CC BY
42
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1
УДК 629.7
ОСОБЕННОСТИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЖРД
И. В. Пекарская, К. Ф. Голиковская
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: golikovskaya@mail.sibsau.ru
Рассматриваются причины возникновения нестационарных режимов работы и методы обеспечения устойчивой работы ЖРД.
Ключевые слова: ЖРД, нестационарные режимы, колебания, динамические процессы. FEATURES OF NONSTATIONARY MODES OF OPERATION OF ROCKET ENGINES
I. V. Pekarskaya, K. F. Golikovskаyа
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: golikovskaya@mail.sibsau.ru
Discusses the causes of the non-stationary modes and methods ensure stable operation of the LRE.
Keywords: LRE, unsteady, fluctuating, dynamic process.
Жидкостный ракетный двигатель является самым сложным звеном замкнутой колебательной системы, образуемой ракетой с ЖРД. Динамические процессы в ЖРД являются сложным предметом теоретических и экспериментальных исследований.
При разработке любого жидкостного ракетного двигателя большие трудности создает возникновение неустойчивости рабочих процессов в агрегатах двигателя, сопровождаемое самопроизвольными неуправляемыми колебаниями параметров (давления, скорости, температуры газа и жидкости и др.). Неустойчивый режим работы двигателя характеризуется участком развития колебательного процесса и участком самоподдерживающихся нелинейных периодических колебаний примерно постоянной амплитуды [1].
Неустойчивость существенным образом нарушает работу двигателя и летательного аппарата в целом, так как ей сопутствуют весьма вредные явления: сильные вибрации, механические повреждения частей двигателя или вспомогательных систем, термические разрушения (выгорание, оплавление) внутренних стенок камеры вследствие возрастания тепловых потоков, возникновение нестабильности тяги и расхода топлива. Если колебания параметров, определяющих рабочий процесс, не вызывают разрушения отдельных агрегатов двигателя, то они могут стать причиной ненормальной работы, некоторых систем и агрегатов ЖРД и, в частности, его системы регулирования, т. е. снижают надежность работы двигателя. При неустойчивом режиме работы колебательными системами являются газообразные или жидкие вещества, заполняющие объемы агрегатов двигателя (камера, газогенератор, газоводы, топливные магистрали и др.) [2].
Различают низкочастотные (от нуля до 50Гц) и высокочастотные (от 200 Гц до килогерц) динамические процессы ЖРД, причем их влияние на ракету и двигатель различно. Подобное деление позволяет использовать при исследовании для каждого диапазона частот свои упрощения и методы решения.
Колебания низкой частоты имеют длину волны, значительно превосходящую размеры камеры сгорания, поэтому считают, что изменение давления в разных частях камеры происходит практически одновременно. Причиной возникновения данных колебаний является результат
Секция «Двигателии энергетические установки летательньш и космических аппаратов»
взаимодействия колебания давлений в камере сгорания с подачей топлива в камеру либо с процессом горения компонентов топлива.
При колебаниях высокой частоты длина волны соизмерима с размерами камеры сгорания, поэтому изменение давления в разных частях камеры происходит в соответствии с распространением волны давления по всему объему камеры, что соответствует акустическим колебаниям. Высокочастотные колебания реализуются в стенках камеры сгорания и в смесительной головке.
Анализ устойчивости процессов в агрегатах двигателя необходим для определения нормальной работы ракеты. Если рабочий процесс двигателя неустойчив и колебания давления в камере сгорания возникают независимо от продольных колебаний корпуса ракеты, то двигатель служит источником вынужденных колебаний корпуса ракеты и ее отдельных агрегатов. Если рабочий процесс двигателя устойчив, то двигатель является источником энергии в замкнутой системе, состоящей из корпуса ракеты, топливных магистралей и двигателя. Поскольку двигательная установка простого типа, состоящая только из основных агрегатов, может устойчиво работать с допустимыми отклонениями лишь в небольшом диапазоне режимов и внешних возмущений, то для поддержания требуемого режима работы в дополнение к основным агрегатам и постоянным элементам настройки в ЖРД вводятся различные автоматические регуляторы, задачей которых является поддержание заданного режима двигателя [3].
Анализ устойчивости динамических процессов в агрегатах двигателя проводят с помощью соответствующих уравнений, дифференциальных или алгебраических, связывающих входную и выходную координаты звена - величины, характеризующие физические процессы в двигателе. С применением численных или аналитических методов можно получить зависимость поведения решения уравнений (изменения параметров рабочего процесса) от действия возмущающих факторов.
Библиографические ссылки
1. Добровольский М. В. Жидкостные ракетные двигатели. Основы проектирования. М. : Машиностроение, 2006. 496 с.
2. Колесников К. С. Динамика ракет : учебник для вузов. 2-е изд., исп. и доп. М. : Машиностроение, 2003. 520 с.
3. Ларионов В. М., Зарипов Р. Г. Автоколебания газа в установках с горением. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2003. 227 с.
© Пекарская И. В., Голиковская К. Ф., 2017
