (газ + капли) с рядом упрощений.
Ряд работ посвящен определению влияния работы СВ на силовые и тепловые нагрузки на газоотражатель (ГО) и поверхности газохода. В [1, 5] описываются результаты крупномасштабных (1:5) экспериментов, проведенных ФГУП КБТМ в рамках отработки системы охлаждения для перспективных СК РКН. В [6] приводятся результаты численных расчетов для условий этих экспериментов, выполненных в БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова при участии сотрудников ФГУП КБТМ. В [7] дается краткое описание математической модели и результаты численных исследований, выполненных в БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова для СК односопловой РКН с РД типа РД-191 с использованием внут-риструйной СВ [7] и совместной работы внешнеструйной и пристеночной СВ [8]. В [9] аналогичная задача для внешнеструйной СВ РКН «Антарес» решается с использованием CFD пакета ANSYS Fluent (подавляющее большинство подобных расчетов в настоящее время выполняется с использованием специального программного обеспечения, разработанного исполнителями под конкретные задачи).
Ряд работ [10-12], [13-17]) посвящен задаче снижения акустического излучения (и соответственно - акустического воздействия на РКН) при работе СВ. В [10, 11] рассматриваются результаты выполненных в АО «КБСМ» совместно с филиалом АО «ЦЭНКИ» - НИИ СК фрагментных модельных экспериментов по исследованию влияния внешнеструйной водоподачи на акустическое излучение струи. В [12] кратко описаны некоторые результаты мелкомасштабных экспериментов, выполненных в 2012-2015 гг. на стенде ПВК АО «ЦНИИМаш» с участием АО «ЦЭНКИ» - НИИ СК для отработки газодинамики старта РКН «Ангара-А5» с космодрома «Восточный» в части снижения акустических нагрузок. В [14] приводится обзор результатов отечественных экспериментов по исследованию снижения акустического воздействия за счет использования СВ. В зарубежных трудах, из которых можно отметить наиболее поздние [15-17], задачи расчета акустического излучения при работе системы водоподачи решаются не только экспериментально, но и численно (совместно с расчетом газокапельных течений).
Схемные решения элементов внутристуйной СВ и генератора завесы описаны в патентах [18-20] (заявитель - ФГУП «КБТМ»).
Обзор некоторых схем СВ с достаточно подробным их описанием приводится в [13]. Рассмотрены схемы, основные характеристики и порядок работы СВ СК Space Shuttle, Atlas-V и «Энергия-Буран».
1. Основные задачи, решаемые при использовании систем водоподачи в стартовых комплексах ракет космического назначения
Перечень этих задач в целом совпадает с основными проблемами стартовой газодинамики. Значимость каждой из них для разных СК РКН различна, но в том или ином виде они ставятся почти всегда. Рассмотрим эти проблемы и возможности их решения с использованием СВ. Отметим, что описанные процессы и числовые значения относятся к схемам заглубленных и открытых СК.
1.1. Снижение (ограничение) теплового воздействия на конструкции стартового комплекса, испытывающие воздействие газовых струй
Рис. 1. Зоны
К таким элементам (рис. 1) в первую очередь относится ГО, на который натекают струи РД при начальном положении РКН и при высотах подъема до 40-80 м. Согласно [2, 9], удельные тепловые потоки в поверхность ГО при отсутствии СВ могут достигать 24 кВт/см2, что приводит к быстрому прогреву поверхности (менее чем через 1 с после начала воздействия ее температура достигнет температуры плавления).
Кроме ГО, можно отметить высокое (хотя и меньшее, чем на ГО) тепловое воздействие на стенки газоотводящего тракта (газохода), по которым струи РД растекаются после взаимодействия с ГО. После начала подъема РКН значительные тепловые нагрузки испытывают элементы, расположенные в стартовом проеме. При дальнейшем подъеме РКН часть струи начинает взаимодействовать с верхней поверхностью пускового стола, и тепловому
воздействию подвергается металлооблицовка нулевой отметки и расположенные на ней элементы, однако воздействие на них значительно ниже и, как правило, они не требуют теплозащиты.
Важнейшими из факторов, определяющих тепловое воздействие струй на преграды, являются температура торможения (на небольших расстояниях от среза она практически равна температуре торможения продуктов сгорания и для топ-лив, используемых в современных РД, составляет 3200-3900 К) и давление в пятне воздействия струи (для ГО 0,5-1,2 МПа). Также в [1, 2] отмечено существенное влияние акустических пульсаций, которые интенсифицируют теплоотдачу.
Основной эффект от использования СВ для снижения теплового воздействия состоит в снижении температуры торможения газов вследствие теплообмена с каплями и последующего их испарения, а также в попадании неиспарившихся капель в зону теплового воздействия. При этом важно, чтобы газ, имеющий пониженную температуру и (желательно) капли попадали в окрестность критической точки (точки на ГО в пятне воздействия струи, в которой осредненная скорость газа, с которой начинается пограничный слой и из которой происходит веерное растекание вдоль поверхности ГО по всем направлениям). В этом случае низкотемпературный газ и капли будут растекаться по ГО, непосредственно контактируя с его поверхностью.
Отметим, что критическая точка является максимумом давления на ГО (локальным или глобальным), т. е. находится в зоне воздействия относительно высоконапорного газа. Насыщение каплями ограниченной части струи обычно приводит к снижению напора этой части и смещению критической точки в сторону линий тока струи, имеющих более высокий напор, т. е. тех, в которые капли не попали. Таким образом, для эффективного снижения теплового потока важно обеспечить насыщение каплями всей струи, но особенно - тех линий тока, которые выходят в район критической точки. Для этого желательно, чтобы вода подводилась в струю как можно ближе к срезу сопла, т. е. расстояние от сечения струи, в котором в нее попадает вода, до ГО было по возможности больше. В этом случае в результате турбулентной диффузии вода либо водяной пар распределяются по сечению струи более равномерно [1, 6, 8, 9].
Обычно в зонах, где неиспарившиеся капли достигают ГО или растекаются вдоль его поверхности, тепловое воздействие на ГО практически отсутствует, однако на практике обеспечить растекание неиспарившихся капель по всему пятну воздействия достаточно сложно.
Дополнительный эффект снижения теплового воздействия на ГО при работе СВ связан с тем, что при попадании воды в струю происходит обмен импульсом между газом и каплями, который приводит к уменьшению скоростного напора газа и как следствие - к уменьшению давления на преграде. Последнее оказывает существенное влияние на удельные тепловые потоки. По этой же причине при работе СВ снижаются и уровни локального силового воздействия на ГО (максимальные значения давления), хотя в силу сохранения импульса, значения интегральной силы, действующей на ГО, примерно те же, что и без СВ. Кратность
снижения давлений на ГО при работе СВ по данным модельных экспериментов [12] для СК РКН «Ангара» (космодром «Восточный») составляет до 4 раз, а тепловых потоков - 4-5 раз.
Еще одним фактором, приводящим к снижению теплового воздействия при попадании в струю капель, является уменьшение уровня акустических пульсаций. Причины уменьшения будут рассмотрены ниже.
Уровни теплового воздействия, связанные с теплообменом излучением в СК РКН, обычно существенно ниже конвективных. Однако при натурных огневых испытаниях РД большая длительность воздействия может привести к тому, что даже поверхности, не контактирующие с горячим газом непосредственно, могут прогреваться до опасных температур. Для их защиты достаточно создать пристеночную завесу, которая будет экранировать излучение и охлаждать поверхность. Такая система была создана для защиты боковых стенок стартового проема в стенд-старте (комплекс для натурной отработки РКН «Энергия»; впоследствии был использован в качестве стартового).
Отдельную проблему представляет тепловое воздействие на днище РКН. Обычно такое воздействие определяется тепловым излучением струй, причем, по данным [2], удельный тепловой поток в днище составляет 0,03-0,1 кВт/см2. Однако в случае прямого контакта обратных потоков горячих газов с днищем и боковой поверхностью РКН тепловое воздействие может быть значительно выше. Несмотря на то, что температура таких газов вследствие перемешивания с воздухом обычно существенно ниже температуры торможения продуктов сгорания, а скоростной напор незначителен, такой контакт крайне опасен из-за низкой стойкости обшивки РКН к тепловому воздействию. Наибольшую опасность представляет этап нарастания расхода и тяги РД, когда давление под пусковым столом (рис. 1) выше атмосферного из-за превышения газоприхода от РД над газорасходом в направлении выхода из газохода (вправо на рис. 1). На этом этапе вихревые структуры выхлопных газов, выброшенные из струи, при распаде пускового вихря могут за счет перепада давления подняться вверх и достичь днища РКН.
Распыл воды в районе сопел выше их среза (предварительный и продолжающийся после запуска РД) мог бы исключить такую опасность, однако попадание капель на поверхность РКН, которая при использовании криогенных топлив имеет отрицательную температуру, нежелательно. Поэтому для решения данной задачи чаще используют другие средства - ограничение скорости роста давления под пусковым столом (за счет увеличения времени нарастания расхода РД и разновременности запуска разных блоков РД в многоблочных РКН) и уменьшение зазора между соплами и стартовым проемом в начальном положении РКН. Эти меры обычно позволяют исключить прямой контакт обратных токов горячих газов с поверхностью РКН (за исключением наружных поверхностей сопел).
1.2. Снижение акустического воздействия на РКН
Прямое воздействие струйных течений на РКН отсутствует. Однако шум, создаваемый свободной струей и процессами ее взаимодействия с ГО и элементами газохода, вызывает появление акустического поля, которое оказывает существенное воздействие на РКН. Согласно [1, 2, 21], акустические нагрузки на РКН при старте из заглубленных стартовых сооружений значительно превышают полетные и могут составлять 150-165 дБ на днище РКН и 140-154 дБ в районе космической головной части (КГЧ), причем воздействие происходит в широком диапазоне частот, соответствующем примерно 8 октавам (отношение максимальной частоты к минимальной составляет 28). При открытом старте РКН акустические нагрузки ниже приведенных, а при старте из ШПУ - выше. Согласно [2], при общем уровне акустического давления Ье = 140 дБ возможны сбои в работе аппаратуры, а при Ье = 145 дБ - поломки элементов аппаратуры. Еще более жесткие требования к уровню акустического воздействия на КГЧ предъявляются в случае пилотируемого старта.
Основные зоны шумоизлучения при старте РКН показаны на рис. 2. Кратко рассмотрим физические механизмы, вызывающие шум [1, 2, 10, 22].
Излучение из зоны натекания струи на нулевую / отметку . I
Неустойчивые режимы в области слияния струй ^ и догорания \
Излучение в слое смешения свободной струи (взаимодействие турбулентных структур друг с другом со сдвиговым течением \и со скачками уплотнения)
\
Излучение в стартовом проеме
V
Излучение из зоны
/
взаимодействия растекающейся струи с боковыми стенками
/
/ \ \ I \
I \ / \
/
/
Излучение из зоны натекания струи на ГО
/ / / /
Излучение из зоны взаимодействия
/
(растекающейся струи с дном
газохода //
\
Излучение из зоны истечения струи из газохода
Рис. 2. Области излучения при старте РКН и пути распространения акустических волн к РКН
1. Шум в слое смешения свободной струи, вызванный пульсациями давления при взаимодействии турбулентных вихревых структур со сдвиговым слоем струи и друг с другом. При этом иногда разделяют шум от мелкомасштабной и от крупномасштабной турбулентности. Согласно [10], наиболее интенсивное шумообразование имеет место в диапазоне чисел Струхаля 0,1 < БИ < 0,25. Помимо свободной струи, аналогичные процессы имеют место и в струях, растекающихся по поверхностям СК, однако ввиду меньшей скорости их вклад в общий уровень шума при старте существенно ниже.
2. Шум в слое смешения свободной струи, связанный с натеканием вихревых структур на скачки уплотнения. При этом наблюдаются пульсации давления за скачками и колебания их пространственного расположения. Это вызывает излучение акустической энергии в пространство в широком диапазоне частот.
3. Шум в зоне натекания струи на преграду (ГО или поверхность пускового стола). Этот вид шума связан с пульсациями давления при натекании турбулентных вихрей на преграду, а если перед ней образуется скачок уплотнения - и на этот скачок. Еще одним фактором шумоизлучения является случайное сканирование струи по поверхности преграды (колебания пятна воздействия). Аналогичные процессы с меньшей интенсивностью имеют место при натекании растекающейся струи на изломы или вертикальную стенку газохода. Шумоизлучение также происходит в широком диапазоне частот.
4. Шум, связанный с автоколебательным режимом на начальном участке струи с реализацией обратной связи по внешнему (акустическому) каналу - эффект Пауэлла [10, 11].
5. Шум, связанный с неустойчивостью в межструйной зоне блочной струи.
6. Шум, связанный с неустойчивым догоранием избытка горючего, имеющегося в продуктах сгорания при смешении с воздухом [10, 11].
7. Шумообразование в зоне натекания струи на преграду при неустойчивом режиме с колебаниями центрального скачка.
Если источники шума расположены в стартовом проеме (рис. 2), то имеет место его усиление в результате отражения от стенок.
Механизмы 4-7 часто взаимосвязаны и вызывают шумообразование в узком диапазоне частот или на дискретных частотах. Обычно правильный выбор параметров старта позволяет исключить такие режимы либо ограничить их реализацию малым промежутком времени, за который амплитуды колебаний не успевают достичь опасных значений, хотя в некоторых случаях приходится принимать специальные меры. Наиболее проблемными являются механизмы 1-3. Отметим, что они связаны с турбулентностью, а все семь механизмов зависят и от осред-ненной скорости газа: шумоизлучение возрастает с ее увеличением (по разным оценкам, генерация акустической энергии в слоях смешения пропорциональна осредненной скорости газа в степени от 3 до 8).
Теоретические [15-17] и экспериментальные [10-12, 14] исследования свидетельствуют, что СВ являются одним из наиболее эффективных способов сниже-
ния акустических нагрузок на РКН. Можно выделить следующие группы процессов, происходящих при работе СВ и приводящих к снижению акустического воздействия на РКН.
1. Уменьшение кинетической энергии турбулентного движения газа в слое смешения при наличии капель. Различие плотностей газа и капель приводит к тому, что при ускорении вихревых структур («молей» в терминологии Г. Н. Абрамовича) капли «отстают» от турбулентного движения газа. Разность скоростей вызывает появление сил сопротивления, действующих на капли, с одной стороны, и на газ («моль») - с другой. Силы, действующие на газ, как правило, направлены навстречу вектору пульсационной скорости газа, т. е. эти силы являются демпфирующими по отношению к турбулентному движению газа. Демпфирование турбулентных пульсаций приводит к снижению шумообразования по механизмам 1-3. Анализ [23] показывает, что при заданной плотности капельной фазы данный фактор наиболее эффективен, если капли имеют достаточно малый размер (диаметр 50-100 мкм): при увеличении диаметра уменьшается суммарная поверхность, по которой действуют силы сопротивления, а значит и значение этой силы на единицу объема газа. Также, по-видимому, данный фактор более эффективен в отношении гашения крупномасштабной турбулентности и соответствующих ей низкочастотных составляющих акустического излучения, что подтверждается экспериментами [9, 10].
2. Изменение параметров и структуры струи при работе СВ. Как было отмечено выше, при попадании в струю капель воды происходит их неупругое соударение с потоком, приводящее к снижению скоростного напора при сохранении общего импульса. Это приводит к уменьшению шумоизлучения из областей, расположенных ниже сечения струи, в котором в нее попадает вода:
а) к снижению генерации турбулентности в слоях смешения, т. е. снижению шума по механизмам 1-3;
б) к уменьшению осредненной скорости и как следствие - к снижению шума по всем механизмам 1-7 (в части догорания и эффекта Пауэлла характерные результаты приведены в [10, 11]);
в) к уменьшению интенсивности скачков уплотнения (или полному их отсутствию начиная с какого-то сечения струи), что снижает шумообразование по механизмам 2 и 3 в части взаимодействия со скачком перед преградой.
3. Уменьшение энергии акустического воздействия на РКН по отношению к энергии, излучаемой струей и другими источниками при прохождении акустического излучения через водо-капельные завесы. Завесы, расположенные вне струй, не оказывают влияния на генерацию акустического излучения. Снижение акустического воздействия на РКН в этом случае связано с эффектами отражения акустических волн от завес, поглощения энергии акустического излучения в завесах и перераспределения направленности излучения. Как показали результаты исследований, выполненных в БГТУ «ВОЕНМЕХ» в рамках НИР «Завеса», данный фактор может привести к существенному снижению воздействия в натур-
ных условиях (прежде всего - в высокочастотной части спектра) только при использовании достаточно протяженных завес, эффективной плотности капельной фазы не менее 2-5 кг/м3 и диаметрах капель 50-300 мкм, причем движение капель относительно воздуха (газа) существенно повышает эффективность.
Таким образом, основной эффект снижения шума достигается при подаче воды в слой смешения струи. При этом важно, чтобы вода подавалась в струю как можно ближе к срезу сопла: в этом случае, во-первых, можно уменьшить длину участка струи, на котором капли отсутствуют, а значит шумоизлучение такое же, как у струи без СВ, во-вторых, можно добиться более равномерного распределения капельной фазы по сечению струи, что также снизит шумоизлу-чение. Снижение общего уровня акустического воздействия на РКН ALs при использовании СВ зависит от относительного расхода воды j (отношение массового расхода воды СВ к массовому расходу всех РД; чем больше j - тем больше ALs), схемы СВ (предпочтительны схемы, в которых капли попадают в слой смешения на минимальном расстоянии от среза и равномерно распределены по сечению слоя смешения) и положения точки на РКН (обычно на днище РКН ALs ниже, чем на боковой поверхности).
В литературе приводятся некоторые результаты, характеризующие эффективность СВ для разных комплексов и схем. По [1], на днище РКН «Зенит» при использовании внутриструйной СВ с j = 1,5 ALs = 3-5 дБ. По [ 1, 13], в СК РКН Space Shuttle при работе РД j меняется от 4,6 до 7,7; при этом достигнуто снижение акустических нагрузок на днище РКН ALs = 5 дБ. На модельных испытаниях для СК РКН Atlas-II-AS (j = 0,55) и Atlas-II-AR (j = 1,11) при подаче воды на входе в газоход достигнуто снижение акустических нагрузок на хвостовом отсеке РКН 2,2 и 5,1 дБ, на КГЧ - 2,9 и 4,2 дБ соответственно. На крупномасштабном стенде 1:5 при испытаниях, проводимых ФГУП КБТМ, при j = 2,2 было достигнуто снижение ALs = 8-10 дБ. Согласно [2], введением воды с j = 1,2 в струи РД можно уменьшить суммарный уровень акустического давления для днища РКН ALs = 3 дБ, кормовой части ALs = 5 дБ, КГЧ ALs = 8 дБ.
1.3. Снижение ударно-волнового воздействия на ракеты космического назначения
При запуске РД рост давления в камере сгорания приводит к образованию пакета волн сжатия, выходящих из сопла. При сферическом расширении их интенсивность падает, однако при быстром нарастании расхода газов из РД она может поддерживаться за счет последующих волн, которые распространяются по уже двигающейся воздушной среде и догоняют предыдущие. При быстром нарастании расхода пакет волн может превратиться в одну пусковую ударную волну. Дифрагируя вокруг среза сопла (сопел - для многоблочных компоновок) такая волна оказывает ударное воздействие на днище РКН.
Следующим этапом нагружения может быть воздействие на днище РКН волн, отраженных от дна газохода и других стенок заглубленного СК. При ступенчатом нарастании тяги такое воздействие может повторяться несколько раз на разных этапах выхода РД на основной режим. Как отмечено в [2], на кормовой части РКН величины ударно-волнового давления при открытом старте обычно не превышают 0,3 ати, при использовании заглубленных СК достигают 0,5 ати (по [21], примерно такие значения достигались при старте РКН типа «Энергия», а также при старте РКН типа «Протон» при отсутствии защитного экрана), а при шахтном старте могут достигать до 1,0 кг/см2.
В ряде современных РКН расход газов из РД непосредственно после запуска растет относительно медленно и волны сжатия, которые можно назвать ударными в собственном смысле (избыточное давление во фронте свыше 0,2-0,3 кг/см2), отсутствуют. Изменение давления на днище РКН имеет пульсационный характер с образованием волн сжатия и разрежения с фронтами различной крутизны [2, 3]. В качестве характеристики ударно-волнового нагружения в этом случае используют максимальное значение давления, которое можно условно разложить на осредненную и пульсационную составляющие. Согласно [3], при модельных экспериментах (1:30), воспроизводящих условия для СК РКН типа «Ангара-А5» (космодром «Плесецк»), без водоподачи уровень максимальных ударно-волновых давлений составил 0,15-0,2 ати. При старте РКН «Рокот» максимальное ударно-волновое давление на днище и боковой поверхности РКН составляло 0,15-0,18 ати.
Основными факторами, влияющими на ударно-волновые давления, являются максимальная величина расхода газа из РД, время его нарастания (при больших временах выдержки промежуточных ступеней тяги - разность конечного и начального расходов, при переходе к последующей ступени тяги - и время перехода), площадь, характерная длина тракта газоотведения (газохода) и др. Эти параметры можно свести к двум основным безразмерным критериям, каждый из которых увеличивает ударно-волновые давления: относительной расходонапря-
Д£РД R т 2 ь
женности / =---и числу Струхаля БИ =-—, где ДОщ и ДтРд - расход
Рн ^ а а ДтРД
(изменение расхода) и время, за которое он изменяется; Я, Т и а - газовая постоянная, температура и скорость звука газа в газоходе; Ьг и ^ - характерные длина и площадь поперечного сечения газохода; рн - наружное давление.
Снижение ударно-волновых давлений при работе СВ достигается за счет создания перед запуском РД водо-капельных завес, т. е. областей, в которых имеются капли с эффективной плотностью, соизмеримой с плотностью воздуха или превосходящей ее. Оно проявляется в уменьшении перепада давления на первичном фронте, снижении амплитуды пульсаций и в снижении осредненного давления на днище РКН. Его физические механизмы:
1. Потери энергии волны в завесе. Воздух после прохождения фронта волны приобретает некоторую скорость. Скорость капель в силу их инерционности
нарастает медленнее, что приводит к появлению сил межфазного взаимодействия (сопротивления и др.), которые являются тормозящими для воздуха и разгоняющими для капель. При этом часть волновой энергии теряется, превращаясь в тепло, а давление во фронте волны падает. Ввиду нежелательности создания завесы в районе днища РКН снижение воздействия по этому механизму относится не к первичной пусковой волне, а скорее к отраженным волнам. Для этого создаются завесы между днищем ракеты и стенками, от которых отражаются волны.
2. Снижение осредненного значения давления из-за уменьшения параметра f вследствие уменьшения температуры газа при теплообмене газа с каплями и их испарении. Этот механизм описан в [2].
С точки зрения обоих механизмов завеса должна иметь большую протяженность, причем верхняя ее граница должна быть по возможности близка к срезу сопел, а нижняя - на уровне ГО или еще ниже. Желательны и достаточно большие поперечные размеры. Для получения протяженной по высоте завесы обычно нет необходимости использовать дополнительные распылители: достаточно начать подавать воду из распылителей, расположенных вблизи сопла, за 3-5 с до запуска РД. Оседание капель под действием силы тяжести приведет к созданию завесы требуемой протяженности по высоте.
Расчеты показывают, что заметное влияние на эффективность гашения пусковой ударной волны и пульсационной составляющей ударно волновых нагрузок оказывает дисперсность капель в завесе. Оптимальный диаметр капель по некоторым оценкам может составлять 0,2-0,5 мм (при меньших размерах капли быстро вовлекаются в движение газом, а при больших - уменьшается суммарная площадь их поверхности, определяющая их сопротивление).
Использование СВ, особенно таких, в которых создаются достаточно протяженные завесы, позволяет существенно снизить ударно-волновые нагрузки. По [13], использование СВ в СК РКН Space Shuttle позволяет снизить ударно-волновые нагрузки в два раза. По [2], аналогичные отношения для СК Sea Launch (РКН «Зенит 3SL») составили 1,3-1,4 (в данной СВ вода подавалась в виде сплошной струи без распыла, а патрубки располагались существенно ниже среза сопел); у РКН «Энергия-Буран» на днище РКН имело место снижение ударно-волновых нагрузок в 1,2-2,1 раза, а на элементах «Бурана» - в 1,4-3,2 раза. По [12], для РКН «Ангара» (в вариантах СК на космодроме «Плесецк», строящемся космодроме «Восточный») такое снижение составляет 2-3 раза.
2. Схемы водоподачи
Анализируя существующие и перспективные схемы СВ СК РКН, можно условно выделить четыре основных типа водоподачи.
2.1. Внутриструйная водоподача
Вода через патрубок подводится внутрь струи РД или блока РД (обычно ось выходных элементов патрубков совпадает с осью сопла в его начальном положении). Такие патрубки использовались в СК РКН «Зенит», «Зенит-3SL», «Энергия-Буран», используются в СК РКН «KSLV-1» и «Ангара». В [18] описана конструкция патрубка с распылителем (рис. 3). На рис. 4 показан пусковой стол СК РКН «Ангара». Стрелками показаны патрубки.
а)
б)
_
11 7/Х ^ ^ ^ ^ ЫГ
Рис. 3. Конструкция патрубка внутриструйной водоподачи [18]
Рис. 4. Патрубки в стартовом проеме пускового стола СК РКН «Ангара». Источники: www.khrunichev.ru; https://kosmosnews.fr
Патрубки входят в струи РД (в РКН «Ангара А5» используется пятисопловая компоновка с Х-образным расположением блоков) в нескольких метрах ниже среза. Оси нижних распылителей 5 совпадают с осями струй при начальном положении РКН. На верхней поверхности наклонной части патрубка 3 имеются щели, через которые подается часть воды в виде щелевых струй. Они, с одной стороны, защищают верхнюю и боковые поверхности патрубка от оплавления, с другой - создают ниже по газовой струе плоский след с повышенной концентрацией капельной фазы, который дает существенный эффект снижения тепло-
вого воздействия на ГО. В нижней части патрубка имеется цилиндрический насадок 4, через который вниз подается круглая струя воды, и распылитель с завихри-телем 5, создающий веерную водо-капельную завесу конической формы. СВ запускается до запуска РД, и распылитель формирует под патрубком конусную веерную водо-капельную завесу, которая эффективно гасит ударно-волновые нагрузки, т. е. до запуска РД данная СВ работает в режиме генератора завес.
Обзор экспериментальных исследований внутриструйной СВ приведен в [1]. В [7] описана математическая модель газокапельных течений и приводятся некоторые результаты для натурных условий (с использованием этой же модели получены все расчетные результаты). Сравнение расчетных данных с экспериментальными, полученными на масштабе 1:5, приведено в [6]. На рис. 5 показаны расчетные поля температуры торможения, плотности капельной фазы в плоскости симметрии патрубка и в плоскости, перпендикулярной оси струи керосин-кислородного РД для натурных условий [7] (отношение расхода воды к расходу газа ] = 1,43; 40 % воды подавалось через верхние щели в патрубке, 60 % - через распылитель и цилиндрический насадок).
а)
Тт.М в плоскости симметрии 373 500 800 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 2
Тт, К
А-А
8 а) ю
Яоб.М в плоскости симметрии 0.001 0.01 0.05 0.1 0.2 0.5 1 4 | 40 100 500
IV, м
12 14 16 /, М
рл. кг/м3 А-А
Рис. 5. Натурная газокапельная струя при работе внутриструйной СВ. Течение в плоскости симметрии патрубка: а - температура торможения газа; б - плотность капельной фазы. Голубыми стрелками показаны направления водоподачи (I - из распылителя, II - из щелей). Линиями показаны изолинии числа Маха, векторами - скорости фаз
Расчеты показывают, что длина свободного пробега капель в струе РД в поперечном направлении не превышает 0,1 м, поэтому каплями насыщается только
приосевая часть струи и след патрубка. Газокапельное течение ниже патрубка имеет сложную пространственную структуру [6]. Сверхзвуковая зона течения, имеющая высокую температуру при практически полном отсутствии капельной фазы, в сечении имеет подковообразную форму. Разрыв «подковы» с высокой концентрацией капельной фазы соответствует следу от патрубка. Сравнительные расчеты показывают, что существенное влияние на струйное течение оказывает сам патрубок, который «разрезает» струю по радиусу.
Исследования [6] показывают, что газокапельное течение не вполне устойчиво. Часть капельной фазы выбрасывается из струи через область следа от патрубка в окружающее пространство, причем массовая доля выбрасываемой воды зависит от фазы ударно-волновых структур свободной струи в сечении, в котором струя натекает на патрубок. Если патрубок находится в разгонной зоне (ниже маховского диска), доля выбрасываемой воды существенно выше, чем в случае, когда с ним взаимодействует висячий или падающий скачок.
Крупномасштабные (1:5) эксперименты, выполненные ФГУП КБТМ и расчеты, проведенные в БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова по условиям этих экспериментов [6], свидетельствуют о значительном влиянии ориентации патрубка относительно ГО на параметры теплового и силового нагружения ГО (рис. 6). Если патрубок входит в струю со стороны ГО (рис. 6, а), капельный след от патрубка («разрыв подковы», см. рис. 5) попадает на ГО выше точки пересечения с осью струи, т. е. в район критической точки. В результате по поверхности ГО растекается низкотемпературное течение с высокой концентрацией капельной фазы, а температура не превышает 1500 К и тепловое воздействие практически отсутствует (рис. 6, в). Высокотемпературный газ растекается поверх газокапельного течения и не оказывает воздействия на ГО (подобная картина наблюдалась и в рассмотренном расчете для натурных условий - удельный тепловой поток не превышал 0,15 кВт/см2). Максимальное давление на ГО также незначительно (около 2 кг/см2).
На рис. 6, б, г приведено аналогичное поле течения для случая, когда патрубок подводится со стороны, противоположной ГО. Картина течения противоположна предыдущей: по ГО от критической точки растекается газ с температурой торможения, близкой к температуре торможения на срезе сопла, а капельное течение распространяется поверх и капли не достигают ГО. В этом случае и максимальное давление на ГО несколько превышает 7 кг/см2, а тепловой поток приближается к 1 кВт/см2 (температура торможения на срезе сопла 2800 К), что указывает на неэффективность такого варианта СВ.
Для снижения теплового и силового воздействия на ГО струй блочной компоновки важно, чтобы патрубки ближайших к ГО струй подводились со стороны ГО. В этом случае создаваемый ими газокапельный поток попадает на поверхность ГО и, растекаясь по ГО и дну газоходов, эффективно защищает их от теплового воздействия.
-0,2
Рис. 6. Результаты расчетов для условий крупномасштабных экспериментов 1:5 (/ = 0,7) при двух вариантах расположения патрубка относительно ГО (1, 2); а, б - температура в плоскости симметрии патрубка СВ для вариантов 1, 2; линиями показаны изолинии числа Маха; в, г - удельные тепловые потоки в поверхность ГО для вариантов 1, 2; линиями показаны изолинии избыточного давления. На всех рисунках векторами показаны скорости газа
Таким образом, внутриструйные СВ эффективно снижают тепловое и силовое воздействие на ГО и другие поверхности газохода. При использовании распылителей и включении СВ до запуска РД они также эффективно снижают ударно-волновые нагрузки. Их недостатком является относительно низкая эффективность шумоглушения [1]: наружная часть слоя смешения, являющаяся одним из основных источников акустического излучения, свободна от капель даже ниже патрубка (см. рис. 5, б). Дополнительное увеличение акустического излучения
будет происходить по мере подъема РКН с увеличением расстояния от среза сопла до патрубка (т. е. длины неохлажденной струи, свободно излучающей шум, который может усиливаться в стартовом проеме).
2.2. Внешнеструйная водоподача
Через патрубки, расположенные вне струи РД, подается водяная струя, направленная в сторону струи РД в плоскости, перпендикулярной ее оси (строго по радиусу или с эксцентриситетом), либо под некоторым углом вниз по ходу струи РД. Такие патрубки использовались и используются в зарубежных СК РКН, а также СК РКН «Энергия». Чаще всего патрубки устанавливают на верхнем краю проема пускового стола. Обычно время начала подачи воды выбирается так, чтобы исключить ее прямое воздействие на РКН. На рис. 7 показано развитие водяных струй примерно через 0,7 с после начала подачи воды на СК РКН Atlas. На рис. 8 показана СВ СК Space Shuttle: справа - проем для струи космического челнока, слева - твердотопливных ускорителей (для снижения ударно-волновых нагрузок до запуска проем закрыт брезентовыми рукавами, заполненными водой; рисунок соответствует моменту вскоре после их прорыва).
Рис. 7. СК РКН Atlas через 0,7 с Рис. 8. СК РКН Space Shuttle
после начала подачи воды
На рис. 9 приведены результаты одного из методических расчетов, выполненных в БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова в рамках НИР «Отклик-2012». Рассматривалась натурная струя РД, в которую по радиусу внедрялась водо-ка-пельная струя СВ (отношение расходов у = 2, скорость капель 20 м/с). Расчеты показывают, что, как и в случае внутриструйной СВ, глубина проникновения капель в струю РД в натурных условиях невелика. Капли попадают только в слой смешения; в высокотемпературном и высокоскоростном ядре струи (рис. 9, в, г) они отсутствуют. Несмотря на больший в сравнении с расчетами для внутри-струйной СВ (см. рис. 5) относительный расход воды (у = 2 вместо у = 1,5) значительная часть ГО свободна от капель и испытывает тепловое воздействие, хотя и значительно меньшее, чем при полном отсутствии водоподачи (удельный тепловой поток - до 0,75 кВт/см2). Судя по рис. 9, г, при подаче воды с использованием
одиночной внешней водяной струи значительная часть массы воды оказалась выброшенной из струи и не участвует в гашении теплового и акустического воздействия. Однако при использовании СВ, создающей достаточно большое число водяных струй, воздействующих на струю РД с разных сторон, такой выброс происходить не будет.
X, М X, М X, м
Рис. 9. Расчетные поля течения при взаимодействии струи РД с одиночной водо-капельной струей внешнеструйной СВ: а, б - температура газа и плотность капельной фазы в плоскости симметрии; в-д - плотность капельной фазы соответственно в сечениях А-А, Б-Б и по ГО.
Линиями показаны изолинии числа Маха, векторами - направления скорости газа
Таким образом, внешнеструйная СВ, хотя и позволяет снизить тепловое воздействие на ГО, но по эффективности значительно уступает в этом отношении внутриструйной. Внешнеструйная СВ, расположенная чуть ниже среза сопел РД и запускаемая за несколько секунд до запуска РД, будет эффективно снижать ударно-волновое воздействие. Попадание капель в слой смешения будет эффективно гасить турбулентность, которая, как было отмечено выше, является основным источником акустического воздействия.
Одного уровня внешнеструйной СВ может оказаться недостаточно, поскольку подача воды из патрубков, расположенных ниже среза сопел в начальном положении РКН, эффективно гасит шумоизлучение в газоходе, но не может защитить от шумоизлучения из проема и зоны воздействия струи на нулевую отметку после соответствующего подъема РКН (см. рис. 2). Эти проблемы могут быть решены с использованием внешнеструйной системы, расположенной в районе верхнего края стартового проема (см. рис. 7, 8), однако запуск такой системы одновременно с запуском РД приведет к тому, что на начальном этапе водяные струи будут воздействовать на корпус и сопла РКН, что нежелательно. С этой точки зрения оптимальным решением может быть двухъярусная внешнеструй-ная СВ. Подобные системы реализованы в ряде зарубежных СК РКН. Схема для СК РКН Antares [9] показана на рис. 10. Струи нижнего коллектора снижают ударно-волновые и тепловые нагрузки и шумоизлучение в газоходе, струи верхнего коллектора снижают акустическое излучение из стартового проема и тепловое воздействие. В [9] приводятся расчетные поля температур, из которых следует, что максимальная температура газа в районе перехода от ГО к дну газохода при работе СВ существенно (на 300 К) выше, чем без СВ, и практически равна температуре в камере РД, причем капли в этой зоне отсутствуют. Этот результат (если он подтверждается экспериментально) может свидетельствовать о том, что чрезмерное и равномерное (со всех сторон) насыщение каплями слоя смешения, разрушающее турбулентность, «консервирует» высокотемпературное ядро струи, препятствуя его охлаждению, и непродуктивно с точки зрения теплозащиты.
В СК РКН «Энергия-Буран» [1, 2] использовалась трехъярусная внешнеструй-ная СВ. Первый ярус начинал подавать воду до запуска РД для снижения ударно-волновых нагрузок, второй - включался перед командой на запуск РД боковых блоков, третий - после подъема РКН на 6,6 м.
В некоторых зарубежных СК используется система подачи воды на выходе из газохода (рис. 11). Подаваемая вода снижает шум струи, истекающей из газохода, а также работает в качестве завесы, отражающей и поглощающей уже сгенерированное акустическое излучение (см. рис. 2).
timmt^ij à л »л it.« * t i
Рис. 10. Схема СВ СК РКН Antares
Рис. 11. Водоподача на выходе из газохода СК РКН Atlas
2.3. Пристеночная водоподача
Данный вид СВ предназначен прежде всего для охлаждения поверхностей, подвергающихся прямому воздействию высокотемпературных газовых струй. Вода подается через щели или зазоры в самой охлаждаемой поверхности. Методические исследования, выполненные в БГТУ «Военмех» им. Д. Ф. Устинова в рамках НИР «0тклик-2012», показывают, что подача воды в пятно воздействия на плоской преграде (например, на односкатном ГО) имеет существенно более низкую эффективность, чем внутриструйная или даже внешнеструйная. Это связано с низким скоростным напором воды по сравнению со скоростным напором струи РД и с неустойчивостью течения при натекании газовой струи на плоскую преграду, из которой подается вода.
Как отмечалось выше, эффективность охлаждения обтекаемой преграды во многом зависит от того, можно ли обеспечить попадание капель в район критической точки, которая является локальным или глобальным максимумом давления на преграде. Если отверстие в преграде, через которое подается вода, находится далеко от критической точки (в периферии пятна воздействия струи или вне его), напора воды оказывается недостаточно, чтобы преодолеть отрицательный перепад давления, и капли, даже если их первоначальная скорость была направлена в сторону критической точки, разворачиваются, не долетев до нее. Если отверстие или зазор, из которого подается вода располагается там, где при натекании струи без водоподачи находится критическая точка, в силу указанной неустойчивости происходит перестройка течения и положение критической точки смещается так, что источник водоподачи вновь оказывается в периферии пятна воздействия. Единственный способ добиться эффективного пристеночного охлаждения в этом случае состоит в подаче воды из большого числа относительно близко расположенных отверстий в зоне воздействия, что существенно усложняет конструкцию. Такая схема была реализована в некоторых стендах для отработки РД, в частности при отработке РД 1-й и 2-й ступеней РКН «Сатурн-5».
Пристеночные СВ могут быть весьма эффективны в отношении защиты от теплового воздействия, если вода подается из вершины плоского или пространственного угла, например, вершины двухскатного и в особенности - трехскатного или конического ГО, на который натекает струя РД. В первом случае критическая точка может смещаться только по линии вдоль вершины, и щелевая водоподача либо водоподача из нескольких отверстий, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, позволит обеспечить защиту ГО. Во втором случае положение критической точки фиксировано и совпадает с вершиной трехгранного угла или конуса. Конструктивно вершину двухгранного или трехгранного угла, или конуса целесообразно закрывать сменной накладкой, из-под которой будет подаваться вода. Пока течение симметрично, такая схема позволяет обеспечить растекание капель или (после полного их испарения) сильно охлажденного газа по всей поверхности ГО. При нарушении симметрии (напри-
мер, при раннем повороте сопел РКН) на ГО могут образовываться зоны, испытывающие воздействие горячих газов, однако тепловое воздействие и в этом случае существенно ниже, чем у неохлажденной струи. Пристеночная СВ, подающая воду из вершины многоскатного или конического ГО в зоне воздействия струи РД, в отношении защиты ГО от теплового воздействия не уступает внут-риструйной и существенно эффективнее внешнеструйной. Если ориентировать элементы, из которых подается вода, поперек ГО и запускать СВ до запуска РД, такая система может снижать и ударно-волновые нагрузки, хотя будет уступать в этом отношении другим СВ. Эффективность пристеночной СВ в отношении защиты РКН от акустического воздействия незначительна.
Особым случаем использования пристеночных СВ является защита поверхностей, не испытывающих прямого воздействия струй РД, от теплового излучения струй. Примером является уже упомянутая защита боковых стенок стартового проема в стенд-старте РКН «Энергия».
2.4. Генераторы завес
Генераторами завес будем называть СВ, которые создают водо-капельную завесу (область, в которой плотность капельной фазы соизмерима с плотностью воздуха) вне струй РД. Обычно такая область располагается вблизи поверхности свободной струи РД или струи, растекающейся по какой-либо поверхности СК. Основное назначение таких завес - снижение акустических нагрузок на РКН. Снижение достигается, во-первых, тем, что капли попадают в эжекционное течение воздуха, направленное в сторону струй, и с ним - в слой смешения струй, уменьшая энергию турбулентных пульсаций и скорость газа (в этом отношении работа завесы подобна работе внешнеструйной водоподачи), во-вторых - экранированием и гашением акустических волн в самих завесах. Примерами являются верхние ярусы СВ СК РКН Space Shuttle (рис. 12).
Схемное решение СВ, разработанной в ФГУП КБТМ, описано в патентах [19, 20]. Рассматривается схема СВ с кольцевым патрубком, предназначенным для установки над краем стартового проема. Патрубок создает вертикальные завесы цилиндрической формы, ориентированные вниз (вдоль стенок проема) и вверх (вокруг струи РД после подъема РКН на соответствующую высоту).
Расчеты показывают, что существенным недостатком подобных завес является их низкая стабильность (устойчивость к воздействию течений воздуха или продуктов сгорания). Завесы легко сносятся не только слоем смешения струй РД и растекающихся струй, но даже эжекционным течением воздуха, вызванным струями или низкочастотными пульсациями, связанными с началом воздействия струй на стартовый стол. После установления струйного течения по нулевой отметке капельная фаза, распыляемая генераторами завес, как правило, движется в ту же сторону, куда движется обтекающий ее поток воздуха или газа, и завесы превращаются в капельные следы создающих их распылителей.
Рис. 12. Работа верхнего яруса СВ Space Shuttle: а - в режиме проливки; б - при старте РКН
Основным требованием к завесам с точки зрения их стабильности является большой напор (высокая скорости распыла), позволяющий до некоторой степени «пробивать» эжекционные и пульсационные течения воздуха. С точки зрения отражения или гашения акустического излучения важно, чтобы капли имели достаточно высокую дисперсность (эффективное гашение происходит при диаметрах капель не более 200-300 мкм). Учитывая, что капли малого диаметра имеют малую дальнобойность, одним из перспективных способов создания завес можно считать пневматические распылители.
3. О методах исследования газокапельных течений и определения нагрузок при старте РКН в условиях работы СВ
Решение задач прогнозирования эффективности и рационального выбора схемы и параметров СВ до настоящего времени связано с существенными трудностями. Единственным надежным способом их решения была и остается натурная отработка, однако на практике возможности этого способа ограничены из-за высокой стоимости.
Решить эту задачу методом масштабного моделирования нельзя из-за невозможности одновременного выполнения всех основных критериев подобия, характеризующих газокапельные течения. Для переноса или хотя бы пересчета результатов моделирования на натурные условия необходимо обеспечить идентичность критериев Маха, Струхаля, Рейнольдса (определяемого по диаметру капель), Ве-бера, относительной расходонапряженности, отношения длины пробега капель в струе под действием сил сопротивления к диаметру струи, температуры капель и др. В то же время результаты масштабного моделирования могут использоваться для валидации численных моделей.
Численное моделирование затруднено крайней сложностью задачи: сочетанием весьма больших (размеры газохода) и весьма малых (толщины водяных или водо-капельных струй на выходе из патрубков) масштабов и многообразием процессов разной физической природы, протекающих одновременно и взаимосвязанно (ударно-волновые процессы, турбулентность, взаимодействие струй с преградами, сопровождаемое теплоотдачей, шумообразование по разным механизмам, распыл воды, разрушение водяных струй, ускорение капель в потоке газа, их дробление, прогрев, испарение, столкновения, удары о преграду, оседание в виде пленок и др.).
В большинстве известных работ такие задачи решаются на основе различных моделей динамики многофазных сред, реализуемых в специальных программах, разработанных конкретно для решаемых задач при использовании ряда допущений и упрощений, позволяющих снизить вычислительную трудоемкость получения решения до приемлемой. Однако при использовании таких программ возникает необходимость обоснования корректности сделанных допущений и проверки правильности программной реализации модели. Для этих целей могут использоваться результаты масштабных экспериментов, а также результаты натурной отработки и измерений при пусках существующих РКН.
Рациональной альтернативой специальным программам представляется использование для решения таких задач универсальных, сертифицированных и апробированных пакетов CFD-моделирования, однако практика показывает, что в настоящее время такие попытки часто приводят к затруднениям, преодолеть которые на пользовательском уровне работы с пакетами крайне сложно. По-видимому, решить эти проблемы возможно в рамках совместной работы разработчиков CFD-пакетов и специалистов в области стартовой газодинамики.
Заключение
Применение систем водоподачи было и остается наиболее эффективным способом снижения акустических и ударно-волновых нагрузок на РКН, а также тепловых и силовых нагрузок на элементы СК при старте. Кроме того, системы водоподачи позволяют снизить основные виды нагрузок при стендовой отработке ракетных и реактивных авиационных двигателей.
По-видимому, оптимальным способом снижения тепловых нагрузок на ГО и поверхности газохода является внутриструйная водоподача; в случае использования многоскатных или конических ГО при воздействии струй на вершину эффективна также пристеночная водоподача из-под сменной вершины ГО. Внешнеструйная водоподача в отношении тепловых нагрузок менее эффективна, а пристеночная в случае односкатного ГО малоэффективна либо требует сложной конструкции с большим количеством подающих элементов в поверхности ГО. При любом из вариантов водоподачи важно обеспечить попадание капельной фазы или хотя бы охлажденного газа в область около критической точки на ГО.
Для снижения акустического воздействия на РКН наибольший эффект дает внешнеструйная водоподача; эффективность генераторов завес требует изучения, а внутриструйная водоподача заведомо менее эффективна, чем внешнеструйная. Эффективность СВ в отношении шумоглушения во многом определяется тем, какая доля слоев смешения газовых струй насыщается каплями.
Снижение ударно-волнового воздействия эффективнее всего достигается созданием до запуска РД водо-капельной завесы между срезом сопла (сопел) и ГО. Для этого могут использоваться внешнеструйная водоподача, внутриструйная с распылителем либо специальный генератор завес.
Наиболее рациональным способом исследования и обоснования СВ является численное моделирование на основе моделей динамики многофазных сред, адекватность которого должна быть подтверждена экспериментально.
Библиографический список
1. Газодинамика стартовых комплексов / Г. П. Бирюков, А. Б. Бут, В. А. Хотулев, А. С. Фадеев. - М.: Рестарт, 2012. - 364 с.
2. Газодинамика старта изделий РКТ: руководство для конструкторов. Т. 2, кн. 2.3. Королев: ФГУП «ЦНИИмаш», 2010. - 163 с.
3. Исследование ударно-волновых процессов при старте ракеты-носителя в момент включения ее двигателя с работающей системой водоподачи / Б. Г. Белошенко, А. Б. Бут, А. А. Казаков [и др.] // Космонавтика и ракетостроение. - 2014. - № 4 (77). - С. 55-60.
4. Гусев Р. Ю. Влияние размера капель в потоке воды на ударно-волновые процессы при старте ракеты-носителя с пусковой установки / Р. Ю. Гусев, С. Н. Шипилов // Космонавтика и ракетостроение. - 2017. - № 2 (95). - С. 93-101.
5. Создание эффективных систем водоподачи в стартовых сооружениях для снижения газодинамических нагрузок / А. Б. Бут, А. Г. Гончар, Т. Т. Соколова [и др.] // Космонавтика и ракетостроение. - 2009. - № 4 (57). - С. 11-18.
6. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных о взаимодействии струи с газоотражателем в случае приосевого впрыска воды / О. В. Андреев, В. П. Зюзликов, Б. Е. Синильщиков [и др.] // Космонавтика и ракетостроение. - 2009. - №3 (56). - С. 5-14.
7. Синильщиков Б. Е. Исследование термосилового нагружения газоотражателей стартовых комплексов ракет космического назначения при работе систем водоподачи / Б. Е. Синильщиков, В. Б. Синильщиков // Исследования наукограда. - 2017. - Т. 1. - № 2 (20). - С. 61-71.
8. Газодинамические процессы в газоходе стартового комплекса малого заглубления для ракет космического назначения легкого класса / В. П. Зюзликов, Б. Е. Синильщиков, В. Б. Синильщиков, М. В. Ракитская // Исследования наукограда. - 2017. - Т. 1. - № 4 (22). - С. 166-174.
9. Reduction of the temperature and force impact of supersonic jets of a rocket engine on objects of ground technological equipment / R. Mochonov, A. Sotnichenko, H. Ivanytskyi [et al.] // Journal of Rocket-Space Technology. - 2021. - No. 29 (4). - pp. 12-28. -
URL: https://rocketspace.dp.ua/index.php/rst/article/ view/101/92 (дата обращения: 25.02.2023).
10. Бакулев В. Л. Снижение шума блочной сверхзвуковой струи с возможным догоранием топлива при помощи инжекции воды: специальность 01.02.05 «Механика жидкости, газа и плазмы»: дис. ... канд. физ.-мат. наук. - СПб.: Санкт-Петербургский государственный университет, 2016. - 121 с.
11. Acoustic Fields Generated by Gas-Dynamic Jets of Motors of the Rocket-Launch Vehicles at Launch / A. M. Vorobyov, T. O. Abdurashidov, V. L. Bakulev [et al.] // ActaAstronautica. - 2015. -Vol. 109. - pp. 264-268.
12. Результаты экспериментального определения газодинамических, акустических, ударно-волновых и тепловых нагрузок при старте РКН «Ангара» с различных вариантов стартовых сооружений космодрома «Восточный» с моделированием водоподачи для снижения нагрузок на установках ЦНИИМАШ / Т. О. Абдурашидов, А. Б. Бут, А. А. Казаков [и др.] // XL Академические чтения по космонавтике. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. - С. 226.
13. Абдурашидов Т. О. Системы подачи воды для снижения акустических и газодинамических нагрузок при старте ракет космического назначения. Ч. 1. Системы подачи воды на
стартовых комплексах / Т. О. Абдурашидов, А. Б. Бут, А. В. Сафронов, Я. Н. Советников // Космонавтика и ракетостроение. - 2019. - № 6 (111). - С. 90-100.
14. Абдурашидов Т. О. Системы подачи воды для снижения акустических и газодинамических нагрузок при старте ракет космического назначения. Ч. 2. Экспериментальные исследования систем подачи воды / Т. О. Абдурашидов, А. Б. Бут, А. В. Сафрнов, Я. Н. Советников // Космонавтика и ракетостроение. - 2020. - № 1 (112). - С. 47-58.
15. Development of Modeling Capabilities for Launch Pad Acoustics and Ignition Transient Environment Prediction / J. West, L. Strutzenberg, G. Putnam [et al.] // 18th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Colorado Springs, CO, June 4-6, 2012; United States 33rd AIAA Aeroacoustics Conference, Colorado Springs, CO, June 4-6, 2012. -
URL: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20120015223/downloads/20120015223.pdf (дата обращения: 25.02.2023).
16. Hao Zou. Reseach on the reduction of rocket motor jet noise by water injection / Hao Zou, Yi Hua Xu, Yu Lin Li // MATEC Web of Conferences MMME, 2016. - URL: https://www. matecconferences.org/articles/matecconf/pdf/2016/26/matecconf_mmme2016_01023.pdf (дата обращения: 25.02.2023).
17. Chenglong Xing. Numerical study on jet noise suppression with water injection during one-nozzle launch vehicle lift-off / Chenglong Xing, Guigao Le, Hanyu Deng // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. - 2022. - Vol. 16. - Iss. 1. - Рр. 1173-1194. - URL: https:// www.tandfonline.com/doi/epdf/10.1080/19942060.2022.2072953?needAccess=true&role=button (дата обращения: 25.02.2023).
18. Патент № 2314234C2 РФ. Устройство для охлаждения газовой струи ракетного двигателя / А. Б. Бут, Т. Т. Соколова, Л. А. Шилов, В. М. Юрин. - Заявл. 25.01.2006. - Опубл. 10.01.2008.
19. Патент № 2320884C2 РФ. Устройство подачи воды для снижения акустического воздействия на ракету-носитель и охлаждения газовой струи ракетного двигателя / А. Б. Бут, Т. Т. Соколова, Л. А. Шилов, В. М. Юрин. - Заявл. 17.04.2006. - Опубл. 27.03.2008.
20. Патент № 2320883C2 РФ. Способ снижения акустического воздействия на ракету-носитель при старте / А. Б. Бут, Т. Т. Соколова, Л. А. Шилов, В. М. Юрин. - Заявл. 17.04.2006. -Опубл. 27.03.2008.
21. Технологические объекты наземной инфраструктуры ракетно-космической техники: Инженерное пособие. Кн. 1 / под ред. И. В. Бармина. - М.: Полиграфикс РПК, 2005. - 416 с.
22. Антонов А. Н. Пульсации давления при струйных и отрывных течениях / А. Н. Антонов, В. М.Купцов, В. В. Комаров. - М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.
23. Синильщиков Б. Е. Использование модели Г. Н. Абрамовича для учета влияния частиц на турбулентность при прикладных численных расчетах сверхзвуковых струйных течений / Б. Е. Синильщиков, В. Б. Синильщиков, О. В. Андреев // Материалы VII Международной конференции по неравновесным процессам в соплах и струях (NPNJ-2008), 24-31 мая 2008, Алушта. - М.: Изд-во МАИ, 2008. - С. 376-378.
Дата поступления: 10.03.2023 Решение о публикации: 21.03.2023
Контактная информация:
ЗЮЗЛИКОВ Валерий Петрович - канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), zuyzl01@ gmail .com.
СИНИЛЬЩИКОВ Борис Евгеньевич - канд. техн. наук, старший научный сотрудник (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), vbsin@mail.ru
СИНИЛЬЩИКОВ Валерий Борисович - канд. техн. наук, доцент, инженер-механик (Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, Российская Федерация, 190005, Санкт-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1), vbsin@mail.ru
АБДУРАШИДОВ Темирлан Олегович - заместитель начальника отдела (Филиал АО «ЦЭНКИ» -«НИИ СК», Российская Федерация, 129110, Москва, ул. Щепкина, д. 42), rocket37@yandex.ru
БУТ Анатолий Борисович - старший преподаватель (Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Российская Федерация, 125080, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4), anatoly boot@mail.ru
References
1. Biryukov G. P., But A. B., Khotulev V. A., Fadeev A. S. Gazodinamika startovyh kompleksov [Gas Dynamics of Launching Complexes]. Moscow: Restart, 2012, 364 p. (In Russian)
2. Gazodinamika starta izdelij RKT: rukovodstvo dlya konstruktorov. T. 2, kn. 2.3 [Gas Dynamics of Rocket Space Vehicles Launching: Design Manual. Vol. 2, book 2.3]. Korolev: FSUE TsNIIMash, 2010, 163 p. (In Russian)
3. Beloshenko B. G., But A. B., Kazakov A. A. [et al.]. Issledovanie udarno-volnovyh processov pri starte rakety-nositelya v moment vklyucheniya eyo dvigatelya s rabotayushhej sistemoj vodopo-dachi [Investigation of Shock-Wave Processes at a Launch Vehicle Liftoff on the Switchon Moment of its Engine with a Running Water Supply System]. Cosmonautics and Rocket Engineering. 2014. No. 4 (77), pp. 55-60. (In Russian)
4. Gusev R. Yu. Shipilov S. N. Vliyanie razmera kapel' v potoke vody na udarno-volnovye pro-cessy pri starte rakety-nositelya s puskovoj ustanovki [A gas-water flow drop size influence to non-stationary gasdynamic processes during rocket ignition with a launch pad]. Cosmonautics and Rocket Engineering. 2017. No. 2 (95), pp. 93-101. (In Russian)
5. But A. B., Gonchar A. G., Sokolova T. T. [et al.]. Sozdanie effektivnyh sistem vodopodachi v startovyh sooruzheniyah dlya snizheniya gazodinamicheskih nagruzok [Development of efficient water supply systems for gasdynamic load reduction at launch facilities]. Cosmonautics and Rocket Engineering. 2009. No. 4 (57), pp. 11-18. (In Russian)
6. Andreev O. V., Zyuzlikov V. P., Sinilshchikov B. E. [et al.]. Sopostavlenie raschetnyh i ekspe-rimental'nyh dannyh o vzaimodejstvii strui s gazootrazhatelem v sluchae priosevogo vpryska vody [Comparison of design and test data on jet interaction with exhaust deflector in case of paraxial water injection]. Cosmonautics and rocket engineering. 2009. No. 3 (56), pp. 5-14. (In Russian)
7. Sinilshchikov B. E., Sinilshchikov V. B. Issledovanie termosilovogo nagruzheniya gazootra-zhatelej startovyh kompleksov raket kosmicheskogo naznacheniya pri rabote sistem vodopodachi [Study of Thermal Force Loading of Gas Deflectors of Space Missile Launch Complexes during Operation of Water Supply Systems]. Research of Science City. 2017. Vol. 1. No. 2 (20), pp. 61-71. (In Russian)
8. Zyuzlikov V. P., Sinilshchikov B. E., Sinilshchikov V. B., Rakitskaya M. V. Gazodinamiches-kie processy v gazohode startovogo kompleksa malogo zaglubleniya dlya raket kosmicheskogo naznacheniya legkogo klassa [Gas-dynamic processes in gas pipe of small-depth launch complex for light-class space rockets]. Research in Science City. 2017. Vol. 1. No. 4 (22), pp. 166-174. (In Russian)
9. Mochonov R., Sotnichenko A., Ivanytskyi H. [et al.]. Reduction of the temperature and force impact of supersonic jets of a rocket engine on ob-jects of ground technological equipment. Journal of Rocket-Space Technology. 2021. No. 29 (4), pp. 12-28.
URL: https://rocketspace.dp.ua/index.php/rst/article/ view/101/92 (accessed: February 25, 2023).
10. Bakulev V. L. Snizhenie shuma blochnoj sverxzvukovoj strui s vozmozhnym dogoraniem topliva pri pomoshchi inzhekcii vody: special'nost' 01.02.05 "Mekhanika zhidkosti, gaza i plazmy": diss. kand. fiz.-mat. nauk [Noise reduction of block supersonic jet with possible afterburning of fuel by means of water injection: speciality 01.02.05 "Mechanics of Liquid, Gas and Plasma": Ph. PhD in Physics and Mathematics]. Saint Petersburg: St. Petersburg State University, 2016, 121 p. (In Russian)
11. Vorobyov A. M., Abdurashidov T. O., Bakulev V. L. [et al.]. Acoustic Fields Generated by Gas-Dynamic Jets of Motors of the Rocket-Launch Vehicles at Launch. ActaAstronautica. 2015. Vol. 109, pp. 264-268.
12. Abdurashidov T. O., But A. B., Kazakov A. A. [et al.]. Rezul'taty eksperimental'nogo opre-deleniya gazodinamicheskih, akusticheskih, udarno-volnovyh i teplovyh nagruzok pri starte RKN "Angara" s razlichnyh variantov startovyh sooruzhenij kosmodroma "Vostochnyj" s modelirovaniem vodopodachi dlya snizheniya nagruzok na ustanovkah CzNIIMASh [Results of experimental determination of gas-dynamic, acoustic, shock-wave and thermal loads during Angara launch from different variants of launch platforms of Vos-tochny Cosmodrome with modeling of water supply for load reduction at TSNIIMASH installa-tions] // XL Academic readings in cosmo-nautics. Moscow: Moscow State Technical University named after N. E. Bauman, 2015, pp. 226. (In Russian)
13. Abdurashidov T. O., But A. B., Safronov A. V., Sovetnikov Y. N. Sistemy podachi vody dlya snizheniya akusticheskih i gazodinamicheskih nagruzok pri starte raket kosmicheskogo naznache-niya. Ch. 1. Sistemy podachi vody na startovyh kompleksah [The water sound suppression system to reduce acoustic and gas-dynamic loads during rocket launch. Part 1. Water sound suppression systems at the launch complexes]. Cosmonautics and Rocket Engineering. 2019, No. 6 (111), pp. 90-100. (In Russian)
14. Abdurashidov T. O., But A. B., Safronov A. V., Sovetnikov Y. N. Sistemy podachi vody dlya snizheniya akusticheskih i gazodinamicheskih nagruzok pri starte raket kosmicheskogo naznache-niya. Ch. 2. Eksperimental'nye issledovaniya sistem podachi vody [The water sound suppression system to reduce acoustic and gas-dynamic loads during rocket launch. Part 2. Experimental study of the water systems]. Cosmonautics and Rocket Engineering. 2020. No. 1 (112), pp. 47-58. (In Russian)
15. West J., Strutzenberg L., Putnam G., Liever P., Williams B. Development of Modeling Capabilities for Launch Pad Acoustics and Ignition Transient Environment Prediction // 18th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Colorado Springs, CO, June 4-6, 2012; United States 33rd AIAA Aeroa-coustics Conference, Colorado Springs, CO, June 4-6, 2012.
URL: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20120015223/downloads/20120015223.pdf (accessed: February 25, 2023).
16. Hao Zou, Yi Hua Xu, Yu Lin Li. Reseach on the reduction of rocket motor jet noise by water injection. MATEC Web of Conferences MMME, 2016. URL: https://www. matecconferences.org/ articles/matecconf/pdf/2016/26/matecconf_mmme2016_01023.pdf (accessed: February 25, 2023).
17. Chenglong Xing, Guigao Le, Hanyu Deng. Numerical study on jet noise suppression with water injection during one-nozzle launch vehicle lift-off. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2022. Vol. 16. Iss. 1, pp. 1173-1194. URL: https://www.tandfonline.com/doi/epdf/ 10.1080/19942060.2022.2072953?needAccess=true&role=button (accessed: February 25, 2023).
18. But A. B., Sokolova T. T., Shilov L. A., Yurin V. M. Patent No. 2314234C2 RF. Ustrojstvo dlya ohlazhdeniya gazovoj strui raketnogo dvigatelya [Patent No. 2314234C2 RF. A device to cool a gas-jet of a rocket engine]. Appl. 25.01.2006. Publ. 10.01.2008. (In Russian)
19. But A. B., Sokolova T. T., Shilov L. A., Jurin V. M. Patent No. 2320884C2 RF. Ustrojstvo podachi vody dlya snizheniya akusticheskogo vozdejstviya na raketu-nositel' i ohlazhdeniya gazovoj
strui raketnogo dvigatelya [Patent No. 2320884C2 RF. A device to cool a gas-jet of a rocket engine]. Appl. 17.04.2006. Publ. 27.03.2008. (In Russian)
20. But A. B., Sokolova T. T., Shilov L. A. , Yurin V. M. Patent No. 2320883C2 RF. Sposob snizheniya akusticheskogo vozdejstviya na raketu-nositel' pri starte [Patent No. 2320883C2 RF. Method of acoustic impact decrease on launch vehicle at the launch]. Appl. 17.04.2006. Publ. 27.03.2008. (In Russian)
21. Tehnologicheskie ob'ekty nazemnoj infrastruktury raketno-kosmicheskoj tehniki: Inzhe-nernoe posobie. Kn. 1 / pod red. I. V. Barmina [Technological objects of the ground infra-structure of space-rocket engineering: Engineering manual. Series 1 / ed. by I. V. Barmin]. Moscow: Poly-graphics RPC, 2005, 416 p. (In Russian)
22. Antonov A. N., Kuptsov V. M., Komarov V. V. Pul'sacii davleniya pri strujnyh i otryvnyh techeniyah [Pressure pulsations at the jet and tearing flows]. Moscow: Mashinostroenie, 1990, 272 p. (In Russian)
23. Sinilshchikov B. E., Sinilshchikov V. B., Andreev O. V. Ispol'zovanie modeli G. N. Abramo-vicha dlya ucheta vliyaniya chasticz na turbulentnost' pri prikladnyh chislennyh raschetah sverhzvu-kovyh strujnyh techenij [The use of the model of G. N. Abramovich for taking into account the influence of the particles on turbu-lence in the applied numerical calculations of the supersonic jet flows]. Materials of VII International Conference on Nonequilibrium Processes in Nozzles and Jets (NPNJ-2008), May 24-31, 2008, Alushta. Moscow: MAI Publishing House, 2008, pp. 376-378. (In Russian)
Date of receipt: March 10, 2023 Publication decision: March 21, 2023
Contact information:
Valery P. ZYUZLIKOV - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Senior Researcher (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), zuyzl01@gmail.com
Boris E. SINILSHCHIKOV - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), vbsin@mail.ru
Valery B. SINILSHCHIKOV - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (Baltic State Technical University "VOENMEH", Russian Federation, 190005, Saint Petersburg, 1st Krasnoarmeyskaya ul., 1), vbsin@mail.ru
Temirlan O. ABDURASHIDOV - Deputy Head of Department (Branch of Centre for Ground-Based Space Infrastructure Facilities Operation, Launch Complexes Research Institute named after V. P. Barmin., Russian Federation, 129110, Moscow, Schepkina ul., 42), rocket37@yandex.ru
Anatoly B. BUT - Senior Lecturer (Moscow Aviation Institute (National Research University), Russian Federation, 125080, Moscow, Volokolamskoe shosse, 4), anatoly boot@mail.ru
