Особенности расчета рабочего процесса газогенераторов пиротехнических систем Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Shamin Mihail Stepanovich, deputy chief of section, kbkedr@,tula. net, Russia, Tula, Instrument Design Bureau,

Nikulina Olga Aleksandrovna, chief of sector, kbkedr@,tula.net, Russia, Tula, Instrument Design Bureau

УДК 621.45.02

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА

ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

М.В. Арсентьева, А. А. Митин, А.Н. Шабалин

Рассмотрены вопросы моделирования внутрибаллистических процессов в двигателях пиротехнических средств защиты летательных аппаратов. Представлены результаты расчета рабочего процесса в газогенераторе с использованием предлагаемой методики.

Ключевые слова: газогенератор, внутренняя баллистика, моделирование.

Появление высокоточных образцов вооружения с тепловыми головками самонаведения (ГСН), предназначенных для поражения летательных аппаратов (ЛА), привело к необходимости разработки современных средств защиты ЛА. Одним из наиболее эффективных средств индивидуальной защиты самолетов и вертолетов от атак ракет с тепловыми ГСН являются пиротехнические ложные цели, отстреливаемые с борта ЛА, при этом объект защиты должен совершить противоракетный маневр [1, 2].

Пиротехнические изделия применяются также в других областях промышленности в качестве вышибных установок для имитации динамических нагрузок, газогенерирующих установок для систем управления, для привода турбин электрогенераторов и насосных агрегатов, наддува полостей с подвижной границей.

Основным элементом пиротехнического изделия является газогенератор, обеспечивающий требуемый закон изменения расхода газа во времени, который может быть достаточно сложным. При проектировании изделий указанного класса упрощение конструкции, выполняющей одновременно функции выработки рабочего тела реактивного двигателя, генерирования аэрозоля и распыления его в пространстве, достигается усложнением формы и состава заряда. Поэтому в двигателях пиротехнических снарядов применяются топливные элементы (ТЭ) нестандартной формы с изменяющейся поверхностью горения, реализуемой с помощью глухих конических каналов, рифлей и т.п., а также составные заряды из топлив с разной скоростью горения. Математическое описание изменения поверхности горения таких зарядов согласно геометрической гипотезе горения с использованием коэффициентов формы неприемлемо.

44

Для расчета рабочего процесса в газогенераторах пиротехнических изделий с зарядами сложной формы разработан программно-методический комплекс, который предоставляет следующие возможности:

- использование до четырех топливных элементов различной формы из различных составов, в том числе со сложной геометрией (с помощью задания графика изменения поверхности горения от толщины сгоревшего слоя £(е));

- выбор составов из имеющейся базы данных, что позволяет сократить время задания их характеристик;

- добавление нового состава в базу данных;

- задание одновременно до трех воспламенительных составов;

- удобство сохранения исходных данных и результатов расчета в текстовый файл.

С целью подтверждения возможностей разработанного программного продукта проведен расчет рабочего процесса для газогенератора со сложной формой топливного заряда (рис. 1), состоящего из 10 шашек с боковыми продольными рифлями и топливного элемента, горящего по торцу.

1 2 3 4

Рис. 1. Схема газогенератора: 1 - распределительная решетка; 2 - корпус;

3 - заряд торцевого горения; 4 - многошашечный заряд

Так как ТЭ в данном газогенераторе имеет сложную форму, то сначала определялась зависимость S(e), для чего начальная геометрия заряда, созданная в программе AutoCAD, импортировалась в программу редактирования геометрии, в которой из заданного контура формировалась расчетная сетка.

Динамика изменения размеров топливного элемента, полученная с помощью программы S(e)2d, представлена на рис. 2. На рис. 3 приведена зависимость изменения суммарной поверхности горения данного топливного элемента от толщины сгоревшего слоя.

г = 0,015 с

г = 0,07 с

г = 0,1 с

г = 0,15 с

г = 0,22 с

Рис. 2. Изменение размеров многошашечного заряда с боковыми продольными рифлями в процессе горения в поперечном сечении

Б, плл2

0,35 40,3 А-

0,25 -40,2 40,15 -40,1

0,05 \

0 - е, мал

О 20 40 60 80 100

Рис. 3. График изменения поверхности горения

С помощью разработанной программы внутренней баллистики газогенераторов пиротехнических средств защиты получена зависимость изменения давления в камере двигательной установки, представленная на рис. 4.

Максимальное давление в камере составило примерно 1,5 МПа (15 кг/см2),

а время сгорания топливного элемента с рифлями - примерно 0,27 с, при этом после его сгорания давление падает практически до атмосферного, а ТЭ торцевого горения догорает при этом давлении.

мл2

Рис. 4. График изменения давления во времени

Тестирование программного продукта и сопоставление результатов натурного и вычислительного экспериментов показало, что необходимо провести уточнение используемой математической модели рабочего процесса в газогенераторах для воспламенительного периода, а именно ввести условие неодновременности воспламенения ТЭ, а также предусмотреть возможность продолжения горения заряда при пониженных давлениях [3].

Список литературы

1. Брыксин С.В., Поляков Е.П., Вагонов С.Н. Состояние и перспективы пиротехнических средств защиты летательных аппаратов от высокоточного оружия // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып.12. Ч. 2. С. 199 - 204.

2. Судаков К.М., Вагонов С.Н., Поляков Е.П. Состояние и перспективы развития аэрозольных средств защиты объектов ВВСТ // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып.12. Ч. 2. С. 204 - 208.

3. Арсентьева М.В., Никитин В.А., Хромов А.С. Исследование рабочего процесса газогенераторов пиротехнических систем // Современные проблемы пиротехники: материалы VI Всероссийской научно-технической конференции. Сергиев Посад. 11-12 ноября 2015 г. Сергиев Посад: Издательский Дом «Весь Сергиев Посад», 2016. С.98 - 102.

Арсентьева Марина Владимировна, канд. техн. наук., доц., тси^ IОРа/таИ.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Митин Алексей Алексеевич, инженер, niiph@,niiph.ru, Россия, Московская обл., Сергиев Посад, АО ««ФНПЦ ««НИИ прикладной химии»,

Шабалин Александр Николаевич, инженер, niiph@,niiph. ru, Россия, Московская обл., Сергиев Посад, АО «ФНПЦ ««НИИ прикладной химии»

FEA TURES OF THE CALCULA TION OF WORKING PROCESS OF GAS GENERATORS PYROTECHNIC SYSTEMS

M. V. Arsentieva, A.A. Mitin, A.N. Shabalin

Questions of simulation of the intra ballistic processes in engines pyrotechnics protection of aircraft are considered. The results of the calculation of the working process in the gas generator using the proposed methodology are given.

Key words: gas generator, internal ballistics, modeling.

Arsentieva Marina Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, mars_100@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Mitin Aleksey Alekseevich, engineer, niiph@,niiph.ru, Russia, Moscow region, Sergiev Posad, JSC «FSPC «Scientific research Institute of applied chemistry»,

Shabalin, Aleksandr Nikolaevich, engineer, niiph@,niiph. ru, Russia, Moscow region, Sergiev Posad, JSC «FSPC «Scientific research Institute of applied chemistry»