CC BY
31
Платонов Антон Александрович, аспирант, platona@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шмидт Евгений Александрович, аспирант, smidt@list.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
POWER INFLUENCE OF THE JET ON A GAS DYNAMIC MOLDOVER DURING REALIZATION OF VARIOUS ANGLES
V.A. Dunaev, O.A. Kornev, A.A. Platonov, E.A. Shmidt
The effect of a jet of combustion products on a gas-dynamic bump with different angles of deflection is considered. A comparison with known analytical relationships is presented.
Key words: Start gas dynamics, recoil force, gas-dynamic bump stop.
Dunaev Valeriy Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, dwa@mail.ru, Russia, Tula Tula State University,
Kornev Oleg Anatol'yevich, candidate of technical sciences, lead research engineer, kornevolegtula@yandex. ru, Russia, Tula, JSC «KBP named after Academician A. Shipunov»,
Platonov Anton Aleksandrovich, postgraduate, platona@,mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Schmidt Evgeny Aleksandrovich, postgraduate, smidt@list.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 533.7
ВЛИЯНИЕ КОРМОВОГО СУЖЕНИЯ ПУСКОВОГО КОНТЕЙНЕРА НА УСИЛИЕ ОТДАЧИ ПРИ СТАРТЕ РАКЕТ
В. А. Дунаев, О. А. Корнев, А. А. Платонов, Е.А. Шмидт
Рассматривается воздействие струи продуктов сгорания на элементы механизма удержания пускового контейнера в процессе старта изделия. Исследуется влияние степени кормового сужения пускового контейнера на приведенное усилие отдачи.
Ключевые слова: газовая динамика старта, усилие отдачи, течение в контейнере.
При проектировании ракетных комплексов с целью обеспечения безопасного и надежного старта необходимо знать закономерности аэрогазодинамических процессов, возникающих при взаимодействии струи ракетного двигателя с элементами пусковой установки (ПУ). Такие процессы являются характерными для комплексов различного типа: носимых, возимых, самоходных, корабельных, шахтных и пр. Достаточно подробное
430
изучение процессов, сопутствующих старту, вызвано существенным силовым и тепловым воздействием образующихся течений на элементы пусковых установок и ракеты. Это воздействие входит в число основных факторов, варьированием которых решается задача оптимизации при выборе конструктивных характеристик ракетных комплексов в целом и стартовых комплексов в частности [1].
Одной из особенностей ракетного старта является течение продуктов сгорания по пусковому контейнеру (ПК). Для данного течения характерно увеличение давления в пристенном слое (обжатие струи) за счет отражения скачков, что может приводить к «наддуву» ПК. При движении изделия по ПК с работающим двигателем, могут возникать силы различной природы:
- сила трения продуктов сгорания о стенки;
- сила механического трения, контактирующих с ТПК элементов УР (бугеля, центрирующие утолщения, ножи для закрутки и врезания);
- газодинамическая сила, обусловленная воздействием струи на элементы механизма удержания (заплечики, уступы и т.д.).
Силы трения действуют против движения УР («в откат») и являются составляющими результирующего силового воздействия на пусковую установку.
Особого внимания при проектировании требует выбор формы сужения (заплечиков) в районе заднего фланца ПК (рис. 1), определяемый особенностями механизма удержания. При определенном соотношении проходных сечений в заснарядном объёме происходит запирание потока, которое при рассмотрении перемещения изделия и принятии ударно-волновой структуры струи может чередоваться с участками сверхзвукового течения.
Рис. 1. Расчетная схема для определения усилия отдачи
Уровень силового воздействия на заплечики с углом раствора 90° можно оценить по соотношениям для давления за прямым скачком.
Л2
Р^, = Р
1 -—Л2 к+1 к
1-
к-1 к +1
1
_ = Р / (л) Л к-! = 0 / (1/Л ) ,
л
к У
где рконт - статическое давление в контейнере, определяемое по газодинамическим функциям Рконт = Р0р(Л ); Р0 - полное давление в камере двигателя; Лк - приведенная скорость продуктов сгорания в контейнере; / (Л) - газодинамическая функция;
2
/ (Л)=(1 + 1 (1 - £ 1)
1
к -1 2 )к-1 _ Р + ру2
Р0
Сила давления, соответственно определяется как:
(в 2 - в 2)
. \ конт_запл ) .
(в 2 - В 2
Г _р ТТ— конт_запл
запл конт 4 ^
При принятии допущения о адиабатическом стационарном движении сжимаемого газа вдоль линии тока приведенная скорость в контейнере определяется по графику газодинамической функции д(Лк).
0,8 -1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1
р 0,6 ^ 0,4 ^ 0,2 0
0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1
Б 2/Б 2
запл 'конт
Рис. 2. Изменение приведенного усилия, действующего на заплечики, в зависимости от соотношения проходных сечений (степень нерасчетности сопла в стационарных условиях работы
двигателя N = Ра / Рн = 1,7)
На рис. 2 представлена изменение приведенного усилия гзапл / ятяги, действующего на заплечики, в зависимости от соотношения проходных сечений бзапл / бконт=бзапл2 / б конт2 при использовании описанных соотношений. В данном случае используется значение тяги я при работе двигателя в стационарных условиях (без контейнера).
На рис. 3 представлены результаты моделирования в соответствии с представленной расчетной схемой.
В соответствии с результатами моделирования при реализации соотношения проходных сечений взапл2 / в конт < 0,65 течение в объёме контейнера (среднее по сечению) становится дозвуковым, что приводит к росту давления. Аналитические же соотношения справедливо для сверхзвукового течения в объёме контейнера. Данное обстоятельство необходимо учитывать при проектировании соответствующих узлов.
При перекрытии заплечиками более 40 % проточной площади контейнера наблюдается рост тяги двигателя за счет увеличения степени под-жатия при условии отсутствия утечек между сопловым блоком и внутренней поверхностью контейнера. На следующем рисунке наглядно проиллюстрирован данный эффект.
Для оценки режима течения продуктов сгорания в объёме контейнера, связанного с ударно-волновой структурой струи, проводилось численное моделирование процесса в стационарной постановке для
432
различных расстояний между срезом сопла и заплечиками (рис. 5). Исследования подтвердили наличие пульсаций давления в объёме контейнера.
а
■ 20.00
■ 18.59
■ 17.17
■ 15.76
■ 14.34
■ 12.93
■ 11.51
■ 10.10
■ 8.69
■ 7.27
■ 3.03
| 0.20 . Давление (кд0стА2)
б
0.20
Давление [кдСстя2)
в
Рис. 3. Распределение полей давления для различных проходных сечений: а - Взапл2 /Бконт2 = 0,8; б - Взапл2 /Бконт2 = 0,67;
в - Взапл2 / Бконт2 = 0,53
1,5
^ 1 Рн
0,5
0 " -о
0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1
D 2/0 2
запл ' конт
---Бзапл (аналитика) -о-Бзаил (моделирование)
—*— Тяга двигателя в контейнере
Рис. 4. Влияние соотношения проходных сечений на изменение приведенного усилия отдачи и тяги двигательной установки
в контейнере (Ь = 3Ба)
433
2
а
0,2 3,0 5,9 8,7 11,514,3 17,2 20 кгс/см2
в
д
е
Рис. 5. Распределение давления в продольном сечении контейнера для различных расстояний при Dзапл2 / Dконт2 = 0,67: а - L = 0,05 Da; б - L = 0,26 Da; в - L = 1,32 Da; г - L = 1,6 Da; д - L = 1,84 Da; е - L = 4 Da
г
Для формирования качественного представления о процессах, происходящих в объёме пускового контейнера во время пуска, было рассмотрено движение изделия по контейнеру в нестационарной постановке для различных соотношений проходных сечений (рис. 6).
Для заданной степени нерасчетности струи (и = 1,7) основное влияние ударно-волновой структуры проявляется на участке длинной до 10 Ба, при этом амплитуда колебаний силовой нагрузки с увеличением проходной площади (по заплечикам) увеличивается. Также в этом случае наблюдается прогрессивный рост данной нагрузки. При уменьшении проходной площади течение становится дозвуковым и амплитуда колебаний существенно уменьшается.
и £
е0,4
с
§0. Рн'
=0,61
0
0 5 10 15 L/Da 20
Рис. 6. Изменение приведенного усилия, действующего на заплечики в функции перемещения изделия (нестационарная постановка)
б
Рис. 7. Распределение полей параметров в продольном сечении контейнера при применение многосопловых блоков (Взапл2/Вконт2 = 0,67)
а - давление; б - число Маха
Для снижения описанных колебаний целесообразно применение многосопловых стартовых двигателей (рис. 7), которые позволяют также снизить среднеинтегральные уровни избыточного давления на стартовой позициии во время пуска. Для многосопловых двигателей по сравнению с двигателями, имеющими центральное сопло, характерно снижение длины ударно-волнового участка струи (при равенстве эквивалентного диаметра
критического сечения), что, соответсенно, и определяет снижение колебаний усилия отдачи. В данном случае необходимо проводить оценку взаимного влияния струй в условиях течения в пусковой трубе.
В результате проведенных исследований определено влияние кормового сужения ПК на уровни силового воздействия.
Список литературы
1. Белицкий В. Д., Бельков В.Н., Карпеченко А.Г., Келекеев Р.В., Ланшаков В. Л. Исследование воздействия сверхзвуковых неизобарических струй на наклонные преграды. Омский научный вестник, 2004. № 3(28) С.97 - 101.
2. Дунаев В.А., Корнев О.А., Шмидт Е.А. Корректировка модели турбулентности для расчета неизобарических струй // Науч.-техн. конф. «Фундаментальные основы баллистического проектирования - 2014». СПб, 2014.
3. Сухинов А. А. Математическое моделирование процессов переноса примесей в жидкостях и пористых средах. Диссертация на соискание степени к.т.н. М., 2009.
4. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. М.: Наука, 1982. 391 с.
Дунаев Валерий Александрович, д-р техн. наук, профессор, dwa@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Корнев Олег Анатольевич, канд. техн. наук, ведущий инженер-исследователь, kornevolegtula@yandex.ru, Россия, Тула, АО «Конструкторское бюро приборостроения им. академика А. Г. Шипунова»,
Платонов Антон Александрович, аспирант, platona@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Шмидт Евгений Александрович, аспирант, smidt@list.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INFLUENCE OF FAST CONNECTION OF THE STARTING CONTAINER ON THE EFFORT OF RETURNING AT THE RACKET START
V.A. Dunaev, O.A. Kornev, A.A. Platonov, E.A. Shmidt
The effect of the jet of combustion products on the elements of the mechanism for holding the launch container in the process of starting the product is considered. The influence of the degree of the feed constriction of the launch container on the reduced recoil force is investigated.
Key words: start gas dynamics, recoil force, flow in a container.
Dunaev Valeriy Aleksandrovich, doctor of technical sciences, professor, dwa@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
436
Kornev Oleg Anatol'yevich, candidate of technical sciences, lead research engineer, kornevolegtula@yandex.ru, Russia, Tula, JSC «KBP named after Academician A.Shipunov»,
Platonov Anton Aleksandrovich, postgraduate, platonaamail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Schmidt Evgeny Aleksandrovich, postgraduate, smidla list.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 623.467
ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ РЕАКТИВНОЙ СТРУИ РАКЕТЫ НА ОПТИЧЕСКИЙ БЛОК ПУСКОВОЙ УСТАНОВКИ
Н.С. Колобаев, Ю.А. Кривицкая
Проведена оценка влияния струи продуктов сгорания на оптический блок пусковой установки при функционировании стартового двигателя противотанковой ракеты. С помощью численного моделирования в программных комплексах FloEFD и SolidWorks Simulation получены результаты газодинамического и прочностного расчетов. Определены пути доработки, исключающие возможные дефекты в работе блока.
Ключевые слова: оптический блок (ОБ), стартовый двигатель (СД), избыточное давление (ИД).
Начало работы СД противотанковой ракеты сопровождается скачкообразным и высокоинтенсивным изменением параметров в области стартовой позиции. В результате те блоки, которые находятся в зоне истечения продуктов сгорания подвергаются существенному газодинамическому влиянию.
Крышка прибора ОБ (рис. 1, б) была спроектирована без проведения расчетов воздействующих на нее газодинамических сил и без расчета ее прочности. В результате, избыточную прочность имеет пластина крышки (запас прочности п ~ 24). Проушина рамки на корпусе прибора и ось имеют недостаточную прочность.
С целью обеспечения стойкости ОБ и его надежного функционирования было проведено численное моделирование воздействия газовой струи на его корпус, стекла и крышки. Схема моделирования представлена на рис. 1, а. Начальные условия: pнач = 1 атм, Гнач = + 60 °С, угол установки транспортно-пускового контейнера (ТПК) 12,5°.
Далее на рис. 2 - 4 приведены результаты моделирования в виде полей распределения параметров в сечениях струи и по поверхности ОБ и его крышек.
